不同海洋热浪对降水的差异性影响
作者与研究机构
本研究由曾诗杰（Shijie Zeng）、董璐（Lu Dong）、吴立新（Lixin Wu）、宋丰飞（Fengfei Song）、张正光（Zhengguang Zhang）和荆钊（Zhao Jing）共同完成。研究团队主要来自中国海洋大学深海多圈层与地球系统前沿科学中心和物理海洋学实验室，以及青岛海洋科学与技术中心海洋动力学与气候实验室和崂山实验室。该论文于2025年发表于《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》，文章编号为e2025JD044381。
研究背景与科学问题
海洋热浪（marine heatwaves, MHWs）是指海表温度（sea surface temperature, SST）异常升高并持续至少五天的极端事件。近几十年来，海洋热浪的频率和强度显著增加，对海洋生态系统和生物过程造成了严重破坏，例如大范围珊瑚白化和浮游生物大量死亡。然而，已有研究主要关注海洋热浪的生态影响，对其气候影响，尤其是与降水异常之间的关系，认识仍然不足。
海表温度是影响降水的重要因素，尤其在热带海洋地区。当热带海表温度超过约26至28摄氏度的阈值时，海洋上空可触发深对流，进而产生降水。热带降水作为全球水文循环的关键组成部分，对区域和全球气候具有重要调控作用。厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）、印度洋海盆模态和印度洋偶极子等热带海表温度模态的气候影响，主要通过局地降水对海温异常的响应来实现。然而，这些研究多聚焦于年际或年代际时间尺度，对于持续时间较短但强度更大的海洋热浪如何影响降水过程，尚缺乏系统认识。鉴于全球变暖背景下海洋热浪的频率和强度持续上升，研究其对降水的影响具有重要的科学意义和现实价值。
研究数据与方法
本研究使用了三类主要数据：海表温度数据来自美国国家海洋和大气管理局的最优插值海表温度（OISST）第二版，空间分辨率为0.25度；降水数据来自全球降水测量计划的多卫星集成反演产品（IMERG）V06B，原始时间分辨率为半小时，空间分辨率为0.1度，研究中将其平均为日值；大气环流和湿静力能（moist static energy, MSE）相关变量来自欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析资料。所有数据均统一插值到1度×1度的全球网格，研究时段为2002年至2021年。
海洋热浪的定义采用Hobday等人（2016）提出的标准：当日海表温度连续至少五天超过该格点20年基线期（2002—2021年）的90百分位阈值时，即认定为一个海洋热浪事件。海洋热浪强度定义为当日海表温度与气候态日海表温度之差。
研究发现全球超过一半的海洋热浪事件持续时间短于11天，因此将热浪峰值日的前五天定义为早期阶段（early stage），峰值日后五天定义为晚期阶段（late stage），两者合计覆盖11天。根据早期和晚期阶段平均降水异常的符号，海洋热浪被划分为四种类型：负—负型（NN型，两个阶段均为负降水异常）、负—正型（NP型，早期负异常而晚期正异常）、正—负型（PN型，早期正异常而晚期负异常）和正—正型（PP型，两个阶段均为正降水异常）。
在机制分析中，研究选取南海（South China Sea, SCS）夏季海洋热浪作为典型案例，采用合成分析方法比较NN型和NP型热浪的大尺度气象环境差异，并利用湿静力能收支方程进行诊断。湿静力能的计算公式为MSE = cpT + gz + Lvq，其中cpT为内能项，gz为位能项，Lvq为潜热能项。通过分解湿静力能异常的贡献，可以判断温度、位势高度和比湿各项对湿静力能变化的相对重要性。此外，研究还分析了垂直积分水汽通量散度和海表蒸发率的差异，以追踪水汽来源。
主要研究结果
