题目：The 2022 record-high heat waves over southwestern Europe and their underlying mechanism
期刊：Weather and Climate Extremes
01 研究背景
近年来，由于全球气候变暖的影响，极端事件发生概率及气候变率发生变化，全球范围内热浪（HWs）的强度和频率也不断增强，而其中2022年热浪尤为突出。该年欧洲地区受到前所未有的热浪的严重影响，造成了约61672人的死亡。
Kim（2024）等人研究了西南欧地区（SWEU）的HWs机制，以探究典型HWs和2022年发生的极端HWs之间的差异。结果表明，2022年SWEU事件与对流层低层由于高压异常而形成的强热穹顶密切相关。同时，对流层上层的异常大气阻塞与墨西哥湾海温的升高之间存在关联，其在推动西南欧地区极端HWs的形成中发挥着至关重要的作用。
02 研究区域与方法
2.1 研究数据
本文使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的1979-2022年37层1°×1°ERA5再分析日数据来计算和分析西南欧地区HWs及其上空的大气环流模式，并利用每小时2-m气温数据计算日最高温（TMX）及日最低温（TMN）。此外，为了验证研究结果，本文还使用了社区地球系统模式（CESM）中社区大气模式（CAM5）的30层1.9°×2.5°气候模拟试验数据。
2.2 热力学能量方程的收支
本文根据热力学能量方程和残差项计算大气显热及非绝热加热（Q1），其方程如下：
式中T，V，ω和p分别为气温、水平风、垂直速度和气压，而该方程中的常数p0和cp分别是参考气压（1000 hPa）和恒压干燥空气的比热（1004 Jkg-1K-1）。由方程可知，局地变化项受水平平流项、绝热项和非绝热加热项的共同控制。接着为求解Q1，将方程转化为残差形式可得：
2.3 波活动通量
本文计算了波活动通量（WAF）以分析罗斯贝波能在大气中的传播，并基于WAF深入了解驱动大规模气候变化的机制。采用Takaya和Nakamura（2001）提出的方法，以如下方程计算三维 WAF：
式中 p 和 a 分别为地球的气压和平均半径。ψʹ、φ和λ分别代表流函数异常、纬度和经度，U为基本流。
03 主要发现
3.1 SWEU-HWs事件特征
初夏（6月和7月）SWEU日平均TMX的气候平均值和标准差较高，分别为25.64℃和3.48℃（图1a），且SWEU区域2022年TMX异常值超过了第90百分位，这表明当HW发生时，其为极端HW的概率至少为10%（图1b），而SWEU区域较高的平均TMX年际变率则表明SWEU区域TMX呈现为稳定增长的趋势（图1c）。
图1 SWEU-HWs的气候特征。（a）1979-2022年6月至7月（JJ）TMX气候平均值（填色）和标准差（等值线）。（b）2022年JJ TMX异常模式，黑色矩形区域为SWEU区域，阴影区域为大于第95百分位数的区域。（c）图b中黑色矩形区域SAT、TMX及TMN异常的时间序列。
典型SWEU-HWs事件的环流模式表明这些事件与对流层上层的罗斯贝波模式相关（图2a-c）。起源于上游地区并穿过北美西部和冰岛的大气环流模式有利于正压高压异常的形成，并进一步促进欧洲HWs的发展（图2a-c）。相比之下，2022年HW期间的大气环流特征则与典型的SWEU-HWs模式有着显著差异（图2b-d）。在2022年SWEU-HW期间，对流层上部形成了从北美洲延伸到欧洲大陆的大范围高压异常，而且北美和西南欧地区从地表到对流层上层存在显著的增温。
图2 2022年SWEU-HW与过去典型SWEU-HW之间的差异。（a）、（c）典型SWEU-HW的位势高度（GPH；填色；单位：m）、WAF（矢量；单位：m2/s2）和气温（TMP；紫线；单位：℃）的水平及垂直复合图，（a）中蓝色实线代表罗斯贝波路径，打点区域表示在99%水平下统计学显著。（b）、（d）与（a）、（c）相同但为2022年SWEU-HW，（b）中白色阴影区域为研究期间GPH大于第95百分位数的区域。
3.2 2022年SWEU-HWs的物理机制
本文将连续5天以上温度高于TMX第95百分位数的两个时期分别记为P1（6月10日至19日）和P2（7月9日至19日）。从气候学角度看，P1和P2期间，西南欧地区气温受冷平流影响，并与绝热和非绝热加热相平衡；而在2022年热浪期间，由于西南欧地区高压异常的强烈下沉作用，绝热加热增强并与水平温度平流和非绝热加热相平衡。虽然这两个时期对流层低层气温的升高都源于异常暖平流和高压异常引起的绝热加热作用，但温度升高的主要原因有所不同：P1期间温度升高主要由水平平流驱动，而P2期间则是受到绝热加热作用的影响（表1）。
