《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Detection and transport of the Australian bushfire plume over Brazil in January 2020: A multi-sensor analysis with emphasis on stratospheric transport
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摘要专业翻译
野火已成为21世纪最严重的自然灾害之一，其发生频率和强度因气候变化而不断增加。这些事件不仅对当地生态系统和人类健康造成破坏性影响，还将大量烟雾注入大气，烟雾羽流可在大气中持续存在并进行跨洲传输。本研究调查了2019–2020年澳大利亚丛林大火产生
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野火已成为21世纪最严重的自然灾害之一，其发生频率和强度因气候变化而不断增加。这些事件不仅对当地生态系统和人类健康造成破坏性影响，还将大量烟雾注入大气，烟雾羽流可在大气中持续存在并进行跨洲传输。本研究调查了2019–2020年澳大利亚丛林大火产生的烟雾向南美洲（尤其是巴西）的长距离传输过程。研究人员采用多传感器联合观测方法——包括OMPS卫星数据、激光雷达（LIDAR）观测、无线电探空仪（radiosondes）、AERONET地基测量以及HYSPLIT后向轨迹模拟——探测并表征了2020年1月烟雾羽流抵达巴西圣保罗（S?o Paulo）上空的过程。观测结果表明，气溶胶被注入平流层并进行跨洲传输，到达15至18 km高度，这与Bègue等人（2024）此前报道的平流层烟雾羽流持续存在的证据相一致。研究结果证明了综合监测系统对于理解极端大气事件及其半球尺度影响具有至关重要的意义。
论文解读
一、研究背景与科学问题
近年来，受气候变化和极端天气条件影响，野火在全球范围内变得更加频繁和强烈。葡萄牙（2017年）、西班牙（2012年）、美国（2018年、2020年）、巴西（2020年、2024年）和南非（2017年）等地的火灾事件是最突出的例证，其产生的烟雾羽流可达自由对流层，部分情况下甚至进入平流层。这些事件的影响远超环境退化本身，对公众健康构成严重威胁——野火烟雾暴露与巴西、西班牙和美国等地呼吸系统和心血管疾病发病率的上升密切相关。从大气科学角度看，大规模火灾还能形成所谓的“烟雾河流”（smoke rivers），即由天气尺度环流模式驱动的、狭窄细长的生物质燃烧羽流传输通道。更为重要的是，强烈火灾事件能够将大量烟雾注入自由对流层乃至平流层，2017–2018年加拿大火灾就产生了激光雷达网络迄今观测到的最持久的平流层烟雾层之一。
2019–2020年澳大利亚丛林大火，又称“黑色夏季”（Black Summer），其规模和强度前所未有，在澳大利亚东南部烧毁了近890,000公顷土地。这一极端事件由强厄尔尼诺（El Ni?o）、严重干旱以及2019年末罕见的平流层突然增温（sudden stratospheric warming）共同驱动。火灾期间强烈的火积云（pyroCb）活动有效地将烟雾和气溶胶颗粒输送到低层平流层。
大规模生物质燃烧对大气的影响远超局部环境。被输送的烟雾羽流可显著影响上对流层–下平流层（UTLS）区域的气溶胶负荷，并影响对流层臭氧收支及其变率，改变区域辐射强迫，并调节全球气候和天气模式。UTLS气溶胶因其较长的驻留时间以及与辐射和化学过程的相互作用而具有特别重要的影响。
尽管已有全球范围的观测记录了澳大利亚烟雾羽流在南半球的传播——OMPS-LP和CALIOP卫星在2020年1月探测到南美洲上空的平流层气溶胶增强，智利蓬塔阿雷纳斯（Punta Arenas）的激光雷达观测揭示了15至20 km高度的烟雾层，Bègue等人（2024）还在留尼汪岛（Réunion Island）西南印度洋上空观测到同一羽流——但关于该羽流在南美洲、特别是巴西上空的特征描述仍存在关键空白。此前研究虽然记录了羽流经过智利、阿根廷和南半球其他地区的传输过程，但针对巴西东南部的详细多仪器观测仍然十分有限。
二、研究内容与意义
