《Atmospheric Research》：Quantifying the role of large-scale circulation in North China heatwaves under global warming
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北中国2023年夏季连续热浪的形成机制研究表明，高空强波动与中纬度反气旋系统共同导致冷空气平流与局地垂直结构耦合，引发降水后干绝热加热强化热浪。全球变暖通过增强热力学反馈使极端热浪强度提升1.6倍，凸显气候变化背景下大气环流异常与热浪加剧的关联性。
孙英晓|马千荣|于浩轩|徐志奇|吴浩|吴琼|朱志伟|于月月
国家气候系统预测与风险管理重点实验室/教育部气象灾害重点实验室/南京信息科学大学气象灾害预报与评估协同创新中心，中国南京210044
摘要
2023年6月至7月，中国北方地区连续遭遇热浪。这些事件属于一个重复出现的序列，在此序列中，热浪受到阶段性降水的干扰和增强。高振幅的准静止罗斯贝波模式创造了有利的大尺度条件，支持了该地区西部中层大气反气旋系统的形成。这种模式促进了冷空气的平流，结合当地的垂直结构，使得每次热浪发生前都有降水。随后的绝热加热进一步增强了这一系列热浪。然而，仅靠这种环流模式无法完全解释2023年热浪的严重程度。全球变暖使得环流-热力学相互作用显著增强。根据基于类比的方法，在当前气候条件下（1993–2023年），2023年热浪期间的温度异常比过去（1961–1992年）高0.53°C，高出1.6倍。这种增强反映了在较温暖的气候中更强的热力学反馈，从而在类似的环流配置下放大了绝热加热效应。我们的研究强调了全球变暖在放大大尺度环流异常效应方面的关键作用，这些异常通过增强的热力学相互作用更有效地引发了极端热浪。
引言
随着全球变暖的加剧，热浪成为对人类健康和农业生产力的最紧迫威胁之一（Bastos等人，2014年；Mukherjee等人，2021年；Robine等人，2007年）。Mora等人（2017年）指出，全球超过30%的人口已经暴露在热浪中，面临严重的健康风险。近几十年来，北半球中纬度地区极端热浪的频率不断增加，例如2003年的欧洲热浪、2010年的俄罗斯热浪、2021年的北美热浪以及2023年中国北方地区的热浪（Barriopedro等人，2011年；Bartusek等人，2022年；Qian等人，2024b年；Sch?r等人，2004年）。几乎所有这些事件都引发了随后的干旱和野火，导致数千人死亡和数亿美元的经济损失（Ciais等人，2005年；Galarneau等人，2012年；Hao等人，2023年）。
中国北方地区（东经110°–120°，北纬35°–44°）是中国变暖最快的地区之一，其变暖速度超过了全国平均水平（Wang等人，2019年；Wu等人，2021年）。近年来，该地区热浪的频率和强度不断增加，对粮食安全、能源系统和公共卫生产生了重大影响（Campbell等人，2018年；Liang等人，2025年；Liu等人，2024年）。观测记录还显示，自20世纪80年代以来，中国北方地区热浪的持续时间显著增加，平均每十年增加约2.73天（Li和Amatus，2020年；Liu等人，2021年）。作为一个人口密集的中纬度地区和中国主要的小麦生产区，中国北方地区特别容易受到这些变化的影响。例如，在2018年的极端热浪事件中，该地区部分地区的最高温度异常超过了6°C（Zhang等人，2022年）。社会经济影响也非常显著：据估计，夏季温度每升高1°C，北京的工作时间就会减少0.57%（Li等人，2016年）。因此，在持续的气候变暖背景下，危及生命的热浪概率也在增加，这引发了对该地区宜居性下降的担忧（Kang和Eltahir，2018年）。这些不断上升的风险凸显了更好地理解全球变暖如何影响中国北方地区热浪的频率、强度和潜在动力机制的紧迫性。
各种局部和远程环流在驱动热浪中起着核心作用（Domeisen等人，2022年；Rousi等人，2022年；Sun等人，2024年；Wang等人，2017年）。这些环流模式通常以其持续性和稳定性为特征，包括西太平洋副热带高压（WPSH）、欧洲大气阻塞和中纬度罗斯贝波等系统（Jiménez-Esteve等人，2022年；Kornhuber等人，2019年；Lin和Yuan，2022年）。最新研究进一步表明，这些环流系统可以协同作用来塑造热浪（Fang和Lu，2024年；Wang等人，2012年；Zhou等人，2024年）。Wang等人（2025年）证明，这些模式的综合效应常常导致明显的反气旋异常。这些异常促进了持续的暖空气平流、由于下沉作用引起的绝热加热以及由于云层减少而增强的地表辐射加热（Cao等人，2022年；Zhou等人，2023a）。
除了大气环流的变化外，全球变暖也对热浪产生了重大影响（Rahmstorf和Coumou，2011年；Wang等人，2023年）。2023年，全球平均温度相对于工业化前基准值上升了约1.45°C（Min，2024年）。在这一异常温暖的年份，中国北方地区在6月和7月经历了五次不同的极端热浪，每次热浪的强度和持续时间都不同（图1d）。该地区的年最高温度（
数据集
本研究使用了由中国气象局国家气象信息中心提供的每日
中国北方地区极端热浪的大尺度过程
图1a显示，2023年6月至7月，亚洲中纬度地区的温度异常偏高，尤其是在北纬35°以北地区，正异常最为显著。在这种广泛的升温背景下，中国北方地区经历了一次异常强烈且罕见的热浪，多个站点的最高温度异常达到了5°C，特别是在北京、天津和河北省北部（图1b）。2023年的年最高温度创下了历史新高
讨论与结论
本研究调查了2023年6月和7月中国北方地区发生的极端热浪，全面分析了季节内的大气动力学，并定量评估了全球变暖通过特定动力过程的贡献。结果表明，6月的上层大气中的高振幅罗斯贝波模式（波7）和7月的罗斯贝波模式（波6）共同增强了中国北方地区西部（北纬30°–50°）的中层大气正位势高度异常。
CRediT作者贡献声明
孙英晓：撰写——初稿，调查，正式分析。马千荣：监督，方法论，正式分析。于浩轩：调查，数据管理。徐志奇：调查，资金获取。吴浩：验证，资金获取。吴琼：数据管理。朱志伟：监督，资金获取。于月月：监督。
资助
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U2342208、42205040）、气象能力提升联合研究项目（项目编号：24NLTSQ020）以及国家气候系统预测与风险管理重点实验室开放基金（项目编号：CPRM202611）的支持。
利益冲突声明
我们荣幸地将题为“量化全球变暖下中国北方地区热浪中的大尺度环流作用”的手稿提交给ATMOSPHERIC RESEARCH杂志，希望作为原创文章发表。本手稿在提交过程中不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，此前尚未发表。
致谢
我们衷心感谢中国国家气象信息中心（NMIC）提供的气温观测数据集。
