全球变暖背景下热穹顶型环流对北美热浪的影响增强

极端天气气候事件如热浪、强降水、干旱等能够给社会、经济和人民生命财产安全造成威胁。2021年6月底至7月初，一场强劲的热浪席卷北美西海岸，造成部分地区温度相比于常年同期高出了16-20℃。“热穹顶”是此次高温中的关键大气环流，热穹顶是指高层大气热高压在一定时间内停滞不动，高压像罩子一样把热空气盖在热浪发生区域，令热穹顶里面的温度升高，最终引发热浪。热穹型环流对区域热浪的贡献及其未来影响，是一个众所关注的话题。

3月27日，中国科学院大气物理研究所LASG国家重点实验室周天军研究员课题组在《自然-通讯》发表题为“全球变暖背景下热穹顶型环流对北美热浪的影响增强”的研究论文，指出热穹顶环流在2021年北美极端高温中的贡献超过50%。在全球变暖和土壤湿度-大气反馈的共同作用下，热穹顶环流控制下的极端高温强度会继续增加。

图1 500hPa上空的“热穹顶”环流

“环流相似法”常用于定量估算环流对极端高温的贡献，即在历史年份中寻找与某一极端事件相似的环流，将相似环流下的温度作合成，从而定量估算该环流异常对极端事件的贡献。作者将此方法应用到了北美地区，发现“热穹顶”环流可以解释2021年极端高温事件强度的54.6%

尽管北美地区热浪事件与“热穹顶”环流密切相关，但两者的长期变化并不完全一致。观测和模拟分析均表明，1950年代以来“热穹顶”环流的强度无显著趋势，然而其对应的热浪强度自1990年代以来快速增强。

为什么在相似的“热穹顶”环流影响下，热浪强度快速增加？一方面，这与全球增暖这一背景态增温有关。另一方面，土壤湿度—温度正反馈过程对此也有贡献。历史记录表明，伴随热穹顶型环流的出现，同期土壤湿度显著偏低，说明该地区土壤湿度和环流之间存在强烈的相互作用。定量分析表明，土壤湿度异常对此次高温的贡献可达50.6%。比较1959-1990年、1991-2020年前后两个时间段，后期土壤湿度-温度反馈更强，这种更强的反馈过程使得热浪的增强快于全球平均增温。

图2 类似“热穹顶”环流（Analogs）和随机选取的环流（Control）影响下的温度异常分布，数字代表环流的贡献，红线代表2021年北美的高温

作者进一步把研究工作延伸到未来预估，发现在RCP8.5情景下，2041-2060年类似极端高温事件发生的概率为33%，但到了21世纪末，类似极端高温事件将会变成常态。相比之下，类似“热穹顶”型环流异常的发生概率仅为历史时期的1-3倍，远不如极端高温的变化强烈。

《巴黎协定》确定了将全球平均气温较工业化前时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温升幅度限制在1.5℃以内的目标。作者进一步研究了不同温升阈值下的未来变化，发现当增暖1.5℃时，类似极端高温的频率将会翻倍，而增暖2℃和3℃时，极端高温的频率分别会增加3倍和10倍。因此，如果将温度控制在1.5℃而不是2℃（3℃），将能避免约65%（92%）的类似极端高温频率的增加，同时也避免更多的人口暴露在类似2021年这样的高温热浪中。

中国科学院大气物理研究所博士生张星为论文第一作者，导师周天军研究员为论文通讯作者。

该研究受国家自然科学基金“青藏高原地球系统基础科学中心项目”（41988101）资助。

【论文信息】

Zhang, X., Zhou, T*., Zhang, W. et al. Increased impact of heat domes on 2021-like heat extremes in North America under global warming. Nature Communications (2023). Doi: 10.1038/s41467-023-37309-y