影响日本海夏季海洋热浪事件的主要大气环流型及其可能机理

doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20250121001

doi: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20250121001

黄凯迪^1,2 ，曾刚¹

1. 信息工程大学气候系统预测与变化应对全国重点实验室/气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044

2. 防灾减灾湖南重点实验室/湖南省气象台/中国气象局高影响天气(专项)重点开放实验室，湖南长沙 410118

基金项目: 国家自然科学基金项目（42175035；42575028）；国家重点研发计划项目（2022YFF0801704）

Dominant atmospheric circulation patterns influencing summer marine heatwaves in the Japan/East Sea and their underlying mechanisms

HUANG Kaidi^1,2 ， ZENG Gang¹

1. State Key Laboratory of Climate System Prediction and Risk Management(CPRM)/Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters(CIC-FEMD),Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044 ,China

2. Hunan Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Reduction/Hunan Meteorological Observatory/Key Laboratory of High Impact Weather（Special） ,China Meteorological Administration,Changsha 410118 ,China

摘要

基于1982—2023年NOAA第二版最优插值海温数据和ERA5大气再分析资料，探究了夏季日本海海洋热浪事件形成的主要原因及其可能机理。结果表明，夏季日本海海洋热浪发生时，日本海处于深厚高压系统控制之下，云量偏少，海表吸收更多的短波辐射，使得海温上升。根据日本海海洋热浪事件发生时的大气环流，基于大气遥相关指数将海洋热浪分类，得到影响日本海夏季海洋热浪的主要大气环流型，即受纬向的欧亚型遥相关（Eurasian teleconnection pattern，EU）和经向的东亚-太平洋型遥相关（East Asia-Pacific teleconnection pattern，EAP）波列共同作用，主要表现为欧亚大陆中高纬地区上空纬向“+-+”波列，东亚经向上“-+-”波列，正位势高度异常中心位于日本海上空。日本海海洋热浪开始前15 d起乌拉尔山地区的土壤湿度持续异常偏干，以及前6 d起菲律宾以东洋面的异常降水活动，是造成该大气环流型的主要原因。采用线性斜压模式（linear baroclinic model，LBM）的数值模拟验证了此结论。

关键词

海洋热浪 / 日本海 / 东亚-太平洋型遥相关 / 欧亚型遥相关

Abstract

In recent decades,the increasing frequency and intensity of marine heatwaves (MHWs) have posed a growing threat to marine ecosystems.The Japan/East Sea (JES),located in East Asia,has experienced frequent summer MHW events;however,the dominant atmospheric drivers and associated mechanisms remain incompletely understood.Using the NOAA Optimum Interpolation Sea Surface Temperature (OISST,version 2) dataset and ERA5 atmospheric reanalysis data for the period 1982—2023,this study identifies summer MHWs in the JES and investigates the primary atmospheric circulation patterns and physical mechanisms responsible for their development.The results indicate that summer MHWs in the JES are predominantly associated with a deep anomalous high-pressure system.This circulation pattern reduces total cloud cover,enhances downward shortwave radiation at the sea surface,and consequently leads to pronounced sea surface temperature warming.Treating all MHWs as a homogeneous category obscures the influence of atmospheric circulation;therefore,MHWs were further classified based on large-scale circulation characteristics.Using atmospheric teleconnection indices,the dominant circulation pattern influencing summer MHWs in the JES was identified.This pattern features a zonal “+-+” wave train over the Eurasian continent and a meridional “-+-” wave train over East Asia,with a positive geopotential height anomaly centered over the JES.Approximately 15 days prior to MHW onset,anomalously dry soil moisture conditions are observed in the Ural Mountains,while enhanced precipitation activity occurs over the ocean east of the Philippines about six days before onset.These anomalies act as key precursors contributing to the development of the dominant circulation pattern.To verify this mechanism,idealized heat sources were imposed in a linear baroclinic model,with one heat source centered at the 1.0σ level over the Ural Mountains and another at the 0.45σ level over the ocean east of the Philippines.The model simulations successfully reproduce the formation of a positive potential height anomaly center over the JES,supporting the proposed physical mechanism.These findings provide important insights into the formation mechanisms of summer MHWs in the JES and offer valuable guidance for their monitoring and prediction.

Keywords

marine heatwaves / Japan/East Sea / East Asia-Pacific teleconnection pattern / Eurasian teleconnection pattern

1 资料与方法 2 结果分析 2.1 影响日本海海洋热浪事件的大气环流特征 2.2 +EAP+EU型海洋热浪大气环流演变与前期影响因子 3 结论与讨论

随着工业化进程的不断推进，人类活动排放的大量温室气体致使全球气温持续升高（WMO，2022）。在全球气温攀升的同时，海洋储藏了大量热量，导致海水的温度迅速上升。持续数天的海表温度异常升高现象被称为海洋热浪事件，其发生频率也日益增加。与20世纪80年代相比，21世纪以来海洋热浪事件呈现频率增多、持续时间增长、强度增强、范围增大的特征（Frölicher et al.，2018；Oliver et al.，2018a；Laufkötter et al.，2020；许强等，2023）。

对于绝大多数生物而言，稳定适宜的温度对其生长发育和繁殖至关重要，温度变化会显著影响其生理过程（Seibel and Drazen，2007）。突增的海温对海洋生物的生存环境带来巨大破坏，严重威胁了海洋生态系统稳定（Cavole et al.，2016；Smale et al.，2019；谭红建等，2022）。例如，受海洋热浪的影响，豪勋爵岛的高纬度珊瑚群落在2010年和2011年都经历了前所未有的严重连续白化（Dalton et al.，2020）；2014—2016年的东北太平洋暖斑（Bond et al.，2015）是超长期海洋热浪事件，长时间的海温异常偏暖导致磷虾数量锐减，进而导致以磷虾为食的座头鲸去往其他区域觅食（Piatt et al.，2020）。海洋热浪不仅会破坏生态稳定性，而且对渔业经济和生态系统服务业等产业会存在重大影响（Frölicher and Laufkötter，2018；Holbrook et al.，2022）。因此，深入研究海洋热浪的变化特征，并揭示其发生维持机理，具有重要的科学意义和现实价值。

