近日，中国科大在数值模式模拟平流层野火烟尘气溶胶的气候效应和辐射机制的研究中取得重要进展，相关研究以'Significant effective radiative forcing of stratosphericwildfire smoke'为题发表在地学著名期刊 Geophysical Research Letters上。中国科大地球和空间科学学院大气科学专业博士研究生刘成诚为论文的第一作者，刘尚教授和俞鹏飞教授（暨南大学）为论文的共同通讯作者。论文的第一单位为中国科大地空学院。
极端的野火可以直接向平流层注入大量烟尘气溶胶。虽然平流层火山硫酸盐的辐射强迫已经被之前的研究较好地定量评估。然而，目前的气候评估报告中仍并未考虑到具有光吸收性质的含碳气溶胶的火成积雨云 (pyrocumulonbus, pyroCb) 注入烟尘的辐射强迫。此外，烟尘吸收太阳辐射加热平流层所产生的长波辐射调整存在很大的不确定性，这也使得平流层野火烟尘的辐射定量更加复杂。通过 CESM 全球模式的模拟，我们研究了两次破纪录的野火事件，即 2017 年太平洋西北事件 (Pacific Northwest Event, PNE) 和 2019-2020 年澳大利亚新年事件 (Australian New Year event, ANY)。这两次野火事件扰动了平流层化学和地球辐射收支平衡。
图 1. 模拟的平流层野火烟尘在 (a) 大气层顶、(b) 200 hPa 和 (c) 地表的全球平均晴空 (clear-sky) 有效辐射强迫。子图 (d)-(f) 与 (a)-(c) 相同，但表示的是在 18 km 高度注入等质量硫酸盐气溶胶的模拟。蓝线表示短波辐射，橙线表示长波辐射。绿线表示总的有效辐射强迫（短波 + 长波）。绿色阴影表示来自 MAM3 的 60 个成员集合实验的标准差。垂直虚线表示 2017 PNE 和 2019-2020 ANY 事件的平流层气溶胶注入时间。
如图 1 所示，我们的研究系统性地定量评估了平流层野火烟尘分别在大气层顶、对流层顶和近地面的有效辐射强迫，其中 2019-2020 年澳大利亚新年野火的全球年平均辐射分别为−0.17, −0.22, and −0.37 W/m2。我们的研究发现平流层长波辐射调整和太阳短波辐射的变化数量级相当，强调了长波辐射在估算平流层野火烟尘有效辐射强迫中的重要性。我们还发现不同气溶胶模式之间，由于对长波辐射模拟的复杂性，导致模式对大气层顶有效辐射强迫模拟 50% 的不确定性。我们的研究表明未来需要对平流层烟尘气溶胶的光学和微物理性质进行更完善的观测和参数化，以增强其在数值模式中的气候可预测性。
图2. 平流层野火烟尘（左）和火山硫酸盐（右）的有效辐射强迫 (ERF) 原理图。橙色箭头表示短波辐射，蓝色箭头表示长波辐射。黑碳 (BC)、有机物 (OM) 和硫酸盐气溶胶分别用不同的符号表示。图例中的数字代表 ANY 烟尘（左）和与之等质量硫酸盐（右）分别在大气层顶、200 hPa 和地表的年平均 ERF 数值。
为了直接比较平流层野火烟尘和火山硫酸盐的有效辐射强迫，我们在模式中注入等质量的硫酸盐气溶胶来代替野火烟尘气溶胶，并用 60 组大型集合实验进行了模拟。研究表明，模式模拟的野火烟尘的有效辐射强迫比等质量硫酸盐气溶胶在大气层顶、对流层顶和近地面的辐射强迫分别大了 70%−270%。我们的原理图总结了烟尘气溶胶和硫酸盐辐射过程的机制差异（图2）。我们发现，模拟的烟尘和硫酸盐之间的有效辐射强迫差异是由于模式中对两种气溶胶使用的不同的气溶胶复折射率指数以及响应平流层加热的长波辐射调整造成的。我们的研究表明，平流层野火烟尘气溶胶显著地扰动了全球气候和辐射预算，并需要在气候报告中进行定量评估。
本研究得到了国家自然科学基金（42175089,42121004, 21777151），第二次青藏高原科学考察研究项目（2019QZKK0604）和广东省创新创业研究团队项目（2016ZT06N263）的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1029/2022GL100175
供稿：刘成诚