大气季节内振荡对北半球夏季极端气温的影响机制与效应研究

大气季节内振荡对北半球夏季极端气温的影响机制与效应研究一、引言1.1研究背景与意义1.1.1北半球夏季极端气温问题的严重性近年来，北半球夏季极端气温事件频繁发生，给人类社会和生态环境带来了严重影响。2024年7月，美国遭遇了一场创纪录的热浪，威胁到超过1.3亿人的健康和安全。此次热浪覆盖范围广泛，从东海岸延续到西海岸，温度高得惊人。在加利福尼亚州的棕榈泉，气温达到了51.1摄氏度，打破了该市的历史最高纪录50.5摄氏度；在旧金山以北的尤基亚，气温达到了47摄氏度，同样打破了该市的历史纪录；拉斯维加斯的气温也达到了46摄氏度，追平了2007年的纪录。这场热浪不仅高温，还伴随着高湿度，使得体感温度更加难以忍受，在太平洋西北地区以及中大西洋和东北部地区，气温也可能超过约38摄氏度。高温导致电力需求激增，电网负荷增加，可能引发停电事故；农作物在高温下生长受阻，产量下降，进一步加剧了食品供应链的压力。8月31日消息，美国多个地区持续遭遇热浪袭击，多地发布极端高温预警，密西西比河中部、俄亥俄州和田纳西河谷地区的高温高湿天气持续，太平洋西北部地区、大盆地北部等地气温也远高于平均水平，炎热指数可达100至110华氏度（约37.8至43.3摄氏度），中暑风险和热射病发病率显著增加。同一时期，印度也深受极端高温的困扰。2024年5月是印度36年来气温最高的5月，平均最高气温为37.3摄氏度。5月25-26日期间，该国至少17个地区最高气温达到或超过45摄氏度，德里等7个邦发布红色预警。5月29日，德里地区一家气象监测站记录到52.9摄氏度的高温，虽然后来发现该气象站传感器存在3摄氏度误差，但另外两个气象站报告的当天气温也分别达到了49摄氏度和49.1摄氏度。印度因炎热死亡人数不断上升，截至6月3日，已达211人，且各地中暑死亡人数可能被严重低估。高温还导致印度用水和用电紧张，150座主要水库的储水量仅相当于设计储水量的24%，为2019-2024年间最低水平，严重影响水力发电；5月30日，印度的峰值电力需求达到了创纪录的250GW，超过了2023年9月创下的242GW的新高。这些极端气温事件并非孤立现象，它们对人类生活的各个方面都产生了深远影响。在农业领域，高温干旱导致农作物减产甚至绝收，威胁粮食安全。据统计，全球每年因极端高温造成的农业损失高达数十亿美元。在能源领域，高温天气使得空调等制冷设备的使用频率大幅增加，导致电力需求急剧上升，给能源供应带来巨大压力，部分地区甚至出现拉闸限电的情况。在公共卫生方面，极端高温会引发中暑、热射病等疾病，对人体健康造成严重威胁，尤其是老年人、儿童和患有慢性疾病的人群。此外，极端高温还会加剧空气污染，引发呼吸道疾病等。1.1.2大气季节内振荡在气候系统中的重要性大气季节内振荡（ISO）作为气候系统中的一种重要现象，近年来成为气候变化研究的重要前沿课题之一。它是指大气中30-60天的振荡，直接与长期天气变化和短期气候异常密切相关。这种振荡在全球大气中普遍存在，且具有明显的时空结构特征。在地域上，热带地区和高纬度地区是ISO的最强活动地区，中纬度地区相对较弱；在水平传播方面，赤道地区的大气季节内振荡主要表现为向东传播，但也有西传的情况，赤道以外的热带大气ISO却主要表现为向西传播，中高纬度的ISO主要表现为向西传播，但在高纬度地区的夏季，大气ISO也有东传的情况；在时间变化上，全球大气中一年四季都存在ISO，但强度和活动特征在不同季节和纬度带有所不同；在垂直结构上，热带大气季节内振荡主要表现为“斜压”结构特征，中高纬度的大气ISO却有典型的正压垂直结构特征。ISO不仅在大气环流中扮演着重要角色，还与许多天气和气候现象密切相关。它与季风的爆发和中断紧密相连，亚洲夏季风的爆发与南海地区30-60天低频振荡的活动密切相关，夏季风爆发前大气季节内振荡的活动在南海地区有显著加强。它还对热带气旋的生成和发展产生影响，热带西北太平洋天气尺度扰动活跃，与热带气旋的生成密切相关，北半球夏季季节内振荡（BSISO）作为天气尺度扰动的背景场，可对天气尺度扰动（包括热带气旋）的生成和发展产生显著影响。鉴于大气季节内振荡在气候系统中的重要地位，以及北半球夏季极端气温问题的严重性，研究大气季节内振荡对北半球夏季极端气温的影响具有重要的科学意义和现实意义。通过深入探究两者之间的关系，可以提高对极端气温事件的预测能力，为防灾减灾提供科学依据，从而减少极端气温事件对人类社会和生态环境的不利影响。1.2研究目的与内容1.2.1研究目的本研究旨在深入揭示大气季节内振荡（ISO）对北半球夏季极端气温的影响机制和规律。通过综合运用多种研究方法，对大气季节内振荡和北半球夏季极端气温进行全面、系统的分析，明确ISO在不同时空尺度下对极端气温事件发生频率、强度和持续时间的影响，以及两者之间的内在联系。具体而言，研究目的包括：准确描述大气季节内振荡在北半球夏季的时空分布特征，识别其主要活动区域和传播路径；量化分析ISO对北半球夏季极端气温的影响程度，评估其在极端气温事件形成过程中的相对重要性；深入探讨ISO影响北半球夏季极端气温的物理过程和动力机制，为提高极端气温事件的预测能力提供理论基础；通过建立统计模型和数值模拟，尝试对未来北半球夏季极端气温在ISO影响下的变化趋势进行预测，为制定应对气候变化的策略提供科学依据。1.2.2研究内容大气季节内振荡的特征分析：利用高分辨率的气象再分析资料和卫星观测数据，对北半球夏季大气季节内振荡的时空特征进行详细分析。