目前，全球大部分海域都曾受到海洋热浪的影响。不同海域海洋热浪的形成机制存在差异，通常涉及复杂的大气与海洋动力过程（Sen Gupta et al.，2020；胡石建和李诗翰，2022）。在热带海域，如中国南海、澳大利亚北部海域、北印度洋及墨西哥湾等区域，海洋热浪频发且多与厄尔尼诺-南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）活动有关（Oliver et al.，2018b；Liu et al.，2022；Feng et al.，2023；Lin et al.，2023）。中高纬度洋流活跃区的海洋热浪多与暖洋流的热量输送有关（Oliver et al.，2017；Miyama et al.，2021）。而受洋流影响小的区域则是与阻塞形势的建立、大气遥相关过程以及海洋中尺度涡旋的关系密不可分（Myers et al.，2018；Mohamed et al.，2022；Chen S J et al.，2023；Simon et al.，2023）。在北极地区，受海冰消融与温室气体强迫的共同作用，极端海洋热浪事件也已多次发生（Huang et al.，2021；Barkhordarian et al.，2024；Zhang et al.，2025）。

日本海是东亚边缘海中相对封闭的一个海域，受ENSO的影响，该地区的沿岸海域海温变率为全球次高值，海洋热浪事件频发（Wang et al.，2022），同时海洋热浪年累计强度以及平均强度趋势也十分显著（Marin et al.，2021）。2021年7月，日本海经历了一次极为严重的海洋热浪事件，其强度为历年夏季最高，主要由深厚高压系统引导更多短波辐射被海表吸收所致；归因结果表明，人类活动使这种事件出现的可能性增加了43倍（Chen H H et al.，2023；Li et al.，2023）。类似极端事件在2023年夏季再次出现：海表温度上升抑制了云的形成，进而使更多短波辐射被海表吸收，海温进一步上升，并形成正反馈机制（Sato et al.，2024）。已有研究表明，PJ/EAP（Pacific-Japan/East Asia-Pacific pattern）波列（Nitta，1987）是造成日本海海洋热浪的因素（Lee et al.，2020）；与北极涛动（Arctic Oscillation，AO）相关的风场通过海洋动力过程调节了冬季日本海的海温变化（Song et al.，2023）。然而，在天气尺度上，日本海海洋热浪的发生维持机理尚不明确。当前在东亚地区，大气热浪的研究颇为深入，纬向传播的欧亚型遥相关（Eurasian teleconnection pattern，EU）、丝绸之路型遥相关（Silk-Road pattern，SR）、环球型遥相关（Circumglobal teleconnection pattern，CGT）、英国-鄂霍次克海走廊型遥相关（British-Okhotsk Corridor pattern，BOC）以及经向传播的PJ/EAP都影响着东亚地区夏季的温度变化（Wallace and Gutzler，1981；Choi et al.，2020；Noh et al.，2021；尹泽疆等，2023；Zhou et al.，2024）。同样位于东亚的日本海的海温变化也有可能与这些波列的活动有关。

综上所述，前人关于日本海夏季海洋热浪的研究大多基于其特征分析和个例研究，而对其机理的研究较少，为此我们提出以下问题：在天气尺度上，造成夏季日本海地区发生海洋热浪事件的主要环流型是什么？其演变具有怎样的特征？其形成机理又是什么？针对这些问题，本文将主要研究夏季日本海海洋热浪事件的大气环流特征，分析其主要大气环流型，并从下垫面因子角度探讨其形成的可能机理，最后采用数值模式进行模拟验证。

1 资料与方法

本研究使用的资料包括：1）美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的第二版逐日最优插值海温资料（OISST v2）（Reynolds et al.，2007），水平分辨率为0.25°×0.25°。其下载地址为：https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.highres.html。2）欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的第五代大气再分析资料（ERA5；Hersbach et al.，2020），包括风场、位势高度场、总云量、2 m气温、净短波辐射、净长波辐射、感热通量、潜热通量、土壤湿度以及总降水量，水平分辨率为0.25°×0.25°。其可从以下网址获取：https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels-monthly-means?tab=overview。上述资料均选取1982—2023为研究时段，且所有数据均去除线性趋势，并选取6—8月作为夏季。

本研究识别的海洋热浪是基于Hobday et al.（2016）的定义，即：连续5 d海表温度超过相对阈值，该阈值为基于研究期内、以给定日期为中心的11 d窗口内的海温第90百分位数，且海表温度数据经过31 d滑动平均处理，同时要求受影响区域的最小面积达到30 625 km²（175 km×175 km）（Oh et al.，2023）。

波活动通量（wave activity flux，WAF）常被用于诊断分析大气环流中的Rossby波的传播。本研究使用的T-N波活动通量由Takaya and Nakamura（2001）推导得到：

W = \frac{p c o s φ}{2 | u |} \cdot (\binom{\frac{u}{a^{2} {c o s}^{2} φ} [{(\frac{\partial ψ^{'}}{\partial λ})}^{2} - ψ^{'} \frac{\partial^{2} ψ^{'}}{\partial λ^{2}}] + \frac{v}{a^{2} c o s φ} [\frac{\partial ψ^{'}}{\partial λ} \frac{\partial ψ^{'}}{\partial φ} - ψ^{'} \frac{\partial^{2} ψ^{'}}{\partial λ \partial φ}]}{\frac{u}{a^{2} c o s φ} [\frac{\partial ψ^{'}}{\partial λ} \frac{\partial ψ^{'}}{\partial φ} - ψ^{'} \frac{\partial^{2} ψ^{'}}{\partial λ \partial φ}] + \frac{v}{a^{2}} [{(\frac{\partial ψ^{'}}{\partial λ})}^{2} - ψ^{'} \frac{\partial^{2} ψ^{'}}{\partial φ^{2}}]})

