中国南方白天、夜间以及复合热浪的不同机制和亚季节性预测：季节内振荡的作用

《Atmospheric Research》：Distinct mechanisms and sub-seasonal prediction of daytime, nighttime, and compound heatwaves in southern China: The role of intra-seasonal oscillations

本研究分析1999-2022年华南地区三类热浪的ISO影响机制，发现热带ISO主导夜间热浪的云湿条件，极地ISO驱动白天热浪的高压系统，复合型热浪因热带与极地ISO耦合而预测技能更优。

　　

王凯琪|张团团|杨松|刘飞|王薇薇|林文世|徐连连|罗彦恒|薛海阳

中山大学大气科学学院，暨南海洋科学与工程广东实验室（珠海），中国珠海519082

摘要

不同类型的热浪与不同的物理过程相关；然而，季节内振荡（ISO）模式对日间、夜间和复合热浪的变化性及亚季节性预测的影响仍不够明确。本研究识别了1999–2022年间中国南方三种类型热浪的潜在机制及其亚季节性预测的主要来源。结果表明，中国南方的日间热浪主要由温带ISO引起的反气旋环流驱动，导致高温干燥的条件；夜间热浪则主要受热带ISO影响，在中国南方东南部形成异常反气旋，伴随的南风将过多水分输送到该地区，形成多云湿润的条件，从而促进夜间热浪的发生。对NCEP气候预报系统第2版和欧洲中期天气预报中心的预测结果评估表明，日间和夜间热浪的可靠预报很少能超过两周的时间范围。相比之下，复合热浪表现出更强的地表温度，并与热带和温带ISO有更紧密的联系，因此其亚季节性预测能力优于其他两种热浪类型。我们的研究强调了季节内振荡（尤其是热带起源的振荡）在区域热浪亚季节性预测中的重要作用。

引言

在全球变暖的背景下，热浪的频率、强度和持续时间在许多地区迅速增加，对农业生产、社会经济系统和人类健康造成了严重压力（Robinson, 2001; Meehl and Tebaldi, 2004; Robine et al., 2008; Gasparrini and Armstrong, 2011; Perkins and Alexander, 2013; Sun et al., 2014; You et al., 2017）。统计数据显示，近几十年来，热浪导致的死亡人数始终在气候极端事件中名列前茅（Bell et al., 2018）。气候预测表明，热浪的频率和严重程度将持续上升（Chen and Li, 2017; Li et al., 2017; Wang et al., 2020）。了解其潜在机制并提高热浪发生的预测能力对于灾害准备和气候适应至关重要。

先前研究已经确定了不同类型热浪（日间、夜间和复合热浪）的独特机制（Chen and Lu, 2014; Lu and Chen, 2016; Luo et al., 2022; Luo et al., 2025; Wu et al., 2023）。通常，日间热浪由持续的反气旋环流驱动，导致干燥和晴朗的天气，从而增强地表对短波辐射的吸收，使日间温度升高（Della-Marta et al., 2007; Dole et al., 2011; Schubert et al., 2011; Trenberth and Fasullo, 2012; Lau and Kim, 2012; Gao et al., 2018b）。引发热浪的高压系统的驱动因素复杂且因地区而异（Loikith and Broccoli, 2012; Ding et al., 2010; Luo and Lau, 2017; Pfahl et al., 2015; Qian et al., 2024）。夜间热浪通常表现为湿润多云的天气，这增强了向下长波辐射，使夜间温度持续升高（Meehl and Tebaldi, 2004; Li et al., 2017; Thomas et al., 2020）。Chen and Lu (2014)指出，北京炎热夜晚的发生主要归因于中国东部的水分向北输送。复合热浪是指日间和夜间热浪同时发生，结合了这两种类型的特征，通常由导致云量减少的高压系统驱动，并伴随着水汽输送的增加（Hong et al., 2018; Li et al., 2020; Li et al., 2021; Luo et al., 2025）。尽管已经阐明了三种类型热浪的机制，但对其预测能力和来源的系统性比较仍不足。

亚季节性预测有助于填补天气预报和气候预测之间的空白，为改进风险管理提供了重要机会（Vitart et al., 2017; Vitart and Robertson, 2018）。多项研究表明，低频振荡（包括北方夏季季节内振荡（BSISO）/Madden-Julian振荡（MJO）和10–30天的准双周振荡（QBWO）是亚季节性热浪可预测性的重要来源（Pegion and Sardeshmukh, 2011; Waliser et al., 2003; Xie et al., 2020; Yang et al., 2018; Wang et al., 2025）。例如，长江流域热浪强度和持续时间的亚季节性预测能力在很大程度上取决于模型捕捉季节内变异性的能力（Qi and Yang, 2019; Xie et al., 2020）。Hsu et al. (2020)指出，中国东北部热浪的亚季节性预测显著受到模型模拟MJO能力的影响。在西部太平洋暖池区域更好地再现MJO强度的模型往往在1–4周的预测时效内表现出更高的预测能力（Hsu et al., 2020）。然而，季节内振荡及其相位依赖的大气异常如何不同地影响各种类型的热浪及其预测尚不完全清楚。

