图1. 论文封面：2022年10月6日航拍鄱阳湖的干裂湖床。
I 一般的2022盛夏
2022年盛夏，我国南方地区经历了1961年以来最强的极端高温热浪天气（图2 d-f）。长江流域多个国家级气象站的最高气温打破历史极值，其中重庆北碚45.0℃、江津44.7℃（傅正航同学家乡），给当地人民的生产生活造成了严重影响。与此同时，巴基斯坦却遭遇有气象观测以来最凶猛的雨季，发生了当地历史最大洪水（图2 a-c），巴基斯坦三分之一国土受淹，有上千万人受到洪水影响。复旦大学大气与海洋科学系/中国极地研究中心周文教授课题组成员、我系2023级直博生傅正航在制作“中气爱”系列科普视频的过程中，萌生出科学问题：巴基斯坦洪水和东亚热浪之间是否有动力关联？
图2. 亚洲夏季风区域7-8月的降水（mm/月）和热浪气候态（天/年）以及2022年的异常情况。
周文教授和Scripps海洋研究所谢尚平教授鼓励傅正航探索研究这个问题。基于多套再分析和观测资料，研究首先分析了巴基斯坦-印度西北部对流和东亚热浪间的首要耦合模态（MCA第一模态，图3）。结果发现，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。且对流的第一模态能够很好表征印度夏季风的年际主模态和对流强度（全印度降水指数）。这带来两种假设：
两个地区间极端事件的共发趋势由相同的海温强迫驱动；
两个地区间极端事件为大气内部的本征模态，存在动力途径关联，但与海温强迫联系较弱。
图3. 巴基斯坦-印度西北部对流和东亚热浪的最大协方差分析（MCA）第一模态。
II 万里之外的大气回响
通过分析与巴基斯坦洪水和东亚热浪共发相关的大气动力条件，结果发现该耦合模态主要与亚洲季风区上空的两个高层异常反气旋相关（图4a）。与之相对应的是中层巴基斯坦上空显著的上升运动和东亚同纬度地区的下沉运动，这与反气旋对应的温度异常平流有关（图4b）。值得注意的是，两个异常反气旋呈现出了不同的动力学结构特征：位于西侧的反气旋为明显的斜压结构，可能和局地的对流非绝热加热有关；而位于东侧的反气旋为准正压结构（图4a和4b）。此外，在巴基斯坦西北侧和我国东部都出现了明显的Rossby波源，这由局地的对流异常导致（图4c）。而巴基斯坦作为上游地区，其对流加热导致的高层辐散风在西风急流涡度梯度大值区激发出的明显Rossby源，可能向东亚地区激发出正压Rossby波列，导致东亚出现持续性高温热浪天气。
图4. 与巴基斯坦洪水和东亚热浪相关的大气动力过程。图A：200hPa位势高度（填色）和风场（箭头）异常；图B：500hPa位势高度（等值线）和垂直运动（填色）异常。图C：200hPa Rossby波源（填色）和辐散风（箭头），气候态纬向风强度用等值线表示。
傅正航等进一步利用由全球观测海温驱动的大气环流模式模拟（AMIP）数据评估了全球海温强迫和大气内部变率的相对贡献（图5）。结果表明，AMIP集合的单个成员能够很好模拟出观测中两地极端事件间的联系。其中，在集合离差（ensemble spread）中巴基斯坦-印度西北部对流和东亚高温之间显著相关（1160年序列相关性高达0.46）；而在集合平均（代表厄尔尼诺等海温变化的效应）中相关关系较弱（36年相关性0.22）。这表明，巴基斯坦洪水和东亚热浪的共发主要受大气内部变率调控，而全球海温强迫的效应较小。
图5. AMIP模拟中7-8月模式集合平均和集合离差中巴基斯坦-印度西北部对流和东亚气温的相关系数。
III 根植于大气内部的动力共振
为了更好理解巴基斯坦洪水和东亚热浪间的动力联系过程，本研究设计了三组简单线性大气斜压模式实验。通过改变大气背景态和对流加热位置，实验结果（图6）发现：
尽管巴基斯坦的对流在6月可以激发出明显的下游环流响应，但局地的降水气候态和变率限制了这一过程，导致观测和模式中巴基斯坦和东亚极端事件的联系在6月消失。
尽管7-8月印度季风对流最强的区域出现在印度次大陆（图2a），但由于纬度偏南和高原阻挡，只有巴基斯坦-印度西北部的对流可以有效激发出向东传播的正压Rossby波列。
东亚环流对巴基斯坦对流响应的时间差有助于提高我国夏季极端事件的次季节预报能力。
图6. 三组线性斜压模式（LBM）实验中大气环流对印度季风区非绝热加热的响应。第一列：7-8月气候态与巴基斯坦对流加热；第二列：6月气候态与巴基斯坦对流加热；第三列：7-8月气候态与印度次大陆对流加热。
本研究系统性揭示了巴基斯坦洪水和东亚热浪间的动力途径机制，结果表明：巴基斯坦地区作为“最佳激发点（sweet spot）”，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（图7）。该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，是亚洲夏季风系统的动力本征模态。相关结果有助于提高我国夏季极端事件的次季节预报能力。
图7. 连接巴基斯坦洪水与东亚热浪的动力途径机制示意图。
北京时间2024年4月25日，上述成果以“Dynamic pathway linking Pakistan flooding to East Asian heatwaves”为题发表在Science旗下期刊《Science Advances》上，并入选为当期封面论文（图1）。该研究得到国家自然科学基金基础科学中心项目“海-陆-气系统与北半球中高纬极端天气气候”（项目号42288101）等的资助，复旦大学第三期“卓博计划”成员/2023级直博生傅正航为论文第一作者，复旦大学大气与海洋科学系/中国极地研究中心周文教授和美国加州大学圣迭戈分校Scripps海洋研究所Shang-Ping Xie教授为论文的共同通讯作者，大气系青年副研究员张如华和博士后王旭栋为论文的重要合作者。中气爱团队和知名青年摄影师风羽酱-sdk共同完成了论文封面设计。
论文信息：
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