(1)

其中：p表示气压；u和v分别是纬向和经向基本气流；φ和λ分别代表纬度和经度；ψ′是准地转流函数对气候态的扰动。

线性斜压模式（linear baroclinic model，LBM; Watanabe and Kimoto，2000）被用于探究造成大气环流异常的因素，以验证其物理机制。许多研究表明，LBM模式可以很好地验证由非绝热加热引起的大气环流异常机理（Liu et al.，2024；Zhang and Fan，2024）。该模型采用了T42水平分辨率方案，垂直高度分为20层。

2 结果分析

2.1 影响日本海海洋热浪事件的大气环流特征

根据第1节中海洋热浪的定义，在1982—2023夏季共识别到78次日本海海洋热浪事件。日本海作为一个较为封闭的海域，相较于海洋动力学过程，大气的活动是造成海温变化的主要因素。深厚高压系统的建立会使得下沉气流盛行，对流活动被抑制，云量减少，造成大量短波辐射被海表吸收，最终导致海温升高、超过阈值，形成一次海洋热浪事件（Holbrook et al.，2019）。由此可见，局地高压形势的建立对日本海海洋热浪的产生至关重要。对日本海夏季78次海洋热浪事件的位势高度异常、风场异常进行合成分析（图1）。可知，日本海区域高低空均呈现显著的正位势高度异常，其南北两侧及西侧为较强的负位势高度异常，乌拉尔山地区上空同样存在一个深厚的正位势高度异常中心。

深厚高压形势的建立为日本海海温升高提供了良好的背景，高压建立的同时局地气象要素也发生了变化。在海洋热浪的持续期间，海温和海表气温均异常偏高，尤其是海盆中部（图2a、2d）。这是因为在日本海中部和南部的天空上，总云量较气候态异常偏少（图2b），偏少的云量使得更多的太阳短波辐射照射到海表（图2c）。

以往的研究表明，在东北亚地区，夏季高温事件存在不同的环流分布型（Yeo et al.，2019；李经纬等，2021；Yang et al.，2021）。将所有日本海海洋热浪事件视作同一类型研究，不利于了解海洋热浪对应大气环流的机理。分析所有日本海海洋热浪事件演变发现，整体的前期信号并不清晰，这可能是由于不同的事件演变过程中，环流型存在差异，因此前期信号被掩盖了。为了探寻造成日本海海洋热浪的主要大气环流型，需要对各次事件进行分型。图1a显示，在500 hPa上欧亚中高纬地区波列呈纬向分布，为此选择3个关键区：区域A（40°~55°E，50°~65°N）、区域B（90°~105°E，45°~60°N）、区域C（135°~150°E，40°~55°N），并定义I_EU指数如下：

I_{E U} = (Z_{A}^{'} - Z_{B}^{'} + Z_{C}^{'}) / 3_{\circ}

(2)

其中：Z′表示500 hPa位势高度异常。而在东亚地区经向上，同样存在从南向北的波列分布，与EAP的分布型类似。本文引入了黄刚和严中伟（1999）对I_EAP指数的定义。基于这两个标准化处理后的指数，本文对日本海海洋热浪进行分型，并确定其主要环流型。对日本海夏季海洋热浪的分型定义如下：

图1日本海海洋热浪期间位势高度异常场（填色；单位：gpm）和水平风速异常场（箭矢；单位：m·s^-1）的合成分布（打点表示通过置信度为90%的显著性检验）：（a）500 hPa；（b）850 hPa

Fig.1Composite geopotential height anomalies (shadings; units:gpm) and horizontal wind anomalies (arrows; units:m·s^-1) during marine heatwaves (MHWs) in the Japan/East Sea (JES) at (a) 500 hPa and (b) 850 hPa.Dots indicate values significant at the90% confidence level

图2日本海海洋热浪持续期间合成分析（打点表示通过置信度为90%的显著性检验）：（a）海温异常（填色；单位：℃）；（b）总云量异常（填色；单位：%）；（c）短波辐射异常（填色；单位：W·m^-2）；（d）2 m气温异常（填色；单位：℃）

Fig.2Composite anomalies during MHWs in the JES of (a) SST (shadings; units:℃) , (b) total cloud cover (shadings; units:%) , (c) surface solar radiation (shadings; units:W·m^-2) , and (d) 2 m air temperature (shadings; units:℃) .Dots indicate values significant at the90% confidence level

\{\begin{array}{l} + EAP + EU 型: I_{EAP} > 0 且 I_{EU} > 0; \\ + EAP 型: I_{EAP} > 0, I_{EU} < 0 且 I_{EAP} + I_{EU} > 0; \\ + EU 型: I_{EAP} < 0, I_{EU} > 0 且 I_{EAP} + I_{EU} > 0; \\ 其他型: I_{EAP} + I_{EU} < 0 。 \end{array}

(3)

图3a是日本海夏季78次海洋热浪事件I_EAP和I_EU指数的散点分布图，其中绿色打点表示+EAP+EU型，该型事件出现次数最多，共39次。这说明+EAP+EU型是日本海海洋热浪事件的主要环流型。合成分析显示，+EAP+EU型事件的环流场在纬向上波列特征显著，同时在东亚经向上为“-+-”的三极型波列（图3b）。在两个正的指数影响下，日本海上空的高压系统可以稳定维持，最终促使海洋热浪的发生。集中于第三象限的海洋热浪事件（图3a），其I_EAP和I_.0指数之和小于0，这表明可能在没有强大高压建立的情况下，仍然发生了海洋热浪。实际上，其他型事件在日本海南部500 hPa上为弱的正位势高度异常，而日本海海盆上空则无明显异常系统，此时由于对流活动并不活跃，使得云量偏少，导致短波辐射被海表吸收，最终使得海温升高。由于+EAP+EU型事件是夏季海洋热浪的主要型，所以本文将重点研究其环流演变特征，并探究造成该型环流的前期因子。

