【科研动态】我实验室地球系统模式创新团队核心成员刘飞教授在《大气科学进展》发表封面文章

● 科研动态

我实验室地球系统模式创新团队拟建立以粤港澳大湾区为关注点的陆面-海洋-大气-生态-人类经济活动一体化预报模式系统，提高粤港澳大湾区区域数值预报产品的集成应用功能，提升我国在该领域的影响力。近日，地球系统模式创新团队核心成员、中山大学刘飞教授作为通讯作者，与其团队应邀在《大气科学进展》（Advances in Atmospheric Sciences）发表News&Views文章，题目为“Could the Recent Taal Volcano Eruption Trigger an El Niño and Lead to Eurasian Warming?”。该文章被选为《大气科学进展》2020年第7期封面论文。

火山喷发作为地球系统的一种自然强迫，能在不同的时空尺度影响气候的变化。历史时期火山活动的研究能够为我们理解历史气候、评估数值模型提供新的视角，同时为科学评估平流层地球工程的气候效应提供参考。

《大气科学进展》2020年第7期封面，封面图片为2020年1月12日喷发中的塔阿尔火山。阴影和线条分别代表历史热带大火山喷发后观测和模拟中纬向平均地表气温的变化。

论文回顾了热带强火山喷发的气候响应，探讨了火山气候效应科学研究的重要性。作为研究气候历史的重要因子，近年来火山气候效应的模拟研究不仅为人类社会抵制全球变暖提供新的手段，也为我们评估数值模型性能提供新的视角。

通讯作者介绍

刘 飞

南方海洋实验室地球系统模式创新团队核心成员，中山大学大气科学学院教授，博士研究生导师，江苏省特聘教授。中国气象学会动力委员会委员，第六次IPCC报告参与作者。长期从事热带动力学研究，主要研究热带季节内振荡形成发展的机制以及气候系统对于不同外强迫的敏感性。  

刘飞教授建立了热带季节内振荡尺度相互作用的理论模型，基于该模型提出东亚夏季风次季节降水可预报性的主要模态；揭示了气候系统对于不同自然强迫（火山/太阳）响应的物理机制，为评估改进数值模型性能提供新的视角。

News&Views

大自然的怒火能改变气候吗？

——火山如何改变气候

菲律宾网友在塔阿尔火山爆发后拍摄到火山喷发时形成的惊人烟柱，在天空中扩散成为巨大的“蘑菇云”。

（图源：https://new.qq.com/omn/20200112/20200112A0IPQX00.html）

大自然的“怒火”

火山随时都可能大爆发！

坐落于风景如画的吕宋岛八打雁省塔阿尔湖中央，塔阿尔火山（Taal Volcano）邻近菲律宾马尼拉首都圈，是闻名于世的观光热点，14公里以内的危险地带居住着45万人口。

图源：https://www.tj-travel.com/Tagaytay_Taal_Trekking.html

2020年1月12日，伴随轰隆的振颤和巨响，沉睡了43年的塔阿尔火山突然喷吐出巨型火山灰烟柱、碎石与高温蒸气，高达15千米的火山灰云呈现了一派令人恐惧末日景象，当地政府紧急撤离2万4500多名居民（联合国新闻）。在风的作用下，10至15千米高度上的火山灰在几个小时内就到达了马尼拉。除了对生命的直接威胁外，火山喷发还将污染水源、影响数百万人的供电，以及导致陆空交通停运。此次马尼拉附近塔阿尔火山突如其来的大喷发引起了全世界广泛的关注，其对区域社会造成的伤害，特别是对地球气候环境造成潜在的危险急需评估。

本段视频拍摄于2020年1月12日的飞机上图中能看到位于吕宋岛的塔阿尔火山喷发出水蒸汽以及二氧化硫等气体柱穿越对流层高层的云层，并向东北方向扩散。

（拍摄人：陈发新。作者提供）

塔阿尔火山潜水式爆发时主火山口的动态图像，取自菲律宾火山地震研究所监测塔阿尔火山的网络监控摄影机画面。

（图源：Wikipedia）

我们为什么要关心火山？

中世纪暖期，探险家“红发埃里克(Erik The Red)”从冰岛起航开启了他生平中最为著名的一场探险之旅，他发现了一处无冰的陆地后，在此登陆并生活了3年时间，随后他又聚集了一批愿意移居的人们在这里生活，继而创立了格陵兰岛因纽特人的定居点。而这样的定居点在持续了大约三百多年后，竟突然消失。

