作者简介｜PROFILE
田颖琳，德国波茨坦气候影响研究所（Potsdam Institute for Climate Impact Research, PIK）博士后，2024年博士毕业于清华大学水利系（师从王光谦教授、钟德钰教授），获工学博士学位，同年获清华大学优秀博士论文、北京市优秀毕业生，2018年本科毕业于武汉大学水利系，获工学学士学位。
主要研究方向：博士期间主要基于地表能量平衡方程研究全球范围的热浪物理形成机制，并结合Brutsaert向下长波辐射分解、拉格朗日轨迹追踪、PCMCI因果网络分析等方法，选取青藏高原、北极及欧洲三个典型区域，对不同类型的热浪开展区域尺度归因研究；博士期间曾访问德国马克斯普朗克生物地球化学研究所和德国亥姆霍兹环境研究所。访问期间参与Axel Kleidon博士和Sarosh Alam Ghausi博士关于热动力学最大功率理论的研究；进入博后阶段，进一步运用可解释机器学习（Explainable Machine Learning）研究新兴热浪种类的非线性耦合物理过程，如破记录热浪（record-breaking heatwave）的非线性地气耦合交互过程等，并关注第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）及单一模型多集合（SMILE）气候模型对上述非线性耦合过程的模拟能力。未来，拟以上述物理及统计方法为基础，扩展研究干旱、降水等其他极端天气事件。
联系方式：yinglin.tian@pik-potsdam.de / tianyl1897@gmail.com
引文链接｜CITATION
Tian Y., A. Kleidon, C.. Lesk, S. Zhou, X. Luo, S. A. Ghausi, G. Wang, D. Zhong, J. Zscheischler. Characterizing heatwaves based on land surface energy budget. Commun Earth Environ 5, 617 (2024).
https://doi.org/10.1038/s43247-024-01784-y
关键词｜KEYWORDS
热浪形成机制；地表能量平衡方程；热浪影响；聚类
摘要｜ABSTRACT
随着全球变暖，热浪变得更加频繁、强烈且持续时间更长，对生态系统、粮食生产、基础设施和人类健康产生了广泛影响。地表通过吸收太阳辐射和大气向下辐射（即大气温室效应）获得热量，而通过辐射散热和湍流通量将热量传递到大气中进行冷却。因此，可以通过地表能量收支各项的变化来理解热浪发生期间的温度变化。本研究通过聚类热浪发生过程中的地表能量收支中不同项的异常值，识别出四种主要的热浪类型，成果可应用于针对性提高热浪预测及防控能力。
图1. 四种热浪的空间分布及地表能量失衡特征
图2. 四种热浪对生态系统固碳能力和人类健康的影响
根据热浪的成因机制，其可分为四种类型：
1.暴晒-湿润型（占热浪日的38%）：受高太阳辐射驱动，但蒸发的调节作用可以防止气温进一步攀升。这种热浪主要发生在高纬度和热带地区。
2.暴晒-干旱型（占热浪日的26%）：特点是晴朗无云、高太阳辐射以及土壤水短缺。这种热浪常见于亚热带地区，对农业和生态系统的影响尤为严重，尤其在全球农耕地区，可降低净生态系统碳交换（NEE）约0.09 gCm-2。
3.平流型（占热浪日的18%）：由大气中的水平热量输送引发，同时伴有向下长波辐射增多。由于气温和湿度同时上升，增加了中暑风险，对人体健康影响最显著。
4.绝热型（占热浪日的18%）：由高空气流下沉并加热导致，常出现在山区和极端干旱地区。由于空气的下降运动，气团温度随绝热加热升高，热量在地表积聚，进一步放大了温室效应。
图3. 四种热浪频率的历史变化趋势
从2000年到2020年，全球67%的陆地区域经历了暴晒-干旱型热浪的倍增，特别是在半干旱地区。此外， 27%的陆地区域在2000年后第一次经历平流型热浪。
图4. 四种热浪的占比、地理分布、物理机制和影响总结
总结：在全球变暖的背景下，热浪将成为影响生态系统、粮食生产和人类健康的关键挑战之一。理解热浪的类型和成因，将有助于政府和科研机构更精准地预测和应对未来的气候风险。本文通过对热浪分类的详细研究，强调了理解不同类型热浪的成因对于改进气候模型和制定应对策略的重要性。
相关推荐｜RECOMMENDATIONS
[1] Kornhuber K., S Bartusek, R Seager, HJ Schellnhuber, M Ting. Global emergence of regional heatwave hotspots outpaces climate model projections. (in press with PNAS, see preprint at https://doi.org/10.31223/X5N111)
[2] Domeisen, D.I.V., Eltahir, E.A.B., Fischer, E.M. et al. Prediction and projection of heatwaves. Nat Rev Earth Environ 4, 36–50 (2023). https://doi.org/10.1038/s43017-022-00371-z
[3] Fischer, E.M., Sippel, S. & Knutti, R. Increasing probability of record-shattering climate extremes. Nat. Clim. Chang. 11, 689–695 (2021). https://doi.org/10.1038/s41558-021-01092-9
撰稿: 田颖琳 | 编辑: 祖涛 | 校稿: Hydro90编委团