2.2 +EAP+EU型海洋热浪大气环流演变与前期影响因子

在日本海海洋热浪开始的前12至15 d时，日本海高空无明显异常系统，此时位于新地岛南部的乌拉尔山地区存在一个显著的正位势高度异常中心，并开始向东传播波活动通量（图4a）。从这一时刻起，位于贝加尔湖西北侧的负位势高度异常中心逐渐发展加强，并继续向东传播波活动通量（图4a—4f）。而位于日本海上空较弱的正位势高度异常在海洋热浪开始的前9至12 d初步形成，并逐渐发展为显著的正异常系统，由此为日本海的海洋热浪发生提供了合适的高空背景场（图4b）。

在850 hPa上，在海洋热浪开始前12~15 d，乌拉尔山地区同样存在正位势高度异常中心，并向东传播波活动通量，但此时位于贝加尔湖西北侧的低压系统尚未建立，在日本海的南部有弱的正位势高度异常（图5a）。在海洋热浪开始前6~9 d时，贝加尔湖西北侧的负位势高度异常中心形成（图5c）。到了海洋热浪开始前3~6 d，位于日本海南侧、菲律宾东侧的洋面上出现弱的不显著的负位势高度异常，并向北部传播少量波活动通量（图5d）。之后，该负异常中心开始加强，向北持续传播波活动通量，促使日本海低空的正位势高度异常进一步加强（图5e、5f）。最终，日本海上空为深厚高压系统，促使了海洋热浪发生。

图3（a）日本海夏季海洋热浪事件的IEAP和IEU指数散点分布图；（b）+EAP+EU型日本海海洋热浪事件500 hPa位势高度异常（填色；单位：gpm）和风速异常（箭矢；单位：m·s^-1）合成分布。打点表示通过置信度为90%的显著性检验

Fig.3(a) Scatterplot distribution of the IEAP and IEU during summer MHWs in the JES. (b) Composite of 500 hPa geopotential height anomalies (shadings; units:gpm) and wind anomalies (arrows; units:m·s^-1) associated with +EAP+EU type MHWs in the JES.Dots denote values significant at the90% confidence level

图4+EAP+EU型日本海海洋热浪事件对应500 hPa位势高度异常场（填色; 单位：gpm）和波活动通量（箭矢; 单位：m²·s^-2）：海洋热浪开始前12~15 d（a）、9~12 d（b）、6~9 d（c）、3~6 d（d）、0~3 d（e）；海洋热浪开始到持续的第3天（f）。打点表示通过置信度为90%的显著性检验

Fig.4Composite geopotential height anomalies (shadings; units:gpm) and WAF (arrows; units:m²·s^-2) at 500 hPa during +EAP+EU type MHWs in the JES: (a) 12—15 days before onset, (b) 9—12 days before, (c) 6—9 days before, (d) 3—6 days before, (e) 0—3 days before, and (f) 0—3 days after the onset of MHWs.Dots indicate values significant at the90% confidence level

图5+EAP+EU型日本海海洋热浪事件对应850 hPa位势高度异常场（填色；单位：gpm）和波活动通量（箭矢；单位：m²·s^-2）：海洋热浪开始前12~15 d（a）、9~12 d（b）、6~9 d（c）、3~6 d（d）、0~3 d（e）；海洋热浪开始到持续的第3天（f）。打点表示通过置信度为90%的显著性检验

Fig.5Same as Fig.4, but for 850 hPa geopotential height anomalies (shadings; units:gpm) and WAF (arrows; units:m²·s^-2) during +EAP+EU type MHWs in the JES.Dots indicate values significant at the90% confidence level

为探究造成+EAP+EU型大气环流的原因，进一步分析相关前期气象要素。已有研究表明，乌拉尔山地区土壤湿度异常会影响大气环流，并造成下游日本海地区位势高度异常（余波等，2020）。在日本海海洋热浪发生前到海洋热浪开始，位于新地岛南部的乌拉尔山地区土壤湿度持续异常偏干（图6a—6f）。同时在土壤偏干的区域，感热通量为显著正异常（图6g—6l）。这说明，可能的机制是异常偏干的土壤湿度抑制了蒸散发过程，热量储存在地表并导致地温偏高（Seneviratne et al.，2010），地表以感热通量的形式加热大气，使得位势高度升高，反气旋环流加强。反过来，加强的反气旋环流使得更多的短波辐射可以被地表吸收，使地温升高，由此形成正反馈机制。最终乌拉尔山地区的深厚高压系统进一步加强维持，并向东传播Rossby波列，东部系统依次发展，形成了EU型环流场。

而菲律宾东侧海域的低压活动同样对日本海高压的建立具有贡献。PJ/EAP波列正位相时，菲律宾以东洋面降水为正异常，日本海地区降水为负异常（陶丽等，2020），而+EAP+EU型海洋热浪事件发生前也具有类似的特征。在海洋热浪开始前6~9 d，菲律宾以东的洋面出现降水并持续，在海洋热浪开始前0~3 d，降水加强，并在海洋热浪开始时降水活动进一步加强（图7c—7f）。同时，潜热通量也表现为逐渐加强的形势（图7g—7l）。这说明，可能的机制是降水发生，释放凝结潜热，使得对流活动进一步加强，进而向北传播波活动通量，促使日本海上空高压加深，最终海洋热浪发生。