包括确定ISO的主要活动区域，如热带地区、高纬度地区等；研究其水平传播特征，区分向东、向西传播的不同情况以及在不同纬度带的传播差异；分析垂直结构特征，对比热带地区的“斜压”结构和中高纬度地区的正压垂直结构；探讨其时间变化特征，包括年际变化和季节变化，明确不同季节ISO的强度和活动规律。通过功率谱分析、小波分析等方法，准确提取ISO的周期信号，确定其在不同地区和季节的主要振荡周期。大气季节内振荡对极端气温的影响过程研究：构建极端气温事件的识别指标，如极端高温指数（如95%分位数以上的日最高气温）、极端低温指数（如5%分位数以下的日最低气温）等，准确界定北半球夏季极端气温事件。通过合成分析、相关分析等方法，研究在大气季节内振荡不同位相下，极端气温事件的发生频率、强度和持续时间的变化规律。分析ISO通过影响大气环流（如副热带高压、西风带等）、水汽输送和云辐射等过程，进而对极端气温产生影响的具体物理过程。例如，研究ISO如何改变副热带高压的位置和强度，从而影响热量的输送和分布，导致极端高温或低温事件的发生；探讨ISO对水汽输送的调制作用，以及水汽条件的变化如何影响极端气温事件的发展。大气季节内振荡与北半球夏季极端气温的联系研究：运用统计方法，建立大气季节内振荡指数与极端气温指数之间的定量关系，评估ISO对极端气温的影响程度和显著性。通过数值模拟实验，进一步验证和深化对两者联系的认识。利用大气环流模式，设置不同的ISO强迫条件，模拟在ISO影响下北半球夏季极端气温的变化情况，对比模拟结果与实际观测数据，分析模拟的准确性和不确定性。研究大气季节内振荡与其他气候因子（如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、北极涛动（AO）等）的相互作用，以及它们共同对北半球夏季极端气温的综合影响。探讨在不同气候背景下，ISO对极端气温的影响是否存在差异，以及这些差异对气候变化预测的意义。1.3研究方法与技术路线1.3.1研究方法文献研究法：全面收集和整理国内外关于大气季节内振荡（ISO）和极端气温的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、专著等。了解前人在该领域的研究成果、研究方法和存在的问题，为本文的研究提供理论基础和研究思路。通过对文献的综合分析，梳理ISO的研究历史、时空结构特征、动力学机制以及其与季风、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）等气候现象的关系，同时总结极端气温的研究现状，包括极端气温事件的定义、识别方法、变化趋势以及其对人类社会和生态环境的影响。数据分析方法：运用多种数据分析方法对气象数据进行处理和分析。利用功率谱分析、小波分析等方法，从高分辨率的气象再分析资料和卫星观测数据中提取ISO的周期信号，确定其在不同地区和季节的主要振荡周期，分析其时间变化特征。通过合成分析，将大气环流、水汽输送等气象要素在ISO不同位相下进行合成，研究其在不同位相下的平均状态和变化规律，从而揭示ISO对这些要素的影响。采用相关分析方法，计算ISO指数与极端气温指数之间的相关系数，确定两者之间的相关性和相关程度，评估ISO对极端气温的影响显著性。数值模拟方法：利用大气环流模式，如美国国家环境预报中心（NCEP）的全球预报系统（GFS）模式、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的IntegratedForecastingSystem（IFS）模式等，进行数值模拟实验。设置不同的ISO强迫条件，通过改变模式中的参数，模拟在ISO影响下北半球夏季极端气温的变化情况。对比模拟结果与实际观测数据，分析模拟的准确性和不确定性，验证和深化对ISO与极端气温联系的认识。通过敏感性试验，探究不同因素对ISO影响极端气温的敏感性，进一步明确ISO影响极端气温的关键物理过程和动力机制。统计建模方法：基于历史气象数据，建立统计模型来描述ISO与极端气温之间的关系。采用多元线性回归模型，将ISO指数、ENSO指数、北极涛动（AO）指数等作为自变量，极端气温指数作为因变量，建立回归方程，分析不同气候因子对极端气温的相对贡献。运用机器学习算法，如支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）等，构建预测模型，对北半球夏季极端气温进行预测，并评估模型的预测性能。通过交叉验证等方法，提高模型的可靠性和泛化能力，为未来极端气温的预测提供参考。1.3.2技术路线数据收集与整理：收集高分辨率的气象再分析资料，如NCEP/NCAR再分析资料、ERA5再分析资料等，获取大气环流、温度、湿度、风场等气象要素的长时间序列数据。收集卫星观测数据，包括卫星遥感的降水、海表温度、云量等数据，补充地面观测数据的不足，提高数据的时空覆盖范围。收集历史极端气温事件的相关数据，包括事件发生的时间、地点、强度等信息，为后续的分析提供基础数据。对收集到的数据进行质量控制和预处理，包括数据清洗、插值、标准化等操作，确保数据的准确性和可用性。ISO特征分析：运用功率谱分析、小波分析等方法，对气象再分析资料进行处理，提取ISO的周期信号，确定其在北半球夏季的主要振荡周期。通过合成分析和相关分析，研究ISO的时空分布特征，包括其在不同地区的活动强度、传播方向和路径，以及在垂直方向上的结构特征。分析ISO的年际变化和季节变化特征，探讨其变化规律和影响因素。