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极端野火威胁着人类生命、空气质量和生态系统。气象学在野火行为中起着至关重要的作用,野火和气候之间的联系已被广泛研究。然而,目前还不完全清楚火灾天气反馈如何影响短期野火变化,这削弱了人们减轻火灾灾害的能力。

2023年2月2日,南京大学丁爱军团队在Science在线发表题为“Smoke-weather interaction affects extreme wildfires in diverse coastal regions”的研究论文,该研究表明烟雾与天气的相互作用影响不同沿海地区的极端野火。

该研究展示了天气尺度反馈在美国西海岸和东南亚的地中海和季风气候体系中驱动极端火灾的首要作用。作者发现,烟雾气溶胶的辐射效应可以改变近地表风、空气干燥和降雨,从而通过增强火焰排放和削弱扩散来加剧空气污染。野火、烟雾和天气之间错综复杂的相互作用形成了一个正反馈循环,大大增加了空气污染的暴露。

另外,2023年1月19日,南京大学王牧,彭茹雯及美国东北大学Liu Yongming共同通讯在Science在线发表题为“Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise”的研究论文,该研究通过将工程噪声引入到琼斯(Jones)矩阵元的精确求解中,打破了超表面极化复用能力的基本限制,这种限制源于琼斯矩阵的维数约束。该研究的实验证明了多达11个独立的全息图像使用单一超表面照亮可见光与不同的偏振,这是极化多路复用的最高容量。结合位置复用方案,超表面可生成36个不同的图像,形成全息键盘图案。这一发现意味着高容量光学显示、信息加密和数据存储的新范式。

2023年1月11日,南京大学王欣然、施毅及东南大学王金兰共同通讯在Nature在线发表题为“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”的研究论文,该研究通过强范德华相互作用使单层二硫化钼与半金属锑的能带杂化使电接触接近量子极限。触点具有42欧姆微米的低接触电阻,在125摄氏度下具有出色的稳定性。由于改进了接触点,短通道二硫化钼晶体管在1伏漏压下显示电流饱和,导通电流为1.23毫安/微米,开/关比超过108,固有延迟为74飞秒。这些性能优于等效硅互补金属氧化物半导体技术,满足了2028路线图目标。该研究进一步制造了大面积的器件阵列,并展示了接触电阻、阈值电压、亚阈值摆动、开/关比、通态电流和跨导的低可变性。优异的电学性能、稳定性和变异性使锑成为超越硅的过渡金属二卤属化合物电子器件的有前途的接触技术。

近几十年来,野火越来越多地威胁着生命和基础设施,恶化了空气质量,破坏了生态系统服务。在全球范围内,野火占世界火灾事故的25%左右,空气质量差导致过早死亡的8%左右。气候变化是极不均匀的,很大程度上是由气象学在一定时间尺度上决定的。气象影响植被生产力(燃料可用性),决定火灾季节的长度(燃料可燃性),并影响火灾的蔓延(火灾行为),但先前对火灾-气象关系的研究大多集中在气候尺度上,而不是短期天气过程。1至2周时间尺度上的异常天气条件,如推动火势迅速蔓延的异常强风和使植被极易燃烧的强烈水文干旱,对极端野火的行为有重要影响。最近全球灾难性野火的增加对人们对极端野火事件驱动因素的理解以及管理最严重火灾的能力提出了质疑,特别是在人口密集地区。

一般来说,野火在时间尺度上表现出很大的变化,从几天到几年不等,但极端野火与天气波动密切相关。为了定量地了解野火的时间尺度,作者在2002-2021年期间对主要野火地区的日燃烧面积应用了经验模态分解和傅里叶变换。结果显示,在全球大多数火灾易发地区,野火的天气尺度(<20天)变化明显。其中,美国西海岸和东南亚的特点是波动最明显,可达1至2周,这与极端火灾反复肆虐这两个地区的时间段相对应。鉴于这些地区人口密集,这些火灾对空气质量和相关人类健康暴露的影响是巨大的。

地中海和季风气候体系火灾天气反馈的概念模型(图源自Science)

湿度、风速和降水等气象参数是调节极端野火的关键因素,而火灾烟雾中的黑碳(BC)等辐射活性气溶胶可能通过大幅度改变气象而产生反馈。然而,在天气尺度上,很少有人关注烟雾气溶胶、天气和野火行为之间复杂的相互作用。作者使用气象化学耦合模型以及多个卫星和地面观测数据集,研究了火灾天气反馈在两个野火天气尺度变化最大的地区的极端野火传播和影响中的作用。

在这里,该研究结果强调了地球系统中火灾天气反馈的复杂性,以及提高对此类机制的理解的至关重要性,以优先考虑火灾预防和扑灭工作,从而减轻极端野火的影响。随着极端野火变得越来越普遍,协调和有效地管理火灾风险至关重要。与此同时,不断增长的超级计算资源和创新方法使化学天气预报变得更加可行。因此,该研究结果表明,无缝气象-化学耦合建模可能是减轻人口稠密沿海地区极端和破坏性火灾的实用方法。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9843

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