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火山爆发怎样影响降雨

2019-8月-28 周三 07:29 +0800

火山爆发怎样影响降雨

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火山爆发怎样影响降雨

左萌

导读

最近,中国科学院大气物理研究所周天军研究员团队发表的研究论文指出,不同纬度火山爆发会对全球季风降水产生不同的影响。简单地说:北(南)半球火山爆发后,北(南)半球季风降水减少,南(北)半球季风降水增加;热带火山爆发后,全球季风降水均减少。本版特约该研究论文第一作者左萌撰文向读者做科普解读。

历史上火山爆发给

天气带来重大影响

火山爆发是一种自然现象,具有持续时间短、强度大、破坏力强的特点,不可预测性又为其增添了几分神秘色彩。在气候变化中,火山爆发是重要的自然强迫因子,准确预估火山爆发后两年内的气候响应,具有很重要的社会价值。

火山爆发是如何影响气候的呢?具体来讲,火山喷发时会将大量的火山灰源源不断地输送到大气中,输送高度可达几千米,最终抵达平流层(地表上空10千米至50千米高度)的火山灰经过化学反应后形成硫酸盐气溶胶,这些气溶胶可在平流层中停留1-2年,通过阻挡太阳辐射,使地表冷却。

1815年4月5日,印度尼西亚松巴哇岛的坦博拉火山爆发,导致了71000人遇难,是有记录以来最大规模的火山爆发,造成了严重的反常天气,多地夏天出现罕见低温。欧洲部分地区出现了“无夏之年”,对当年英国农业产量造成巨大影响。在这一年,中国出现了著名的嘉庆饥荒(发生在云南),南方多地出现雨雪天气,河北9月出现霜冻灾害。近几十年来,1963年位于印度尼西亚的阿贡火山爆发、1982年位于墨西哥的埃尔奇琼火山爆发、1991年位于菲律宾的皮纳图博火山爆发,均造成了之后几年的气候异常。

除了使地表降温,火山爆发对气候的直接影响还包括使蒸发减弱、全球平均降水减少等,其中降水减少的现象在热带和季风区最为明显。何为季风?在气候学中,季风是指大范围地区盛行风向随着季节改变的现象,分为冬季风和夏季风。风向的改变会明显改变气候特征,如冬季风控制时空气寒冷干燥,夏季风控制时空气则温暖潮湿。以中国为例,冬季风主要以东北风为主,带来了极地的冷空气,夏季风以西南风为主,带来了热带海洋上的暖湿空气,同时伴随着降雨的增加。全球季风区主要分布在东亚、南亚、澳大利亚、北非、南非、南美和北美等地,是世界上人口密度最大的区域,异常的夏季风活动会带来洪涝或干旱等自然灾害,造成严重的生命和财产损失。

不同纬度的火山爆发对季风降水影响不同

关于火山爆发对季风区降水的影响,学者们最初的研究主要关注热带地区(低纬度地区)的火山爆发,研究发现火山爆发后季风降水和河流流量减小,同时会出现区域性的干旱事件。随后高纬度地区的强火山爆发逐渐引起了人们的注意,有研究发现高纬度火山爆发也会带来明显的气候影响,但影响范围与热带火山不同。具体来讲,有学者的研究对比了不同纬度火山爆发后的降水响应,发现北半球火山爆发后,北半球季风降水减少,南半球季风降水增加,但该现象背后的物理过程尚不明晰。

最近,中国科学院大气物理研究所周天军研究员团队通过对多套长时间尺度的重建资料、高分辨率的观测资料以及气候模式模拟结果的分析,指出不同纬度火山爆发会对全球季风降水产生不同的影响。

他们首先基于过去一千年的重建资料(使用树木年轮、冰芯等资料估计历史上的冷暖、干湿情况)分析了不同纬度(位于北半球、热带、南半球)的火山爆发后次年夏季季风降水的变化,他们选取的火山爆发个例均是过去一千年中具有代表性的强火山爆发,且在纬度上具有明显区别。以热带火山爆发为例,他们选取了过去2000年中最具有毁灭性的印度尼西亚1257年撒玛拉斯火山爆发,这次火山喷发严重影响了全球气候,导致之后出现了小冰期,即距离现在最近的较冷时段。此外,他们还选取了著名的1815年坦博拉火山爆发进行研究。结果表明这两次热带火山爆发后第二年全球季风区降水均减少,亚洲和非洲季风区降水的减少最明显,夏季平均降水减少了2毫米每天。这两次火山爆发造成的全球季风降水减少导致多国发生饥荒事件,部分国家进入了社会动荡时期。

