在大多數(shù)人的印象中，青藏高原是雪山潔白、天空湛藍(lán)的“地球凈土”。然而，在科學(xué)家的視野里，這片純凈之地的上空，其實(shí)飄浮著一張肉眼難以捕捉的“微塵之網(wǎng)”，它們不僅改變著高原的生態(tài)環(huán)境，更深刻影響著全球的氣候格局。

為了探明這些微小顆粒的來(lái)龍去脈，2019年起，一支由蘭州大學(xué)領(lǐng)銜的大氣和地表粉塵科考團(tuán)隊(duì)在我國(guó)第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究工作中百余次登上青藏高原，在“世界屋脊”探尋微觀奧秘。

作為第二次青藏科考第六項(xiàng)任務(wù)“人類活動(dòng)與生存環(huán)境安全”的重要組成部分，“粉塵氣溶膠及其氣候環(huán)境效應(yīng)”專題歷時(shí)五年圓滿完成了各項(xiàng)科考任務(wù)。該專題由蘭州大學(xué)牽頭、黃建平院士領(lǐng)銜，學(xué)校大氣科學(xué)學(xué)院、資源環(huán)境學(xué)院科研人員參與，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所、青藏高原研究所等多家單位，共同組織了92支分隊(duì)，累計(jì)12273人天開展青藏高原野外考察，采集了27211個(gè)珍貴的粉塵樣品與樣本。團(tuán)隊(duì)通過“天地協(xié)同”的立體觀測(cè)，首次提出了“青藏高原是全球粉塵轉(zhuǎn)運(yùn)站”的原創(chuàng)性科學(xué)認(rèn)識(shí)，為國(guó)家生態(tài)安全屏障建設(shè)貢獻(xiàn)了關(guān)鍵的中國(guó)數(shù)據(jù)。

定義“轉(zhuǎn)運(yùn)站”：改寫全球粉塵循環(huán)認(rèn)知

青藏高原不僅是地理意義上的“世界屋脊”，也是調(diào)控全球氣候的巨大“熱力泵”。然而長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)際科學(xué)界對(duì)高原粉塵氣溶膠的理化性質(zhì)仍存有爭(zhēng)議，未能準(zhǔn)確量化高原作為粉塵源地對(duì)大氣粉塵的貢獻(xiàn)，也難以系統(tǒng)揭示其在全球粉塵循環(huán)中的關(guān)鍵角色。

什么是“氣溶膠”？專題聯(lián)系人、骨干成員，蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院教授田鵬飛形象地比喻道：“就像往水里加糖形成溶液一樣，大氣中懸浮的微小粉塵顆粒與空氣組成的體系就是氣溶膠，我們關(guān)注的是其中的顆粒物?！?/p>

這些肉眼難辨的顆粒物，卻是影響地球氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵因子——既能吸收陽(yáng)光致大氣增溫，也能散射光線使地面降溫。

為揭示隱藏在青藏高原粉塵氣溶膠背后的秘密，研究團(tuán)隊(duì)選擇在高原用自主研發(fā)的多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)布設(shè)“天羅地網(wǎng)”，在阿里、亞東、珠峰大本營(yíng)等關(guān)鍵區(qū)域建立起連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開展了立體化、網(wǎng)格化的精密觀測(cè)。

科考隊(duì)員在亞東地區(qū)進(jìn)行大氣粉塵考察，黃建平院士指導(dǎo)調(diào)試激光雷達(dá)

張鐳教授與科考隊(duì)員在阿里地區(qū)進(jìn)行大氣粉塵考察

科考隊(duì)員在納木錯(cuò)地區(qū)進(jìn)行探空實(shí)驗(yàn)

