《自然杂志》“大气科学与气候变化”虚拟专题

Ballard

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原创  自然杂志  自然撷英  2025年09月11日

导 语

气候系统由大气圈、水圈、岩石圈表层、冰冻圈和生物圈共同构成。气候变化不仅是温度的变化，更是整个气候系统多层次、多维度的改变。随着其对经济、社会与生态环境的影响日益显著，有效应对与减缓气候变化已成为实现人类可持续发展的关键议题。本虚拟专题汇总了近几年《自然杂志》发表的大气科学与气候变化相关文章，涵盖气候变化与碳中和、目标观测与极端天气预报、雷暴电学与人工引雷，以及冰冻圈气候环境变化等多个前沿方向。

1 气候变化与碳中和
/ 周天军，陈晓龙，张文霞，张丽霞

工业化以来化石燃料的广泛使用使大气中的二氧化碳浓度急剧升高，造成全球气候变暖、极端天气气候事件频发。为有效应对和减缓气候变化，国际社会通过《巴黎协定》设定了2 ℃和1.5 ℃温控目标，由此提出了碳中和的概念。文章介绍了全球变暖的基本事实、人类碳排放对工业化以来全球变暖的作用，归纳了关于未来气候变化的主要结果，阐释了1.5/2 ℃温升阈值与碳中和的关系，概述了国际社会为有效应对全球变暖而在减少碳排放方面的努力。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.001

2 目标观测与极端天气预报
/ 段晚锁，秦晓昊，杨丽超

“目标观测”是用于提高极端天气事件预报水平的新的观测策略。在世界气象组织于2003年提出的全球大气十年研究发展计划——观测系统研究与可预报性试验(THORPEX)的推动下，国际上众多国家和地区已开展了大量针对极端天气事件预报的目标观测研究和外场试验，有效提高了预报水平。中国针对目标观测的研究和实践起步较晚，但在近十余年取得了突破性进展。该文介绍了目标观测的理念，阐释了实施目标观测需要解决的核心问题，概述了国际上已开展的目标观测外场试验，评述了中国关于热带气旋预报的目标观测研究的进步和外场实践的努力。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2024.06.001

3 雷暴电学与人工引雷
/ 蒋如斌，刘冬霞，袁善锋，张鸿波，吴学珂

雷暴和闪电是严重的自然天气灾害，影响社会经济各个领域。云动力和微物理过程的共同作用，使电荷在霰、冰晶等水成物粒子之间转移。这导致雷暴云带电，并在不同区域聚集大量电荷，从而发生闪电放电。闪电可产生氮氧化物、高能辐射，引起上下大气层物质和能量交换等，所涉及的问题是多学科的。青藏高原的特征是海拔高、面积大且地形复杂，雷暴和闪电活动频繁。中国科学家的研究揭示了青藏高原雷暴的下部主导型三级电荷分布模态，其普适性也被其他高海拔雷暴研究所证实。青藏高原雷暴的独特结构及其对全球和区域的生态环境及气候变化的响应与反馈，会受大尺度环流和局地热动力因素的共同控制，值得进一步关注和重视。人工引雷技术使随机性很高的闪电能够在一定时空可控的状态下发生，为闪电的物理机制和效应、雷击防护技术测试等研究提供了良好条件，基于此取得了一系列进展。未来，通过开发新技术来影响雷暴云起电过程或高空一定区域引发闪电以实现对雷暴、闪电的人工干预，仍有待深入探索。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.002

4 气候变化与野火
/ 张文霞，俞妍，桂可心，周天军

近年来全球破纪录极端野火频发，造成严重的生命和财产损失，为气候与生态环境恶化敲响了警钟。野火是一类高度复合的极端事件，通常伴随着高温、低相对湿度、强风和干旱多种气象条件的复合。近些年来为何极端野火频发？与气候变化有何联系？本文从野火形成的气象条件、野火的长期变化及原因、野火对气候和生态系统的影响三方面逐层递进展开介绍。气候变化与野火之间存在重要的反馈过程：一方面，伴随气候变化下高温和干旱的增加，全球极端野火呈现增加趋势； 另一方面，极端野火会产生大量温室气体和气溶胶排放，并影响生态系统，从而对区域和全球气候产生反馈。这些复杂的反馈过程给人类适应气候与环境变化带来了挑战。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.003

5 颗粒物干沉降对光伏资源影响评估
/ 何喆辰，刘诺航，裴梓越，施红蓉，葛宝珠，王自发

随着光伏发电在全球能源转型中的重要性日益增加，颗粒物的干沉降对光伏系统的影响逐渐成为研究热点。本文从颗粒物沉降至光伏面板导致发电效率衰减的角度出发，研究了粗颗粒物(PM10)干沉降对光伏资源，特别是对光伏面板辐照量的影响。通过建立光伏资源评估综合模型，系统考虑颗粒物干沉降量、气象因素及积尘密度等对光伏面板辐照量与发电量的影响。研究结果表明，PM10沉降在光伏面板表面形成的积尘层，显著降低了面板的透光率，导致全国可利用光伏资源平均降低约10%。尤其是中国北方地区，较高的PM10沉降导致约600 kWh/m2的辐照量减少，而中部和南部地区受降雨清洗影响，辐照量损失较小，约为100 kWh/m²。季节变化上，冬春季降幅比例高于夏秋季。尽管2020年的干沉降通量少，但因受降雨清洗较少的影响，可利用发电量低于2018年。因此，改善空气质量和加强面板清洁可显著提高光伏发电效率。该成果为光伏的资源评估和发电策略优化提供了理论依据，对推进国家“双碳”目标实现具有重要实践价值。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.004

