如果告訴你，十幾公里高空之上、含量僅為空氣百萬分之幾的水汽，能影響全球變暖的節(jié)奏，甚至左右臭氧層修復(fù)的進度，你會不會覺得難以置信？
7月1日晚，《自然》在線刊發(fā)了暨南大學(xué)聯(lián)合蘭州大學(xué)、中國科學(xué)院大氣物理研究所、美國國家大氣研究中心、美國國家海洋和大氣管理局、美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校等機構(gòu)的最新成果。研究團隊首次在真實大氣觀測中系統(tǒng)識別出中等規(guī)模火山噴發(fā)和極端野火導(dǎo)致平流層水汽增加的共同信號。
俞鵬飛教授作報告。受訪者供圖，下圖“我們驗證的核心結(jié)論是：火山噴發(fā)和極端野火產(chǎn)生的氣溶膠，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《中國科學(xué)報》表示，該研究填補了平流層水汽研究中長期存在的“觀測-模式鴻溝”。定量評估發(fā)現(xiàn)，2005年以來，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當(dāng)。
記者獲悉，該研究歷時近兩年完成，第一署名單位為暨南大學(xué)，蘭州大學(xué)博士彭藝峰在訪問暨南大學(xué)期間參與完成該研究并擔(dān)任第一作者，俞鵬飛為論文通訊作者。
看不見的平流層水汽，為何重要
平流層水汽對大多數(shù)人來說是個陌生概念——它既不像臺風(fēng)、暴雨那樣出現(xiàn)在天氣預(yù)報里，也不像二氧化碳那樣被公眾熟知。但在氣候系統(tǒng)中，這個高空變量扮演著不可小覷的角色。
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)約為二氧化碳分子的6倍，因此即使平流層水汽含量很少，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約10%，其抵消的增溫效應(yīng)相當(dāng)于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動，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)域。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。因此，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，更關(guān)系到氣候預(yù)測、輻射強迫評估和臭氧恢復(fù)預(yù)估的可靠性。
“我們研究的突破，來自研究思路的轉(zhuǎn)變。”彭藝峰對《中國科學(xué)報》說。過去，科學(xué)界多嘗試從單次大型火山噴發(fā)中尋找平流層水汽增加的證據(jù)，但真實大氣中自然變率很強，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頂——水汽進入平流層的“必經(jīng)之門”，常被稱為“冷阱”或“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關(guān)口進入平流層。氣候模式長期顯示，火山噴發(fā)和極端野火產(chǎn)生的氣溶膠可以加熱熱帶對流層頂，從而促使平流層水汽增加。“氣溶膠增加-對流層頂升溫-平流層水汽增加”這一物理鏈條，在氣候模式中已相當(dāng)清晰。
然而，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，如果火山噴發(fā)能造成明顯的平流層增濕，大型火山應(yīng)當(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發(fā)，觀測中也未能清晰識別出火山導(dǎo)致平流層水汽增加的信號。長期以來，科學(xué)界因此難以判斷：模式中清晰呈現(xiàn)的過程，究竟是真實大氣中的物理機制，還是模式里的理想化結(jié)果？
造成這一“觀測-模式鴻溝”的重要原因在于，真實大氣并非理想實驗室。平流層水汽同時受地表變暖、厄爾尼諾、熱帶準(zhǔn)兩年振蕩、太陽活動和大氣內(nèi)部動力變化等多種因素影響，火山或野火引起的水汽響應(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。而2005年至今，可靠的衛(wèi)星觀測記錄仍然有限，進一步增加了識別難度。
間歇性事件，也有長期積累效應(yīng)
研究團隊注意到一個關(guān)鍵細節(jié)：中等規(guī)模火山并非“大型火山的縮小版”。一方面，2005年以來衛(wèi)星觀測精度明顯提高，為識別平流層水汽、氣溶膠和熱帶對流層頂溫度變化提供了更可靠的數(shù)據(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山，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�
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年間多次中等規(guī)模火山噴發(fā)和極端野火事件綜合起來，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，這就像在嘈雜環(huán)境中尋找一段微弱旋律——單獨聽一次可能模糊不清，但把多次相似片段疊加起來，隨機噪聲會部分抵消，共同信號就會顯現(xiàn)。
研究人員指出，該研究最大難點正是如何從復(fù)雜自然變率中分離出火山和野火的影響。團隊通過多事件合成分析和統(tǒng)計方法，使不同樣本中的自然變率影響盡量保持一致，從而在真實大氣這個無法人為控制的系統(tǒng)中，盡可能接近“控制變量”的效果。
在此基礎(chǔ)上，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)果是否符合“氣溶膠增加-對流層頂升溫-平流層水汽增加”的完整物理鏈條。
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)致平流層增濕的共同“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程。
“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級。”俞鵬飛對《中國科學(xué)報》說。
研究發(fā)現(xiàn)，2005年以來，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當(dāng)。這表明，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)影響平流層大氣濕度。
更值得注意的是，研究還發(fā)現(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經(jīng)由熱帶對流層頂進入平流層；而本研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在中緯度地區(qū)的極端野火可通過煙羽“自抬升”過程，將水汽和顆粒物直接輸送到平流層中。換言之，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，與2022年湯加火山噴發(fā)直接注入平流層的水汽量相當(dāng)。湯加火山因向平流層注入大量水汽而受到廣泛關(guān)注；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)可觀的量級。
從“是否存在”到“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測、可量化的新階段。過去，由于缺少觀測證據(jù)，科學(xué)界難以判斷“氣溶膠增加-平流層增濕”是否真實存在；如今，觀測證據(jù)的出現(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？
這些問題的答案，直接關(guān)系到氣候預(yù)測、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發(fā)與‘遮陽降溫’聯(lián)系在一起，把野火與空氣污染、生態(tài)破壞和碳排放聯(lián)系在一起。”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風(fēng)險持續(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，不能只關(guān)注傳統(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風(fēng)險評估具有啟示意義。”俞鵬飛表示，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性，但這項研究也提示，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)雜的氣候與環(huán)境效應(yīng)。因此，在相關(guān)技術(shù)討論中，有必要充分評估這些潛在風(fēng)險。
下一步，研究團隊將圍繞一個核心問題繼續(xù)推進：過去被忽略的氣溶膠導(dǎo)致平流層增濕的過程，如何影響平流層氣溶膠的演變及其氣候-環(huán)境效應(yīng)。相關(guān)成果將為改進氣候模式、完善平流層組成預(yù)測、評估極端野火氣候效應(yīng)和臭氧恢復(fù)不確定性提供新的科學(xué)依據(jù)。
從模式到觀測，從“是否存在”到“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。而它的最終價值，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據(jù)，也為改進氣候預(yù)測和臭氧恢復(fù)評估提供了新的科學(xué)支撐。”在高空中默默流淌的水汽，正通過火山與野火之手，與地球的未來緊密相連。（來源：中國科學(xué)報 朱漢斌）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10731-0