那么是否所有的火山爆发都会使全球季风降水减少呢?研究者进一步选取了具有代表性的北半球高纬度火山爆发事件,1783年位于冰岛南部的拉基火山爆发是历史上强度较大的一次火山爆发。研究发现相较于没有火山爆发的年份,该次火山爆发后的第二年,北半球季风区(如东亚、南亚、北非和北美季风区)降水在北半球暖季(5月至9月)减少,而南半球季风区(如澳大利亚、南非、南美季风区)降水在南半球暖季(11月至次年3月)增多。这一现象表明不是所有的火山爆发都会使季风降水减少,火山爆发的不同纬度会对降水产生不同的影响,具体来说,位于一个半球的火山爆发会产生跨半球的气候影响。

那么,是否南半球的火山爆发会使北半球季风降水增加呢?学者们又进一步选取了南半球的火山爆发,1452年位于澳大利亚的库瓦火山爆发也曾导致全球出现严寒气候,其能量相当于200万颗广岛原子弹。各类资料的分析结果表明该次火山爆发后南半球季风区降水减少,而北半球季风区降水增多。这一结果证实了不同纬度的火山爆发会对季风降水产生不同影响的结论,我们可以确信南北半球高纬度的火山爆发会产生跨半球的不同气候影响。

为了使结论更具有说服力,研究人员进一步搜集了多套中国过去一千年的降水重建资料,发现北半球火山爆发后中国东部季风区降水明显减少,南半球火山爆发后该地区降水显著增多。这表明不同位置的火山爆发会引起中国季风区降水截然相反的变化,而此前的研究大都没有对火山爆发的纬度进行分类,而是直接将多次火山爆发后的降水变化融合在一起进行分析,这会在一定程度上削弱降水变化的信号。此外,使用1900年以来的气象观测数据分析的结果也支持上述结论。因此,无论是在过去还是现在,不同纬度的火山爆发都会对季风降水产生不同影响。我们不可一概而论认为火山爆发会造成降水减少,事实上不同纬度的火山爆发对南北半球季风降水具有使其增加或减少的调控作用。

经过统计分析,周天军研究员团队发现,北半球火山爆发后北半球季风区降水减少8%,南半球季风区降水增加4%,热带火山爆发后全球季风区降水均减少4%。除了夏季平均降水变化之外,极端降水的变化更加值得关注,结果表明,南半球火山爆发后,南半球连续干旱日数会增加10%,北半球连续干旱日数会减少4%。

大气环流变化是内部深层原因

为了分析降水变化的原因,基于气候模式,周天军研究员团队使用了一系列的气候学诊断方法,把降水变化分解为两部分,一部分是与温度相关的水汽变化,另一部分是大气环流的变化,也就是风的变化。诊断结果表明,环流的变化是降水变化的主导因素。具体来说,北半球火山爆发后,北半球地表冷却幅度大,南半球地表冷却幅度小,因此产生了南北半球温度对比的变化,这一温度对比会使大气低层环流发生改变,产生从北半球吹向南半球的风,将热带地区暖湿的空气带到南半球季风区,从而使南半球季风区降水增加。而北半球季风区由于温度降低,大气更加稳定,因此降水减少。

这一研究工作的价值在于使用了多套资料和气候模式来全面揭示不同纬度火山爆发后全球季风区的降水响应;同时首次使用物理诊断方法定量分析了决定降水变化的原因,有助于我们深入理解不同纬度火山爆发影响季风降水的不同物理过程。该成果证实了不同纬度的火山爆发会通过不同的环流变化过程造成全球季风降水的不同响应,这对国际上一些气候研究计划发起的试验设计具有参考意义。如由世界气候研究项目组织的第六次气候模式比较计划中的气候预测计划,以及为了抵御温室效应而提出的地球工程试验。在这些试验的设计中应该考虑不同纬度的火山爆发造成的不同气候效应,如温度、降水等方面的变化。

(责任编辑:张洋 HN080)
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