极端气温事件识别与分析：构建极端气温事件的识别指标，如极端高温指数（如95%分位数以上的日最高气温）、极端低温指数（如5%分位数以下的日最低气温）等，准确界定北半球夏季极端气温事件。统计极端气温事件的发生频率、强度和持续时间，分析其时空分布特征和变化趋势。ISO对极端气温的影响研究：通过合成分析和相关分析，研究在ISO不同位相下，极端气温事件的发生频率、强度和持续时间的变化规律，确定ISO对极端气温的影响方式和程度。运用数值模拟方法，设置不同的ISO强迫条件，模拟在ISO影响下北半球夏季极端气温的变化情况，验证和深化对两者联系的认识。分析ISO通过影响大气环流、水汽输送和云辐射等过程，进而对极端气温产生影响的具体物理过程和动力机制。建立统计模型与预测：基于历史气象数据，采用多元线性回归模型、机器学习算法等方法，建立ISO与极端气温之间的统计模型，分析不同气候因子对极端气温的相对贡献。运用建立的统计模型，对未来北半球夏季极端气温在ISO影响下的变化趋势进行预测，并评估预测结果的不确定性。结果验证与讨论：将模拟结果和预测结果与实际观测数据进行对比，验证研究结果的准确性和可靠性。对研究结果进行讨论，分析研究中存在的问题和不足，提出改进措施和未来研究方向。撰写研究报告和学术论文，总结研究成果，为相关领域的研究和应用提供参考。二、大气季节内振荡与北半球夏季极端气温概述2.1大气季节内振荡2.1.1定义与特征大气季节内振荡（ISO）是指大气中30-60天的振荡，由于它直接同长期天气变化和短期气候异常有着密切关系，又同厄尔尼诺（ElNino）的发生有一定的关系，近年来成为气候变化研究的重要前沿课题之一。大气中的季节内振荡最先是在热带发现的。根据1957-1967年在坎顿岛（美）的十年观测资料，Madden和Julian（1971）通过谱分析首先发现太平洋地区热带大气在风场和气压场的变化中存在40-60天的周期性振荡现象。其后，他们又证明这种周期性振荡在全球热带大气中普遍存在，因此，人们把热带大气季节内振荡称为Madden和Julian振荡，或者MJO。1979年在南亚地区进行的季风试验（MONEX）对于大气季节内振荡的研究起到了重要作用。通过对MONEX资料的分析，Krishnamurti和Subrahmanyam（1982）以及Murakami（1984）先后指出了南亚夏季风活动存在着明显的30-50天振荡，并研究得到了这种低频振荡的一些基本规律。其后，有关热带大气30-60天振荡的研究便蓬勃开展起来。同热带大气中存在30-60天振荡一样，中高纬度地区的大气运动也有明显的30-60天振荡，尤其是在高纬度地区。这最早是由Anderson和Rosen（1983）在研究纬向平均西风角动量的向北输送时提出的。通过对东亚和北美急流的演变，极地涡旋的变化，东亚大槽的变化以及阿留申低压系统等的功率谱分析，都可以发现在30-60天周期谱带存在着显著的谱峰，说明30-60天大气振荡在中高纬度也是普遍存在的。ISO具有明显的时空结构特征，在地域性上，大气季节内振荡在全球都存在，但各地并不一样，表现明显的地域特征。南亚地区和赤道太平洋地区较早就被人们认为是热带大气ISO的主要活动区。但根据热带大气ISO的动能分布，赤道东太平洋地区（160-100°W）也是持续的动能大值区，表明那里也是热带大气ISO的主要活动区。纬向平均的总扰动动能与纬向平均的30-60天振荡的动能的比较清楚地表明，热带地区和高纬度地区的大气ISO振荡动能相对很重要，是ISO的最强活动地区；中纬度的ISO虽有较大的动能绝对值，但在总扰动动能中的比例并不大，因此相对来讲，中纬度地区（30°-50°纬带）并不是大气ISO的重要活动地区。在水平传播方面，赤道地区的大气季节内振荡主要表现为向东传播，但也有西传的情况；赤道以外的热带大气ISO却主要表现为向西传播。中高纬度的ISO主要表现为向西传播，但在高纬度地区的夏季，大气ISO也有东传的情况。开始，人们较一致地认为向北传播是热带大气ISO的经向传播特征。进一步分析发现，在不同地区及不同季节，热带大气ISO的经向传播特征却是不一样的。例如，西北太平洋地区（130°E左右），在冬季，30°N以南的大气ISO基本上是向南传播的；在夏季，大气季节内振荡在15°N以南是向北传播，而在15°N以北却明显向南传播。在时间变化上，全球大气中一年四季都存在ISO，但并非时时都一样，即有明显的时间变化，而且这种时间变化在不同纬度带还有所不同。资料分析清楚地表明，热带大气ISO在冬季时间和夏季时间的强度没有很明显的差别。在垂直结构上，一系列的分析研究都一致表明，热带大气季节内振荡在垂直方向主要表现为“斜压”结构特征，其纬向风和温度场随高度明显西倾，以至对流层上层与对流层下层呈反相特征。然而，中高纬度的大气ISO却有典型的正压垂直结构特征，其高度场（温度场）和风场扰动在对流层上层和下层有一致的分布形势。在水平结构上，由于热带大气ISO实际上是多尺度的，但主要为1波扰动，其水平结构也就主要表现为东西向“偶极子”特征。高纬度的ISO不仅主要为2波和3波的扰动，而且其水平结构更多地表现为Rossby波列（即低频波列）的特征。全球大气ISO存在着极明显的低频遥相关型（波列），北半球有欧亚-太平洋（EUP）波列，太平洋-北美（PNA）波列，南半球有澳洲-南非（ASA）波列和环南美洲（RUA）波列；而上述低频波列可以有不同形式的相互联系和相互影响，南北半球的低频相互作用也主要通过低频波列。