在全球变暖背景下，近年来高温热浪（Heat waves）频发，对人类社会与自然环境都构成严重威胁。在次季节时间尺度上提前预报热浪的爆发，对于防灾减灾和公共健康防护都具有重要意义。土壤湿度作为陆面与大气相互作用的关键变量，已被证实对次季节尺度的热浪预报具有重要影响。然而，以往研究多关注表层土壤湿度，对具有三维结构的土壤湿度初始误差影响热浪的机制认识不足。

针对这一问题，本研究运用“条件非线性最优扰动”（Conditional Nonlinear Optimal Perturbations，简称 CNOP）方法，系统揭示了具有特定三维结构的最优土壤湿度初始误差如何通过陆气相互作用，显著影响长江中下游地区热浪爆发的预报不确定性。

图1. 长江中下游区域平均日最高温的逐日演变。黑色实线代表对照试验，红色实线代表CNOP试验，蓝色阴影代表30组空间随机初始误差试验（与CNOP型初始误差能量相同，但空间分布随机），蓝色实线代表30组随机试验的平均。

本研究基于WRF模式，关注1988年至2024年期间长江中下游地区八次典型热浪事件。结果显示，导致热浪预报不确定性最大的土壤湿度初始误差具有明显的三维空间结构，主要表现为局地集中一致的土壤湿度偏低，且误差在不同土层之间存在协同增强效应。相较于同能量的空间分布随机的误差，这种具有三维结构的初始误差会使热浪提前发生、强度显著增强（图1）。

图2. CNOP型土壤湿度初始误差影响热浪的陆-气相互作用过程示意图。向下（向上）箭头方向代表减少（增加）。箭头大小代表变化的相对幅度。

机理分析表明（图2），在长江中下游这样具有较高植被覆盖率的区域，土壤湿度误差主要通过植被相关的陆气过程影响热浪发展。土壤湿度减少会抑制植被蒸腾和土壤蒸发，导致潜热通量降低、感热通量增加，从而加剧近地表升温。同时，研究强调了土壤湿度误差通过Stefan-Boltzmann定律减少地表净长波辐射的这一物理过程，进一步阐明了土壤湿度影响地表能量平衡的完整机制。

图3. 针对个例1，长江中下游地区逐日区域平均土壤湿度误差（单位：m³·m⁻³）与日降雨量（单位：mm）的时间演变。其中，（a）为在全部四层土壤中同时添加CNOP型误差的试验；（b）为仅在第一层（表层）添加对应CNOP误差的试验；（c）为仅在第四层（深层）添加对应CNOP误差的试验。

图3直观揭示了土壤湿度误差在热浪发生前的动态协同过程。当多层误差同时引入时（图3a），尽管各土层初始均偏干，但表层误差在降雨后迅速减弱，显示出其易受天气干扰的特性。然而，约一周后，表层误差不仅未消失，反而重新增大，并与深层误差的变化趋势趋于同步。这一“再同步”现象是非线性协同效应的直接证据：深层持续的干旱通过抑制植被蒸腾、减少潜热释放，促使地表升温；而升温又增强了大气蒸发需求，反过来将表层土壤“拉回”干旱状态，形成深层驱动、表层响应的正反馈循环。

相比之下，仅扰动表层（图3b）几乎无法影响深层土壤；而仅添加深层土壤湿度误差（图3c）却能引起包括表层在内的各层响应，且最表层变化最为显著。这表明，深层土壤湿度能够通过陆气耦合过程向上影响表层土壤湿度，且受降水影响小，记忆性相对更好；而表层的影响则难以向下传递，并且记忆性相对较差。

因此，土壤各层误差的相互耦合和协同作用是导致热浪的次季节预报不确定性的重要来源之一。这一工作对于做好高温热浪的预报，具有重要的科学指导意义：通过目标观测，加强对土壤垂直结构、以及陆气耦合过程的准确表征，可以有效提升次季节热浪爆发的预报能力。

论文第一作者为大气物理研究所在读博士研究生刘卉，通讯作者为大气物理研究所孙国栋研究员，合作者还有复旦大学穆穆教授、重庆市气象科学研究所张琦渝工程师和国家气象中心陈博宇高级工程师。研究得到国家自然科学基金项目（42288101）资助和国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”的技术支持。

论文信息：

Liu, H., Sun, G.*, Mu, M., Zhang, Q., & Chen, B. (2025). Nonlinear synergistic effects of three‐dimensional soil moisture errors on uncertainties in subseasonal heatwave onset predictions in the Yangtze River region. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. https://doi.org/10.1002/qj.70079