南京大学丁爱军团队在全球野火天气反馈机制方面取得重大进展
南京大学大气科学学院丁爱军教授团队最新研究发现，作为全球重要自然灾害的野火不仅受气象条件影响，而且其所排放气溶胶的辐射效应也可改变气象要素，由此产生天气尺度的正反馈机制显著增强全球不同沿海地区的极端野火事件。近日，论文“Smoke-weather interaction affects extreme wildfires in diverse coastal regions”以Research Article形式发表于《Science》杂志，并被选为同期亮点成果（Science, 379，6631, 457-461 (2023), 论文链接：https://doi.org/10.1126/science.add9843）。
野火直接危害人的生命和财产安全，燃烧排放的污染物会对下风向地区的空气质量、人体健康和生态系统产生负面影响，其所排放的具有辐射特性的气溶胶和温室气体在地球气候系统中扮演着重要角色。植被生态系统中野火的生消演变受多种因素的影响，除人类活动外，气象条件等自然因素起着更为重要的作用。气象条件不仅决定植被生产力和燃烧季节（燃料量与可燃性），也在火灾的蔓延和演变（即火行为）中扮演至关重要的角色。正因如此，当前学界通常将极端野火事件频率的增加与气候变化直接关联。然而，野火发生频率和强度存在多种时空尺度，在全球变暖的大趋势短期难以改变这一背景下，更为重要的是在当前可预报的时间窗内（如在1-2周的天气尺度上）认识影响野火发生、发展和消亡的复杂理化机制与关键控制过程，从而为人为主动应对与精准干预以实现防灾减灾提供科学支撑。
图1 全球典型区域野火强度的天气尺度变率及关键气象要素演变规律
该研究团队通过分析过去20年全球不同野火燃烧区的卫星观测数据，发现美国西岸和东南亚的中南半岛地区的野火燃烧面积存在着显著的天气尺度变化，并分别在1周和2周时间尺度频谱最强，前者受风速和湿度控制，而后者则主要受降雨调制（图1）。团队进一步对2020年9月美国西海岸破纪录超级野火事件和2004年3月中南半岛森林大火开展气象-化学全耦合数值模拟，揭示了两个地区不同的野火天气尺度变率和主控因子背后的机理。研究发现，在美国西部的地中海气候区，野火排放的烟羽可增加气溶胶光学厚度，通过气溶胶-辐射-边界层相互作用增强局地热力环流（更多的干热山风），由此引起野火区风速的增大、湿度的减小和大火潜势的上升，从而显著增强野火气溶胶的排放并导致峡谷城市空气质量的急剧恶化。然而，位于亚洲季风区的中南半岛则有所不同，抬升烟羽的辐射效应在我国南部沿海和南海北部导致气溶胶-边界层-低云-季风的相互作用，显著降低南海向半岛横断山脉东侧的水汽输送，从而减少当地的降水并进一步延长燃烧季节。两大地区的野火天气反馈机制均由吸收性气溶胶（如黑碳等）的辐射效应引发的边界层热力层结和水汽输送的改变所导致，但两地野火天气反馈作用的时空尺度不同。中南半岛地区野火燃烧烟羽可被抬升至高空后沿着我国南部沿海传输上千公里，并伴有复杂的云与降水过程以及大尺度环流的参与，故而该地区野火天气反馈的时间尺度较北美西岸则相对更长。
图2 典型地中海气候和季风区的野火-天气正反馈机制
最近十年，丁爱军教授团队一直深耕气溶胶-边界层-辐射相互作用研究方向。最早始于2012年南京”6.10黄泥天”污染事件，团队基于长三角大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站SORPES的第一手观测数据，结合数值模拟揭示了农业秸秆焚烧排放的辐射性污染物所导致的气溶胶-边界层理化过程相互作用的独特机制，发现相关过程可影响二次气溶胶生成、改变大气边界层热力结构并改变局地气温和降雨等（Atmos. Chem. Phys. 2013, 2016）; 进一步研究发现黑碳与边界层的相互作用（命名为”穹顶效应”）显著加剧我国超大城市重霾污染（Geophys. Res. Lett. 2016, 2018 ; Atmos. Chem. Phys. 2018），并可增强京津冀和长三角两大城市群霾污染的跨区域传输（Nature Geoscience, 2020），相关发现为区域尺度大气复合污染的精准防控提供重要科学支撑。团队进一步致力于相关过程在区域和全球尺度对天气气候的影响研究，发现气溶胶在全球若干典型地区均能影响逐日天气预报（Sci. Bull. 2021）；其中在中南半岛，可通过比全球其它地区（如非洲西岸等）更强的气溶胶半直接效应加剧我国南部沿海的低云的生成（Nature Communications, 2021），并在厄尔尼诺年导致更强的跨洲际臭氧传输（Nat. Sci. Rev., 2021）。相关成果共有10余篇论文入选ESI高被引论文，多项成果被Science、ScienceNews等予以采访/报道、入选中国百篇最具影响国际学术论文；团队成员先后获国家杰青和优青资助、入选全球高被引科学家，并获国际理论物理中心ICTP奖和科学探索奖等荣誉。
此次在《Science》杂志发表的成果，是上述系列工作基础上的重要突破，其创新之处在于发现野火不仅是传统认识上的受气象条件的调制，燃烧排放的气溶胶也可经由复杂的反馈过程显著改变影响火行为的风速、湿度和降水等关键气象参数，进而增强野火的蔓延和扩张并产生更强的环境健康效应。该发现对全球人口密集的沿海地区极端野火事件的预测与提前干预有重要科学支撑，也有望为我国西部和大兴安岭等复杂地形地区的山火防治提供参考；同时，该成果对全球典型地区的大气污染防治、天气预报、人工影响天气以及气候变化应对均有重要的科学意义和应用价值。
该论文由南京大学作为第一和通讯作者单位，黄昕教授和助理研究员丁可博士为论文共同第一作者，丁爱军教授和黄昕教授为共同通讯作者。该工作得到符淙斌院士和谈哲敏院士的悉心指导，论文合作者还包括德国马普化学所、加州大学和清华大学等机构的学者。该研究受到国家自然科学基金杰出青年基金、优秀青年基金、青年基金、关键地球物质循环前沿科学中心、江苏省气候变化协同创新中心以及腾讯基金会的资助。
来源：南京大学