热带大气ISO在冬季时间和夏季时间的强度没有很明显的差别，即季节变化较小，但却有极为清楚的年际变化。中高纬度的大气ISO有极显著的年变化（冬季强而夏季弱），但年际变化相对其年变化却显得弱一些。2.1.2形成原理与动力学机制一系列的动力学研究表明，积云对流加热反馈、大气对外强迫的低频响应和大气非线性相互作用是激发和驱动热带大气ISO的主要机制。积云对流加热反馈是指大气中的积云对流活动释放出大量的潜热，这种潜热加热会对大气环流产生影响，进而激发和维持大气季节内振荡。当大气中存在一定的水汽条件和不稳定能量时，积云对流会强烈发展，释放出的潜热会使大气升温，形成上升运动，从而改变大气的环流形势，引发ISO的振荡。大气对外强迫的低频响应是指大气对外部强迫，如太阳辐射、海温异常等的低频响应，这种响应也会激发大气季节内振荡。当海温出现异常时，海洋向大气输送的热量和水汽也会发生变化，大气会对这种变化做出响应，产生低频振荡，从而驱动ISO的发展。大气非线性相互作用则是指大气中不同尺度的运动之间的相互作用，这种相互作用可以产生新的波动和振荡，对大气季节内振荡的激发和维持起到重要作用。不同尺度的大气波动在相互作用过程中，能量会发生交换和转移，从而导致ISO的形成和发展。大气对外强迫的低频响应、基本气流的不稳定和大气非线性相互作用是激发和驱动中高纬度大气ISO的主要机制。在中高纬度地区，大气对外强迫的低频响应同样重要，如极地海冰的变化、北大西洋涛动等外强迫因素会影响中高纬度地区的大气环流，进而激发ISO。当极地海冰面积减少时，会导致极地地区的反照率降低，吸收更多的太阳辐射，从而改变极地地区的大气热力状况，引发中高纬度地区的大气环流异常，激发ISO的振荡。基本气流的不稳定也是中高纬度大气ISO的重要激发机制，中高纬度地区的基本气流，如西风带，在一定条件下会变得不稳定，产生波动和扰动，这些波动和扰动可以发展为大气季节内振荡。当西风带的风速和风向发生变化时，会导致大气的稳定性发生改变，从而引发波动和扰动，驱动ISO的形成。大气非线性相互作用在中高纬度地区同样对ISO的激发和维持起到重要作用。海-气耦合相互作用对激发产生热带大气ISO有利。海洋和大气之间存在着密切的相互作用，海洋通过向大气输送热量和水汽，影响大气的热力和动力状态，而大气则通过风应力等作用影响海洋的环流和海温分布。在热带地区，海-气耦合相互作用可以形成正反馈机制，促进热带大气ISO的产生和发展。当热带海洋的海温升高时，会导致大气中的水汽含量增加，积云对流活动增强，释放出更多的潜热，进一步加热大气，引发大气环流的变化，从而激发ISO。而大气环流的变化又会反过来影响海洋的环流和海温分布，形成海-气耦合的正反馈过程，维持和加强ISO的振荡。单独的蒸发风反馈机制并不利于激发产生热带大气ISO；但蒸发-风反馈作用可引起激发波的不稳定，它同CISK机制一道考虑可以更好解释热带大气ISO的特征和活动规律。蒸发-风反馈是指海洋表面的蒸发过程会影响大气中的水汽含量和风场，而风场又会反过来影响海洋表面的蒸发，这种相互作用可能会导致大气中的波动和不稳定。CISK机制（ConditionalInstabilityoftheSecondKind）即第二类条件不稳定机制，强调积云对流与大尺度环流之间的相互作用，通过这种相互作用可以产生和维持大气中的低频振荡。将蒸发-风反馈作用与CISK机制结合起来，可以更全面地解释热带大气ISO的形成、发展和传播等特征。2.2北半球夏季极端气温2.2.1现状与趋势近年来，北半球夏季极端高温事件频繁发生，给人类社会和生态环境带来了巨大挑战。2023年，欧洲和北美等地遭遇了极端持续性高温热浪天气。在欧洲，英国部分地区的最高气温突破历史极值，德国、意大利、法国、罗马尼亚等多国日最高气温也突破历史同期或历史极值。在美国，中部明尼苏达州和威斯康星州的多个城市9月3日最高气温超过37.7℃，创当天温度的历史新高，其中德卢斯的温度达到36.1℃，超出9月历史最高温4℃，随后美国东海岸的高温热浪逐渐扩散至南部地区，约3800万民众面临高温。在全球变暖的大背景下，北半球夏季极端高温呈现出增多、增强和持续时间延长的趋势。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新发布的第六次气候变化评估报告，相对于1850-1900年，2001-2020年平均全球地表温度升高了0.99（0.84-1.10）℃。世界气象组织指出，类似2022年席卷欧洲的高温天气未来或成欧洲夏季“标配”，未来几十年，热浪将越来越频繁地出现，气候变化引发的负面趋势将至少持续至2060年。从长期数据来看，过去50年一遇的高温热浪事件正变得越来越频繁，可能成为10年一遇的事件。这种趋势不仅对人类健康构成威胁，导致中暑、热射病等疾病的发生率增加，还对农业、能源、水资源等领域产生了深远影响，如高温导致农作物减产、能源需求激增、水资源短缺加剧等。2.2.2影响因素全球变暖：人类活动导致的温室气体排放是全球变暖的主要原因，大量的二氧化碳、甲烷等温室气体排放到大气中，犹如在地球上盖了一层棉被，把照射到地表的太阳热量更多地锁定在近地面层，使得全球气温上升。全球气温的升高为极端高温事件的发生提供了更有利的背景条件，增加了极端高温事件发生的概率和强度。研究表明，全球气温每上升1摄氏度，大气水汽会增加约7%，这使得极端降水概率增加的同时，也会导致极端高温事件的强度和频率增加。在全球变暖的影响下，原本较为罕见的高温天气变得更加频繁，高温的强度也在不断增强，对人类社会和生态系统造成了严重的影响。