为了进一步验证乌拉尔山感热强迫及菲律宾以东洋面潜热释放对+EAP+EU型事件环流形成的机理，本文基于LBM模式设计了两组敏感性试验。考虑到感热的强迫作用通常在近地面层，因此在（60°E，55°N）处添加一个纬向半径为15°、经向半径为10°、中心强度位于1.0σ层的热源。在热源驱动下，3 d起出现正位势高度异常，随着时间推移，其东部的系统逐一建立，最终在12~15 d时，日本海上空出现了正位势高度异常中心（图8a—8d）。热带地区对流活动释放的热强迫通常位于对流层中高层（Lukens et al.，2017），故在（140°E，20°N）处添加了一个纬向半径为15°、经向半径为10°、中心强度位于0.45σ层的热源。在热源强迫下，3~6 d时，热源位置处为负位势高度异常，其北部的日本海地区出现正异常中心，且能持续存在（图8e—8h）。考虑到乌拉尔山的感热强迫在前、菲律宾潜热强迫在后，故将图8d和图8e的结果线性叠加。图8i所示结果与图3b类似，乌拉尔山地区为异常反气旋性环流，菲律宾以东洋面为异常气旋性环流，日本海上空为异常反气旋性环流。

图6+EAP+EU型日本海海洋热浪事件对应土壤湿度异常（a—f；填色，单位：10^-2 m³·m^-3）和感热通量异常（g—l；填色，单位：W·m^-2）：海洋热浪开始前12~15 d（a、g）、9~12 d（b、h）、6~9 d（c、i）、3~6 d（d、j）、0~3 d（e、k）；海洋热浪开始到持续的第3天（f、l）。打点表示通过置信度为90%的显著性检验

Fig.6Composite anomalies of （a—f）soil moisture (shadings; units:10^-2 m³·m^-3) and (g—l) surface sensible heat flux (shadings; units:W·m^-2) during +EAP+EU type MHWs in the JES: (a, g) 12—15 days before onset, (b, h) 9—12 days before, (c, i) 6—9 days before, (d, j) 3—6 days before, (e, k) 0—3 days before, and (f, l) 0—3 days after onset.Dots denote values significant at the90% confidence level

图7+EAP+EU型日本海海洋热浪事件对应降水异常（a—f；填色，单位：mm）和潜热通量异常（g—l；填色，单位：W·m^-2）：海洋热浪开始前12~15 d（a、g）、9~12 d（b、h）、6~9 d（c、i）；3~6 d（d、j）；0~3 d（e、k）；海洋热浪开始到持续的第3天（f、l）。打点表示通过置信度为90%的显著性检验

Fig.7Composite anomalies of （a—f）total precipitation (shadings; units:mm) and (g—l) surface latent heat flux (shadings; units:W·m^-2) during +EAP+EU type MHWs in the JES for the same lead-lag periods as in Fig.6.Dots indicate values significant at the90% confidence level

3 结论与讨论

本研究基于观测海温资料和大气再分析资料，对日本海夏季海洋热浪的大气环流背景进行了诊断分析。利用EAP和EU指数对环流分型，得到了夏季日本海海洋热浪最主要的环流型，即+EAP+EU型，并分析了该型环流的演变特征和可能前期影响因子。最后用LBM模式设计了相关数值试验，验证了前期因子的作用。

日本海是东亚边缘海的一部分，同时也是一个较为封闭的海域。当其上空存在深厚的高压系统时，对流活动被抑制，天空晴朗少云，有利于更多的短波辐射被海表吸收，进而造成海温突增。当高压系统长期位于日本海上空时，海温将持续偏离气候平均态，最终形成海洋热浪事件。

日本海夏季海洋热浪在欧亚中高纬地区表现为纬向“+-+”三极型环流特征，由此定义EU指数；而在东亚经向上则是“-+-”三极型环流，类似EAP波列。根据EU和EAP指数对各事件进行分类，其中+EAP+EU型为夏季海洋热浪的主要环流模态。

图8LBM数值试验中500 hPa位势高度异常场（填色; 单位：gpm）和风场异常（箭矢; 单位：m·s^-1）对乌拉尔山热源响应（a—d）和对菲律宾以东洋面热源响应（e—h）：（a、e）3~6 d；（b、f）6~9 d；（c、g）9~12 d；（d、h）12~15 d；（i）图d和图e叠加

Fig.8LBM responses of geopotential height anomalies (shadings; units:gpm) and wind anomalies (arrows; units:m·s^-1) at 500 hPa to idealized heat sources over (a—d) the Ural Mountains and (e—h) the ocean east of the Philippines: (a, e) 3—6 days; (b, f) 6—9 days; (c, g) 9—12 days; (d, h) 12—15 days.Panel (i) shows the linear superposition of panels (d) and (e)

在+EAP+EU型海洋热浪事件发生前，乌拉尔山地区长期存在的高压系统向东传播波活动通量，使得贝加尔湖西北侧低压系统发展，再向东传播使得日本海高空高压建立；开始前3~6 d，菲律宾东侧的洋面上存在负位势高度异常活动，其向北传播波活动通量、使得日本海低空的正位势高度异常中心加强。进一步分析发现，在海洋热浪开始前，乌拉尔山地区土壤湿度长期偏干，感热通量为正异常；而在菲律宾东侧洋面则存在降水异常偏多，潜热通量为正异常，这可能是造成+EAP+EU型环流的主要原因。应用LBM模式在乌拉尔山地区和菲律宾以东洋面分别添加了热源，在热源的强迫作用下，模式可以模拟出+EAP+EU型的环流场。这说明，前期乌拉尔山地区异常感热活动和菲律宾以东洋面异常潜热活动，会通过影响环流场，造成后期日本海出现海洋热浪。

以往的研究表明，PJ/EAP波列的活动，对日本海及其东部西北太平洋海域海洋热浪存在影响（Noh et al.，2023）。在本研究中，除了PJ/EAP波列外，纬向型的EU波列也同样重要，二者的共同作用是造成日本海海洋热浪的主要原因。本研究发现还存在其他型的海洋热浪，从大气环流角度无法较好地解释其海洋热浪的发生机理，其在对流活动不活跃的情况下，天空中同样少云，使得海表吸收更多短波辐射进而升温。未来将进一步深入讨论该型的海洋热浪发生的机理。

致谢:本文得到了南京信息工程大学高性能计算中心的计算支持和帮助。谨致谢忱！

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图(8)

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黄凯迪,曾刚,2026.影响日本海夏季海洋热浪事件的主要大气环流型及其可能机理[J].大气科学学报,49(3):406-417.

