南京信息工程大学:华文剑—2022年夏季长江流域极端高温的研究进展与展望

2022年夏季中国经历了有观测纪录以来范围最广、持续时间最长、强度最大的高温热浪，其中长江流域地区的高温热浪尤为严重，存在极端性和罕见性等特征。本文回顾了2022年夏季长江流域极端高温的形成机制，分别从大气内部变率、海温和海冰强迫、陆面过程和陆面反馈等方面综述了高温热浪发生的原因。给出了影响2022年夏季长江流域极端高温的示意图，分别从大气、海洋、海冰和陆面等角度总结了不同的影响途径和过程。研究表明，导致2022年长江流域高温的最重要的影响因子包括：初夏开始的西太副高和南亚高压的环流异常是高温热浪发生的关键因素，高压的持续合并维持了长江流域的下沉运动，而前期2020—2022年持续的“三重”La   Niña现象的海温异常变化也促进了高压的形成与增强，8月从北大西洋激发的Rossby波，对长江流域上空异常反气旋也有促进作用。同时，该地区土壤湿度与温度的相互反馈作用也加剧了2022年长江流域的高温干旱。具体而言：

首先，在大气内部变率方面，主要是西太副高的异常西伸北移，南亚高压异常东移的高低空环流配置造成此次高温热浪的发生；在垂直方向上西太副高和南亚高压的重叠进一步有利于夏季高压异常，导致中国中东部地区的高温热浪的维持。其次，欧洲阻塞高压的强度变化、伊朗高压的位置变化、Rossby波的异常传播以及次季节异常传播活动影响也放大了此次极端高温事件。同时，罕见的“三重”La Niña气候事件和大西洋海温的异常变化都会通过海气相互作用影响环流异常的维持，北极海冰浓度变化也会影响波动传播，从而促进长江流域高温热浪的发生。持续的大气异常高压也可以引起陆气反馈，加剧极端高温的形成。土壤水分含量的变化会通过改变地表热量分配进而促使区域高温，而高温也会使土壤湿度降低，二者存在正反馈作用。除了自然变率的贡献，人类活动对此次高温热浪的贡献也很显著，人为气候变化增强了此类事件发生的可能性。随着全球变暖，长江流域夏季极端高温事件可能在未来成为常态。

总的来说，2022年夏季长江流域“高温—干旱—山火”链式灾害的发生给人类社会带来了广泛而深远的影响，其影响程度呈现出不断加剧的趋势。应对气候变化不仅需要考虑极端事件本身的变化，还需要综合考虑可能面临的气候风险，在深入认识人类活动影响的基础上制定相应的适应策略。尽管针对这次极端事件的研究已有丰富的成果，但是未来有关极端事件的研究仍存在亟待解决和需要注意的方面：

现有研究关注2022年长江流域极端事件的侧重点不同，给出了不同角度的研究结论（例如大气环流的影响、大气和海洋遥相关因子、陆气反馈等），尤其是极端事件的观测事实、驱动因素和检测归因等方面取得了明显进展。例如，部分学者关注到2022年夏季西太副高和南亚高压的强度及位移异常。这些导致长江流域被异常深厚的大范围高压系统控制，从而推动了极端高温事件的发生。由于2022年是连续La  Niña的第3年，有些学者也着重分析了海温与此次极端事件的联系，La  Niña的持续不仅会影响对流活动，还会调节西太副高的动态变化。而8月北大西洋和印度洋海温异常也会激发远程波列影响长江流域高温，这也是8月高温强度更甚的原因之一。高温主导的干旱大幅度降低了土壤湿度，部分研究聚焦于土壤湿度—温度的互馈作用，其通过能量平衡转换和对植被的动态调节放大了热浪。因此，在后续极端高温评估以及预测研究时，学者可以从以上角度进行考量。但是，由于高温热浪可能也涉及多因子相互作用过程，因此探讨高温的机理和变化归因时，需要考虑海陆气耦合过程以及水循环的影响，而不能单纯从大气内部过程和海温海冰强迫等其中一两个角度进行分析。其次，由于2022年长江流域极端事件的极端性和罕见性，不仅仅是极端高温事件，也存在极端干旱过程。由于大气环流异常和辐射强迫等动热力过程的叠加作用，热浪和干旱等极端事件聚集发生，且事件周期长达1个多月。高温和干旱事件均会对农业、水资源、生态系统、环境以及健康等造成严重影响，高温干旱的复合会使得长江流域多重承压。高温和干旱事件背后的影响因子包括大气环流的直接作用、陆气反馈过程以及海温异常模态或者海冰异常变化激发出的大气遥相关等。以2022年极端事件为例，在未来极端天气气候事件研究中需要关注这三类因子的协同或者叠加作用。所以，未来针对高温事件或者复合高温干旱事件需要从地球系统多圈层相互作用的视角评估其影响、变化与预估。再者，现在很多极端事件的归因研究会强调观测事实的变化与自然强迫和人类活动的关系，可以利用不同的归因方法量化人类活动的贡献，这为未来预估变暖背景下极端事件发生的不确定性提供参考价值。除了人类活动的影响，不同气候系统内部变率的因子可能存在内在联系，未来需要把海洋信号与大气动力过程、陆气相互作用等热力过程联系起来。例如，西太副高本身可能会存在西伸，“三重”La   Niña现象的海温异常变化也促进高压的形成与增强。大气内部动力过程和海温强迫引起的遥相关，以及海洋与大气耦合过程都会对区域环流产生影响，起到协同影响的作用。另外，还需更全面地认识引发高温天气环流型的多样性。众所周知，普遍认为高温热浪与异常高压系统直接联系，但是不同区域和地形条件下发生的高温热浪，其环流特征呈现出很大的差别，高温天气的形成机制也并非相同。一些研究认为欧洲和东亚地区的高温热浪主要来自于北大西洋激发的丝绸之路遥相关波列。针对2022年长江流域高温热浪，一些研究也把巴基斯坦破纪录降水与中国高温热浪相联系，认为与降水相关的巨大非绝热加热增强了下游的Rossby波，促使南亚高压向东延伸，并控制了整个长江流域，放大了长江流域绝热加热的影响。通过对历史资料的诊断发现，在年际尺度上巴基斯坦—印度西北部地区的对流增强与东亚地区大面积的热浪增加紧密相关。巴基斯坦地区可以作为触发点，其盛夏的对流可以扰动对流层上层西风带，导致东亚地区出现持续的热浪天气。说明这种动力途径主要受大气内部变率调控，而与全球海温强迫联系不大。巴基斯坦降水过剩及当地的陆气相互作用可能会和海温强迫以及欧洲异常变暖共同影响西太副高，从而诱导长江流域上空的温度变化。因此，不同区域的遥相关作用对长江流域的环流异常和高温天气也有重要作用，局地热力强迫可能受到海温和海冰等遥强迫的调控，并通过大气遥相关联系在一起，也有可能是大气内部系统的动力模态导致的，如何量化并区分这些遥相关型的贡献，是理解多个地区同时发生极端事件的关键（如欧洲和中国区域高温、巴基斯坦洪涝）。