大气环流异常：大气环流异常是导致北半球夏季极端气温的重要直接原因之一。异常的大气环流会导致热量在不同地区的分布失衡，使得某些地区出现异常高温。2022年夏天，北半球出现了罕见的环球暖高压带，西太平洋副热带高压带、大西洋高压带和伊朗高压均阶段性增强，形成大范围的环球暖高压带。在暖高压带控制下，下沉气流盛行，气团做下沉运动时，其内部的温度会不断升高，同时不易形成云，有利于地面增温，云的减少也使得太阳辐射更容易到达地面，从而导致高温频发且强度较强。大气环流异常还可能导致冷空气活动路径异常，使得某些地区无法受到冷空气的调节，进一步加剧了高温天气。厄尔尼诺和拉尼娜现象：厄尔尼诺和拉尼娜现象是热带太平洋海温异常的两种相反状态，它们对全球气候有着重要影响，也与北半球夏季极端气温密切相关。厄尔尼诺事件发生时，赤道中东太平洋海温异常升高，会导致全球大气环流异常，进而影响全球气候。在厄尔尼诺年，北半球夏季部分地区可能出现异常高温，2015-2016年的强厄尔尼诺事件导致全球多地出现极端高温天气。拉尼娜事件则是赤道中东太平洋海温异常降低，同样会对大气环流产生影响。2020-2023年经历了跨越3年的拉尼娜气候事件，拉尼娜事件使得热带纬圈环流加强，引发纬圈次级环流的齿轮效应，推动副热带高压持续增强，对北半球夏季大气环流异常起到了“推波助澜”的作用，增加了极端高温事件发生的可能性。其他因素：城市化程度的日益提高也是导致极端高温事件增加的一个因素。随着城市化进程的加快，更多的土地被用于建造建筑物和街道，城市下垫面性质发生改变，形成城市热岛效应，使得城市地区的气温明显高于周围农村地区。城市中的建筑物和道路等吸收太阳辐射后升温较快，且散热较慢，导致城市气温升高，在夏季容易出现极端高温天气。此外，人口结构的变化也对极端高温的影响产生了作用，每年都有数以十万计的人死于与高温相关的可预防影响。北极海冰的减少、极地涡旋的变化等因素也可能通过影响大气环流，对北半球夏季极端气温产生间接影响。三、大气季节内振荡对北半球夏季极端气温的影响机制3.1大气环流异常3.1.1大气季节内振荡对大气环流的影响大气季节内振荡（ISO）作为大气运动中的重要现象，对大气环流有着显著的影响。ISO通过激发遥相关波列，如北半球的欧亚-太平洋（EUP）波列和太平洋-北美（PNA）波列，改变大气环流的格局。在北半球夏季，ISO的不同位相会导致EUP波列和PNA波列的强度和位置发生变化。当ISO处于特定位相时，会在中高纬度地区激发出EUP波列。EUP波列是一种从欧洲经亚洲到太平洋的遥相关波列，它的存在会使得大气环流形势发生改变。在对流层中层，EUP波列会导致位势高度场出现异常分布，形成正负相间的位势高度距平中心。在欧洲地区，可能出现正的位势高度距平，使得该地区的大气环流呈现出高压系统加强的特征；而在亚洲东部和太平洋地区，可能出现负的位势高度距平，导致低压系统发展。这种位势高度场的异常分布会改变西风带的路径和强度，使得西风带在某些地区出现分支或弯曲，进而影响冷空气和暖空气的输送路径。ISO也会对PNA波列产生影响。PNA波列是从太平洋东北部经北美大陆到北大西洋的遥相关波列，在北半球夏季，ISO的演变过程中，PNA波列的强度和位置会随之调整。当ISO的对流活动在热带太平洋地区发生变化时，会通过大气内部的动力过程激发PNA波列。在对流层高层，PNA波列的出现会导致急流的位置和强度发生改变，进而影响大气环流的整体形势。在北美地区，PNA波列的异常会导致该地区的大气环流出现异常，可能使得冷空气南下受阻，或者暖空气向北输送增强，从而对北美地区的天气和气候产生重要影响。这些遥相关波列的形成与ISO的能量传播和大气内部的非线性相互作用密切相关。ISO在大气中传播时，会携带能量并与周围的大气相互作用，通过能量的交换和转移，激发并维持这些遥相关波列。当ISO的对流活动在热带地区增强时，会释放出大量的潜热，这些潜热会加热大气，使得大气的温度和压力分布发生变化，从而激发大气中的波动，形成遥相关波列。大气中的非线性相互作用也会使得这些波动在传播过程中相互影响，进一步加强遥相关波列的强度和稳定性。3.1.2大气环流异常与极端气温的关系大气环流异常与极端气温之间存在着紧密的联系，大气环流异常会导致热量输送和分布异常，从而使某些地区出现极端高温。大气环流是热量在地球表面输送和分布的重要载体，正常情况下，大气环流能够将热量从低纬度地区向高纬度地区输送，维持全球热量平衡。当大气环流出现异常时，这种热量输送和分布的平衡就会被打破。在一些极端高温事件中，大气环流异常会形成“热穹顶”效应。“热穹顶”效应的形成与大气环流的异常密切相关，通常是由于副热带高压异常增强和西伸，与其他大气系统相互作用，形成了一个类似穹顶的高压系统，将热空气牢牢地困在地面附近。2021年美国西部地区遭遇的极端高温事件就是“热穹顶”效应的典型案例。在此次事件中，大气环流异常导致副热带高压异常强盛且位置偏西，使得该地区上空形成了一个强大的高压系统。在高压系统的控制下，下沉气流盛行，空气在下沉过程中受到压缩，温度不断升高。由于高压系统的阻挡，周围的冷空气无法进入该地区，热空气也难以扩散出去，导致热量在地面不断积聚，形成了极端高温天气。在华盛顿州的一些地区，气温超过了46℃，打破了当地的历史纪录，造成了严重的人员伤亡和经济损失。大气环流异常还会通过影响水汽输送和云辐射等过程，间接影响极端气温。