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Huang K D,Zeng G,2026.Dominant atmospheric circulation patterns influencing summer marine heatwaves in the Japan/East Sea and their underlying mechanisms[J].Trans Atmos Sci,49(3):406-417.DOI：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20250121001.(in Chinese).

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Barkhordarian A, Nielsen D M, Olonscheck D, et al., 2024. Arctic marine heatwaves forced by greenhouse gases and triggered by abrupt sea-ice melt[J]. Commun Earth Environ, 5: 57. DOI: 10. 1038/s43247-024-01215-y.

Bond N A, Cronin M F, Freeland H, et al., 2015. Causes and impacts of the 2014 warm anomaly in the NE Pacific[J]. Geophys Res Lett, 42(9): 3414-3420. DOI: 10. 1002/2015gl063306.

Cavole L, Demko A, Diner R, et al., 2016. Biological impacts of the 2013—2015 warm-water anomaly in the Northeast Pacific: winners, losers, and the future[J]. Oceanography, 29(2): 273-285. DOI: 10. 5670/oceanog. 2016. 32.

Chen H H, Wang Y T, Xiu P, et al., 2023. Combined oceanic and atmospheric forcing of the 2013/2014 marine heatwave in the Northeast Pacific[J]. npj Climate Atmos Sci, 6: 3. DOI: 10. 1038/s41612-023-00327-0.

Chen S J, Yao Y L, Feng Y T, et al., 2023. Characteristics and drivers of marine heatwaves in 2021 summer in East Korea Bay, Japan/East Sea[J]. Remote Sens, 15(3): 713. DOI: 10. 3390/rs15030713.

Choi N, Lee M I, Cha D H, et al., 2020. Decadal changes in the interannual variability of heat waves in East Asia caused by atmospheric teleconnection changes[J]. J Climate, 33(4): 1505-1522. DOI: 10. 1175/jcli-d-19-0222. 1.

Dalton S J, Carroll A G, Sampayo E, et al., 2020. Successive marine heatwaves cause disproportionate coral bleaching during a fast phase transition from El Niño to La Niña[J]. Sci Total Environ, 715: 136951. DOI: 10. 1016/j. scitotenv. 2020. 136951.

Feng Y T, Bethel B J, Tian Y, et al., 2023. Marine heatwaves in the Gulf of Mexico 1983—2021: statistics, recent intensifications, and threats on coral reefs[J]. Adv Climate Change Res, 14(4): 560-572. DOI: 10. 1016/j. accre. 2023. 08. 006.

Frölicher T L, Laufkötter C, 2018. Emerging risks from marine heat waves[J]. Nat Commun, 9: 650. DOI: 10. 1038/s41467-018-03163-6.

Frölicher T L, Fischer E M, Gruber N, 2018. Marine heatwaves under global warming[J]. Nature, 560(7718): 360-364. DOI: 10. 1038/s41586-018-0383-9.

Hersbach H, Bell B, Berrisford P, et al., 2020. The ERA5 global reanalysis[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 146(730): 1999-2049. DOI: 10. 1002/qj. 3803.

Hobday A J, Alexander L V, Perkins S E, et al., 2016. A hierarchical approach to defining marine heatwaves[J]. Prog Oceanogr, 141: 227-238. DOI: 10. 1016/j. pocean. 2015. 12. 014.

Holbrook N J, Scannell H A, Sen Gupta A, et al., 2019. A global assessment of marine heatwaves and their drivers[J]. Nat Commun, 10: 2624. DOI: 10. 1038/s41467-019-10206-z.

Holbrook N J, Hernaman V, Koshiba S, et al., 2022. Impacts of marine heatwaves on tropical western and central Pacific island nations and their communities[J]. Glob Planet Change, 208: 103680. DOI: 10. 1016/j. gloplacha. 2021. 103680.

胡石建, 李诗翰, 2022. 海洋热浪研究进展与展望[J]. 地球科学进展, 37(1): 51-64. Hu S J, Li S H, 2022. Progress and prospect of marine heatwave study[J]. Adv Ear Sci, 37(1): 51-64. DOI: 10. 11867/j. issn. 1001 8166. 2021. 121. (in Chinese).

Huang B Y, Wang Z M, Yin X G, et al., 2021. Prolonged marine heatwaves in the Arctic: 1982—2020[J]. Geophys Res Lett, 48(24): e2021GL095590. DOI: 10. 1029/2021gl095590.

黄刚, 严中伟, 1999. 东亚夏季风环流异常指数及其年际变化[J]. 科学通报, 44: 1325-1329. Huang G, Yan Z W, 1999. The East Asian summer monsoon circulation anomaly index and its interannual variations[J]. Sci Bull, 44: 1325-1329. DOI: 10. 1007/BF02885855. (in Chinese).

Laufkötter C, Zscheischler J, Frölicher T L, 2020. High-impact marine heatwaves attributable to human-induced global warming[J]. Science, 369(6511): 1621-1625. DOI: 10. 1126/science. aba0690.

Lee S, Park M S, Kwon M, et al., 2020. Two major modes of East Asian marine heatwaves[J]. Environ Res Lett, 15(7): 074008. DOI: 10. 1088/1748-9326/ab8527.