每當(dāng)夜色降臨，一束醒目的綠色激光劃破高原夜空，被科考隊(duì)員們稱為“探索之光”。隊(duì)員們就是通過這道光束與儀器收集一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為保障數(shù)據(jù)質(zhì)量與設(shè)備安全，隊(duì)員們往往要在野外堅(jiān)守?cái)?shù)月。在可能有雷雨的夜晚，大家甚至不敢睡在帳篷里，而是直接睡在裝有激光雷達(dá)的觀測(cè)方倉(cāng)內(nèi)。

“這個(gè)方倉(cāng)頂上開一個(gè)圓孔用于激光雷達(dá)探測(cè)。我們就打地鋪睡在雷達(dá)旁邊，如果深夜下雨，雨水滴在臉上，就能第一時(shí)間醒來(lái)并蓋好激光雷達(dá)保護(hù)罩，用身體護(hù)住國(guó)家財(cái)產(chǎn)和科研數(shù)據(jù)。”田鵬飛回憶道。

歷經(jīng)五年積累，團(tuán)隊(duì)最終獲取了超過150GB的觀測(cè)資料，整編出37套公開共享高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，在高原粉塵氣溶膠理化特性及輻射效應(yīng)方面取得了一系列原創(chuàng)性成果，糾正了此前研究中的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，并準(zhǔn)確量化了青藏高原內(nèi)部起塵對(duì)大氣粉塵的貢獻(xiàn)。

“傳統(tǒng)數(shù)值難以準(zhǔn)確模擬高原起塵過程。我們團(tuán)隊(duì)基于海量科考數(shù)據(jù)，針對(duì)性地開發(fā)出青藏高原專屬的風(fēng)蝕度因子數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了起塵機(jī)制的關(guān)鍵性突破——首次精準(zhǔn)量化出高原內(nèi)部年均粉塵釋放量約258.8Tg（約2.588億噸），解決了長(zhǎng)期以來(lái)高原起塵難以準(zhǔn)確模擬的難題?！碧稆i飛說。

新方法得到的高原內(nèi)部起塵通量年均值（左上角為年平均起塵通量，右上角為年總起塵量）

除本地的自然釋放外，南亞等周邊人為活動(dòng)劇烈的區(qū)域持續(xù)向青藏高原輸送污染物，導(dǎo)致高原上空的氣溶膠特性復(fù)雜。加之青藏高原位于印度洋北緣，高原南部輸送的水汽充沛，導(dǎo)致高原上空的云呈現(xiàn)出獨(dú)特的物理特性。

對(duì)此，團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)：高原通過大地形產(chǎn)生的“煙囪效應(yīng)”，將中亞、南亞、西南亞的沙塵和人為氣溶膠輸送至高原，并進(jìn)一步輸送至對(duì)流層頂。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，塔克拉瑪干沙漠的沙塵可被抬升至高原北部，印度的沙塵和人為氣溶膠也可輸送至高原南部，參與高原云的形成過程，改變?cè)频奶匦?，?duì)局地降水產(chǎn)生重要影響。

青藏高原氣溶膠-云相互作用影響降水的示意圖

在專題負(fù)責(zé)人黃建平院士的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)對(duì)以上科考研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)集成，首次提出“青藏高原是全球粉塵轉(zhuǎn)運(yùn)站”的創(chuàng)新理論：高原不僅是重要的地表起塵源區(qū)，更憑借其獨(dú)特地形與熱力作用，成為全球粉塵輸送的關(guān)鍵樞紐。

可以說，氣溶膠“轉(zhuǎn)運(yùn)”背后的動(dòng)力密碼是：在印度夏季風(fēng)與高原“熱泵效應(yīng)”的接力協(xié)同下，來(lái)自中東、非洲、南亞等地的粉塵被“抽吸”至對(duì)流層頂，甚至進(jìn)入平流層。這些粉塵一旦“登頂”，便隨大氣環(huán)流進(jìn)行全球擴(kuò)散。

這一發(fā)現(xiàn)顛覆了以往認(rèn)為高原僅僅是受體的認(rèn)知，從物理機(jī)制上確立了青藏高原在全球氣候系統(tǒng)中不可替代的“調(diào)節(jié)器”地位。