大气环流的异常会改变水汽的输送路径和强度，当大气环流异常导致水汽输送减少时，某些地区会出现干旱，地面水分蒸发减少，无法有效调节气温，使得气温升高，增加了极端高温事件发生的可能性。云辐射也会受到大气环流异常的影响，云对太阳辐射的反射和对地面长波辐射的吸收具有重要作用。当大气环流异常导致云量减少时，太阳辐射直接到达地面的量增加，地面吸收的太阳辐射增多，气温升高；而当云量增加时，虽然太阳辐射被反射的部分增多，但云对地面长波辐射的吸收和再辐射也会增强，在一定程度上也会影响气温的变化。在一些极端高温事件中，大气环流异常导致云量减少，使得太阳辐射能够更有效地加热地面，加剧了极端高温的程度。3.2热量输送与交换3.2.1大气季节内振荡对热量输送的作用大气季节内振荡（ISO）通过引起大气的垂直和水平运动，对热量输送的路径和强度产生显著影响。在垂直方向上，ISO的对流活动会导致大气的上升和下沉运动，从而实现热量的垂直交换。当ISO处于对流活跃阶段时，大气中的水汽在上升过程中冷却凝结，释放出大量潜热，将低海拔地区的热量向上输送。在热带地区，ISO引发的深对流活动可以将地面的热量输送到对流层高层，使对流层高层的温度升高。这种垂直方向的热量输送会改变大气的垂直温度结构，影响大气的稳定性和环流形势。在一些热带气旋生成的过程中，ISO的对流活动提供了强烈的上升运动，将海洋表面的热量和水汽输送到高空，为热带气旋的发展提供了能量和水汽条件。在水平方向上，ISO的传播会带动大气的水平运动，从而改变热量的水平输送路径和强度。ISO在大气中传播时，会伴随着大气环流的变化，导致不同地区之间的热量交换发生改变。当ISO的对流活动在热带地区发展时，会引起热带地区大气环流的异常，使得热带地区的暖湿空气向中高纬度地区输送，将热量从低纬度地区带到高纬度地区。这种水平方向的热量输送会影响不同纬度地区的气温分布，导致一些地区出现异常的增温或降温现象。在某些年份，ISO的活动会使得热带地区的暖湿空气向北输送到欧洲地区，导致欧洲地区出现异常的高温天气；而在另一些年份，ISO的活动可能会使得中高纬度地区的冷空气向南输送到热带地区，导致热带地区出现异常的低温天气。ISO还会通过与其他大气系统的相互作用，进一步影响热量输送。ISO与副热带高压、西风带等大气系统相互作用，改变它们的位置和强度，从而间接影响热量的输送和分布。当ISO的对流活动增强时，会使得副热带高压的位置发生偏移，进而改变副热带高压控制下的热量输送路径。如果副热带高压向北移动，会使得热量向更高纬度地区输送，导致高纬度地区气温升高；反之，如果副热带高压向南移动，会使得热量向低纬度地区输送，导致低纬度地区气温升高。ISO与西风带的相互作用也会影响热量输送，西风带的波动会受到ISO的调制，从而改变西风带中热量的输送和分布。3.2.2热量输送异常对极端气温的影响热量输送异常会导致局部地区热量堆积或散失，从而引发极端高温或低温事件。当大气季节内振荡引起热量输送异常时，某些地区可能会接收过多的热量，导致热量在该地区堆积，形成极端高温天气。在2019年夏季，欧洲部分地区出现了极端高温事件，这与大气季节内振荡导致的热量输送异常密切相关。在该时段，ISO的活动使得大西洋上空的大气环流出现异常，暖湿空气大量向北输送到欧洲地区，而冷空气的南下受到抑制，导致欧洲地区热量不断堆积，气温持续升高，出现了罕见的高温天气。法国巴黎的气温一度超过42℃，德国部分地区的气温也达到了历史极值，给当地的农业、能源和居民生活带来了严重影响。热量输送异常也可能导致某些地区热量散失过快，引发极端低温事件。当ISO的活动使得冷空气异常南下，或者暖空气的输送被切断时，一些地区会因为热量大量散失而出现极端低温。在2018年冬季，美国部分地区遭遇了极端低温天气，这与大气季节内振荡引起的热量输送异常有关。ISO的活动导致北极地区的冷空气南下，越过北美大陆，使得美国中西部和东北部地区的气温急剧下降。芝加哥的气温降至-20℃以下，部分地区甚至出现了-30℃的极寒天气，造成了交通瘫痪、能源供应紧张等问题。以美国为例，在一些年份，大气季节内振荡导致墨西哥湾暖流携带的热量向北输送异常，使得美国东部地区的气温异常升高，出现极端高温事件。而在另一些年份，ISO的活动使得北极涡旋南下，导致美国中西部和东北部地区受到冷空气的强烈影响，热量迅速散失，出现极端低温事件。这些极端气温事件不仅对当地的生态环境造成了破坏，还对农业、能源、交通等领域产生了巨大的经济损失。据统计，2019年美国因极端高温事件导致的农业损失达到了数十亿美元，能源消耗也大幅增加；2018年美国因极端低温事件造成的交通和能源供应损失也高达数亿美元。3.3水汽输送与云辐射效应3.3.1大气季节内振荡对水汽输送的影响大气季节内振荡（ISO）通过改变大气环流形势，对水汽输送产生显著影响，进而改变大气中水汽含量和分布，影响区域降水和湿度。在热带地区，ISO的对流活动与水汽输送密切相关。当ISO处于对流活跃位相时，会激发强烈的上升运动，使得大量水汽被向上输送到对流层高层。这种对流活动会导致热带地区的水汽辐合增强，使得水汽在某些区域聚集，为降水提供了充足的水汽条件。在印度季风区，ISO的活跃会引发强烈的对流活动，使得来自印度洋的水汽大量输送到印度半岛，导致该地区降水显著增加。研究表明，在ISO对流活跃期，印度半岛的降水可增加50%以上，部分地区甚至出现暴雨天气，给当地的农业生产和居民生活带来重要影响。ISO还会影响水汽的水平输送路径。在北半球夏季，ISO的传播会带动大气环流的变化，从而改变水汽的水平输送方向。当ISO的对流活动在热带西太平洋地区发展时，会引起该地区大气环流的异常，使得水汽向中高纬度地区输送。