圖1. 論文封面：2022年10月6日航拍鄱陽湖的幹裂湖床。
I 一般的2022盛夏
2022年盛夏，我國南方地區經歷了1961年以來最強的極端高溫熱浪天氣（圖2 d-f）👨💼。長江流域多個國家級氣象站的最高氣溫打破歷史極值，其中重慶北碚45.0℃、江津44.7℃（傅正航同學家鄉）🏌🏻♀️，給當地人民的生產生活造成了嚴重影響👨🏽🦰。與此同時，巴基斯坦卻遭遇有氣象觀測以來最兇猛的雨季，發生了當地歷史最大洪水（圖2 a-c）☝️，巴基斯坦三分之一國土受淹，有上千萬人受到洪水影響。沐鸣2/中國極地研究中心周文教授課題組成員、我系2023級直博生傅正航在製作“中氣愛”系列科普視頻的過程中，萌生出科學問題✧：巴基斯坦洪水和東亞熱浪之間是否有動力關聯🦹🏼♂️？
圖2. 亞洲夏季風區域7-8月的降水（mm/月）和熱浪氣候態（天/年）以及2022年的異常情況。
周文教授和Scripps海洋研究所謝尚平教授鼓勵傅正航探索研究這個問題。基於多套再分析和觀測資料⏱，研究首先分析了巴基斯坦-印度西北部對流和東亞熱浪間的首要耦合模態（MCA第一模態，圖3）👷🏼♀️👋🏻。結果發現💇🏻，在年際尺度上巴基斯坦-印度西北部地區的對流增強與東亞地區大面積的熱浪增加緊密相關。且對流的第一模態能夠很好表征印度夏季風的年際主模態和對流強度（全印度降水指數）🤚。這帶來兩種假設：
兩個地區間極端事件的共發趨勢由相同的海溫強迫驅動👬🏼；
兩個地區間極端事件為大氣內部的本征模態，存在動力途徑關聯🦿，但與海溫強迫聯系較弱。
圖3. 巴基斯坦-印度西北部對流和東亞熱浪的最大協方差分析（MCA）第一模態🏇🏽。
II 萬裏之外的大氣回響
通過分析與巴基斯坦洪水和東亞熱浪共發相關的大氣動力條件，結果發現該耦合模態主要與亞洲季風區上空的兩個高層異常反氣旋相關（圖4a）。與之相對應的是中層巴基斯坦上空顯著的上升運動和東亞同緯度地區的下沉運動，這與反氣旋對應的溫度異常平流有關（圖4b）。值得註意的是🙇♂️，兩個異常反氣旋呈現出了不同的動力學結構特征：位於西側的反氣旋為明顯的斜壓結構🎰，可能和局地的對流非絕熱加熱有關；而位於東側的反氣旋為準正壓結構（圖4a和4b）。此外👈，在巴基斯坦西北側和我國東部都出現了明顯的Rossby波源，這由局地的對流異常導致（圖4c）。而巴基斯坦作為上遊地區💵，其對流加熱導致的高層輻散風在西風急流渦度梯度大值區激發出的明顯Rossby源，可能向東亞地區激發出正壓Rossby波列👰🏼♂️，導致東亞出現持續性高溫熱浪天氣📩。
圖4. 與巴基斯坦洪水和東亞熱浪相關的大氣動力過程🫷🏻。圖A：200hPa位勢高度（填色）和風場（箭頭）異常👏🏼；圖B🙂↕️：500hPa位勢高度（等值線）和垂直運動（填色）異常。圖C：200hPa Rossby波源（填色）和輻散風（箭頭）🔮，氣候態緯向風強度用等值線表示。
傅正航等進一步利用由全球觀測海溫驅動的大氣環流模式模擬（AMIP）數據評估了全球海溫強迫和大氣內部變率的相對貢獻（圖5）🙋♀️。結果表明⤴️，AMIP集合的單個成員能夠很好模擬出觀測中兩地極端事件間的聯系。其中，在集合離差（ensemble spread）中巴基斯坦-印度西北部對流和東亞高溫之間顯著相關（1160年序列相關性高達0.46）；而在集合平均（代表厄爾尼諾等海溫變化的效應）中相關關系較弱（36年相關性0.22）。這表明📗😨，巴基斯坦洪水和東亞熱浪的共發主要受大氣內部變率調控，而全球海溫強迫的效應較小。
圖5. AMIP模擬中7-8月模式集合平均和集合離差中巴基斯坦-印度西北部對流和東亞氣溫的相關系數。
III 根植於大氣內部的動力共振
為了更好理解巴基斯坦洪水和東亞熱浪間的動力聯系過程，本研究設計了三組簡單線性大氣斜壓模式實驗。通過改變大氣背景態和對流加熱位置🫄，實驗結果（圖6）發現🧑🍼：
盡管巴基斯坦的對流在6月可以激發出明顯的下遊環流響應，但局地的降水氣候態和變率限製了這一過程，導致觀測和模式中巴基斯坦和東亞極端事件的聯系在6月消失。
盡管7-8月印度季風對流最強的區域出現在印度次大陸（圖2a），但由於緯度偏南和高原阻擋，只有巴基斯坦-印度西北部的對流可以有效激發出向東傳播的正壓Rossby波列。
東亞環流對巴基斯坦對流響應的時間差有助於提高我國夏季極端事件的次季節預報能力。
圖6. 三組線性斜壓模式（LBM）實驗中大氣環流對印度季風區非絕熱加熱的響應。第一列：7-8月氣候態與巴基斯坦對流加熱；第二列😴📬：6月氣候態與巴基斯坦對流加熱；第三列：7-8月氣候態與印度次大陸對流加熱。
本研究系統性揭示了巴基斯坦洪水和東亞熱浪間的動力途徑機製，結果表明💁🏼♀️：巴基斯坦地區作為“最佳激發點（sweet spot）”🙋🏻🧑🏿，其盛夏的對流可以擾動對流層上層西風帶，導致東亞地區出現持續的熱浪天氣（圖7）。該動力途徑主要受大氣內部變率調控👩🏻💻，而與全球海溫強迫聯系不大🕊，是亞洲夏季風系統的動力本征模態🧚🏿♀️👩🏻🦯➡️。相關結果有助於提高我國夏季極端事件的次季節預報能力💥💬。
圖7. 連接巴基斯坦洪水與東亞熱浪的動力途徑機製示意圖𓀝。
北京時間2024年4月25日👫，上述成果以“Dynamic pathway linking Pakistan flooding to East Asian heatwaves”為題發表在Science旗下期刊《Science Advances》上🧙🏽，並入選為當期封面論文（圖1）。該研究得到國家自然科學基金基礎科學中心項目“海-陸-氣系統與北半球中高緯極端天氣氣候”（項目號42288101）等的資助🔓，沐鸣2平台第三期“卓博計劃”成員/2023級直博生傅正航為論文第一作者，沐鸣2/中國極地研究中心周文教授和美國加州大學聖迭戈分校Scripps海洋研究所Shang-Ping Xie教授為論文的共同通訊作者，大氣系青年副研究員張如華和博士後王旭棟為論文的重要合作者👨👩👧👦。中氣愛團隊和知名青年攝影師風羽醬-sdk共同完成了論文封面設計。
論文信息：
Fu, Z.-H., W. Zhou*, S.-P. Xie*, R. Zhang, and X. Wang, 2024: Dynamic Pathway Linking Pakistan Flooding to East Asian Heatwaves. Science Advances, 10, eadk9250. https://doi.org/10.1126/sciadv.adk9250
