科技日报记者 叶青
7月1日，暨南大学环境与气候学院俞鹏飞教授团队联合兰州大学、美国国家大气研究中心等机构，在国际学术期刊《自然》上刊发了一项研究成果。该研究首次揭示火山喷发和极端野火产生的气溶胶，可通过加热热带对流层顶，使更多水汽进入平流层，为气候模式长期预言的关键机制提供了系统性证据。
作为一种温室气体，平流层水汽会影响地球变暖速率，并通过调节平流层温度进一步影响气候系统。已有研究表明，2000年前后平流层水汽曾突然下降约10%，其抵消的增温效应相当于2000年至2009年间温室气体所致变暖的四分之一。同时，平流层水汽还参与平流层臭氧化学过程，关系到臭氧层变化和臭氧洞恢复评估的可靠性。
长期以来，气候模式可以清晰模拟出大型火山喷发后平流层水汽增加的过程。但在真实大气观测中，这一过程却长期难以观测，这成为平流层水汽研究领域一个长期悬而未决的问题。
团队的研究突破首先来自思路的转变。过去二十年里，地球经历了一系列中等规模火山喷发事件。与此同时，极端野火事件也不断向平流层输送气溶胶。
“中等规模火山单次释放的气溶胶总量不及大型火山，但其气溶胶往往更集中在热带对流层顶附近，而这里正是水汽进入平流层的关键区域。这意味着，中等规模火山的增湿效率可能并不低。此外，单次中等规模事件的水汽信号较弱，容易被大气自然变率掩盖，难以单独识别。”俞鹏飞介绍。
因此，团队采用多事件合成分析和改进的重采样统计方法，将2005年至2021年间多次中等规模火山喷发和极端野火事件放在一起，寻找它们共同留下的平流层增湿信号。
结果显示，在利用统计方法排除主要自然变率影响后，受火山和野火影响的时期仍表现出显著的平流层增湿信号。进一步的卫星观测表明，这一增湿过程与气溶胶增加、热带对流层顶升温相对应，符合“气溶胶加热—对流层顶升温—平流层水汽增加”的物理链条。由此，团队在真实大气中识别出气溶胶事件导致平流层增湿的共同信号，证明这一长期存在于气候模式中的过程真实发生在大气中。
验证机制存在只是第一步，更重要的是评估其影响大小。该研究发现，中等规模火山喷发和极端野火可解释2005年以来平流层水汽上升趋势的超过三分之一，其贡献与全球变暖相当。这表明，过去相对被低估的间歇性气溶胶事件，能够对平流层水汽的长期变化产生重要影响。
研究还表明，2005年至2021年间，多次中等规模火山喷发和极端野火累积增加的平流层水汽总量，与2022年汤加火山喷发直接注入平流层的水汽量处于同一量级。该研究指出，即便没有类似汤加火山这样罕见而剧烈的单次事件，多次中等规模火山喷发和极端野火的累积效应同样不可忽视。
极端野火在本次研究中呈现出独特作用。以2020年澳大利亚“黑色夏季”野火为例，模拟结果揭示了一条新的平流层水汽通道。野火气溶胶不仅可以通过加热热带对流层顶温度，打开平流层水汽“阀门”，促进更多水汽进入平流层；研究还发现了野火气溶胶可通过吸收辐射发生“自抬升”，快速上升至更高大气层，并将水汽输送至中纬度平流层，打开新的中纬度传输通道。
这一研究成果拓展了人们对平流层水汽来源的认识，填补了平流层水汽研究领域长期存在的“观测—模式鸿沟”，将相关科学问题从“这一过程是否真实存在”，推进到“模式能否准确刻画这一过程、如何进一步提高模拟精度”的新阶段，并对平流层气溶胶地球工程的风险评估具有启示意义。
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