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　　南半球火山噴發(fā)對北半球氣候影響大嗎

　　滿文敏 左萌 周天軍

　　今年1月南太平洋島國湯加的洪阿哈阿帕伊島海底火山的劇烈噴發(fā)，引起了公眾的關(guān)注，“火山噴發(fā)帶來無夏之年”“全球氣溫下降”等各種說法也擴(kuò)散開來。

　　那么，這次湯加火山噴發(fā)到底會給全球氣候帶來什么影響？南半球的火山噴發(fā)對北半球的氣候影響大嗎？近日，中國科學(xué)院大氣物理研究所周天軍研究團(tuán)隊，從類比歷史上大型火山噴發(fā)的角度，對上述問題進(jìn)行估算并給出了定量預(yù)測，相關(guān)研究成果發(fā)表在《大氣科學(xué)進(jìn)展》雜志上。這里我們約請研究者來介紹一下相關(guān)的科學(xué)問題。

　　火山噴發(fā)為什么會影響氣候

　　火山噴發(fā)會將大量的火山灰、二氧化硫和硫化氫這些氣體輸送到大氣中，但是火山噴發(fā)影響氣候并不是通過火山灰，因為火山灰是比較大的顆粒，這些礦物顆粒物質(zhì)會在火山噴發(fā)點(diǎn)周圍逐漸沉降。真正影響氣候的是含硫氣體，火山噴發(fā)會將含硫氣體噴入平流層，這些酸性氣體被氧化成硫酸鹽氣溶膠，隨大氣環(huán)流在全球范圍進(jìn)行擴(kuò)散，基本上幾個月之內(nèi)就會在全球范圍內(nèi)擴(kuò)散均勻。在平流層生命周期可達(dá)數(shù)年，通過阻擋太陽輻射，產(chǎn)生一個“陽傘效應(yīng)”，幫助地球?qū)⒏�多的陽光反射出去，使地表冷卻。

　　需要注意的是，這個因果關(guān)系若成立，還必須考慮一個重要因素——“量級”�；鹕絿姲l(fā)能否影響氣候和進(jìn)入平流層的硫酸鹽量有關(guān)。自1950年以來有3次大規(guī)模低緯度火山噴發(fā)，1963年阿貢火山噴發(fā)約800萬噸二氧化硫進(jìn)入平流層，1982年埃爾奇瓊火山噴發(fā)約700萬噸二氧化硫進(jìn)入平流層，而1991年皮納圖博火山噴發(fā)，約2000萬噸二氧化硫進(jìn)入平流層，這三次火山噴發(fā)均造成了之后1-2年的全球氣候異常。

　　除了帶來全球溫度降低，火山噴發(fā)還能夠給全球很多地區(qū)帶來顯著的降雨變化。在歷史上，多次高強(qiáng)度大范圍干旱事件均與火山噴發(fā)存在聯(lián)系。火山噴發(fā)后，由于地表溫度降低，造成水汽減少，因此從全球平均來看，降雨是減少的。研究表明，包括亞澳季風(fēng)區(qū)、美洲季風(fēng)區(qū)和非洲季風(fēng)區(qū)在內(nèi)的全球季風(fēng)區(qū)，在火山噴發(fā)后的1-2年之內(nèi)，都會產(chǎn)生不同程度的降水減少，中國東部、北部以及印度北部的干旱事件增多。

　　目前評估火山噴發(fā)強(qiáng)度一般用火山噴發(fā)指數(shù)(VEI)來衡量，共分0-8級，數(shù)值越大，火山噴發(fā)越強(qiáng)。

　　全球降溫程度與火山噴發(fā)強(qiáng)度成正比

　　強(qiáng)火山噴發(fā)會對地球氣候、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性構(gòu)成威脅。地球歷史上發(fā)生過多次生物大滅絕，比如2億年前的三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)之交大滅絕、6500萬年前的恐龍滅絕等，火山噴發(fā)可能是導(dǎo)致生物大滅絕的一個重要因素。大規(guī)模的火山噴發(fā)可能引起大環(huán)境氣候變化，或者釋放出有毒物質(zhì)污染了水源，導(dǎo)致大量生物滅絕。