表1 P1和P2时期的热力学能量收支，在对流层低层（1000-850hPa）上积分，单位为K/天。气候平均值（CLIM）显示在括号内，代表涵盖P1和P2的整个研究周期的平均值
接着，本文分析了西南欧地区的地表能量收支和异常模式，以进一步研究P1和P2期间地表温度升高的机理（表2及图3）。在这两个时期，由于来自海洋的冷平流较气候态减弱，而来自非洲大陆的暖平流较气候态增强，导致对流层低层气温上升（图3a、b）。在 P1期间，西南欧地区比湿增加，增强了对流层低层的向下长波辐射（DLW），从而导致气温上升。同时，比湿增加还通过水蒸气的正反馈进一步促进了温度升高。相比之下，P2期间大气湿度没有明显增加，而干燥炎热的大气条件和强烈的反气旋异常直接影响了热穹顶的强度和持续时间，从而导致了极端高温天气（图3c、d）。
表2 P1和P2时期的地表能量收支，单位为W/m2，正值和负值分别表示向下和向上的能量通量，括号内为气候平均值（CLIM）。
图3 西南欧地区风场、气温及水汽异常模式。（a）、（b）850hPa P1和P2时段的风场（向量；单位：ms−1）和气温（填色；单位：℃）异常模式，（a）和（b）中的白色矢量代表气候平均风矢量。（c）、（d）P1和P2期间1000-500hPa积分的水汽通量（颜色向量；单位：kg m−1 s−1）和比湿（阴影；单位：g/kg）异常模式。蓝色矩形区域为SWEU地区。
最后，本文通过CESM研究了2022年6月至7月大气对北大西洋（NA）墨西哥湾异常温暖海温（SST）的响应差异，并进一步分析了墨西哥湾海温对2022年SWEU-HW的影响。当NA-SST增强时，由于海温影响，SWEU地区的阻塞反气旋在对流层上部和下部迅速发展，而对流层上层的异常大气阻塞则是促使P1和P2时期极端HWs形成的主要原因（图4）。因此，墨西哥湾异常温暖的海温在推动西南欧地区极端HWs的形成方面发挥着至关重要的作用。
图4 NA（黑色矩形）海温增加的模型响应。（a）250hPa层GPH（单位：m）的空间分布，（b）GPH （填色；单位：m）、气温（TMP；紫色等值线）的垂直剖面图，阴影区域表示在90%水平下统计学显著的区域。
04 主要结论
（1）2022年SWEU事件与6月9日至18日和7月8日至19日期间对流层低层因高压异常而形成的强热穹顶密切相关。
（2）对流层高层异常的大气阻塞与墨西哥湾海表温度（SST）的异常增暖密切相关，这种升温促成了有利于2022年西南欧极端热浪的大气环流模式。与以往由地中海海温异常引发的热浪相比，2022年的热浪机制具有显著差异。
05 引发思考
全球变暖对极端天气事件（如热浪）的频率、强度和持续时间等均有着显著影响，而大气阻塞和海洋表面温度异常在驱动极端天气事件形成的过程中起着重要作用，故我们需要进一步研究它们之间的相互作用。此外，我们只有更深入地理解热浪的物理过程和机制，才能更好地预测和应对未来的极端天气事件。
编者注
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原文出处
Jeong-Hun Kim, So-Hyun Nam, Maeng-Ki Kim, Roberto Serrano-Notivoli, Ernesto Tejedor,The 2022 record-high heat waves over southwestern Europe and their underlying mechanism,Weather and Climate Extremes, 2024, 46, 100729. https://doi.org/10.1016/j.wace.2024.100729.
参考文献
Takaya, K., Nakamura, H., A formulation of a phase-independent wave-activity flux for stationary and migratory quasigeostrophic eddies on a zonally varying basic flow. J.Atmos.Sci., 2001, 58, 608-627. https://doi.org/10.1175/1520-0469(2001)058<0608:AFOAPI>2.0.CO;2.
文字来源：王建军
图片来源：https://www.sciencedirect.com
编辑：王建军
审核：谷天顺 刘恺
