如果告訴�,十幾公里高空之�、含量僅為空氣百萬分之幾的水汽,能影響全球變暖的節(jié)�,甚至左右臭氧層修復(fù)的進度,你會不會覺得難以置��
7�1日晚,《自然》在線刊�(fā)了暨南大�(xué)�(lián)合蘭州大�(xué)、中國科�(xué)院大氣物理研究所、美國國家大氣研究中�、美國國家海洋和大氣管理局、美國科羅拉多大�(xué)博爾德分校等機構(gòu)的最新成�。研究團隊首次在真實大氣觀測中系統(tǒng)識別出中等規(guī)模火山噴�(fā)和極端野火導(dǎo)致平流層水汽增加的共同信��
俞鵬飛教授作報告。受訪者供圖,下圖
“我們驗證的核心�(jié)論是:火山噴�(fā)和極端野火產(chǎn)生的氣溶�,能夠在真實大氣中增加平流層水汽�”暨南大學(xué)教授俞鵬飛對《中國科�(xué)報》表�,該研究填補了平流層水汽研究中長期存在的“觀�-模式鴻溝”。定量評估發(fā)�(xiàn)�2005年以�,中等規(guī)?;鹕胶蜆O端野火貢獻了平流層水汽上升趨勢超過三分之一,貢獻量與地表變暖相�(dāng)�
記者獲�,該研究歷時近兩年完�,第一署名單位為暨南大�(xué),蘭州大�(xué)博士彭藝峰在訪問暨南大學(xué)期間參與完成該研究并�(dān)任第一作�,俞鵬飛為論文通訊作者�
看不見的平流層水�,為何重�
平流層水汽對大多�(shù)人來說是個陌生概�——它既不像臺風(fēng)、暴雨那樣出�(xiàn)在天氣預(yù)報里,也不像二氧化碳那樣被公眾熟�。但在氣候系�(tǒng)中,這個高空變量扮演著不可小覷的角��
水汽本身就是大氣中最重要、含量最豐富的溫室氣體之一。單個水汽分子的增暖效應(yīng)約為二氧化碳分子�6倍,因此即使平流層水汽含量很�,其變化也能顯著影響地球變暖速率�
美國科學(xué)院院士Susan Solomon等人的研究曾指出�2000年前后平流層水汽突然下降�10%,其抵消的增溫效�(yīng)相當(dāng)�2000-2009年間溫室氣體所致變暖的四分之一。平流層水汽的細微波�,足以撬動全球氣候評估的天平�
與此同時,平流層也是臭氧層所在的大氣區(qū)�。水汽參與平流層臭氧化學(xué)過程,進而影響臭氧層變化和臭氧洞恢復(fù)評估。因�,弄清楚平流層水汽為何變化、由哪些因素控制,不僅是一個高空大氣的基礎(chǔ)科學(xué)問題,更�(guān)系到氣候預(yù)測、輻射強迫評估和臭氧恢復(fù)�(yù)估的可靠��
“我們研究的突破,來自研究思路的轉(zhuǎn)��”彭藝峰對《中國科�(xué)報》說。過去,科學(xué)界多嘗試從單次大型火山噴�(fā)中尋找平流層水汽增加的證�(jù),但真實大氣中自然變率很�,單次事件的水汽信號很容易被其他過程掩蓋�
要理解這一問題,先要認識熱帶對流層�——水汽進入平流層的“必經(jīng)之門”,常被稱�“冷阱”�“閥門”。溫度較低時,水汽更容易凝結(jié)并被阻擋在平流層之外;一旦這一區(qū)域被加熱,更多水汽便可能穿過�(guān)口進入平流�。氣候模式長期顯�,火山噴�(fā)和極端野火產(chǎn)生的氣溶膠可以加熱熱帶對流層�,從而促使平流層水汽增加�“氣溶膠增�-對流層頂升溫-平流層水汽增�”這一物理鏈條,在氣候模式中已相�(dāng)清晰�
