通过跨洋盆的遥相关：全球环绕波型延长了西北太平洋海洋热浪的持续时间

《SCIENCE ADVANCES》：Trans-basin linkages prolong Northwestern Pacific marine heatwaves through a circumglobal wave pattern

　　

西北太平洋（Northwestern Pacific， NWP）的海洋热浪（Marine heatwaves， MHWs）日益频繁和持久，但其跨季节持续机制仍不明确。通过观测分析和气候模式实验，研究人员证明西北太平洋海洋热浪主要由一个准静止的纬向波数5全球环绕波（circumglobal wave， CGW）型驱动，其活动独立于厄尔尼诺-南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation， ENSO）。该全球环绕波在夏季调制表面热通量，触发了一个自我强化的反馈回路：西北太平洋变暖增强了全球环绕波型，从而放大并延长了暖季的海洋热浪。此外，全球环绕波驱动的北大西洋北部夏季变暖通过海洋热惯性持续到冬季，激发了一个大圆波型，该波型传播回西北太平洋，从而维持冷季的海洋热浪。这种大气波动与跨洋盆相互作用共同促成了持续多年的海洋热浪事件。观测数据和气候模式模拟分析显示，近几十年来全球环绕波的影响正在加强，表明在持续的全球变暖背景下，西北太平洋海洋热浪将变得更加频繁和持久。

### 西北太平洋海洋热浪的成因与跨季节持续机制：一项基于全球环绕波与跨洋盆反馈的研究解读

西北太平洋是全球海洋热浪发生频率和强度显著增加的关键区域之一。这些极端海洋暖事件不仅持续时间长，可跨越多个季节甚至数年，而且对海洋生态系统、渔业生产和区域气候产生深远影响，严重威胁依赖海洋资源的生物多样性和沿海经济。因此，厘清驱动西北太平洋海洋热浪长期持续的物理机制，对于提升预测能力、制定气候适应策略和加强海洋资源管理至关重要。

传统上，海洋热浪的形成机制研究聚焦于局地大气强迫、海洋过程以及主要气候变率模态（如ENSO）的远程影响。然而，许多西北太平洋海洋热浪事件表现出超常的持久性，甚至在ENSO的不同位相（厄尔尼诺和拉尼娜）中持续存在，这表明除了局地过程和热带强迫之外，可能存在其他机制。近期研究表明，驱动东北太平洋海洋热浪的异常高压系统往往嵌入行星尺度的波列中，并通过跨洋盆相互作用促进海洋热浪发展。这启发研究人员思考：类似的大气波动动力学和跨洋盆遥相关是否也是西北太平洋海洋热浪持久性的基础？

本项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次系统性地揭示了准静止的纬向波数5全球环绕波型及其触发的跨季节、跨洋盆反馈机制，是导致西北太平洋海洋热浪形成和长期持续的核心驱动力。该研究不仅阐明了海洋热浪在暖季通过局地海气正反馈得以维持，还揭示了冷季通过北大西洋的“记忆”效应和远程波列得以延续的全新机制。这一框架的建立，显著深化了对中纬度海洋极端事件持续性的理解，并为预测未来在全球变暖背景下更频繁、更持久的海洋热浪事件提供了关键的理论依据。

#### 主要技术方法概述
研究综合运用了多套长时间序列的观测与再分析数据集（包括Hadley中心海温、NCEP/NCAR再分析、GODAS海洋同化数据等），以及43个CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）模式的历史模拟和20世纪再分析资料，确保了结论的稳健性。关键方法包括：通过回归分析确定西北太平洋海温异常与大气环流型（如200 hPa位势高度场）的统计关联；定义并计算了西北太平洋指数、全球环绕波指数、冷舌指数等关键气候指数；利用混合层热收支定量分析各强迫项的贡献；通过波导分析（静止波数、罗斯贝波相速）揭示全球环绕波准静止性的动力学基础；并设计了理想化海温异常强迫的大气环流模式实验，以验证海温异常对全球环绕波型激发的因果性。此外，研究还通过一阶自回归模型、局部波活动量分析、斜压能量转换计算等多种统计和动力学方法，系统剖析了海气反馈和跨洋盆遥相关的物理过程。

