持续变化的平流层气溶胶会在大气层顶部造成负辐射强迫，并部分抵消全球变暖的影响。火山硫酸盐和烟尘气溶胶通过将太阳光散射回太空而产生冷却作用，但两者具有不同的吸收特性。硫酸盐气溶胶主要通过吸收向外的长波辐射和近红外光中的太阳辐射来加热平流层。烟尘气溶胶主要由有机物和黑碳组成，吸收入射的太阳辐射，进而使平流层增温。

2014年-2022年的火山和极端野火事件向平流层中注入了约3.2 Tg二氧化硫和0.8 Tg的烟尘气溶胶，约是1991年皮纳图博火山注入量的40 %。本研究比较了2014-2022年的注入相对于1999-2002年火山休眠期和2005-2013年的注入的有效辐射强迫。将自主开发的气溶胶气候模式（CESM-CARMA）的结果与青藏高原（拉萨、格尔木、昆明）和美国（博尔德市）上空平流层气溶胶的长期气球观测结果进行了比较，并利用模拟结果计算了平流层火山和野火烟尘气溶胶对全球平均有效辐射强迫（ERF）的相对贡献。

在青藏高原的拉萨、格尔木和昆明，以及科罗拉多州博尔德市释放的探空气球装载了便携式光学粒子谱仪( POPS )。POPS 是用于测量气溶胶数量浓度和粒径分布的光学颗粒物光谱仪，因此可以获得气溶胶表面积密度（SAD）的长期原位观测数据。

模式和POPS观测结果都表明，北半球中纬度地区上对流层和下平流层（15.5-18.5 km）的SAD值约为1-2 μm²/cm³（图1）。该模式模拟出大型火山和野火事件的SAD增强和传输。与2005-2013年相比，2014-2022年间平流层气溶胶注入的高度更高，纬度更低，因此气溶胶的生命周期延长50％。计算表明2014-2022年间的平流层气溶胶对地球系统的冷却效应比2005-2013年高80％。

大气顶部（TOA）的有效辐射强迫（ERF）是一种气候指标，考虑了对大气温度变化的快速响应。Hansen et al. (2005)的研究中指出全球平流层可见光中波段度的光学厚度（sAOD）异常与大气顶部的全球平均有效辐射强迫之间存在线性关系，斜率（Ω）为每单位sAOD异常-23 W /m²（范围从-21到-30 W /m²）。本研究估计的斜率（Ω）取皮纳图博火山喷发后1991年6月至1992年6月间的平均值，为每单位sAOD异常-22.5 W /m²（图2）。

野火有机物和黑碳气溶胶会加热平流层，并通过平流层快速温度调整产生更多向太空发射的长波辐射。模式模拟结果表明，平流层气溶胶光学厚度( s AOD )每变化一个单位，平流层野火烟雾的有效辐射强迫( ERF )将变化- 37 W /m²（图2），比火山硫酸盐的冷却效应强60％左右。本研究发现，未能将野火烟雾与火山硫酸盐分开的研究可能会低估气候变暖背景下的负平流层强迫效应。

图3  ( A )相对于1901 -2000年平均气温，观测的2000 -2022年全球和年平均地表气温异常。 ( B )2005 - 2013年和2014 - 2022年观测的全球平均地表温度相对于1999 - 2002年的异常(红条)。2005 - 2013年和2014 - 2022年模拟的由于平流层注入引起的全球平均地表温度异常。

本研究表明火山和野火产生的平流层气溶胶可以减缓全球变暖的速度。在过去十年中，火山和野火产生的气溶胶抵消了约26%的强迫辐射增量和20%的地球表面温度增量（图3），但随着温室气体浓度的增加，这些气溶胶将无法在更长的时间内给地球降温。

与平流层火山和野火导致全球降温的机制类似，人为在平流层中注入气溶胶前体物可以有效缓解全球变暖，为双碳政策的实施争取时间，同时避免全球增温超过临界点。如图4所示，一项正在进行的研究（Lu, Yu*, Bian* et al., 2023）表明相比于太平洋，在青藏高原对流层上层中注射硫化物和黑碳能更有效的增加平流层气溶胶总量，从而对地球系统起到更有效的降温作用。

图4 分别在青藏高原（红色线）和太平洋（蓝色线）上空13公里处注射硫化物导致的全球平流层硫的总量随时间的变化（Lu, Yu*, Bian* et al. 2023, in prep.）

本研究以“Radiative Forcing From the 2014–2022 Volcanic and Wildfire Injections”为题发表于《Geophysical Research Letters》，暨南大学环境与气候研究院俞鹏飞教授为第一和通讯作者。该研究工作得到了第二次青藏高原综合科学考察研究-专题“大气成分垂直结构及其气候影响”( STEP , 2019QZKK0604)的第一资助。

原文链接：https://doi.org/10.1029/2023GL103791