周天军团队最新成果-土壤湿度反馈加剧了2023年华北破纪录三日连续热浪的提前爆发

碧海蓝天

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水文气象前沿  2025年07月22日

Soil Moisture Feedback Amplified the Earlier Onset of the Record-Breaking Three-Day Consecutive Heatwave in 2023 in North China
Kexin Gui, Tianjun Zhou
https://doi.org/10.1029/2024EF005561

期刊：Earth's Future
中科院分区和影响因子：1区TOP（8.2）

研究概述

2023年夏季，华北地区遭遇了一场破纪录的热浪，6月23日的区域日最高气温平均值超过35°C，是自1959年以来最热的一天。我们采用动力学调整方法评估大气环流和土壤湿度（SM）对此次热浪的贡献，发现二者分别贡献了69.8%和39.5%。造成此次热浪的异常反气旋受到上游信号的影响，反气旋南侧的东风导致异常下沉气流，使华北上空空气增温。虽然华北地区的此类异常反气旋在大气环流变率中并不罕见，但2023年热浪仍打破纪录，原因在于热浪期间土壤湿度-温度耦合强度前所未有，达到常年水平的四倍。热浪期间的干燥土壤源于前期降水不足，华北地区累计降水量为1979年以来最低。土壤的早期干燥为陆-气反馈提供了有利条件，在夏季早期反气旋引起的下沉增温触发下，强烈的土壤湿度-温度耦合显著放大了此次热浪的强度。对于未来预估，数值实验分析表明，在目前被视为极端的2023年热浪事件温度将在未来成为常态。然而，到本世纪末，由于土壤湿度增加，陆-气耦合对华北地区极端高温的影响将比历史时期减弱。

主要图文

图1 2023年华北热浪的统计特征。a. 不同时间尺度上经历破纪录高温区域的面积随时间演变。黄色十字表示四次短期热浪事件中破纪录高温区域面积最大的时段。b. 1959–2023年夏季（6–8月）华北地区日最高气温（Tmax）异常的时间序列。黑色虚线表示多年平均的Tmax异常，红色实线为2023年夏季温度。灰色竖线和阴影分别表示气候学上最热的一天和2023年热浪的持续时间。c. 1959–2023年6月华北地区逐日Tmax异常的广义极值分布。每条竖线代表一天的温度，红色虚线为2023年最热的一天。

图2 大气环流和土壤湿度（SM）对热浪强度的贡献。a. 2023年6月20–27日由500 hPa涡旋位势高度（EddyZ500）和SM引起的逐日Tmax异常。红色实线为ERA5的逐日Tmax异常。误差条表示大气环流和SM贡献的5%–95%范围。b. ERA5中Tmax异常的空间分布。c. 由大气环流引起的Tmax异常空间分布。d. 由SM引起的Tmax异常空间分布。

图3 导致热浪的大气环流动力学诊断。a. 500 hPa水平风异常（矢量，u单位为m/s，ω单位为-0.02 Pa/s）、垂直速度异常（填色，0.02 Pa/s）和从地表到200 hPa的垂直积分水汽通量（灰色等值线，kg/m/s）。b. 36°–45°N平均的垂直速度异常（填色，0.02 Pa/s）、纬向风异常（矢量，u单位为m/s，ω单位为-0.02 Pa/s）和风异常引起的温度平流（灰色等值线，K/s）的经度-高度剖面。c. 同（b），但填色为 diabatic heating（W/kg），矢量同风异常。d. 同（b），但灰色等值线为绝对涡度平流异常（s⁻²），实线和虚线分别表示正负值。

图4 土壤湿度加剧热浪的物理过程。a. 热浪期间净辐射通量异常的空间分布。b. 总云量异常的空间分布。c. 潜热通量异常的空间分布。d. 感热通量异常的空间分布。

图5 热浪前累积土壤湿度（SM）和降水异常。a. 热浪前（5月至热浪开始前）累积SM异常的空间分布。b. 热浪前累积降水异常的空间分布。c. 1979–2023年华北地区热浪前累积降水异常的时间序列。d. 2023年热浪前逐日降水异常的演变。红色柱表示正值，蓝色柱表示负值。

研究结论

2023年华北热浪具有“三极”特征：2023年6月22日至24日，华北地区的日最高气温区域平均值已升至35 °C，成为1959年以来最早、最强的一次热浪；北京南郊观象台首次出现连续三天突破40 °C的历史纪录，3天尺度的破纪录高温覆盖范围达29.5万平方公里，显示出“来得早、强度大、范围广”的极端特征。

热浪由“大气环流主导、土壤湿度反馈放大”共同造成：通过动力学调整方法定量分解，此次热浪69.8%的强度源于异常反气旋——它由北大西洋—贝加尔走廊遥相关与夏季北大西洋涛动共同激发，在华北上空造成东风下沉气流并伴随绝热增温；其余39.5%的强度则来自土壤湿度的正反馈：前期累计降水量创1979年以来新低，土壤异常干旱，土壤湿度-温度耦合强度达到常年4倍，干土抑制蒸发、增加感热通量，显著放大了热浪。

未来预估：在SSP5-8.5情景下，2023年级别的高温将在2070—2100年成为常态，但东亚夏季风增强带来的土壤湿度增加将削弱陆-气耦合，其对极端高温的放大效应预计减少0.04–0.43 °C。

物理链条：春季至初夏降水持续偏少令土壤提前干旱，异常反气旋触发下沉增温后，干土通过抑制蒸发、提升感热通量进一步放大热浪；未来土壤湿度上升将缓解水分限制，降低陆-气耦合强度，从而抑制极端高温增幅。

论文引用
Gui, K., & Zhou, T. (2025). Soil moisture feedback amplified the earlier onset of the record-breaking three-day consecutive heatwave in 2023 in North China. Earth's Future, 13, e2024EF005561. https://doi.org/10.1029/2024EF005561