Li D L, Chen Y, Qi J F, et al., 2023. Attribution of the July 2021 record-breaking Northwest Pacific marine heatwave to global warming, atmospheric circulation, and ENSO[J]. Bull Amer Meteor Soc, 104(1): E291-E297. DOI: 10. 1175/bams-d-22-0142. 1.

李经纬, 曾刚, 杨效业, 等, 2021. 中国东北夏季极端高温的分类及其与北大西洋海表温度异常的联系[J]. 大气科学学报, 44(2): 302-313. Li J W, Zeng G, Yang X Y, et al., 2021. Classification of summer extreme high temperature events in Northeast China and their relationships with sea surface temperature anomalies in North Atlantic[J]. Trans Atmos Sci, 44(2): 302-313. DOI: 10. 13878/j. cnki. dqkxxb. 20200322001. (in Chinese).

Lin X Y, Qiu Y, Wang J J, et al., 2023. Seasonal diversity of El Niño-induced marine heatwave increases in the Bay of Bengal[J]. Geophys Res Lett, 50(3): e2022GL100807. DOI: 10. 1029/2022gl100807.

Liu D L, Wang L J, Guan Z Y, et al., 2024. Maintenance mechanism for the summertime +EAP/-SR combination pattern[J]. Climate Dyn, 62: 6555-6578. DOI: 10. 1007/s00382-024-07224-z.

Liu K, Xu K, Zhu C W, et al., 2022. Diversity of marine heatwaves in the South China Sea regulated by ENSO phase[J]. J Climate, 35(2): 877-893. DOI: 10. 1175/jcli-d-21-0309. 1.

Lukens K E, Feldstein S B, Yoo C, et al., 2017. The dynamics of the extratropical response to Madden-Julian Oscillation convection[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 143(703): 1095-1106. DOI: 10. 1002/qj. 2993.

Marin M, Feng M, Phillips H E, et al., 2021. A global, multiproduct analysis of coastal marine heatwaves: distribution, characteristics, and long-term trends[J]. J Geophys Res: Oceans, 126(2): e2020JC016708. DOI: 10. 1029/2020jc016708.

Miyama T, Minobe S, Goto H, 2021. Marine heatwave of sea surface temperature of the Oyashio region in summer in 2010—2016[J]. Front Mar Sci, 7: 576240. DOI: 10. 3389/fmars. 2020. 576240.

Mohamed B, Ibrahim O, Nagy H, 2022. Sea surface temperature variability and marine heatwaves in the Black Sea[J]. Remote Sens, 14(10): 2383. DOI: 10. 3390/rs14102383.

Myers T A, Mechoso C R, Cesana G V, et al., 2018. Cloud feedback key to marine heatwave off Baja California[J]. Geophys Res Lett, 45(9): 4345-4352. DOI: 10. 1029/2018gl078242.

Nitta T, 1987. Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the Northern Hemisphere summer circulation[J]. J Meteor Soc Japan, 65(3): 373-390. DOI: 10. 2151/jmsj1965. 65. 3_373.

Noh E, Kim J, Jun S Y, et al., 2021. The role of the Pacific-Japan pattern in extreme heatwaves over Korea and Japan[J]. Geophys Res Lett, 48(18): e2021GL093990. DOI: 10. 1029/2021gl093990.

Noh E, Kim J, Jun S Y, et al., 2023. Atmospheric pathway of marine heatwaves over the northwestern Pacific[J]. Sci Rep, 13: 22821. DOI: 10. 1038/s41598-023-49833-4.

Oh H, Kim G U, Kim Y S, et al., 2023. Classification and causes of East Asian marine heatwaves during boreal summer[J]. J Climate, 36(5): 1435-1449. DOI: 10. 1175/jcli-d-22-0369. 1.

Oliver E C J, Benthuysen J A, Bindoff N L, et al., 2017. The unprecedented 2015/16 Tasman Sea marine heatwave[J]. Nat Commun, 8: 16101. DOI: 10. 1038/ncomms16101.

Oliver E C J, Donat M G, Burrows M T, et al., 2018a. Longer and more frequent marine heatwaves over the past century[J]. Nat Commun, 9: 1324. DOI: 10. 1038/s41467-018-03732-9.

Oliver E C J, Perkins-Kirkpatrick S E, Holbrook N J, et al., 2018b. Anthropogenic and natural influences on record 2016 marine heat waves[J]. Bull Amer Meteor Soc, 99(1): S44-S48. DOI: 10. 1175/bams-d-17-0093. 1.

Piatt J F, Parrish J K, Renner H M, et al., 2020. Extreme mortality and reproductive failure of common murres resulting from the Northeast Pacific marine heatwave of 2014—2016[J]. PLoS One, 15(1): e0226087. DOI: 10. 1371/journal. pone. 0226087.

Reynolds R W, Smith T M, Liu C Y, et al., 2007. Daily high-resolution-blended analyses for sea surface temperature[J]. J Climate, 20(22): 5473-5496. DOI: 10. 1175/2007jcli1824. 1.

Sato H, Takemura K, Ito A, et al., 2024. Impact of an unprecedented marine heatwave on extremely hot summer over northern Japan in 2023[J]. Sci Rep, 14: 16100. DOI: 10. 1038/s41598-024-65291-y.

Seibel B A, Drazen J C, 2007. The rate of metabolism in marine animals: environmental constraints, ecological demands and energetic opportunities[J]. Phil Trans R Soc B, 362(1487): 2061-2078. DOI: 10. 1098/rstb. 2007. 2101.

Sen Gupta A, Thomsen M, Benthuysen J A, et al., 2020. Drivers and impacts of the most extreme marine heatwave events[J]. Sci Rep, 10: 19359. DOI: 10. 1038/s41598-020-75445-3.

Seneviratne S I, Corti T, Davin E L, et al., 2010. Investigating soil moisture-climate interactions in a changing climate: a review[J]. Earth Sci Rev, 99(3/4): 125-161. DOI: 10. 1016/j. earscirev. 2010. 02. 004.