　　距今約7.5萬年前印度尼西亞蘇門答臘島的托巴湖發(fā)生超級火山噴發(fā)，強(qiáng)度為VEI指數(shù)的8級，釋放的能量達(dá)到1200億噸的烈性炸藥量。超強(qiáng)火山噴發(fā)對氣候造成了嚴(yán)重影響，使得大量動植物死亡，世界人口大為減少，人類演化幾乎到了滅絕的邊緣。

　　值得指出的是，火山雖然給全球氣候和生態(tài)系統(tǒng)帶來危害，但是長期來看，它作為自然界的組成部分，沒有好壞之分。地球現(xiàn)在的樣子就是地質(zhì)活動的結(jié)果，沒有地質(zhì)活動，就沒有高山、大海，沒有豐富多彩的地形地貌。

　　火山噴發(fā)后的全球降溫程度和火山噴發(fā)強(qiáng)度成正比。1815年發(fā)生在印度尼西亞的坦博拉火山噴發(fā)，是過去千年最大的火山活動之一，VEI等級達(dá)到了7級。這次火山噴發(fā)造成了約71000人死亡，其中11000—12000人的死亡是直接因為火山噴發(fā)造成的，其余人則是死于火山造成的饑荒和疾病。這次火山噴發(fā)的影響遍及全球，火山噴發(fā)后的次年即1816年非常冷，歐洲、北美歷史上稱這一年為無夏之年或者饑荒之年。當(dāng)年6月，紐約地區(qū)依然有降雪；7月和8月，在賓夕法尼亞州西北地區(qū)湖里和河里依然有冰塊；8月20日和21日，南至弗吉尼亞州依然有霜凍的報道。歐洲的低溫、暴雨也讓農(nóng)作物大面積減產(chǎn)。同年我國史書上記錄中國出現(xiàn)了嘉慶饑荒，南方多地出現(xiàn)異常雨雪天氣，如農(nóng)歷七月，安徽、江西出現(xiàn)飛雪，臺灣新竹冰堅寸余；農(nóng)歷八月，云南天氣忽然寒冷如冬。

　　不同緯度的火山噴發(fā)對氣候影響不同

　　通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，歷史上火山噴發(fā)的強(qiáng)度、位置因素，分別會對影響氣候起到很關(guān)鍵的作用。具體表現(xiàn)如下：

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，不同緯度的火山噴發(fā)會對氣候造成不同的影響。研究人員基于目前可公開獲取的重建降水記錄、多套觀測資料以及氣候模式模擬試驗，揭示出南、北火山噴發(fā)會導(dǎo)致位于同一半球的季風(fēng)區(qū)降水減少，而另一半球季風(fēng)區(qū)降水增加；熱帶火山噴發(fā)導(dǎo)致全球季風(fēng)區(qū)降水均減少。

　　為什么會這樣？具體來講，火山噴發(fā)導(dǎo)致位于同一半球的季風(fēng)區(qū)降水減少以及熱帶火山噴發(fā)后全球季風(fēng)區(qū)降水的減少，主要?dú)w因于海陸熱力對比減弱導(dǎo)致的季風(fēng)環(huán)流減弱和水汽減少。而火山噴發(fā)導(dǎo)致另一半球季風(fēng)區(qū)降水增加，是由半球間溫差變化引起的，具體表現(xiàn)為火山噴發(fā)后南北半球溫度對比發(fā)生了變化，導(dǎo)致低層風(fēng)發(fā)生改變，從火山噴發(fā)所在半球吹向另一半球的風(fēng)增強(qiáng)，將熱帶地區(qū)暖濕空氣帶到另一半球季風(fēng)區(qū)，導(dǎo)致降水增加。

