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当前热浪预测因对其空间演化机制认知不足而受限。研究人员利用复杂网络算法，解析北半球陆地热浪时空传播特征，发现 4 条主要传播路径，揭示其与罗斯贝波包（RWPs）移动及增强的罗斯贝波活动通量（TN 通量）相关，为热浪预测提供新方向。
在全球气候变暖的背景下，极端高温事件频发，陆地热浪（Terrestrial Heatwaves）因其持续时间长、影响范围广，对人类健康、农业生产和能源系统造成了严重威胁。然而，目前对热浪的空间演化规律及其背后的大气动力学机制仍缺乏深入理解，这使得延长热浪预测的提前期成为一项极具挑战性的任务。传统的研究大多基于固定站点的观测，忽略了热浪中心可能远距离移动的特性，而数值模型在预测相关大气环流模式的位置和强度时也存在局限性。因此，揭示热浪传播的 Preferred Pathways 及其与大气环流的联系，成为提升热浪预测能力的关键科学问题。
为了攻克这一难题，来自北京大学、慕尼黑工业大学、中山大学等机构的研究人员开展了一项针对北半球中纬度地区陆地热浪时空传播的研究。该研究成果发表在《Nature Communications》上，通过创新性地运用复杂网络分析方法，结合大气环流数据，首次系统地识别出了热浪传播的典型路径，并阐明了其与罗斯贝波包（Rossby Wave Packets, RWPs）活动的内在关联，为热浪的早期预警提供了重要的科学依据。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，利用 ERA5 再分析数据集（1959-2023 年）中的地表温度和 500 hPa 位势高度等数据，通过百分位数阈值法定义热浪事件；其次，运用复杂网络算法构建热浪传播网络，通过计算节点的 “网络发散度”（Network Divergence）识别热浪的源节点和汇节点，进而追踪传播路径；最后，结合 k-means 聚类分析和 Takaya-Nakamura 罗斯贝波活动通量（TN 通量）分析，探究热浪传播与大气环流模式的动力学联系。
研究结果
1. 热浪传播路径的识别
通过复杂网络算法，研究人员在北半球中纬度地区识别出四条主要的热浪传播路径：
- 亚洲路径：从乌拉尔地区延伸至东亚日本海沿岸；
- 西欧路径（WE）：从东大西洋向中欧传播（起始节点为西班牙）；
- 北美路径 1（NA1）：从加拿大北部向魁北克地区扩展；
- 北美路径 2（NA2）：贯穿美国东西海岸。
每条路径上的节点间距约 1000 km，热浪沿路径呈现 “传播型” 和 “静止型” 两种演化模式。统计显示，1959-2023 年间，亚洲源节点发生传播型热浪 64 次，西欧源节点 76 次，北美源节点分别为 83 次（NA1）和 79 次（NA2），表明这些路径具有显著的重复性和稳定性。
2. 与罗斯贝波包活动的一致性
通过分析 500 hPa 位势高度异常场，研究发现热浪传播路径与罗斯贝波包的移动轨迹高度吻合。以亚洲路径为例，k-means 聚类将高压系统中心的移动分为两类：一类沿乌拉尔向东亚移动，与热浪传播路径完全一致；另一类则在源节点附近保持静止。进一步分析 TN 通量发现，传播型热浪对应的 TN 通量较强，能量沿路径传递，驱动高压系统移动和下游热浪生成；而静止型热浪的 TN 通量较弱，能量局限于源节点附近，导致局部持续高温。这一结果表明，罗斯贝波活动通量是热浪传播的关键驱动力。
3. 对热浪预测的启示
研究通过计算路径节点的热浪发生概率（RHO）发现，在源节点发生热浪后的 7 天内，距离源节点 1000 km 的节点RHO可达 60%-80%，表明传播路径能为下游热浪提供前兆信息。例如，亚洲路径前三个节点的RHO显著高于随机模拟，说明在 2000 km 范围内，利用传播模式可提升预测的可靠性。此外，静止型热浪与大气阻塞（Atmospheric Blocking）密切相关，其持续时间长，对农业区和人口密集区的局部影响更为严重。
结论与讨论
本研究首次通过复杂网络方法系统性揭示了北半球陆地热浪的四条主要传播路径，证实其受罗斯贝波包活动调控，并明确了传播型与静止型热浪的动力学机制。研究结果不仅填补了热浪空间演化机制的认知空白，还为提升热浪预测的提前期提供了新途径 —— 通过监测上游源节点的热浪事件及罗斯贝波活动，可提前预警下游地区的热浪风险。此外，静止型热浪与大气阻塞的关联，为局部极端高温的影响评估提供了新视角。
值得注意的是，尽管四条路径的热浪发生频率未显著高于其他区域，但其传播型案例比例更高，且近年呈现增加趋势，这可能与全球变暖背景下罗斯贝波活动的变化有关。未来研究需进一步结合 CMIP6 模型，探究气候变化对热浪传播模式的长期影响，以及如何将本研究成果整合到数值预报模型中，以提升极端天气事件的预测能力。
总之，这项研究为理解热浪的全球动力学提供了全新框架，其发现的传播路径和罗斯贝波机制，将成为改进热浪预测和风险评估的重要科学基础，对保障人类社会应对气候风险具有深远意义。