为何因纽特人持续了数百年生息繁衍的定居点会消失不见？

这与一场大范围的气候变迁息息相关。

自古老的13世纪开始，有一场大范围的凛冬时期，其不仅席卷欧洲，甚至波及世界，我们称这样的寒冬时期为小冰期，而该小冰期持续的时间长达约600年之久。起初人们对这场急转直下的恶劣气候还一无所知，直至800年后才被世人后知后觉，其始作俑者正是1258年印尼Samalas火山的喷发所致。

红发埃里克画像 (图源：history101)

 火山能影响气候吗？

1）冰与火之歌

--大火山触发小冰期

火山喷发形成的硫化物通过大气环流沉降至极地，储存至冰中。冰层间的气泡储存了诸多历史久远的大气信息。由于越向下的冰层年代越久远，因此一段几百米的冰芯往往能够重建出上万年的气温，同时也可以反映二氧化碳等气体的历史演变。

格陵兰冰芯（图片来源：美国自然历史博物馆，D. Finnin）

由此，科学家们可通过钻取冰川或冰架得到冰芯，由其中的硫酸盐浓度推算出历史大火山喷发的时间、地点、以及规模。Samalas火山喷发于1258年就由此得出。格陵兰冰芯重建的气温在1258年之后有急剧的下降，伴随着海冰范围的激增，这一发现启发了Samalas火山喷发触发小冰期的猜想。

2）无夏之年

--火山导致全球降温，造就“无夏之年”

无独有偶，说到火山，我们不得不提起人类历史记录中最强的一次火山喷发：Tambora大火山。

在1815年4月5日，印尼的小巽他群岛Tambora火山猛烈喷发，受此影响，该年农历八月“盛夏时节天气骤寒如冬”，农历六月、七月安徽、江西等地均有出现降雪纪录，加之云南地区的严重饥荒，给当时的嘉庆王朝带来了沉重的打击，1816年得名：“无夏之年”。

当嘉庆王朝在忍受饥寒交迫之时，地球的另一端一场重大的艺术变革却在19世纪的欧洲悄悄萌发。透纳是该时期英国最为著名的艺术家之一，他的海景画总是被炽热的金色与猩红所笼罩。而作品中的这种色调，正是来自于此次地质气候灾难。百亿吨的火山灰和气体从地幔中喷涌而出，通过强烈的上升气流带到了对流层和平流层。在之后的岁月里，Tambora喷发形成的硫酸盐气溶胶在稳定的平流层维持，孕育出画卷中特属于那个时期，异常明亮的落日晚霞。而这幅画作正是科学家们最常拿来描述该时期特有的气候现象的画作之一。

约瑟夫·玛罗德·威廉·透纳的《贩奴船》（1840年）

（图片来源：波士顿美术博物馆）

此次火山喷发与紧随其后的横跨欧亚大陆的气候骤变难道又是一次巧合？

并非巧合，实属必然。

而这就需要我们对两者形成的原理和机制做进一步分析阐述。

树轮、历史文献等代用资料丰富了历史降水气温的变化。基于这些代用指标，现代统计分析进一步发现大火山喷发会导致全球气温的下降和降水的减少。

3）冷世暖情

--火山激发厄尔尼诺型增温

1982年El Chichón火山与1991年Pinatubo火山喷发后出现的厄尔尼诺增暖以及欧亚大陆冬季增温现象激发了科学家们的思考与研究：这些伴生的气候现象是火山激发，而不是气候系统随机偶遇。

基于树轮、珊瑚、湖泊沉积等代用资料，现代统计学的分析表明在大火山喷发后，厄尔尼诺以及欧亚大陆冬季增温发生的概率急剧增加。这意味着气候对于火山喷发的响应存在显著的滞后效应。