然�,在真實大氣觀測中,這一過程長期缺乏直接證據(jù)。過去人們通常認為,如果火山噴�(fā)能造成明顯的平流層增濕,大型火山應(yīng)�(dāng)最容易被觀測到。但令人困惑的是,即便是1991年皮納圖博火山這樣的大型噴�(fā),觀測中也未能清晰識別出火山�(dǎo)致平流層水汽增加的信�。長期以來,科學(xué)界因此難以判斷:模式中清晰呈�(xiàn)的過�,究竟是真實大氣中的物理機制,還是模式里的理想化�(jié)��
造成這一“觀�-模式鴻溝”的重要原因在�,真實大氣并非理想實驗室。平流層水汽同時受地表變�、厄爾尼�、熱帶準(zhǔn)兩年振蕩、太陽活動和大氣�(nèi)部動力變化等多種因素影響,火山或野火引起的水汽響�(yīng)信號如同微弱的耳語混在嘈雜的集市中,很難被單獨分辨出來。�2005年至�,可靠的�(wèi)星觀測記錄仍然有限,進一步增加了識別難度�
間歇性事�,也有長期積累效�(yīng)
研究團隊注意到一個關(guān)鍵細節(jié):中等規(guī)模火山并�“大型火山的縮小版”。一方面�2005年以來衛(wèi)星觀測精度明顯提�,為識別平流層水�、氣溶膠和熱帶對流層頂溫度變化提供了更可靠的�(shù)�(jù)基礎(chǔ);另一方面,中等規(guī)?;鹕诫m然釋放的氣溶膠總量少于大型火�,但其氣溶膠往往更集中在熱帶對流層頂附近——而這里正是水汽進入平流層的咽喉要道。這意味著,中等規(guī)?;鹕皆斐善搅鲗釉鰸竦男士赡懿⒉坏汀?/p>
俞鵬飛(右一)教授、彭藝峰(左一)博士等合影�
基于這一認識,團隊將2005-2021年間多次中等�(guī)模火山噴�(fā)和極端野火事件綜合起�,利用衛(wèi)星觀測資料追蹤事件前后平流層水汽、氣溶膠和熱帶對流層頂溫度的變化。通俗地說,這就像在嘈雜�(huán)境中尋找一段微弱旋�——單獨聽一次可能模糊不�,但把多次相似片段疊加起�,隨機噪聲會部分抵消,共同信號就會顯�(xiàn)�
研究人員指出,該研究最大難點正是如何從�(fù)雜自然變率中分離出火山和野火的影�。團隊通過多事件合成分析和�(tǒng)計方�,使不同樣本中的自然變率影響盡量保持一�,從而在真實大氣這個無法人為控制的系統(tǒng)中,盡可能接�“控制變量”的效��
在此基礎(chǔ)�,團隊同時追蹤平流層水汽、氣溶膠和溫度變化,檢驗觀測結(jié)果是否符�“氣溶膠增�-對流層頂升溫-平流層水汽增�”的完整物理鏈��
最終,研究團隊在復(fù)雜自然變率中識別出了火山和極端野火事件導(dǎo)致平流層增濕的共�“指紋”——這是科學(xué)界首次在真實大氣觀測中系統(tǒng)證實這一長期存在于氣候模式中的物理過��
“該研究的重要突破不僅在于證明了火山和野火能夠增加平流層水汽,更在于揭示了這一影響的量��”俞鵬飛對《中國科�(xué)報》說�
研究�(fā)�(xiàn)�2005年以�,中等規(guī)?;鹕絿姲l(fā)和極端野火共同解釋了觀測到的平流層水汽上升趨勢超過三分之一,貢獻量與全球地表變暖相�(dāng)。這表�,火山和野火這類看似短暫、間歇性的氣溶膠增加事件,也能夠在年代際尺度上系統(tǒng)影響平流層大氣濕��
