北京大学物理学院大气与海洋科学系俞妍课题组基于气溶胶廓线遥感和烟尘喷射过程，发展了野火烟尘喷射高度的参数化方案，显著提升模拟精度，并揭示了气溶胶辐射吸收和大气对流过程对极端烟尘抬升的关键作用。相关成果以“大气对流和气溶胶吸收提升野火烟尘喷射高度”（Atmospheric Convection and Aerosol Absorption Boost Wildfire Smoke Injection）为题，于2025年7月在线发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。
野火是发生在自然植被上的生物质燃烧现象，野火释放的烟尘对气候、生态系统和人类健康具有深远影响，准确模拟烟尘在大气中的喷射高度是评估其远程传输和环境效应的关键。然而，现有模型普遍低估极端野火产生的烟尘高度，限制了预测的准确性。
俞妍课题组基于广泛使用的Sofiev半经验模型，创新性地整合了两个关键物理过程：烟尘中黑碳气溶胶吸收太阳辐射产生的“自抬升”效应以及环境大气对流提供的额外抬升动力,并考虑自由对流层高度（LFC）发展了“两步法”模型框架。同时利用MODIS火点和燃烧辐射功率数据以及CALIOP烟羽消光廓线构建了包含2008-2018年间全球逾6万例事件的野火烟尘垂直分布数据集，由此优化了模型参数（图1）。
图1. “两步法”模型流程图
研究结果表明，新模型对烟尘高度模拟精度显著提升， 相比原Sofiev模型，新模型均方根误差（RMSE）降低了10%，平均偏差（Mean Bias）降低了95%以上。在热带南美、非洲、亚洲以及北美地区，新模型对高烟羽的模拟偏差减少尤为明显，部分区域改善超过1500米（图2）。该研究还实现了关键过程贡献量化，火成因子（即燃烧辐射功率和气溶胶吸收）导致的烟羽抬升达到千米量级；环境大气对流对烟羽抬升的贡献约为百米量级。此外，新模型对极端事件捕捉能力增强。例如，新模型成功再现了2010年巴西野火和2021年西伯利亚野火等事件中观测到的4000米以上烟羽，解决了原模型的低估问题。
图2. (a) CALIOP 观测的烟尘喷射高度；(b) “两步法”模型计算的高度；(c) 原Sofiev 模型和“两步法”模型与观测相比的误差绝对值之差（红色为新模型误差降低）；(d–f) 观测与模拟的烟尘高度的联合概率密度函数，模型使用 (d) 原始损失函数和 (e) 基于 RMSE 的损失函数优化的 Sofiev 模型，以及 (f) “两步法”模型。
该研究强调了气溶胶自抬升和环境对流在决定野火烟尘垂直扩散，特别是极端高喷射事件中的关键作用。改进的烟尘喷射高度模型可直接用于烟尘高度的诊断，并为应用于地球系统模式奠定了基础，从而更可靠地评估野火烟尘的远程传输及其对气候和环境的影响。
北京大学物理学院大气与海洋科学系24级博士生（20级本科生）许睿为本研究的第一作者，俞妍为通讯作者，大气与海洋科学系博士生孟祥磊也参与了研究工作。合作者还包括大气与海洋科学系的薛惠文教授、赵传峰教授和林金泰教授。上述研究工作得到国家重点研发计划支持。
