北京大学物理学院大气与海洋科学系赵传峰课题组结合卫星、地基和再分析数据，量化了近年来全球地表反照率（SA）的变化对气溶胶直接辐射效应（ADRE）的影响。结果显示，地表反照率显著影响气溶胶的辐射效应，特别是在高反照率区域，高的地表反照率可以使ADRE从冷却转变为加热效应；全球地表反照率自2000年以来呈现出显著下降趋势（-0.012/decade），这一变化导致全球ADRE每十年减少约0.2 ± 0.17 W/m²。该研究成果以Surface albedo regulates aerosol direct climate effect为题，于2024年9月在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上，北京大学为论文唯一单位。
气溶胶通过直接吸收和散射太阳辐射影响地球的辐射能量平衡，通常情况下，气溶胶通过反射短波辐射产生冷却效应（ADRE <0）。然而，在高反照率区域，由于地表反射的短波辐射增加，气溶胶可能产生加热效应（ADRE>0）。赵传峰课题组结合CERES卫星数据、AERONET地面数据和MAC v2气溶胶再分析数据，详细分析了地表反照率对气溶胶直接辐射效应的影响，并量化了临界地表反照率值（Critical SA）。
结果显示当地表反照率超过0.18至0.96不等的临界值时，气溶胶直接辐射效应很可能从冷却转为加热。尤其是在中高纬度的积雪和冰覆盖，或者以吸收性气溶胶为主的地区。全球地表反照率自2000年以来呈现出显著下降趋势，以每十年-0.012的速度下降。这一变化导致全球气溶胶直接辐射效应每十年减少约0.2 ± 0.17 W/m²。特别是在北半球，地表反照率每下降0.1，气溶胶辐射效应的下降超过1 W/m²，远高于全球和南半球的平均值。
图1：晴空条件下（clear-sky）气溶胶直接辐射效应（ADRE）和气溶胶短波辐射增温效应（AWE）的时空分布。（a）2000年3月至2020年2月多年平均ADRE的空间分布；（b）类似于（a），但为AWE；（c）类似于（b）但为AWE的频率；（d）AERONET站点多年平均AWE和发生频率的空间分布，其中圆圈的大小表示每个站点AWE出现的频率，颜色深浅表示AWE的平均值。
图2：晴空条件下（clear-sky）由于地表反照率变化（ΔSA）引起的气溶胶直接辐射效应变化（ΔADRE）的时空分布。（a）2000年至2020年地表反照率年代际趋势的空间分布，P>0.05的区域未显示；（b）与（a）类似，但为ΔADRE；（c） ΔADRE随ΔSA在全球和每个半球变化的统计图，误差条为标准偏差；（d1）全球（黑线）和半球尺度上ΔADRE的月平均值，其中红线和蓝线分别表示南半球（SH）和北半球（NH）的ΔADRE；（d2）全球和每个半球ΔSA的月变化，条形图显示SA的趋势值；红线表示气溶胶光学厚度（AOD）的月平均值，其中三角形表示AOD的全球平均值，正方形和圆形分别表示NH和SH处的平均值。
地表反照率的下降放大了气溶胶的直接冷却效应，部分抵消了由地表反照率降低引发的变暖趋势。例如，在北极地区，地表反照率的变化幅度达到每十年-0.039，这导致ADRE每十年减少约-0.46 W/m²，是全球平均水平的两倍多。因此，气溶胶的直接冷却效应可能在一定程度上减缓了极地冰雪的融化速度，尽管这种调节机制的具体影响仍需进一步研究。
该研究由国家自然科学基金资助。北京大学物理学院大气与海洋科学系2023级博士研究生陈安南为论文的第一作者，赵传峰教授为通讯作者，主要合作者还包括北京大学物理学院大气与海洋科学系博士后张昊天、杨以坤以及2023级博士研究生李杰峰。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52255-z
