2014-2022年的火山和極端野火事件對全球輻射強迫的影響
持續變化的平流層氣溶膠會在大氣層頂部造成負輻射強迫，并部分抵消全球變暖的影響。火山硫酸鹽和煙塵氣溶膠通過將太陽光散射回太空而產生冷卻作用，但兩者具有不同的吸收特性。硫酸鹽氣溶膠主要通過吸收向外的長波輻射和近紅外光中的太陽輻射來加熱平流層。煙塵氣溶膠主要由有機物和黑碳組成，吸收入射的太陽輻射，進而使平流層增溫。
2014年-2022年的火山和極端野火事件向平流層中注入了約3.2 Tg二氧化硫和0.8 Tg的煙塵氣溶膠，約是1991年皮納圖博火山注入量的40 %。本研究比較了2014-2022年的注入相對于1999-2002年火山休眠期和2005-2013年的注入的有效輻射強迫。將自主開發的氣溶膠氣候模式（CESM-CARMA）的結果與青藏高原（拉薩、格爾木、昆明）和美國（博爾德市）上空平流層氣溶膠的長期氣球觀測結果進行了比較，并利用模擬結果計算了平流層火山和野火煙塵氣溶膠對全球平均有效輻射強迫（ERF）的相對貢獻。
在青藏高原的拉薩、格爾木和昆明，以及科羅拉多州博爾德市釋放的探空氣球裝載了便攜式光學粒子譜儀( POPS )。POPS 是用于測量氣溶膠數量濃度和粒徑分布的光學顆粒物光譜儀，因此可以獲得氣溶膠表面積密度（SAD）的長期原位觀測數據。
模式和POPS觀測結果都表明，北半球中緯度地區上對流層和下平流層（15.5-18.5 km）的SAD值約為1-2 μm2/cm3（圖1）。該模式模擬出大型火山和野火事件的SAD增強和傳輸。與2005-2013年相比，2014-2022年間平流層氣溶膠注入的高度更高，緯度更低，因此氣溶膠的生命周期延長50％。計算表明2014-2022年間的平流層氣溶膠對地球系統的冷卻效應比2005-2013年高80％。
圖1 （A）2014 - 2022年30 °N到40 °N之間18.5 km處模擬和觀測的氣溶膠表面積密度的比較。選取注射量大于0.3 Tg的火山爆發和野火事件進行標記。（B）與( A)相同，但高度為15.5 km。
大氣頂部（TOA）的有效輻射強迫（ERF）是一種氣候指標，考慮了對大氣溫度變化的快速響應。Hansen et al. (2005)的研究中指出全球平流層可見光中波段度的光學厚度（sAOD）異常與大氣頂部的全球平均有效輻射強迫之間存在線性關系，斜率（Ω）為每單位sAOD異常-23 W /m2（范圍從-21到-30 W /m2）。本研究估計的斜率（Ω）取皮納圖博火山噴發后1991年6月至1992年6月間的平均值，為每單位sAOD異常-22.5 W /m2（圖2）。
圖2 2005 - 2013年、2014 - 2022年和1991 - 1999年大氣層頂的全球平均有效輻射強迫 ( W/m2 )。
野火有機物和黑碳氣溶膠會加熱平流層，并通過平流層快速溫度調整產生更多向太空發射的長波輻射。模式模擬結果表明，平流層氣溶膠光學厚度( s AOD )每變化一個單位，平流層野火煙霧的有效輻射強迫( ERF )將變化- 37 W /m2（圖2），比火山硫酸鹽的冷卻效應強60％左右。本研究發現，未能將野火煙霧與火山硫酸鹽分開的研究可能會低估氣候變暖背景下的負平流層強迫效應。
圖3 ( A )相對于1901 -2000年平均氣溫，觀測的2000 -2022年全球和年平均地表氣溫異常。 ( B )2005 - 2013年和2014 - 2022年觀測的全球平均地表溫度相對于1999 - 2002年的異常(紅條)。2005 - 2013年和2014 - 2022年模擬的由于平流層注入引起的全球平均地表溫度異常。
本研究表明火山和野火產生的平流層氣溶膠可以減緩全球變暖的速度。在過去十年中，火山和野火產生的氣溶膠抵消了約26%的強迫輻射增量和20%的地球表面溫度增量（圖3），但隨著溫室氣體濃度的增加，這些氣溶膠將無法在更長的時間內給地球降溫。
與平流層火山和野火導致全球降溫的機制類似，人為在平流層中注入氣溶膠前體物可以有效緩解全球變暖，為雙碳政策的實施爭取時間，同時避免全球增溫超過臨界點。如圖4所示，一項正在進行的研究（Lu, Yu*, Bian* et al., 2023）表明相比于太平洋，在青藏高原對流層上層中注射硫化物和黑碳能更有效的增加平流層氣溶膠總量，從而對地球系統起到更有效的降溫作用。
圖4 分別在青藏高原（紅色線）和太平洋（藍色線）上空13公里處注射硫化物導致的全球平流層硫的總量隨時間的變化（Lu, Yu*, Bian* et al. 2023, in prep.）
本研究以“Radiative Forcing From the 2014–2022 Volcanic and Wildfire Injections”為題發表于《Geophysical Research Letters》，暨南大學環境與氣候研究院俞鵬飛教授為第一和通訊作者。該研究工作得到了第二次青藏高原綜合科學考察研究-專題“大氣成分垂直結構及其氣候影響”( STEP , 2019QZKK0604)的第一資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1029/2023GL103791