Simon A, Pires C, Frölicher T L, et al., 2023. Long-term warming and interannual variability contributions' to marine heatwaves in the Mediterranean[J]. Wea Climate Extrem, 42: 100619. DOI: 10. 1016/j. wace. 2023. 100619.

Smale D A, Wernberg T, Oliver E C J, et al., 2019. Marine heatwaves threaten global biodiversity and the provision of ecosystem services[J]. Nat Climate Change, 9(4): 306-312. DOI: 10. 1038/s41558-019-0412-1.

Song S Y, Kim Y J, Lee E J, et al., 2023. Wintertime sea surface temperature variability modulated by Arctic Oscillation in the northwestern part of the East/Japan Sea and its relationship with marine heatwaves[J]. Front Mar Sci, 10: 1198418. DOI: 10. 3389/fmars. 2023. 1198418.

Takaya K, Nakamura H, 2001. A formulation of a phase-independent wave-activity flux for stationary and migratory quasigeostrophic eddies on a zonally varying basic flow[J]. J Atmos Sci, 58(6): 608-627. DOI: 10. 1175/1520-0469(2001)058＜0608: afoapi＞2. 0. co;2.

谭红建, 蔡榕硕, 杜建国, 等, 2022. 气候变化与海洋生态系统: 影响、适应和脆弱性: IPCC AR6 WGⅡ报告之解读[J]. 大气科学学报, 45(4): 489-501. Tan H J, Cai R S, Du J G, et al., 2022. Climate change and marine ecosystems: impacts, adaptation, and vulnerability[J]. Trans Atmos Sci, 45(4): 489-501. DOI: 10. 13878/j. cnki. dqkxxb. 20220411001. (in Chinese).

陶丽, 于国强, 王学兵, 2020. PJ遥相关型对长江中下游夏季降水影响的不对称性[J]. 大气科学学报, 43(2): 299-309. Tao L, Yu G Q, Wang X B, 2020. Asymmetric effect of Pacific-Japan teleconnection pattern on summer precipitation in middle and lower reaches of Yangtze River[J]. Trans Atmos Sci, 43(2): 299-309. DOI: 10. 13878/j. cnki. dqkxxb. 20180315001. (in Chinese).

Wallace J M, Gutzler D S, 1981. Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter[J]. Mon Wea Rev, 109(4): 784-812. DOI: 10. 1175/1520-0493(1981)109＜0784: titghf＞2. 0. co;2.

Wang D Q, Xu T F, Fang G H, et al., 2022. Characteristics of marine heatwaves in the Japan/East Sea[J]. Remote Sens, 14(4): 936. DOI: 10. 3390/rs14040936.

Watanabe M, Kimoto M, 2000. Atmosphere-ocean thermal coupling in the North Atlantic: a positive feedback[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 126(570): 3343-3369. DOI: 10. 1002/qj. 49712657017.

WMO, 2022. Provisional state of the global climate in 2022[R].

许强, 陈幸荣, 王海燕, 等, 2023. 近40年全球海洋热浪的时空特征和机制[J]. 海洋预报, 40(6): 90-101. Xu Q, Chen X R, Wang H Y, et al., 2023. Spatial-temporal characteristics and controlling factors of global marine heatwaves in the past 40 years[J]. Marine Forecasts, 40(6): 90-101. DOI: 10. 11737/j. issn. 1003-0239. 2023. 06. 009. (in Chinese).

Yang X Y, Zeng G, Zhang S Y, et al., 2021. Relationship between two types of heat waves in northern East Asia and temperature anomalies in eastern Europe[J]. Environ Res Lett, 16(2): 024048. DOI: 10. 1088/1748-9326/abdc8a.

Yeo S R, Yeh S W, Lee W S, 2019. Two types of heat wave in Korea associated with atmospheric circulation pattern[J]. J Geophys Res: Atmos, 124(14): 7498-7511. DOI: 10. 1029/2018jd030170.

尹泽疆, 魏维, 杨崧, 2023. 北大西洋涛动和英国-鄂霍次克海走廊型遥相关对2022年盛夏长江中下游极端高温的影响[J]. 大气科学学报, 46(3): 345-353. Yin Z J, Wei W, Yang S, 2023. Extreme hot events in the middle and lower reaches of the Yangtze River in peak summer 2022: roles of the North Atlantic Oscillation and the British-Okhotsk Corridor Pattern[J]. Trans Atmos Sci, 46(3): 345-353. DOI: 10. 13878/j. cnki. dqkxxb. 20230116013. (in Chinese).

余波, 陈海山, 孙悦, 2020. 东亚中纬度夏季陆面增暖与土壤湿度异常的联系[J]. 大气科学学报, 43(1): 201-211. Yu B, Chen H S, Sun Y, 2020. Linkage between summer land surface warming in mid-latitude of East Asia and soil moisture anomalies[J]. Trans Atmos Sci, 43(1): 201-211. DOI: 10. 13878/j. cnki. dqkxxb. 20190407001. (in Chinese).

Zhang H, Fan K, 2024. Intraseasonal northward evolution of the extreme autumn rainfall event in West China in 2021[J]. Atmos Res, 304: 107394. DOI: 10. 1016/j. atmosres. 2024. 107394.

Zhang X W, Zhao N, Dai Z J, et al., 2025. Satellites reveal different stories of marine heatwaves in the sea-ice-covered pan-Arctic[J]. Commun Earth Environ, 6: 17. DOI: 10. 1038/s43247-025-01997-9.

Zhou J, Yu H P, Xu P Q, et al., 2024. Extreme heat event over Northwest China driven by Silk Road Pattern teleconnection and its possible mechanism[J]. Atmos Res, 297: 107090. DOI: 10. 1016/j. atmosres. 2023. 107090.

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