　　在此基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，位于不同緯度的火山噴發(fā)后，次年均對應(yīng)著全球干旱區(qū)降水的增加。全球陸地區(qū)域按照降水多少可以大致劃分為季風(fēng)區(qū)和干旱區(qū)，簡單地說，如果熱帶火山噴發(fā)導(dǎo)致季風(fēng)區(qū)降雨減少，那么水汽凝結(jié)為降雨釋放的熱量就會減少，這一熱量的減少會導(dǎo)致大氣中波動的異常活動，最終通過與高空氣流的相互作用，共同導(dǎo)致干旱區(qū)出現(xiàn)異常的上升運(yùn)動，這一上升運(yùn)動帶著水汽上升，最終凝結(jié)成雨，導(dǎo)致干旱區(qū)降雨增加。

　　此次噴發(fā)后中國大部分地區(qū)降溫在0.01℃以內(nèi)

　　通過這種分析，我們定量預(yù)測了這次湯加火山噴發(fā)可能對全球氣候帶來的影響。

　　我們對歷史上火山噴發(fā)的研究表明，南半球的火山噴發(fā)產(chǎn)生的硫酸鹽氣溶膠主要局限在南半球，因此對南半球的溫度影響較大，對北半球溫度的影響幅度較小。除了對溫度的直接影響之外，火山噴發(fā)也會通過調(diào)整大氣環(huán)流進(jìn)而影響全球氣候。研究發(fā)現(xiàn)南半球的火山噴發(fā)可以通過改變南北半球的溫度梯度，進(jìn)而改變越赤道氣流，導(dǎo)致北半球季風(fēng)區(qū)的降水增加，同時使得南半球的季風(fēng)降水減少。

　　在南半球湯加火山噴發(fā)之后，有學(xué)者基于簡化的輻射平衡模型估算得出在湯加火山噴發(fā)后的未來1-2年，全球平均地表氣溫將下降約0.03℃至0.1℃。

　　而中科院大氣所周天軍研究員團(tuán)隊，在系統(tǒng)理解歷史火山噴發(fā)對氣候影響的基礎(chǔ)之上，使用基于氣候系統(tǒng)模式的過去千年氣候模擬試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)火山噴發(fā)后次年地表冷卻的幅度與火山的強(qiáng)度之間存在顯著的準(zhǔn)線性關(guān)系，且該模式能夠較好地再現(xiàn)火山噴發(fā)后的降溫幅度和空間分布。研究人員進(jìn)一步將氣候模擬中歷史上大型南半球火山噴發(fā)對地表溫度的影響通過比例因子推算到湯加火山噴發(fā)的強(qiáng)度上，估算得出湯加火山噴發(fā)后次年全球平均地表溫度僅下降0.004℃，這一幅度處于氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的范疇之內(nèi)。其中澳大利亞和南美洲部分地區(qū)降溫超過0.01℃，中國大部分地區(qū)的降溫在0.01℃以內(nèi)。

　　結(jié)果表明，目前湯加火山的噴發(fā)不足以對全球氣候產(chǎn)生顯著影響，更不會影響全球變暖的趨勢。需要指出的是，從歷史上看火山的噴發(fā)在時間上會有一定持續(xù)性，這次湯加火山的最終氣候影響有多大，還需要密切監(jiān)測其未來的活動態(tài)勢。

　　此外，當(dāng)前的氣候模式雖然普遍能夠刻畫火山噴發(fā)后短期內(nèi)的影響，例如氣溫降低和水循環(huán)減弱，但在模擬其長期氣候效應(yīng)以及對海溫的影響等方面仍存在挑戰(zhàn)。氣候?qū)W家將在探索中改進(jìn)氣候模式，更好地預(yù)測我國以及全球氣候受火山噴發(fā)的影響。

　　【編輯：阿琳娜】