这种水汽输送的变化会影响中高纬度地区的降水和湿度分布。在某些年份，ISO的活动会使得水汽向北输送到欧洲地区，导致欧洲部分地区降水增加，湿度增大；而在另一些年份，ISO的活动可能会使得水汽输送路径改变，导致某些地区降水减少，出现干旱现象。ISO与副热带高压的相互作用也会影响水汽输送。副热带高压是影响水汽输送的重要大气系统，ISO的活动会改变副热带高压的位置和强度，进而影响水汽的输送路径和范围。当ISO的对流活动增强时，会使得副热带高压的位置发生偏移，从而改变水汽在副热带高压边缘的输送方向。如果副热带高压向北移动，会使得水汽向更高纬度地区输送，导致高纬度地区降水增加；反之，如果副热带高压向南移动，会使得水汽向低纬度地区输送，导致低纬度地区降水增加。在东亚地区，ISO与西太平洋副热带高压的相互作用会影响我国夏季的降水分布。当ISO处于特定位相时，会使得西太平洋副热带高压加强并西伸，导致水汽向我国长江流域输送，使得该地区降水偏多；而当ISO的位相发生变化时，西太平洋副热带高压的位置和强度也会改变，水汽输送路径也会相应调整，可能导致我国其他地区的降水发生变化。3.3.2水汽与云辐射效应对极端气温的作用水汽和云辐射效应通过反射、吸收和散射太阳辐射，对地面热量收支产生重要影响，进而影响极端气温。水汽是大气中重要的温室气体，它能够吸收地面发射的长波辐射，然后再向各个方向辐射能量，其中一部分能量会返回地面，形成大气逆辐射，对地面起到保温作用。当大气中水汽含量增加时，大气逆辐射增强，地面热量散失减少，气温升高；反之，当大气中水汽含量减少时，大气逆辐射减弱，地面热量散失增加，气温降低。在极端高温事件中，大气中水汽含量的变化对气温的影响尤为明显。在2010年俄罗斯的极端高温事件中，大气中水汽含量相对较低，大气逆辐射较弱，地面热量更容易散失到大气中，但由于异常的大气环流导致冷空气难以进入该地区，而太阳辐射持续加热地面，使得热量在地面不断积聚，气温持续升高，最终形成了极端高温天气。莫斯科的气温在该时段持续超过35℃，部分地区甚至达到了40℃以上，创下了历史纪录。云对太阳辐射的反射、吸收和散射作用对地面热量收支有着重要影响。云的反射作用能够将部分太阳辐射反射回宇宙空间，减少地面吸收的太阳辐射量，从而降低地面温度。高云主要由冰晶组成，其反射率相对较低，一般在20%-40%之间；而低云主要由水滴组成，其反射率较高，可达60%-90%。在极端高温事件中，如果天空中出现较多的低云，会大量反射太阳辐射，使得地面吸收的太阳辐射减少，从而对极端高温起到一定的抑制作用。在一些沿海地区，夏季出现极端高温时，海洋上的水汽容易形成低云，这些低云能够反射太阳辐射，使得沿海地区的气温相对内陆地区较低。云对地面长波辐射的吸收和再辐射作用也会影响地面热量收支。云能够吸收地面发射的长波辐射，然后再向地面和大气中辐射能量，对地面起到保温作用。高云的高度较高，温度较低，其发射的长波辐射能量相对较少，对地面的保温作用较弱；而低云的高度较低，温度较高，其发射的长波辐射能量相对较多，对地面的保温作用较强。在夜间，云的保温作用更加明显。当天空中有云时，云能够吸收地面发射的长波辐射，并将一部分能量返回地面，使得地面热量散失减少，夜间气温相对较高。在极端高温事件中，夜间云的保温作用可能会导致气温持续居高不下，进一步加剧极端高温的影响。在一些城市，夜间的热岛效应与云的保温作用相互叠加，使得夜间气温也明显升高，给居民的生活带来很大的困扰。四、大气季节内振荡影响北半球夏季极端气温的案例分析4.12022年长江流域极端高温干旱事件4.1.1事件回顾与特征分析2022年7月下旬至8月，长江流域中下游地区发生了一次大规模且持续的极端高温干旱复合事件。此次极端高温天气是自1961年以来中国历史上最严重的一次，给当地的生态环境、农业生产和居民生活带来了巨大冲击。从持续时间来看，该极端高温干旱事件持续了较长时间，严重影响了长江流域的生态系统和人类活动。在这期间，长江流域中下游地区的气温持续攀升，多个站点的日最高气温频繁突破历史极值。以武汉为例，7月下旬至8月期间，武汉的日最高气温多次超过40℃，其中8月12日的气温更是达到了41.3℃，高温天气持续了近一个月。长时间的高温使得土壤水分迅速蒸发，加剧了干旱的程度。此次事件的影响范围广泛，涵盖了长江流域中下游的多个省份，包括四川、湖南、湖北、江西、安徽、江苏等。这些地区的农业、水资源、能源等领域都受到了不同程度的影响。在农业方面，高温干旱导致农作物生长受到严重阻碍，受灾面积大幅增加。据统计，四川、湖南、湖北等部分省份受影响作物面积达4.076×106公顷，许多地区的水稻、玉米等农作物出现减产甚至绝收的情况。该事件的极端程度明显，多项气象指标均达到历史极值。区域平均降水达到了1979年以来的最小值，而东部区域极端高温频次、日最高气温等指标均达到1979年以来的最大值。在降水方面，长江流域中下游地区的降水量显著减少，许多地区的降水量较常年同期减少了50%以上。由于降水稀少，长江水位大幅下降，部分支流甚至出现干涸的情况，给当地的水资源供应带来了极大的压力。高温干旱还导致电力供需失衡，由于居民和企业的制冷需求大幅增加，电力消耗急剧上升，而水电发电量因水位下降而减少，进一步加剧了电力供应的紧张局面。重庆地区因高温干旱引发了大量的野火，给当地的生态环境和居民生命财产安全造成了严重威胁，此次高温干旱事件造成的直接经济损失达328亿元。