揭示“生態(tài)鏈”：小微塵驅(qū)動(dòng)海陸生態(tài)系統(tǒng)改變

如果這些“粉塵”從大氣落到地表，又會(huì)對(duì)青藏高原的氣候環(huán)境效應(yīng)帶來(lái)哪些影響？為了弄清楚這個(gè)問題，蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院楊勝利教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在廣袤的地表展開多次重要采樣工作。

“地表粉塵采樣需要尋找地層清晰、信息完整的剖面，選點(diǎn)必須慎之又慎。有一次在青海玉樹，我們找了三天才找到一個(gè)層次清晰、信號(hào)完整的有代表性的采樣點(diǎn)。最終在當(dāng)?shù)赝诰驒C(jī)師傅的協(xié)助下才順利采樣?！睏顒倮貞浀?。

科考人員在橫斷山區(qū)進(jìn)行黃土粉塵樣品采集

經(jīng)過反復(fù)論證，團(tuán)隊(duì)選擇了雅魯藏布江中上游、橫斷山高山峽谷、天山-帕米爾地區(qū)、祁連山-阿爾金山-昆侖山-帕米爾地區(qū)四個(gè)區(qū)域，組織了58次地表粉塵科考。各組間還進(jìn)行了大氣和地表粉塵組網(wǎng)科考，選擇了17個(gè)站開展野外考察，得到1821個(gè)珍貴樣品。

“在金沙江畔的一次采樣任務(wù)中，我們工作到晚上，返程途中兩輛越野車接連發(fā)生故障。先是一輛車拋錨，修復(fù)后另一輛車又在半路爆胎?！睏顒倮貞浀馈１藭r(shí)身旁是陡峭懸崖和奔騰江水，師生們借著昏暗的車燈在峽谷路段連夜搶修，直至深夜才安全返回駐地。

地表粉塵團(tuán)隊(duì)原負(fù)責(zé)人、蘭大資源環(huán)境學(xué)院夏敦勝教授在科考后期不幸因病離世，成為團(tuán)隊(duì)心中永遠(yuǎn)的痛。在楊勝利的記憶里，夏老師對(duì)科考有著近乎執(zhí)拗的嚴(yán)謹(jǐn)。即便身體不適，他也總是堅(jiān)持親自去野外考察，確認(rèn)地層和采樣位置。

科考人員在雅魯藏布江流域進(jìn)行地表粉塵樣品采集

2023年，在科考團(tuán)隊(duì)的共同努力下，夏敦勝、楊勝利主編的科考報(bào)告《雅魯藏布江中上游地表粉塵空間特征與演化》成功出版。

他們發(fā)現(xiàn)，地處青藏高原南部的雅江流域就像一座天然的“粉塵檔案館”。這些地表粉塵既是滋養(yǎng)作物生長(zhǎng)的“養(yǎng)料庫(kù)”，卻也給高原人類生存環(huán)境帶來(lái)威脅，甚至牽動(dòng)?xùn)|亞乃至全球的氣候變化。

“過去6年間，我們團(tuán)隊(duì)踏遍雅江流域開展野外調(diào)查，首次繪就了風(fēng)成沉積物的空間分布圖，發(fā)現(xiàn)這些地表粉塵主要來(lái)自流域內(nèi)部，大多堆積于距今一萬(wàn)年以來(lái)。更關(guān)鍵的是，我們破解了地表粉塵的‘氣候密碼’：西風(fēng)與季風(fēng)攜手調(diào)控了濕度變化，而冷季太陽(yáng)輻射和冰量控制的高原冷季溫度決定了粉塵活動(dòng)的強(qiáng)弱。這些粉塵不僅深刻影響雅江流域的生態(tài)環(huán)境，還能搭乘‘西風(fēng)快車’，一路飄向下風(fēng)向地區(qū)，對(duì)沿途海陸生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生連鎖影響?！眻F(tuán)隊(duì)骨干楊軍懷博士后說。