全球尺度上，NN型海洋热浪最为常见，约占总事件数的46%；NP型次之，约占26%。在大多数全球海洋区域，海洋热浪早期阶段的降水异常为负，晚期阶段转为正，全球平均降水异常从早期的−1.69毫米/天变为晚期的2.82毫米/天。但赤道中东太平洋例外，该区域在整个热浪演变过程中均表现为正降水异常，PP型热浪在该区域占主导地位。
南海地区的热浪类型比例与全球总体一致，其中NP型在夏季（JJA）占比最高，达到35%，且从早期到晚期正降水异常比例的增加幅度在全球各区域中最为显著。因此，研究选取南海夏季NP型和NN型热浪进行深入比较。
合成分析显示，NN型热浪在南海整个演变过程中降水异常持续为负，区域平均降水异常从早期的−4毫米/天逐渐回升至晚期的约0毫米/天。而NP型热浪的降水异常从早期的−3毫米/天增长到晚期的约+4毫米/天，且在峰值日前后发生符号转换。相应地，大尺度环流也呈现鲜明对比：NN型热浪期间，500百帕持续为异常下沉运动，地表短波辐射正异常，总云量负异常，海平面气压和500百帕位势高度均表现为正异常并伴随反气旋式环流。NP型热浪在早期阶段与NN型相似，同样为下沉运动、少云和高压控制，但在晚期阶段转为异常上升运动、多云、低压和气旋式环流。这表明NP型热浪早期的暖海温异常主要由少云导致的太阳短波辐射增加所驱动，而晚期暖海温则通过对流和降水过程产生反馈。
湿静力能诊断表明，NP型热浪在早期阶段的925百帕湿静力能异常显著高于NN型。在整个热带海洋区域内，NN型和NP型热浪在峰值日的平均湿静力能异常分别为291.73和299.31 (m/s)²，后者可作为触发降水的能量阈值。NP型热浪在南海的湿静力能异常在峰值日后持续高于该阈值，并不断增长，为晚期降水提供了必要条件；而NN型热浪的湿静力能异常始终低于阈值，无法触发降水。对湿静力能异常进行分解后发现，比湿项的贡献主导了两种热浪之间湿静力能的差异，而温度项和位势高度项的贡献相对较小。这意味着水汽的积累是NP型热浪晚期降水增加的关键因素。
水汽收支分析进一步显示，与NN型热浪相比，NP型热浪在早期阶段具有更强的水汽通量辐合异常和更高的海表蒸发率。随着热浪演变，NP型热浪的水汽通量从早期的辐散转为晚期的辐合，而NN型则始终保持辐散。蒸发率方面，NP型热浪在整个演变过程中均高于NN型。因此，更强的水汽辐合和增强的蒸发共同导致NP型热浪早期湿静力能的升高。
海表温度分析显示，NP型热浪在早期阶段的南海海表温度显著高于NN型，平均差异约为0.05摄氏度。尽管这一差值看似微小，但根据克劳修斯—克拉佩龙关系的非线性效应，海温的微小升高可导致大气水汽含量的显著增加，从而放大湿静力能的差异。NP型热浪的海温在晚期衰减速度也明显快于NN型，说明晚期降水的增强反过来加速了热浪的消亡。
概率密度函数分布进一步验证了上述机制：NP型热浪在早期阶段具有更高的海表温度和更正的925百帕湿静力能异常，晚期降水异常也更偏正。
结论与意义
本研究基于2002—2021年的观测和再分析数据，系统揭示了海洋热浪与降水异常之间的关系。主要结论包括：全球约50%的海洋热浪事件持续时间短于11天；根据热浪峰值前后的降水异常符号可将热浪分为四种类型，其中NN型和NP型最为常见；NP型热浪对降水异常的调控作用更为显著。
通过南海夏季的案例研究，本文阐明了海气相互作用在热浪演变中的关键作用。NP型热浪早期阶段由于少云少雨，地表太阳辐射增强，导致海温异常升高；暖海温进而增强海表蒸发和水汽辐合，提高了925百帕的湿静力能；累积的湿静力能在晚期触发降水增加，而增加的降水又通过云层遮挡太阳辐射和增强海洋热损失等过程加速热浪衰减。NN型热浪由于早期海温相对较低、湿静力能不足，无法触发晚期降水，因而在整个过程中维持负降水异常。
该研究的科学意义在于建立了海洋热浪与降水之间的物理联系框架，加深了对海洋极端事件气候效应的理解。从应用角度看，这一发现有助于改进对海洋热浪及其伴随降水异常的季节内预测能力，为沿海地区的防灾减灾和气候风险管理提供科学依据。此外，研究还指出未来需要关注不同持续时间热浪的降水响应差异，并检验该机制在其他海域的适用性。