火星拥有以二氧化碳为主要组分的稀薄大气，其昼夜温差悬殊，沙尘活动频发且强度大，对火星着陆器探测安全构成严重威胁。开展精准的火星天气预报，能够提供未来时段内火星大气状态的预判信息，为火星表面探测任务的顺利实施筑牢安全保障。然而，当前学界对火星大气的可预报性特征，尚未形成清晰认知。

针对这一问题，中国科学院大气物理研究所段晚锁研究员团队与董理研究员团队合作，采用 LMD 火星行星大气模式（LMD Mars PCM），以繁殖向量（Bred Vector，BV）方法识别火星大气中的不稳定初始误差模态，并考察其演变动力学，揭示了火星大气温度的季节依赖天气可预报性障碍（Season-dependent Weather Predictability Barrier，S-WPB）现象，并阐明了其中不同于传统地球大气斜压不稳定机制，而通过触发水冰云辐射反馈放大冷误差，进而导致S-WPB的独特物理机制，具体如下：

火星大气温度的S-WPB现象具体表现为：初始误差快速增长发生在北半球高纬区域太阳经度（Ls）120°–150°季节的可预报性障碍现象（NH-WPB），以及发生在南半球高纬区域Ls=330°–340°季节的可预报性障碍现象（SH-WPB），二者均对应各自半球由夏季向秋季转换的季节，但前者强于后者（图1）。在EMARS火星大气再分析资料中，相应季节的极地地区呈现较大的年际温度变率，从而印证了火星大气S-WPB误差快速增长的固有特性。

图1｜MY25–MY32中BV型与随机扰动型初始温度误差的6火星时增长率。 BV型误差在各年Ls=120°–150°和Ls=330°–340°附近出现正增长峰值，同幅度的随机扰动误差则在全年总体衰减。

通过对比BV误差与随机误差发现，S-WPB的发生依赖特定结构的初始误差：易导致NH-WPB的初始误差主要集中在北纬60°以北约350–500 Pa的低层大气，而易导致SH-WPB的初始误差集中在南纬60°以南约250–420 Pa的低层大气，两种误差均以冷性温度误差为主（图2）。纬度带限制试验证实，位于这些高纬地区的温度误差的增长主导了全球温度误差的增长。另一方面，误差结构季节移植试验则表明：只有当特定误差结构与特定季节背景同时具备，误差才能快速增长并形成 WPB。

图2｜MY25–MY32 WPB时期BV型初始温度误差的纬度—气压垂直剖面结构。 在各年的NH-WPB时期，冷性初始温度误差均集中出现于北半球高纬地区低层；在SH-WPB时期，冷性初始温度误差则集中出现在南半球高纬地区低层。

通过温度倾向收支诊断及水冰云辐射试验，并与传统动力斜压不稳定性机制对照，揭示了以水冰云凝结及其辐射反馈为核心的热力学机制是S-WPB误差快速放大的主要物理原因。在WPB季节，极区水汽充足且接近饱和，此时BV误差代表的冷性初始温度误差，促使水汽大量凝结为水冰云，而新形成的水冰云同时吸收来自地面和低层大气的长波辐射，并向太空发射长波辐射；由于后者强于水冰云对下方的吸收效应，云所在的局部大气出现净冷却。该冷却又进一步加强冷性温度误差，促使更多水汽凝结，由此形成“冷性温度误差→水汽凝结→水冰云增多→长波冷却增强→冷性误差继续扩大”的正反馈机制，从而触发S-WPB的发生（图3）。

图3｜代表性NH-WPB个例的长波净交换、温度和水冰垂直结构。上图为基本态，下图为叠加误差态与参考态的差值。在受初始冷性温度误差影响的层次，水汽大量凝结为水冰，所形成的水冰云的长波辐射冷却效应强于其吸收下方长波辐射的增暖效应，使得局地大气冷却，促使正反馈进行。

在上述机制的基础上，该研究提出“凝结潜力”指标以解释S-WPB的时空分布成因，并进一步阐释了S-WPB南北不对称性的根源。凝结潜力，衡量特定冷却幅度下大气可能凝结形成的水冰量。NH-WPB期间北半球高纬地区的凝结潜力远大于SH-WPB期间南半球高纬地区的凝结潜力，而其他地区和季节的凝结潜力则更低，从而对应了WPB的时空分布与两个半球障碍的强弱之分。究其根源，NH-WPB期间，北半球高纬地区在冰盖升华影响下具有充足的水汽，加之火星此时接近远日点，气温相对较低，水汽接近饱和，从而形成较高的凝结潜力。在该适宜的环境条件下，NH-WPB更强，持续时间更长。而在南半球对应时期，由于火星接近近日点，太阳辐射更强，大气更温暖而水汽饱和度偏低，使得SH-WPB更弱，持续时间更短（图4）。

图4｜MY25凝结潜力及其对应的水汽混合比、饱和度和温度的纬度—季节分布。 北极水汽接近饱和，南极饱和度偏低，是南北凝结潜力差异及NH-WPB更强的物理原因之一。

上述研究揭示了火星大气在特定季节与区域内存在的天气可预报性障碍现象，并进一步阐明了其误差快速增长的热力学主导机制：由于火星大气整体密度极低，辐射弛豫时间远短于地球大气，水汽凝结生成的水冰云所产生的长波辐射反馈，能够在天气尺度的短时间内将初始微小误差迅速放大，最终触发WPB现象的发生。本研究揭示的可诱发WPB的特定结构初始误差特征，可为后续通过目标观测同化、优化集合预报方案等手段，削弱火星大气特定季节的WPB影响、有效延长火星天气预报时效提供核心理论依据，进而为我国未来火星探测任务的安全实施提供关键的技术支撑。

相关成果发表于《Journal of Geophysical Research: Planets》。中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用全国重点实验室博士研究生庄逸为第一作者，段晚锁研究员为通讯作者，正高级工程师董理为合作者。该研究得到国家自然科学基金项目（42330111）资助，以及国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”（EarthLab）的支持。

论文信息： Zhuang, Y., Duan, W., & Dong, L. (2026). A Season-Dependent Weather Predictability Barrier Phenomenon in the Martian Atmosphere. Journal of Geophysical Research: Planets, 131, e2025JE009522. https://doi.org/10.1029/2025JE009522