4.1.2大气季节内振荡在事件中的作用基于WRF模式模拟结果，来自温带和热带地区的季节内振荡信号在此次极端高温干旱复合事件中起到了关键作用。在事件初期，研究区域对流层上层北侧由异常低压所控制，随着时间的推移逐渐转换为异常高压，异常反气旋不断地从研究区域北侧输送波能量，对研究区域北侧边界造成影响。对流层下层的反气旋式异常环流持续对研究区域东南侧造成影响，波能量从东南侧输入研究区域。这种异常的环流形势和波能量输送与大气季节内振荡密切相关。大气季节内振荡的不同位相变化会导致大气环流的异常调整，从而引发异常的反气旋环流和波能量输送。当大气季节内振荡处于特定位相时，会激发中高纬度地区的异常反气旋，使得对流层上层北侧的低压系统逐渐转变为高压系统，进而通过异常反气旋将波能量从北侧输送到研究区域。大气季节内振荡也会影响热带地区的大气环流，导致对流层下层的反气旋式异常环流在研究区域东南侧持续存在，将波能量从东南侧输入研究区域。为了进一步探讨季节内振荡信号在本次事件中的影响机制，相关研究设计了三个数值实验。在仅去除北侧边界的季节内振荡信号实验中，北部区域温度下降范围较大；在仅去除东南侧边界的季节内振荡信号实验中，东南部区域温度下降范围较大；当北侧边界和东南侧边界的季节内振荡信号同时去除时，整个区域内都发生温度下降，且三个实验中最高温度整个时期较控制实验都发生下降。这充分证明了季节内振荡信号在本次事件中起着重要的作用，它通过影响大气环流和波能量输送，促使长江中下游地区产生极端高温干旱复合事件。如果去除了来自北侧边界的季节内振荡信号，北部区域的异常反气旋环流无法形成，波能量输送减少，导致该区域的气温下降；而当同时去除两侧边界的季节内振荡信号时，整个区域的大气环流和波能量输送都发生了显著改变，使得气温全面下降，进一步说明了大气季节内振荡对此次极端高温干旱事件的重要影响。4.22024年美国夏季高温事件4.2.1事件概况与影响2024年美国夏季，多地遭遇了极端高温天气，这场高温事件的影响范围广泛，从东海岸到西海岸，众多地区都受到了不同程度的影响。加利福尼亚州的棕榈泉在7月的气温达到了51.1摄氏度，打破了该市此前50.5摄氏度的历史最高纪录；旧金山以北的尤基亚，气温飙升至47摄氏度，同样刷新了该市的历史纪录；拉斯维加斯的气温也攀升至46摄氏度，追平了2007年的纪录。8月31日消息，美国多个地区持续遭受热浪袭击，密西西比河中部、俄亥俄州和田纳西河谷地区的高温高湿天气持续，太平洋西北部地区、大盆地北部等地气温也远高于平均水平，炎热指数可达100至110华氏度（约37.8至43.3摄氏度）。此次高温事件对美国当地居民的生活产生了诸多负面影响。在公共卫生方面，高温导致中暑风险和热射病发病率显著增加。据美国疾病控制与预防中心的数据，在高温持续的部分地区，与高温有关的疾病急诊人数急剧增加。在新英格兰地区，高温疾病急诊就诊人次从17日的每10万人57人次涨至20日的每10万人833人次；俄亥俄州辛辛那提市消防局称其接到的高温疾病求助电话数量本周猛增12%。在日常生活方面，高温天气给居民的出行和日常活动带来了极大不便，人们不得不减少户外活动时间，以避免中暑和晒伤。能源供应也受到了极大的挑战。高温天气使得空调等制冷设备的使用频率大幅增加，导致电力需求激增，电网负荷加重。部分地区由于电力供应不足，不得不采取轮流停电等措施，以缓解电网压力。一些电力基础设施在高温下也面临着故障风险，进一步影响了电力的稳定供应。在加利福尼亚州，由于电力需求的急剧增加，电网运营商不得不呼吁居民减少用电，以避免大规模停电事件的发生。生态环境同样遭受重创。高温导致部分地区出现干旱现象，土壤水分蒸发加快，植被生长受到抑制，森林火灾风险增加。在加利福尼亚州，高温和干旱的共同作用下，多地爆发了野火，今年迄今加州野火过火总面积已经超过400平方公里，远超过去五年的同期平均值68.8平方公里。野火不仅烧毁了大量的森林资源，还对当地的生态系统造成了严重破坏，威胁到许多动植物的生存。高温还对农作物的生长产生了负面影响，导致部分地区农作物减产，影响了农业经济。4.2.2大气季节内振荡与高温事件的关联大气季节内振荡（ISO）通过影响大气环流和热量输送，与2024年美国夏季高温事件存在紧密关联。ISO在大气环流中扮演着重要角色，它能够激发遥相关波列，改变大气环流的格局。在2024年美国夏季高温事件中，ISO的活动可能导致了太平洋-北美（PNA）遥相关波列的异常。PNA波列是从太平洋东北部经北美大陆到北大西洋的遥相关波列，当ISO处于特定的位相时，可能会激发PNA波列的异常发展，使得大气环流出现异常调整。在对流层高层，PNA波列的异常可能导致急流的位置和强度发生改变，进而影响热量的输送和分布。如果急流的位置偏南，可能会使得来自低纬度地区的暖空气更容易向北输送到美国地区，导致美国部分地区气温异常升高，形成极端高温天气。ISO还会影响大气的垂直和水平运动，从而改变热量输送的路径和强度。在垂直方向上，ISO的对流活动可能导致大气的上升和下沉运动异常，影响热量的垂直交换。当ISO的对流活动增强时，可能会导致更多的热量被输送到对流层高层，使得对流层高层的温度升高，进而影响大气的稳定性和环流形势。在水平方向上，ISO的传播可能会带动大气的水平运动异常，使得热量的水平输送路径发生改变。如果ISO的活动使得暖空气异常地向美国地区输送，而冷空气的输送受到抑制，就会导致美国部分地区热量不断积聚，气温持续升高，引发极端高温事件。大气季节内振荡与副热带高压等大气系统的相互作用也可能对美国夏季高温事件产生影响。副热带高压是影响美国夏季气