北美中纬度地区热穹（heat dome）气候特征研究

近年来，“热穹（heat dome）”一词在极端高温事件的相关公共传播与媒体报道中使用频率显著上升。尽管美国气象学会（American Meteorological Society, AMS）已将其纳入术语表，但目前仍缺乏定量的气象学定义。本研究提出了首个基于定量标准的热穹定义，并利用该定义构建了北美中纬度地区长达85年的极端高温及与之相伴的中层对流层环流气候数据集。研究人员将“极端高温对象（Extreme Heat Objects, EHOs）”定义为暖季（5—9月）逐日空间连续、且2米最高气温超过当地气候态第99百分位阈值的区域，并将其划分为两类：与500 hPa闭合反气旋直接关联的EHOs，以及无此类关联的EHOs。若某日闭合反气旋与EHOs在空间上紧密重合，则该系统被判定为热穹，相应的EHOs被标记为热穹EHOs（EHOHD）。研究结果表明，热穹在全北美大陆均有发生，但在北纬45°以南区域最为频繁。整体来看，检测到的EHOs中有47.1%属于EHOHD；若考虑多日持续的高温事件，这一比例上升至69%。非热穹EHOs（EHONHD）则与多样的500 hPa环流型相伴，通常表现为开槽脊（open ridge），但并不绝对。这说明即便在无热穹环流特征的条件下，相对气候态而言的极端高温依然可能发生，因此该术语应严格限定于指代特定的气象现象。本研究结果揭示了极端高温的大气驱动机制，有助于提升极端高温风险传播的气象精确性。

研究背景与意义

随着全球变暖加剧，极端高温事件的频率和强度不断攀升，给社会、经济和生态系统带来巨大压力。“热穹（heat dome）”一词近年来在公众舆论与媒体中迅速普及，美国气象学会（AMS）虽已收录该词条，但学界长期缺乏统一的定量气象学定义与系统性气候统计。现有研究多聚焦于一般性的高温天气环流型，未能明确区分热穹与其他导致极端高温的环流系统之间的差异。这种概念上的模糊不仅限制了科学认知，也阻碍了面向公众的精准风险沟通。鉴于此，Portland State University的研究人员开展了此项研究，旨在通过构建严格的定量识别标准，厘清热穹的气候学特征及其对北美中纬度极端高温的贡献，相关成果发表于《Weather and Climate Extremes》。

主要技术方法

研究采用ERA5再分析资料，选取1940年至2025年暖季（5—9月）的500 hPa位势高度（Z500）与2米最高气温（T2M_max）数据。关键技术包括：首先，基于1981—2010年气候基准期计算逐网格点第99百分位阈值，识别出面积大于15万平方千米的空间连续极端高温对象（EHOs）；其次，通过识别500 hPa闭合反气旋中心，并结合5 hPa位势高度缓冲区判据，确定与EHOs共存的系统为热穹；最后，利用径向网格重映射技术（Radial Grid Remapping）合成热穹中心及周边环流与温度场的空间分布特征，并进行长时间序列的趋势与统计分析。

研究结果

4.1 极端高温气候特征

研究指出，采用百分位阈值而非绝对值能有效捕捉不同地区具有同等社会影响的极端高温。空间分布显示，美国南部及东南部是EHOs发生最频繁的区域，而太平洋沿岸及加拿大东部相对较少。在时间上，7月和8月是高峰期，但5—6月在墨西哥北部及得克萨斯州，9月在东南部美国亦占有重要地位。

4.2 热穹与非热穹实例

案例分析直观展示了热穹EHOs（EHO_HD）通常与闭合反气旋重叠或紧邻，如1980年南部大平原、1995年芝加哥及2022年加州中央谷地的热浪。相比之下，非热穹EHOs（EHO_NHD）则多与500 hPa开槽脊、槽前西南气流或局地地形下的离岸风及绝热增温有关，如2006年及2014年的个例所示。

4.3 热穹气候特征

在1940—2025年间，共检测到1473个逐日热穹。其高发区位于美国中部（从五大湖至墨西哥北部）及西南部。热穹数量呈显著上升趋势，且峰值多出现在6—8月。值得注意的是，趋势分析表明，热穹数量的增加完全源于气候变暖导致的EHOs基数增加，而非环流型本身的改变（即热力学驱动而非动力学驱动）。此外，高纬度的热穹虽然中心位势高度值较低，但其相对于当地气候态的异常幅度往往更大，显得更为罕见。

4.4 EHO_HD与EHO_NHD气候特征

在美国西部内陆及西南部，近90%的EHOs属于EHO_HD，而在加拿大东部，绝大多数EHOs为非热穹型。平均而言，EHO_HD的面积（约56万平方千米）显著大于EHO_NHD（约36.7万平方千米），意味着热穹往往影响范围更广。径向合成图进一步证实，EHO_HD主要位于反气旋中心的北侧及东侧，而EHO_NHD多位于开槽脊的北缘。

4.5 热穹残余与先兆

若将多日连续的高温事件纳入考量，热穹的影响远超单日范畴。研究发现，全美大部分地区约69%的EHOs在其生命周期内均与热穹相关联（包括直接关联、先兆或残余阶段）。特别是在中西部和东南部，高达80%的非热穹EHOs实际上是热穹消散后的残余效应，这表明热穹具有显著的热惯性及持续性影响。

4.6 热穹事件气候特征

研究识别出562个热穹事件，其中单日事件占多数，但也包含持续13天的超长事件（如2005年7月）。这些长持续时间事件往往伴随大范围的地理移动，导致受影响区域远大于单日静态统计所显示的范围。

4.7 典型个例分析

通过对2021年太平洋西北地区创纪录热浪等个例的详细追踪，研究展示了热穹生命周期的复杂性，包括从先兆、成熟、到残余的完整演变，以及环流中心与高温区的动态匹配过程。

总结与讨论

研究人员首次提出了基于定量指标的热穹定义，并建立了北美中纬度地区的长序列热穹气候数据集。研究表明，虽然热穹是导致极端高温的主导环流型（尤其在低纬度），但极端高温并非热穹所独有。这一发现强调了在气象服务中精确使用术语的重要性，避免因过度泛化而削弱预警信息的科学性。该研究不仅增进了对极端高温物理机制的理解，也为改进气候模式对未来热穹变化的模拟提供了关键的验证基准。