6 太阳活动对地球气候的影响
/ 肖子牛

太阳辐射是地球系统的能量来源，是气候形成和演变的根本驱动力。在千年以上的长时间尺度上，达到地球的太阳辐射变化与地球气候有密切的关系。但在百年和百年以下的时间尺度上，人们尚不清楚太阳活动对气候是否有明显的影响。太阳活动可能通过多种路径影响地球气候，过程极为复杂。气候系统对太阳外强迫的响应又具有非线性特征，造成了太阳活动变化对气候的影响存在很大的不确定性。文章梳理和归纳总结了太阳活动影响地球气候的最近研究工作，在年际和年代际尺度上讨论了太阳活动变化对地球气候影响的关键因子和可能途径，以及气候系统对太阳活动变化响应的敏感地区和关键环节。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2021.06.003

7 2021年诺贝尔物理学奖：复杂系统科学的新纪元
/ 樊京芳，金瑜亮

2021年度诺贝尔物理学奖授予3位科学家，以表彰他们“对理解复杂物理系统的开创性贡献”。真锅淑郎(Syukuro Manabe)和克劳斯•哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)共同分享了1/2的奖金，获奖理由是“对地球气候建立物理模型、量化可变性并可靠地预测全球变暖”。乔治•帕里西 (Giorgio Parisi)获得另外1/2的奖金，获奖理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。文章介绍了这几位科学家的工作以及他们的贡献。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2021.06.006

Ballard

（接上篇）

8 探索地球之巅：60年来珠峰气候环境变化
/ 康世昌， 张玉兰， 张强弓

世界第一高峰珠穆朗玛峰(珠峰)，是全球气候与环境变化研究的焦点与热点区域。自20世纪50年代末期以来，在珠峰地区已经开展了多次综合考察，并建立了定位观测研究站。近60年来，珠峰地区持续变暖，升温幅度与青藏高原的平均值相当，降水变化趋势不明显。珠峰地区是冰川集中分布区，近期冰川显著退缩，冰湖面积急剧扩张，径流量增大，反映了冰川和水文过程对全球变暖的响应。受到升温影响，珠峰地区的植被有变绿趋势。工业革命以来，珠峰地区受到跨境大气污染物传输的影响，也凸显了冰川消融导致的污染物二次释放的潜在风险。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2020.05.001

9 北极海冰变化及其影响
/ 陈金雷，康世昌

在全球变暖背景下，北极冰冻圈正在发生显著变化。近几十年来，北极海冰总体呈退缩状态，面积减少、厚度减薄、体积减小，预计到21世纪中叶夏季，海冰将完全消失。北极海冰的减少对生态系统、大气环流、海洋环流、中纬度天气气候以及社会经济发展等均产生影响。北极海冰变化及其影响研究可为北极可持续发展提供重要支撑，同时也可增加中国在北极的话语权，保障中国在北极的权益。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.002

10 北极海冰消退及其主要驱动机制
/ 刘忠方

极地海冰在全球气候变化中扮演着重要角色。在全球变暖背景下，北极海冰正在以过去千年来所未有的速率消退，预计到21世纪中叶或更早，北极海域将面临夏季无冰的状况。北极海冰减少不仅改变北极地区的生态和环境，还通过大尺度的海气环流影响中纬度地区，甚至是全球的天气和气候。文章简要介绍了北极海冰消退的特征和主要驱动机制，并对未来北极海冰消退机理研究进行了展望。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2022.01.004

11 多年冻土退化对气候和人类产生重要影响
/ 吴晓东，吴通华

多年冻土主要分布在高纬度和高海拔地区，占北半球陆地面积的四分之一。多年冻土是寒冷气候的产物，全球变暖导致世界范围内多年冻土的普遍退化。多年冻土的退化将影响生态系统、水文过程和寒区许多重要工程设施的稳定性，并对气候系统具有重要的正反馈作用。目前，虽然对北极和青藏高原的多年冻土开展了许多研究工作，但是仍有很多重要的科学问题尚未解决。多年冻土变化及其影响的研究对人类认识和应对气候变化，实现联合国可持续发展目标具有重要的科学意义。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2020.05.011

12 伊犁河流域山区径流的影响及其对气候变化的响应
/ 席海洋，许宝荣，黄法融，杨玉忠，陈亚鹏，陆志翔，齐识，宋斐， 陈雨晴，曲林博

伊犁河流域是径流比较丰富的内陆河流域。伊犁河流域山区径流主要受气候、积雪、冰川、冻土、植被等影响。随着全球气候变暖，该地区冬季温度上升，可能改变降水模式，增加冬季径流量的同时减少夏季径流量。伊犁河流域的冰川正在减少，短期内可能增加径流量，但长期将导致径流量减少。近年来该地区1月到3月的雪水当量减少，影响夏季基流量和径流量。此外，温度升高导致积雪融水量变化，增加径流不确定性。多年冻土退化影响地下水补给和径流路径，而植被退化则增加地表径流量，减少地下径流量，导致河流流量季节性波动加大。因此，气候变化对伊犁河流域径流的影响是多方面的， 未来径流变化将更加复杂。
https://www.nature.shu.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.014