更值得注意的是,研究還�(fā)�(xiàn)極端野火為平流層水汽提供了一條過去未被充分認識的新通道。以往研究通常認為水汽主要�(jīng)由熱帶對流層頂進入平流�;而本研究�(fā)�(xiàn),發(fā)生在中緯度地區(qū)的極端野火可通過煙羽“自抬�”過程,將水汽和顆粒物直接輸送到平流層中。換言�,極端野火不僅能通過改變熱帶“閥門”影響平流層水汽,還能從中緯度開辟一條進入平流層的新通道�
這種累積效應(yīng)不可小覷�2005-2021年間,中等規(guī)?;鹕絿姲l(fā)和極端野火共同增加的平流層水汽總量,�2022年湯加火山噴�(fā)直接注入平流層的水汽量相�(dāng)。湯加火山因向平流層注入大量水汽而受到廣泛關(guān)�;而這項研究提示,即使沒有類似湯加這樣罕見而劇烈的單次事件,多次中等規(guī)模事件的累積效應(yīng)同樣可以達到相當(dāng)可觀的量��
�“是否存在”�“貢獻多少”
該研究把此前主要停留在氣候模式中的關(guān)鍵物理過程推進到了可觀�、可量化的新階段。過去,由于缺少觀測證�(jù),科�(xué)界難以判�“氣溶膠增�-平流層增�”是否真實存在;如�,觀測證�(jù)的出�(xiàn)使問題進一步轉(zhuǎn)向:氣候模式能否準(zhǔn)確模擬這一過程?如何提高對火山和野火氣溶膠增濕效應(yīng)的刻畫能力?
這些問題的答�,直接關(guān)系到氣候預(yù)�、輻射強迫評估和臭氧恢復(fù)研究的可靠性�“過去,人們更容易把火山噴�(fā)�‘遮陽降溫’�(lián)系在一起,把野火與空氣污染、生�(tài)破壞和碳排放�(lián)系在一��”俞鵬飛說�
而該研究給出了一個新視角:火山和極端野火還可能通過改變平流層水汽這一路徑,影響平流層大氣組成和長期氣候變化。隨著全球變暖背景下極端野火�(fēng)險持�(xù)上升,野火導(dǎo)致的平流層增濕過程可能在未來變得更加重要。未來的氣候預(yù)測和臭氧恢復(fù)評估,不能只�(guān)注傳�(tǒng)的熱帶進入通道和氣溶膠直接輻射效應(yīng),也需要重視火山和極端野火引發(fā)的這一增濕過程�
“該研究也對平流層氣溶膠地球工程的�(fēng)險評估具有啟示意��”俞鵬飛表�,人為向平流層注入氣溶膠雖已被現(xiàn)實火山案例和氣候模式證實其降溫有效�,但這項研究也提�,這些氣溶膠同樣可能通過影響平流層水汽和臭氧化學(xué)過程帶來更復(fù)雜的氣候與�(huán)境效�(yīng)。因�,在相關(guān)技�(shù)討論�,有必要充分評估這些潛在�(fēng)��
下一�,研究團隊將圍繞一個核心問題繼�(xù)推進:過去被忽略的氣溶膠導(dǎo)致平流層增濕的過�,如何影響平流層氣溶膠的演變及其氣�-�(huán)境效�(yīng)。相�(guān)成果將為改進氣候模�、完善平流層組成�(yù)�、評估極端野火氣候效�(yīng)和臭氧恢�(fù)不確定性提供新的科�(xué)依據(jù)�
從模式到觀�,從“是否存在”�“貢獻多少”,這項研究把平流層水汽變化機制的認識推進了一大步。而它的最終價�,或許正如俞鵬飛所言�“它讓一個原本停留在氣候模式中的物理過程有了觀測依�(jù),也為改進氣候預(yù)測和臭氧恢復(fù)評估提供了新的科�(xué)支撐�”在高空中默默流淌的水�,正通過火山與野火之手,與地球的未來緊密相�。(來源:中國科�(xué)� 朱漢斌)
相關(guān)論文信息�https://doi.org/10.1038/s41586-026-10731-0