虽然本文主要概述了2022年极端高温事件的研究，但是实际上这次极端事件也是一次复合高温干旱事件，涉及多圈层过程及相互作用。复合高温干旱事件往往是由极端高温强度增强主导的，主要由反气旋环流和陆气反馈形成，部分地区很可能还涉及植被的动态调节过程，这与2022年长江流域高温干旱形成机制对应。目前，复合高温干旱事件的研究主要是基于数值模拟，如文中提到的CMIP6模拟和GAMIL3.0模式。然而，未来研究复合高温干旱事件仍存在一些不足以及挑战。首先，通常需要大样本量来表征干旱和极端高温，以便将其置于长期背景下进行重现期分析或风险评估，所以需要更精细分辨率的长期数据集（包括气候模拟和再分析数据）来全面表征不同时间尺度的复合高温干旱过程。其次，应该考虑不同干旱类型统一相关变量和阈值，减少评估的不确定性。再者，气候模式在模拟陆气反馈过程能力仍存在不足，可能无法捕捉单个干旱、热浪及其在复合事件中的相互作用和依赖性。另外，复合极端事件会涉及到多圈层角度及相互作用，复合高温干旱也需要从不同圈层视角（如水文科学领域）进行综合分析，以提高对极端复合事件的理解和预测。

气候变化的检测和归因是评估气候变化及风险、深化认识人类活动对气候变化影响的一种重要手段，也是回答极端事件的变化是否受不同因素（如人类活动和自然强迫等）影响程度的科学。因此，如何提升检测归因的研究方法是亟待解决的前沿问题。针对2022年的高温热浪和干旱的归因研究中，大部分工作都基于气候耦合模式或者大气环流模式来开展的。但是，利用气候模式来归因极端事件通常不能解决与极端事件相关的天气系统的模拟问题。其次，目前比较先进的气候模式（如CESM2）在中国区域日尺度的温度变率的模拟上还存在偏差，因此，使用气候模式的极端事件的归因分析中模式对极端事件的模拟性能以及系统偏差等是不确定性的一项重要来源。尽管很多研究强调了人为温室气体排放对高温热浪的促进作用，但是气溶胶的作用也不可忽视。例如，最近有研究强调由于气溶胶减排引起的辐射效应的减弱导致了变暖的趋势，这可能会加剧2022年夏季高温热浪的发生，并且在减排过程中气溶胶间接作用的重要性日益增加。目前，中国科学界已经开始重视极端事件归因方面的研究，也通过国家重点研发计划项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”等，对持续性强降水、极端低温、复合型极端高温干旱、群发性热浪和台风等极端天气气候事件开展了一些有针对性的研究，以期提升中国极端天气气候事件归因研究的能力以及相关研究成果的影响力。

在极端高温热浪的变化机理和预测研究方面，除了目前可用的研究方法外，还应当顺应社会需求，增加一些有关气候风险预测的归因框架，以此为极端天气气候事件的预测提供有益的参考依据。由于2022年长江流域高温热浪事件的极端性和罕见性，目前对未来气候变化的可预测性带来了相当大的挑战。同时，在预测结果的时效性方面，也难以满足公众和政府部门的相关诉求。随着计算能力的不断提升、人工智能技术的广泛应用以及观测资料的进一步完善，未来需要建立和加强极端天气气候事件的快速归因系统，以更好地满足政府决策者和公众的现实需求。

华文剑, 冯慧婷, 崔亚朱, 胡宇涵. 2022年夏季长江流域极端高温的研究进展与展望. 地球科学进展[J], 2025, 40(5): 456-472 DOI:10.11867/j.issn. 1001- 8166. 2025. 023

Citation

HUA Wenjian, FENG Huiting, CUI Yazhu, HU Yuhan. 2022 Summertime Heat Extremes in the Yangtze River Basin: Review and Prospect. Advances in Earth Science[J], 2025, 40(5): 456-472 DOI:10.11867/j.issn. 1001- 8166. 2025. 023