火山为何能对气候产生影响？

热带火山喷发后的第一年冬季大气的响应示意图

左下角梯形表示热带火山喷发，喷发出的灰色气柱到达平流层。其中火山灰等在对流层沉降，SO2以及H2S气体和水蒸气作用产生H2SO4硫酸盐气溶胶，稳定在平流层。左上角太阳发出入射短波辐射，一部分由于平流层火山气溶胶的反射作用反射到外太空，一部分被气溶胶散射作用削弱，到达对流层的短波辐射显著减少，表现为冷却效应，所以用了蓝色的箭头表示入射太阳辐射。下方的曲面图是观测到从热带（30S）到北极（90N）的纬向平均的地表气温响应，绿线为CMIP6多模式的平均。

1）火山导致气候变冷 

        一次强烈的火山喷发后，在平流层形成的硫酸盐气溶胶会遮挡住部分太阳光的入射，这个过程像是一个漫长持续的阴天。随着太阳进入地球的能量极大减少，火山气溶胶将直接导致全球的平均温度降低和减弱全球的水循环。

火山喷发形成的平流层硫酸盐气溶胶的辐射效应

（图片来源：COMET计划）

2）火山激发厄尔尼诺以及欧亚大陆增温

在火山形成的辐射冷却下，为何火山能否激发厄尔尼诺以及欧亚大陆增温？

     由于陆地降温比海洋要快，火山喷发后非洲季风以及菲律宾印尼等海洋性大陆区域降水的减少将会激发赤道太平洋的西风异常，从而导致厄尔尼诺的出现。而火山气溶胶的化学过程则会加速臭氧消耗。1991年Pinatubo火山喷发后北极巨大的臭氧空洞以及热带平流层的增温都加强了北极的极涡，从而引起欧亚大陆剧烈的增温。

火山喷发后第一年冬季温度及极涡响应示意图

（图片来源：来源于论文）

       这次塔阿尔火山目前的喷发强度还较小，但是其喷发尚未平息。如果后续尚有更大的喷发，基于过去重建以及模型的研究，其将会高概率导致2020-2021冬天厄尔尼诺的发生，同时伴随着欧亚大陆的增暖。

3）火山长久影响气候变化

        火山引发的直接冷却效应一般只能持续一年左右，而上述案例中火山对气候的影响却为何长达百年之久？

      科学家近期的工作证明了气候系统对火山强迫的延迟响应，从而产生更为长期的气候影响。主要通过海冰辐射的正反馈，以及深层海洋储存能量的特性，火山的冷却效应能够持续十多年，甚至上百年的时间，这也是超大火山喷发为何能够触发为期更久的气候变化的原因。

如何模拟火山的影响，从而预测未来气候？

现在气候模式普遍能够刻画火山喷发的短期直接效应，即短期全球冷却及水循环的减弱效应。但是，当前气候模型对模拟火山喷发的长期延迟效应其性能参差不齐，主要原因是各个模型对于气候系统的内部组分，如：模拟海气、冰气、陆气等相互作用过程的性能不同。这些问题在最新第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中仍然存在。在模型改进中我们还有很多探索的空间。

CMIP6实验设计示意图（图片来源：Simpkins 2017）

研究火山气候效应的意义

1）气候历史，探寻过去：

火山气候效应的研究能够加深我们对气候历史的认识。

2）优化模型，预测未来：

火山气候效应的研究能够为我们评估改进气候模型提供新的角度。正确模拟火山喷发的气候延迟效应可以作为一把标尺来衡定气候模式中的各种组份。从而优化模型，提升预测性能。

3）为应对全球变暖提供支持：

在面临全球变暖的压力下，火山效应衍生出来的平流层硫酸盐注入工程或者超大喷发引起海冰正反馈过程都将丰富人类社会应对全球变暖的手段。

飞机在平流层喷洒二氧化硫气体的地球系统工程

（图片来源：Futurism， Lou Patrick Mackay）

Download:

https://doi.org/10.1007/s00376-020-2041-z  

免费全文链接：

http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-020-2041-z

阅读论文原文请点击底部“阅读原文”

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文案：大气科学进展

图片：大气科学进展

封面：大气科学进展

编辑：胡悦

初审：徐丹亚

审核：郑意文

审定发布：杨清华

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