中国科大李锐教授团队在全球烟尘气溶胶对降水垂直结构的影响研究中取得新进展

  伴随着显著的全球暖化，野火发生的频次、强度和影响范围都在显著增强。野火向大气排放了巨量烟尘气溶胶，在晴天，气溶胶对大气质量的影响得到了很多关注。同时，烟尘对云和降水也有非常大的影响。火灾是否只是被动的受到降水影响，而无法做出“反击”？或者这种反击的强度如何？

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院、风云卫星遥感联合实验室李锐教授课题组利用卫星观测的降水三维结构数据，成功揭示了全球五大典型林火区及其邻海的烟尘气溶胶对降水和潜热垂直结构的影响，并量化了每年排放的烟尘气溶胶对全球AOD和雨顶温度（PTT）的影响。研究成果以“Smoke aerosols elevate precipitation top and latent heat to the upper atmosphere globally”为题，发表在自然出版集团期刊《npj Climate and Atmospheric Science》（简称npj CAS）上。

选取全球五大典型林火区（美国西北部、南美洲中部、非洲南部、东南亚以及澳大利亚东南部）作为研究区域（图1a）。各研究区域降水像素的AOD主要由烟尘（有机碳OC和黑碳BC）气溶胶贡献。基于卫星观测的美国西北部2021年8月5日（图1c,d,e）和非洲南部2020年9月16日（图1f,g,h）的真实案例提供了烟尘气溶胶与降水云接触混合的有力证据，这些条件为研究烟尘气溶胶对降水垂直结构的影响提供了理想的实验环境。

图1 （a）研究区域（红色多边形标出）和研究时间段（红色字体标出）以及对应降水样本的烟尘AOD（有机碳OC+黑碳BC）空间分布。（b）各区域清洁（蓝色）和污染（红色）样本占总降水样本的比例。（c-h）烟尘气溶胶与降水云接触混合的典型个例。其中（c-e）为美国西北部2021年8月5日个例，（f-h）为南非2020年9月16日个例。

  研究发现，即使各区域降水对应的大气环流场不同，烟尘均增强了高层弱降水率出现的频次。使用对流有效位能（CAPE）作为热动力条件的总体指标，对于给定范围的CAPE（图2），在温度低于0°C的高层，污染环境（红线）中的降水率强于清洁环境（蓝线）。消除热动力学影响后，烟尘仍增强了高层的降水率。同时，污染环境高层释放的相关潜热也更强。

图2对于给定范围的CAPE（约束热动力条件相同），各区域清洁（蓝线）和污染（红线）环境中的平均降水廓线，以及差异的t检验。其中阴影表示标准差，线条加粗则表示差异通过t检验。

  进一步分析发现，在全球范围内，烟尘气溶胶作为额外的云凝结核（CCN），减小了液态水云的半径，抑制了粒子的碰并和淞化过程。更多的粒子被抬升到高层，作为有效的冰核（IN），减小了冰云粒子的尺寸，形成更多的冰相水成物，释放大量额外潜热，使雨顶高度发展得更高（图3）。全球每年排放约40.6Tg的OC和BC气溶胶，据估计可使全球年均AOD/PTT增加0.0358/降低0.32°C，变化率0.56%/3%。

图3 烟尘气溶胶对降水垂直结构影响的概念图。

  中国科学技术大学李锐教授为通讯作者，博士后朱红霞为第一作者。博士后赵宏伟提供了潜热反演数据，博士研究生杨述评、周任君副教授、王雨教授、邹宇飞教授、赵纯教授也参与了本项研究。研究受到国家自然科学基金重点项目、安徽省自然科学基金、国家重点研发计划、风云气象卫星专项创新中心、以及中国气象局-中国科学技术大学风云遥感联合实验室的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41612-025-01047-3

文献引用：Zhu, H., Zhao, H., Yang, S. et al. Smoke aerosols elevate precipitation top and latent heat to the upper atmosphere globally. npj Clim Atmos Sci 8, 170 (2025). https://doi.org/10.1038/s41612-025-01047-3