全球变暖加剧大气甲醛暴露并扩大空间不平等

《Eco-Environment & Health》：Global warming amplifies atmospheric formaldehyde exposure and widens spatial inequality

　　

• 气候变化下不平等日益加剧。• 甲醛（HCHO）是一种被忽视但对气候敏感的污染物。• 未来气候情景预计暴露量将急剧增加。• 减缓措施与野火管理至关重要。

全球气候变化与空气污染的相互作用是当前大气科学的前沿问题。气候驱动的气象变化会影响大气污染物的排放、输送和化学转化，从而重新塑造污染物在全球的分布。在众多空气污染物中，甲醛（HCHO）具有高毒性且对气候极为敏感。即使5 ppbv的低浓度短期暴露也会升高心肺疾病风险和过早死亡率。然而，与PM_2.5和臭氧相比，HCHO在气候-空气质量相互作用中的作用长期被忽视，主要因为观测手段受限：现有监测网络稀疏且在地理上存在偏差，卫星反演受云干扰和垂直敏感性限制，数值模型则因排放清单和化学机制不同而产生较大分歧。为了克服这些限制，数据驱动方法应运而生，其中基于球面傅里叶神经算子（SFNO）的人工智能模型能够尊重地球球形几何并高效学习全球大气动力学。该研究发表于《Eco-Environment》，旨在利用卫星观测数据学习HCHO对气象变化的敏感性，并在未来气候情景下评估其暴露后果。

研究人员利用2013—2023年臭氧测绘与剖面仪套件（OMPS）卫星反演的约3600天逐日数据，结合欧洲中期天气预报中心再分析v5（ERA5）气象场和哥白尼大气监测服务（CAMS）排放清单，构建了基于SFNO的自监督掩模建模框架。该框架将稀疏的HCHO观测同时用作上下文输入和训练目标，仅在有有效观测的位置计算重建误差，从而迫使模型学习气象与HCHO之间的物理依赖关系。通过增量重训练，模型在测试集上对逐日重建的R²为0.58，对月均值的R²为0.92。地面浓度通过CAMS模拟的柱-表面转换因子推算，并与Pandora和NDACC地基观测进行验证，月均偏差一般在8%以内。为将日尺度学到的敏感性迁移到月尺度气候预测，研究人员在输入侧添加了轻量线性投影层，将月平均预测因子映射到SFNO潜在空间，并冻结大部分骨干网络参数，仅微调输入投影层和最后两层。未来预测使用耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中四个地球系统模式（CESM2、MRI-ESM2、GFDL-ESM4和UKESM1）在四种共享社会经济路径（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5）下的气候场，包括地表温度、相对湿度、风速、叶面积指数（LAI）、野火碳通量和土地利用。人口密度固定在当前水平，以隔离气候变化本身对HCHO的影响。此外，采用梯度归因方法解释各驱动因素的贡献。

研究结果主要包含四个方面。第一，全球甲醛的气候控制。重建的HCHO分布显示高浓度区位于南美洲、中非和东亚，与强生物源挥发性有机化合物（BVOC）排放有关。特征重要性分析表明，温度和相对湿度是两个主导控制因子。双变量响应分析发现，在极端升温（ΔT>5°C）和变干（ΔRH<–5%）共同作用下，HCHO垂直柱密度（VCD）可增加超过20%。第二，不同气候路径下的不同未来。每升温1°C，全球陆地平均HCHO VCD增加约0.11×10¹⁵分子/平方厘米（95%置信区间：0.09–0.13×10¹⁵分子/平方厘米）。在高排放SSP5-8.5情景下，到2090年代HCHO增幅最大，非洲、北美和中亚部分地区增幅超过30%，而中国北部和南亚部分地区呈小幅下降。在低排放SSP1-2.6下，HCHO增幅很小，显示出清晰的路径分叉。第三，暴露通过持续超标被放大。2010年代，全球已有约16亿至18亿人（约占20%）长期暴露于3 ppb基准以上，超过600万人暴露于5 ppb以上。在SSP5-8.5下，全球年暴露时长将增加104%–125%（约1.9个月），约有6.3亿新增人口暴露于低基准以上。热带生态区受影响尤为严重，亚马逊和刚果盆地的年度超标面积将增加200%以上。相比之下，SSP1-2.6可使暴露接近基线水平。第四，变暖世界中不平等加剧。目前低人类发展指数（HDI<0.7）地区的暴露比例（33.7%）显著高于高HDI地区（13.7%），低HDI地区年暴露时长是高HDI地区的3.7倍。未来SSP5-8.5情景下，低HDI地区暴露增长速率是高HDI地区的2.1倍，全球暴露人月将达98亿，其中约6700万人月超过5 ppb。亚洲和非洲承担了绝大部分预计癌症负担。研究还表明，主动野火管理可以分别减少SSP5-8.5下13%和SSP1-2.6下5%的HCHO暴露。

论文在讨论部分指出，上述结果基于历史观测得到的经验关系，并假设其在未来气候下仍然适用。独立极端高温事件中的检验支持了这一假设，但长期变暖可能引起植被结构和化学机制转变，带来不确定性。此外，人口和人为排放被固定，因此结果只代表气候驱动的暴露变化分量。结论部分强调，气候变化正在对空气质量施加一种可测量的“气候惩罚”，增强生物源排放和野火活动。HCHO暴露增加最显著的区域集中在热带和全球南方，而这些地区对温室气体排放的历史贡献最低。但未来暴露并非注定：通过低排放路径限制升温可以大幅减少危险HCHO的增加，而适应措施（如土地和野火管理）可进一步减轻气候驱动的放大效应。未来应特别在低收入和数据稀缺地区扩大地基和原位观测能力，以降低风险评估的不确定性，支持预警系统和气候-空气质量协同政策的制定。