中国南方是一个热浪频繁且强度高的热点地区，由于气候温度高和城市化程度高，其脆弱性日益增加（Chen and Li, 2017; Gao et al., 2018a, Gao et al., 2018b; You et al., 2017）。季节内振荡（如MJO/BSISO和QBWO）在该地区调节天气和气候变异性（包括区域热浪）中起着重要作用（Krishnamurti and Ardanuy, 1980; Annamalai and Slingo, 2001; Jia and Yang, 2013; Matsueda and Takaya, 2015; Diao et al., 2018; Dong et al., 2020; Gao et al., 2020; Wang et al., 2025）。先前的研究表明，不同的季节内振荡及其不同相位在中国南方热浪的不同阶段具有不同的影响（Chen et al., 2016, Chen et al., 2018; Zheng et al., 2022; Huang et al., 2025; Wang et al., 2025）。最近，Li et al. (2024)揭示了10–30天的热带和中高纬度季节内振荡对中国南方湿润热浪快速增加的综合影响。这些系统驱动大气环流的变化，调节区域绝热加热和水分通量输送（Jiang et al., 2004; Mao and Chan, 2005; Lee et al., 2013; Oh and Ha, 2015; Fang et al., 2017; Wang et al., 2018），可能在调节中国南方不同类型的热浪中发挥独特而未被探索的作用。

基于这些前提，本研究旨在探讨中国南方日间、夜间和复合热浪的独特物理机制及其亚季节性预测，重点关注热带和温带季节内振荡的具体作用。本文的其余部分安排如下：第2节描述了数据集和方法；第3节介绍了三种类型热浪的独特特征；第4节阐述了季节内振荡的作用；第5节描述了季节内振荡对不同类型热浪亚季节性预测的影响；第6节提供了主要发现及其进一步讨论的总结。

数据

每日最高（Tmax）和最低（Tmin）2米温度数据来自CN05.1数据集，该数据集的水平分辨率为0.25° × 0.25°，基于1961–2022年间中国2400多个气象站的每日观测数据构建（Wu and Gao, 2013）。本研究根据CN05.1数据选择了日间、夜间和复合热浪事件。CN05.1数据已在气候变化检测和极端事件研究中得到广泛验证和应用。

三种类型热浪的独特特征

图1显示了1999–2022年MJJAS期间中国南方日间、夜间和复合热浪的频率和趋势。日间热浪主要集中在中国南方北部，区域平均频率为每年1.8天（图1a）。近年来夜间热浪的发生也较为有限，区域平均频率为2.4天（图1b）。相比之下，复合热浪的发生最为频繁。

季节内振荡的作用

先前的研究表明，季节内振荡可以在中国南方引发不同的反气旋和气旋环流，从而影响热浪的发生（Chen et al., 2016, Chen et al., 2018）。为了研究季节内振荡（10–60天）对三种类型热浪发生的贡献，我们首先分析了日间、夜间和夜间Tmax和Tmin异常中可归因于季节内成分的比例。

季节内振荡对不同类型热浪亚季节性预测的影响

季节内振荡对日间、夜间和复合热浪亚季节性预测的影响程度尚未得到充分研究。本节评估了NCEP CFSv2和ECMWF模型在中国南方预测这三种类型热浪的能力，并探讨了季节内振荡的作用。

图7显示了来自NCEP CFSv2和ECMWF的不同预报时效的热浪预测的HSS和EDI。

结论与讨论

作为人口最密集且对气候敏感的地区之一，中国南方近年来受到频繁热浪的影响日益加剧，尤其是复合热浪。了解这些事件的物理机制和预测能力来源，以及它们与其他类型热浪的差异，对于改进区域热浪预报至关重要。本研究探讨了热带和温带季节内振荡对不同类型热浪的独特影响。

CRediT作者贡献声明

王凯琪：撰写——初稿、可视化、软件、正式分析。张团团：撰写——审阅与编辑、正式分析、概念化。杨松：撰写——审阅与编辑、正式分析。刘飞：撰写——审阅与编辑、正式分析。王薇薇：撰写——审阅与编辑、正式分析。林文世：撰写——审阅与编辑、正式分析。徐连连：撰写——审阅与编辑、正式分析、概念化。罗彦恒：正式分析。薛海阳：

利益冲突声明

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了广东省基础与应用基础研究重大项目（2020B0301030004）、暨南海洋科学与工程广东实验室（珠海）（SML2024SP012）、广东省基础与应用基础研究基金（2024B1515250004, 2023A1515240064）、国家自然科学基金（42371028）以及广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室（2023B1212060019）的共同支持。