迈向碳中和：人为气溶胶与温室气体减排对北半球“尘带”的影响

由Shicheng Yan, Yang Yang, Lili Ren, Hailong Wang, Pinya Wang, Lei Chen, Jianbin Jin以及Hong Liao等研究人员共同完成的研究论文《Impacts of reductions in anthropogenic aerosols and greenhouse gases toward carbon neutrality on dust pollution over the northern hemisphere dust belt》已于2025年11月26日在线发表于大气科学领域的知名学术期刊《Atmospheric Chemistry and Physics》（简称ACP）。这项研究依托于南京信息工程大学（南京信息工程大学）多个重点实验室、江苏开放大学（江苏开放大学）以及美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的合作力量，通讯作者为Yang Yang教授。

本研究属于大气化学与气候变化交叉学科领域。为了缓解全球变暖，全球多国已承诺实施严格的碳中和（carbon neutrality）政策。由于温室气体（greenhouse gases, GHGs）与人为气溶胶（anthropogenic aerosols）的部分排放源相同，在全球气候减缓与环境改善的努力下，气溶胶及其前体物排放预计也将随之减少，这可能引发复杂的气候反馈。然而，迄今为止，我们对于人为气溶胶和温室气体对自然沙尘浓度的各自独立影响，特别是在碳中和情景下，尚缺乏清晰的认识。以往的研究多聚焦于不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSPs）下沙尘的总体变化，考察的是人为气溶胶和温室气体的综合效应，鲜有研究量化两者对未来沙尘浓度变化的独立贡献。因此，本研究旨在阐明在碳中和目标下，人为气溶胶减排和温室气体减排如何分别通过改变关键气象条件，进而影响北半球低中纬度“尘带”（dust belt）地区的自然沙尘排放与浓度。其核心科学目标是：评估到2060年，在碳中和情景下，人为气溶胶和温室气体各自的变化对沙尘活动的影响，并揭示其背后的物理机制，从而为全球追求碳中和过程中的沙尘防治提供科学依据。

本研究的核心方法是利用完全耦合的“社区地球系统模型”（Community Earth System Model version 1.2.2, CESM1）设计一系列数值模拟实验。模型的设置包括：大气分量使用CAM5（Community Atmosphere Model version 5），能够模拟包括硫酸盐、黑碳、有机碳、沙尘和海盐在内的主要气溶胶物种；陆地分量CLM4（Community Land Model version 4）使用Zender等人开发的沙尘起沙与沉降模型来计算沙尘排放通量，沙尘粒子按粒径分为四个区间；研究区域聚焦于北半球“尘带”（0–60° N, 25° W–130° E），主要包括撒哈拉沙漠、中亚沙漠、阿拉伯沙漠、塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠等全球主要的沙尘源区。研究主要关注沙尘活动最为频繁的北半球春季（3-5月）。为了达到研究目的，研究团队设计了精心控制的对比实验。

详细实验流程与数据分析方法如下： 研究共设计了四组CESM1平衡态模拟实验，每组实验进行三个不同初始条件的集合成员模拟，以降低内部气候变率的影响。每个模拟积分100年，前40年作为模式“spin-up”（适应期）舍弃，后60年用于分析，确保得到稳定的气候态结果。实验的排放和温室气体浓度数据均来自第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的输入数据集。 1. 基准情景实验（fut_ssp585）： 所有强迫（温室气体浓度、气溶胶及其前体物的人为排放）均设置为2060年在高化石燃料发展路径（SSP5-8.5）下的水平。此实验代表了一个未积极采取强力气候减缓措施的未来情景，作为比较的基线。 2. 碳中和综合效应实验（fut_cneutral）： 所有强迫设置为2060年在可持续发展且追求碳中和的路径（SSP1-1.9）下的水平。通过与此实验与fut_ssp585对比，可以分离出人为气溶胶和温室气体共同减排对沙尘的“综合效应”。 3. 人为气溶胶单独减排实验（aa_cneutral）： 此实验是关键的设计之一，旨在“隔离”气溶胶的影响。它采用SSP1-1.9路径下2060年的人为气溶胶及其前体排放，但同时保持温室气体浓度在SSP5-8.5路径下的高水平。通过将此实验与基准实验fut_ssp585对比，可以量化仅由人为气溶胶减少所引起的气候与沙尘变化。 4. 温室气体单独减排实验（ghg_cneutral）： 此实验是另一关键设计，旨在“隔离”温室气体的影响。它采用SSP1-1.9路径下2060年的温室气体浓度，但同时保持人为气溶胶排放为SSP5-8.5路径下的高水平。通过将此实验与基准实验fut_ssp585对比，可以量化仅由温室气体减少所引起的气候与沙尘变化。