雅江流域地表粉塵及其氣候環(huán)境效應(yīng)。A圖展示了地表粉塵的分布、形成時(shí)間和物質(zhì)來(lái)源，B圖揭示了這些高海拔粉塵物質(zhì)的全球響應(yīng)及影響

2024年5月，科考團(tuán)隊(duì)骨干、中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所昝金波研究員等在國(guó)際頂級(jí)期刊《PNAS》上發(fā)表重要成果，揭示了亞洲粉塵對(duì)全球環(huán)境的重要影響：80萬(wàn)年以來(lái)，受全球變冷和青藏高原冰川侵蝕增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)，亞洲內(nèi)陸粉塵活動(dòng)顯著增強(qiáng)，其中富含的二價(jià)鐵（Fe2+）等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過大氣沉降進(jìn)入海洋。這些來(lái)自高原的“營(yíng)養(yǎng)包”使北太平洋的鐵通量增加了120%，極大地促進(jìn)了浮游植物尤其是硅藻的生長(zhǎng)，進(jìn)而改變了海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。這一發(fā)現(xiàn)將高原粉塵、海洋生態(tài)與全球碳循環(huán)緊密聯(lián)系了起來(lái)，獲評(píng)中國(guó)地理學(xué)會(huì)“2023年度中國(guó)地理科學(xué)十大研究進(jìn)展”。

從一粒不起眼的細(xì)小微塵，到揭示其對(duì)海陸生態(tài)系統(tǒng)的影響，“蝴蝶效應(yīng)”般奇妙的高原科考成果就這樣不斷呈現(xiàn)在世界學(xué)者眼前。

追蹤“越界者”：有效支撐國(guó)家重大戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展

作為我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障，青藏高原地區(qū)環(huán)境安全問題備受關(guān)注。而高原上的氣溶膠猶如一個(gè)“越界者”，在“轉(zhuǎn)運(yùn)”過程中還會(huì)發(fā)生光散射和吸收，對(duì)地氣系統(tǒng)產(chǎn)生重要的輻射效應(yīng)。

為了追蹤這些“越界者”，科考隊(duì)員們克服了高海拔缺氧條件、邊境地區(qū)復(fù)雜的地理環(huán)境與敏感的作業(yè)條件等難題，在高原上布設(shè)了多個(gè)科考站點(diǎn)。這些區(qū)域往往人跡罕至，每一次科考工作的完成都是對(duì)體能與意志的極限考驗(yàn)。

“科考期間，即將入學(xué)的2021級(jí)博士生于澤仁，為獲取完整的季風(fēng)期數(shù)據(jù)，在亞東站堅(jiān)守了整整三個(gè)月；為了更好地部署科考工作，黃建平院士帶隊(duì)登上高原，與隊(duì)員們同吃同住一星期，搬運(yùn)沉重的觀測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)謀劃下一步工作；科考專題第二負(fù)責(zé)人、現(xiàn)已退休的蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院張鐳教授，當(dāng)時(shí)也帶隊(duì)奔赴珠峰腳下，在海拔5300米的極端環(huán)境下與年輕隊(duì)員們一起開展粉塵探測(cè)?！碧稆i飛回憶道。

大氣和地表粉塵在青藏高原阿里地區(qū)進(jìn)行聯(lián)合考察

功夫不負(fù)有心人。團(tuán)隊(duì)基于在亞東和珠峰大本營(yíng)等站點(diǎn)的觀測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原與南亞大陸之間的山地-谷風(fēng)環(huán)流與高原南坡的局地山谷風(fēng)環(huán)流共同調(diào)控高原南坡粉塵氣溶膠的日變化。這種機(jī)制與西風(fēng)環(huán)流以及南亞季風(fēng)一起決定了南亞污染物向青藏高原的傳輸。