#### 研究结果

**西北太平洋海洋热浪：季节性与全球环绕波型的联系**
回归分析揭示了西北太平洋海洋热浪的空间型，其最强变暖信号位于日本以东。西北太平洋指数在1870-2023年间表现出强烈的季节锁相，方差在北半球夏季（7-9月）达到峰值，这与该季节海洋混合层最浅、海表温度对大气强迫响应最敏感的特性一致。将夏季200 hPa位势高度场回归到滞后1个月的夏季西北太平洋指数上，揭示出一个显著的波数5全球环绕波型，其异常高压中心C直接位于西北太平洋海洋热浪区域上空。即使去除ENSO信号后，该波型依然存在，表明其动力学过程在很大程度上独立于ENSO。通过定义全球环绕波指数（五个高压中心的位势高度异常之和），研究确认该指数能有效衡量驱动西北太平洋海洋热浪的夏季大气强迫强度，且与西北太平洋指数高度相关。

**暖季西北太平洋海洋热浪的持续：局地西北太平洋-全球环绕波自我强化反馈**
为探究海洋热浪的持续机制，研究人员分析了西北太平洋指数与夏季全球环绕波指数的滞后相关。相关在峰值后缓慢衰减，但在整个秋季仍保持较高水平。与仅由海洋热惯性驱动的一阶自回归模型预测相比，观测到的相关性在夏秋季持续偏高，暗示存在额外的维持机制，即海气耦合反馈。进一步分析发现，将夏季位势高度异常回归到夏季西北太平洋指数上，产生的环流型与驱动海洋热浪的全球环绕波型高度相似。这表明，由全球环绕波触发的西北太平洋变暖，反过来会激发大气响应，从而加强全球环绕波型本身，形成一个自我强化的正反馈回路。为验证这一因果关系，研究进行了理想化西北太平洋变暖强迫的大气环流模式实验。模拟的夏季大气响应成功再现了观测到的波数5全球环绕波型，证实了西北太平洋海温异常确实能够激发该半球尺度的波型。波导分析和滞后自相关均表明，全球环绕波型在夏秋季具有准静止性和持续性。综上，夏季全球环绕波诱导的西北太平洋变暖会加强全球环绕波型，后者又进一步加剧西北太平洋变暖，这一正反馈回路显著增强了暖季海洋热浪的持续时间和强度。

**冷季西北太平洋海洋热浪的持续：来自北大西洋的远程跨洋盆反馈**
观测显示，全球环绕波驱动的西北太平洋变暖可以持续到冬季和春季，其相关性甚至略有增强。然而，冷季增强的中纬度急流会破坏夏季准静止的全球环绕波型，因此需要寻找替代机制来维持冷季的海洋热浪。回归分析发现，冬季驱动西北太平洋海洋热浪的大气环流型不再是夏季的全球环绕波结构，而是在西北太平洋上空存在一个显著的异常高压（对应夏季全球环绕波的中心C，简称CGW-C），并伴有从美国东南部延伸至北大西洋以及欧亚大陆上空的次级高压。斜压能量转换分析表明，在急流出口区，天气尺度涡旋将动能传递给平均流，有助于维持这一冬季波列型。定义CGW-C指数后，确认其与冬季西北太平洋指数显著相关，且冬季混合层热收支分析显示，经向海洋温度平流是其主要驱动因子，这与夏季以表面热通量为主的机制不同。

为了探究冬季CGW-C高压的起源，研究将冬季海温异常回归到CGW-C指数上，结果显示西北太平洋和北大西洋北部均存在显著变暖。理想化强迫实验表明，北大西洋北部变暖能够成功激发观测到的冬季波列型，包括CGW-C高压。关键线索在于，北大西洋北部区域靠近夏季全球环绕波的中心E，夏季全球环绕波会同时导致该区域变暖。由于北大西洋北部混合层更深（约110米，西北太平洋约65米），其热惯性更强，海温异常从夏季持续到冬季。滞后相关和回归分析均证实了北大西洋北部变暖从夏到冬的持续性。因此，北大西洋北部充当了“季节记忆存储器”：夏季全球环绕波使其变暖，这一持续的变暖在冬季激发大圆波列，该波列从北大西洋北部经欧亚大陆北部向南弯曲进入北太平洋，最终在西北太平洋上空形成高压异常，从而维持冷季的海洋热浪。