此外，为了验证模型对沙尘模拟的能力，研究还进行了历史验证实验（fut_2020），将强迫设为2020年SSP1-1.9的水平，并将模型模拟的2020年春季沙尘光学厚度（dust optical depth, DOD）与2017-2021年的CALIPSO卫星观测数据进行对比。模型评估结果表明，CESM1能够合理地再现沙尘光学厚度的总体空间分布，尽管在中亚、东非和戈壁沙漠地区存在高估，这种偏差与模式中使用的沙尘源函数和起沙方案有关，与已有研究中的发现一致。这一评估确认了模型用于研究沙尘变化的适用性，同时也提醒了定量分析中可能存在的偏差。

数据分析流程主要包括：计算各实验间关键变量的差值（如fut_cneutral减去fut_ssp585，代表综合效应；aa_cneutral减去fut_ssp585，代表气溶胶单独效应；ghg_cneutral减去fut_ssp585，代表温室气体单独效应），分析这些差值在“尘带”区域的空间分布和统计显著性。分析的变量包括：沙尘地表浓度、沙尘排放通量、气溶胶光学特性（如总气溶胶光学厚度AOD、硫酸盐AOD贡献）、关键气象驱动因子（如地表向下短波辐射、地表温度、10米风速、行星边界层高度、相对湿度、土壤含水量、降水）、以及大尺度环流场（如海平面气压）。通过分析这些气象变量的变化及其与沙尘变化在空间上的关联性，研究团队系统性地阐释了不同减排路径影响沙尘活动的物理机制。

本研究的主要结果揭示了在碳中和路径下，人为气溶胶减排和温室气体减排对沙尘活动存在截然相反的调制作用，而温室气体减排的抑制作用在多数地区占据主导。

首先，关于沙尘变化的总体图景： 与高排放情景（SSP5-8.5）相比，碳中和情景（SSP1-1.9）下，北非和中亚等主要沙尘源区的沙尘排放和地表浓度呈现显著下降（排放减少3%–12%，浓度减少4%–16%）。然而，在东亚沙尘源区（如中国西北部和华北平原），沙尘排放和浓度却出现了微弱增加（排放增加3%–12%，浓度增加4%–8%）。这一非均匀的空间响应暗示了其背后复杂的驱动机制。

其次，分解出的独立效应揭示了相反的机制： 1. 人为气溶胶减排的“促进”效应（由aa_cneutral实验揭示）： 在仅减少人为气溶胶（而温室气体维持高水平）的情景下，整个“尘带”的沙尘排放和浓度普遍增加。具体而言，北非、中亚和东亚的沙尘排放增加了6%–12%，地表浓度增加了4%–20%。其物理机制链清晰可循：人为气溶胶（特别是硫酸盐和黑碳）的减少，导致大气对太阳短波辐射的散射和吸收减弱，从而使得到达地表的向下短波辐射显著增加（增加4–12 W m⁻²）。这引发了地表增温（在东亚、东南亚和南亚等地增温超过0.6–0.9 °C）。地表增温增强了大气对流不稳定性，抬高了行星边界层高度。同时，吸收性气溶胶（如黑碳）减少导致的大气层结稳定性降低也促进了垂直混合。这些过程共同作用，通过向下的动量输送，使近地表风速增加了0.05–0.10 m s⁻¹。此外，地表增温还降低了相对湿度（降低1%–3%）和土壤含水量。在干旱的沙尘源区，风速是沙尘起沙的最关键动力因子，相对湿度降低则进一步降低了沙尘颗粒被扬起所需的临界风速阈值。因此，风速增强和临界风速降低共同作用，显著促进了沙尘的排放和局地浓度升高。这一发现与过去一些关于气溶胶减少增强区域环流和风蚀的研究结论一致。 2. 温室气体减排的“抑制”效应（由ghg_cneutral实验揭示）： 在仅减少温室气体（而气溶胶排放维持高水平）的情景下，沙尘活动在主要的北非和中亚源区受到显著抑制。排放减少6%–15%，浓度减少8%–20%，部分区域浓度降幅超过50 µg m⁻³。其核心机制与改变海陆热力对比有关。在SSP5-8.5高排放情景下，陆地（特别是沙漠地区）升温幅度远大于海洋，形成了强烈的海陆温度梯度。当实施温室气体减排后，地表温度在全球普遍下降，但陆地（热容量小）的降温幅度（1.8–3.0 °C）大于邻近海洋（1.2–1.8 °C），导致海陆热力对比减弱。这种减弱降低了驱动大尺度环流的动力，进而使得北非和中亚源区的地表风速降低了0.01–0.10 m s⁻¹。风速的直接减弱是抑制沙尘排放的首要原因。同时，温度降低还抑制了地表蒸发，提高了相对湿度（增加1%–3%），这进一步提高了起沙所需的临界风速，加剧了对沙尘生成的抑制。尽管在东亚的塔克拉玛干和戈壁沙漠，温室气体减排导致了降水和土壤水分减少，这可能理论上略微有利于起沙，但与此同时风速的显著降低不仅抵消了这种促进作用，还通过增强沙尘的局地沉降（更多沙尘从大气中移除），最终导致这些地区近地面沙尘浓度下降。图11明确显示，在塔克拉玛干沙漠及其下风向的华北平原，沙尘沉降量显著增加。