“氣溶膠的單次散射反照率是指散射與散射和吸收之和的比值。我們研究發(fā)現(xiàn)，喜馬拉雅區(qū)域氣溶膠的粒徑譜分布，并非國(guó)外學(xué)者提出的光吸收性，而是通過調(diào)節(jié)單次散射反照率影響該區(qū)域氣溶膠的輻射效應(yīng)。”田鵬飛說。

這一發(fā)現(xiàn)糾正了國(guó)外學(xué)者在喜馬拉雅區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性方面的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，為我國(guó)在相關(guān)國(guó)際環(huán)境議題中爭(zhēng)取了話語(yǔ)權(quán)。

基于系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，團(tuán)隊(duì)五年間共發(fā)表學(xué)術(shù)論文115篇，其中SCI論文70篇，重要成果在《自然》子刊、《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）、《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）和《美國(guó)氣象學(xué)會(huì)會(huì)刊》（BAMS）等高水平期刊發(fā)表，并已出版兩部科考報(bào)告。特別是在輻射安全領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)敏銳地意識(shí)到科研成果對(duì)國(guó)家生態(tài)安全的重要性，迅速形成了《青藏高原南部大氣粉塵放射性研究取得重要進(jìn)展》等咨詢報(bào)告，得到相關(guān)部門的高度重視。

從“看不見”的微塵到國(guó)家層面的戰(zhàn)略決策，科考團(tuán)隊(duì)用實(shí)際行動(dòng)“把論文寫在祖國(guó)大地上”，構(gòu)筑起了一道守護(hù)高原生態(tài)安全的無(wú)形屏障。

團(tuán)隊(duì)已出版的兩部科考報(bào)告

為了讓這些來(lái)自“世界屋脊”的珍貴成果發(fā)揮最大價(jià)值，團(tuán)隊(duì)還建立了一套數(shù)據(jù)共享機(jī)制，將此次科考產(chǎn)生的所有高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格整編后通過國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://data.tpdc.ac.cn）面向全社會(huì)公開共享。

“回望二次青藏科考進(jìn)程，我們與高原當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姾驼块T建立了緊密的聯(lián)系，得到了國(guó)家和地方的大力支持，并與‘一帶一路’共建國(guó)家的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)建立了合作關(guān)系?！碧稆i飛說。

專題負(fù)責(zé)人黃建平院士與外方人員簽訂合作框架

科考團(tuán)隊(duì)所在單位與塔吉克斯坦科學(xué)院地質(zhì)、抗震工程和地震學(xué)研究所簽署了備忘錄，共同推動(dòng)解決區(qū)域性氣候環(huán)境問題；與西藏、青海等地的氣象、環(huán)保部門以及多個(gè)野外臺(tái)站建立了深度合作機(jī)制，帶動(dòng)了當(dāng)?shù)?0余名青年科技人才的成長(zhǎng)，為高原地區(qū)留下了一支“帶不走”的科研生力軍。

“除了科研成果，我們也將青藏高原變成了最生動(dòng)的‘行走課堂’，共培養(yǎng)了80名研究生。這些青年學(xué)子深入無(wú)人區(qū)，在抗缺氧、戰(zhàn)嚴(yán)寒的實(shí)戰(zhàn)中磨礪科研本領(lǐng)，一批批青年科研人員正迅速成長(zhǎng)為國(guó)家氣候變化研究領(lǐng)域的棟梁之材?！睏顒倮f。

二次青藏科考已圓滿結(jié)束，但科學(xué)探索沒有終點(diǎn)。

依托此次科考建立的技術(shù)體系，黃建平院士領(lǐng)銜的蘭大科研團(tuán)隊(duì)仍在積極推動(dòng)“一帶一路”氣候與環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)，繼續(xù)深化青藏高原及周邊地區(qū)地表粉塵演化歷史和環(huán)境效應(yīng)方面的研究，致力于解決泛第三極地區(qū)的沙塵與氣候變化共性難題，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化貢獻(xiàn)著更多的中國(guó)智慧。

編輯：王文樂

責(zé)編：彭倩