**近几十年来气候变化下增强的全球环绕波-海洋热浪关联**
通过分析CMIP6多模式集合平均、20世纪再分析和NCEP/NCAR再分析资料，研究发现自1850年以来，特别是20世纪后期，全球环绕波活动呈现显著的增强趋势。西北太平洋指数也显示出类似的增趋势。对去趋势后的序列进行30年滑动相关分析发现，自1970年以来，全球环绕波与西北太平洋指数之间的相关性在增强，表明该区域的海气耦合正反馈机制变得更为有效。同时，全球环绕波与北大西洋北部指数在夏季的相关性增强更为显著，冬季西北太平洋与北大西洋北部的相关性也有所增强，这可能与大西洋多年代际振荡（Atlantic multidecadal oscillation， AMO）从冷位相向暖位相的转变有关。这些增强的关联预示着在全球变暖持续背景下，西北太平洋海洋热浪可能变得更加持久和强烈。

**评估ENSO在全球环绕波及西北太平洋海洋热浪机制中的作用**
尽管ENSO可能通过影响印度夏季风等方式调制全球环绕波，但本研究通过对比分析表明，ENSO并非全球环绕波型或西北太平洋海洋热浪的主要驱动因子。在观测记录中，夏季全球环绕波指数与西北太平洋指数存在强相关，且这种关系在厄尔尼诺和拉尼娜条件下均持续存在。概率密度函数分析显示，在全球环绕波正位相条件下，西北太平洋指数的模态值远高于在拉尼娜条件下。偏相关分析进一步证实，在控制全球环绕波的影响后，ENSO与西北太平洋指数的相关性变得不显著；反之，在控制ENSO的影响后，全球环绕波与西北太平洋指数的相关性依然很强。因此，全球环绕波是驱动西北太平洋海洋热浪的主要因子，其作用在很大程度上独立于ENSO。

#### 讨论与结论总结

本研究建立了一个理解西北太平洋海洋热浪形成和持续性的物理框架，强调了中纬度大气波动动力学和跨洋盆相互作用的关键作用。该框架包含两个季节性的机制：
1. **暖季自我强化机制**：夏季准静止的波数5全球环绕波型驱动西北太平洋变暖，后者通过海气正反馈回路反过来加强全球环绕波型，从而维持整个暖半年（夏秋季）的海洋热浪。
2. **冷季跨洋盆遥相关**：夏季全球环绕波同时导致北大西洋北部变暖，得益于该区域更强的海洋热惯性，变暖持续至冬季。随后，冬季的北大西洋北部变暖激发一个跨越欧亚大陆的大尺度波列，该波列最终在西北太平洋上空形成高压异常，从而维持整个冷半年（冬春季）的海洋热浪。

这两种机制共同解释了西北太平洋海洋热浪如何持续整个年度循环，并在连续年份中重复出现时，驱动持续多年的事件。海洋热浪的终止则发生在这两个反馈回路被更强的内部大气或海洋动力过程中断时。

基于世纪尺度的再分析、CMIP6历史模拟和近期观测数据的分析一致表明，自1970年以来，全球环绕波与西北太平洋的相互作用以及跨洋盆反馈均在增强，这很可能是由全球变暖、AMO位相转变或两者共同驱动。这些增强意味着在持续全球变暖下，西北太平洋海洋热浪有可能变得更加严重、持久和频繁。

尽管本研究重点在于阐明全球环绕波-西北太平洋反馈及跨洋盆反馈的机制而非其根本原因，但多种因素可能促成了这些动态的演变，例如：混合层深度减小增强了海气耦合、急流位置偏移重塑了罗斯贝波波导、北极放大效应改变了大气波动力学等。未来需要进一步研究这些中纬度大气波动动力学及其相关海气与跨洋盆相互作用的演变性质，以更好地理解其对影响海洋生态系统、渔业和沿海社区的海洋极端事件的驱动作用。

综上所述，本研究得出结论：**跨洋盆的遥相关通过一个全球环绕波型延长了西北太平洋海洋热浪的持续时间。**