第三，综合效应的驱动机制与非线性响应： 在碳中和的综合情景下（fut_cneutral），北非和中亚沙尘的净减少表明，温室气体减排的抑制作用压倒了气溶胶减排的促进作用。这主要是因为温室气体减排引起的降温效应（图13a, b）在强度上远超气溶胶减排引起的增温效应，导致海陆热力对比显著减弱，进而主导了风速减弱和沙尘抑制。而在东亚，综合情景下沙尘的微弱增加则与一个增强的蒙古-西伯利亚高压有关（海平面气压增加40–80 Pa），这个增强的气压梯度加强了东亚源区的表面风，从而部分抵消了温室气体减排的风速减弱效应，并叠加了气溶胶减排的风速增强作用，最终导致了沙尘排放的增加。研究还特别指出，沙尘对减排的响应是非线性的。如果将气溶胶单独效应和温室气体单独效应的结果简单相加，其得到的沙尘变化模式与综合效应的实际模拟结果存在差异。这种非线性可能源于风和温度场对温室气体和气溶胶强迫的复杂、非叠加性响应。

研究的结论、意义与亮点如下： 本研究系统性地解答了在追求碳中和目标下，未来气候变化如何影响沙尘活动这一关键知识空白。主要结论是：全球迈向碳中和（SSP1-1.9）将导致北半球主要沙尘源区（尤其是北非和中亚）的沙尘负荷总体减少，这主要是由温室气体减排通过减弱海陆热力对比、降低风速和增加湿度所产生的抑制作用所驱动的。尽管人为气溶胶减排会通过增加地表辐射、增强对流和风速而产生促进沙尘排放的副作用，但这一效应被更强的温室气体减排抑制作用所超越。然而，东亚地区由于环流变化导致的局地风速增强，沙尘活动可能出现微弱增加。

本研究的科学价值与应用价值显著： 1. 科学价值： 首次在碳中和框架下，清晰分离并量化了人为气溶胶和温室气体减排对自然沙尘浓度变化的独立贡献及其竞争性机制，深化了对多强迫因子共同作用下气溶胶-气候-沙尘反馈过程的理解。研究揭示了在评估未来环境变化时，分解不同人为驱动因子各自作用的重要性。 2. 政策与决策支持价值： 研究结果强调了推进碳中和战略不仅能实现气候减缓目标，还能通过抑制沙尘污染带来显著的协同效益（co-benefits），这为全球实施碳中和政策提供了额外的环境激励。同时，研究也指出在东亚等特定区域，需要额外加强区域性措施（如植树造林、建设防护林带）以应对可能持续的沙尘暴风险，为制定差异化的、更具韧性的环境管理策略提供了科学依据。

本研究的亮点在于： 1. 研究设计的创新性： 通过精巧设计的“隔离”实验（aa_cneutral和ghg_cneutral），成功剥离了气溶胶和温室气体两个紧密关联的强迫因子的独立气候效应，这是以往大多数综合性情景研究未能做到的。 2. 机制阐释的清晰性与系统性： 研究不仅给出了沙尘变化的结果，更通过详尽的物理量诊断，完整地揭示了从排放变化到关键气象驱动因子（辐射、温度、风速、湿度）变化，再到海陆热力对比和大尺度环流变化的完整机制链条，逻辑严密。 3. 关注前沿政策情景： 研究聚焦于与全球实际政策时间表（2060年）紧密对齐的碳中和情景（SSP1-1.9），使得研究成果具有更强的现实相关性和前瞻性。 4. 指出非线性与区域差异性： 研究不仅明确了总体效应，还揭示了响应的非线性特征和显著的区域差异（如东亚的异常响应），避免了对未来变化做出简单化、均一化的判断。

最后，作者也坦承了研究的局限性，包括：CESM模型本身可能存在对人为强迫响应较为敏感的特性；模型在沙尘模拟方面存在系统性偏差；未来土地利用/覆盖变化（如森林扩张）可能调节沙尘响应但未被考虑；对流层臭氧变化等潜在复杂因素也未纳入当前分析。这些都为未来的研究指明了改进和深入的方向。