在此背景下，本研究采用综合多传感器方法，调查了澳大利亚丛林大火烟雾羽流抵达巴西圣保罗的过程及其传输路径。研究整合了OMPS-LP气溶胶观测、地基激光雷达测量、AERONET气溶胶光学厚度反演、无线电探空仪观测和HYSPLIT后向轨迹分析等多种独立数据源。本研究的创新之处在于整合多个独立的观测和模拟数据集，以表征羽流在巴西上空的垂直结构和传输路径。据研究人员所知，该研究提供了对2019–2020年澳大利亚烟雾羽流在巴西东南部上空最全面的观测评估之一，有助于更好地理解极端野火事件对南美洲UTLS区域的影响。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了五种主要技术手段：OMPS-LP（臭氧测绘与廓线仪套件–临边探测器）卫星载荷用于探测平流层气溶胶消光和相对平流层气溶胶光学厚度（sAOD），识别烟雾的半球尺度分布；AERONET（气溶胶机器人网络）圣保罗站（23.56°S，46.73°W）太阳光度计用于获取500 nm气溶胶光学厚度（AOD）和440–870 nm ?ngstr?m指数（AE）；SPU-Lidar站多波长弹性/拉曼激光雷达系统（属于LALINET拉丁美洲激光雷达网络）使用532 nm弹性通道，垂直分辨率7.5 m，完全重叠高度300 m，用于UTLS气溶胶层的垂直表征；NOAA ARL的HYSPLIT（混合单粒子拉格朗日积分轨迹）模型进行10–18天后向轨迹模拟以追溯气团来源；以及坎波德马尔特机场（SBMT站，23.41°S，46.53°W）每日两次（00和12 UTC）的无线电探空仪数据，采用冷点对流层顶（CPT）方法确定对流层顶高度。激光雷达原始信号按照LALINET标准程序预处理，计算距离校正信号（RCS）和散射比（SR），并采用Klett–Fernald–Sasano方法反演气溶胶后向散射和消光廓线，使用基于圣保罗都市区20多年AERONET观测气候分析得到的532 nm激光雷达比58.11 sr作为约束。OMPS-LP数据未进行显式偏差校正，主要用于定性和相对分析，绝对定量评估由地基观测（激光雷达和AERONET）约束。
四、研究结果
4.1 OMPS-LP卫星观测结果
OMPS-LP卫星数据揭示了2020年1月南美洲上空平流层气溶胶的大尺度分布，探测到气溶胶层在UTLS区域的存在及其垂直范围，证实了澳大利亚烟雾在南半球的半球尺度扩散。OMPS-LP对弥散性气溶胶层比CALIOP更敏感，能够有效识别从澳大利亚传输至南美洲的烟雾信号。
4.2 激光雷达垂直结构观测结果
圣保罗SPU-Lidar站的532 nm弹性通道观测在15至18 km高度范围内探测到明显的气溶胶层。RCS和SR廓线显示该高度范围内存在显著的气溶胶增强信号，SR值大于1表明存在高于分子背景的气溶胶或云层。结合无线电探空仪确定的冷点对流层顶（CPT）高度，研究人员确认这些气溶胶层位于平流层内。激光雷达数据经过1小时时间积分和60 m垂直平滑处理后，信噪比得到有效改善，使得UTLS区域的微弱烟雾信号得以清晰识别。
4.3 AERONET光学特性观测结果
AERONET圣保罗站的太阳光度计观测显示，2020年1月期间500 nm AOD出现同步升高，同时?ngstr?m指数（AE，440–870 nm）的相应变化表明气溶胶类型与传输性烟雾的特征一致。AOD的增强与激光雷达和卫星观测到的烟雾层到达时间相吻合，为烟雾羽流抵达巴西东南部提供了地面验证。
4.4 HYSPLIT后向轨迹分析结果
HYSPLIT 10–18天后向轨迹模拟追踪了抵达圣保罗的气团来源，结果显示气团轨迹可追溯至澳大利亚东南部，与2019–2020年“黑色夏季”火灾期间pyroCb事件的发生区域一致。轨迹分析证实了烟雾从澳大利亚经跨洲传输到达巴西的路径，将圣保罗上空观测到的平流层气溶胶层与澳大利亚火灾事件直接联系起来。
4.5 无线电探空仪热力学背景分析结果
SBMT站无线电探空仪的温度和湿度廓线提供了所探测气溶胶层的热力学背景。通过冷点对流层顶（CPT）方法确定的对流层顶高度作为参考，确认激光雷达观测到的15–18 km气溶胶层位于对流层顶之上，即位于平流层内。这一判断对于确认烟雾的平流层传输路径至关重要。
五、讨论与结论
讨论部分将研究结果置于先前研究的背景下进行阐释。卫星和地基观测已将澳大利亚烟雾羽流绘制到南半球各地：OMPS-LP和CALIOP在2020年1月探测到南美洲上空增强的平流层气溶胶，智利蓬塔阿雷纳斯的激光雷达观测揭示了15至20 km高度的烟雾层，Bègue等人（2024）在留尼汪岛西南印度洋上空观测到同一羽流，证明其能够传输到南美洲以外更远的地区。此外，这些气溶胶层产生的辐射影响与中等强度火山喷发相当。本研究的观测结果与此前证据一致，证实了澳大利亚烟雾羽流在圣保罗上空15–18 km高度的存在及其平流层传输路径。
研究结论指出，通过整合OMPS-LP卫星数据、激光雷达观测、AERONET测量、无线电探空仪数据和HYSPLIT后向轨迹分析的多传感器方法，研究人员成功探测并表征了2019–2020年澳大利亚丛林大火烟雾羽流于2020年1月抵达巴西圣保罗上空的过程。观测表明气溶胶被注入平流层并进行了跨洲传输，到达15至18 km高度，与先前关于平流层烟雾羽流持续存在的证据一致。研究结果强调了综合监测系统对于理解极端大气事件及其半球尺度影响的关键重要性，为评估极端野火事件对南美洲UTLS区域的长期影响提供了重要的观测依据。
