南半球火山喷发对全球气温有何影响？我们估算了一下
2022年1月15日中午11时左右（北京时间），南太平洋岛国汤加的洪阿哈阿帕伊岛（Hunga Tonga-Hunga Ha’apai）海底火山剧烈喷发。
到底有多剧烈，想必大家已经从各种图片里感受到了：
汤加地质服务局观测队观测到的Hunga Ha'apai火山喷发，2022年1月14日下午5点14分，5公里宽的火山灰羽流上升到海平面以上18公里。图片来自汤加地质服务局的Taaniela Kula。
风云卫星捕捉到的Hunga Tonga-Hunga Ha’apai火山喷发
而在网络上，“火山喷发带来无夏之年”“全球气温下降”等各种说法也扩散开来，究竟汤加火山喷发对全球气候的影响如何？
太长不看版
到目前为止，本次火山喷发的二氧化硫气体质量为0.4Tg。
我们基于气候模式的结果，将其强度类比至1980年St. Helens火山（喷发的SO2~1Tg），可近似得到强度为1Tg的南半球火山喷发对全球温度的影响。如果本次火山喷发的强度为1Tg，全球平均温度预计下降0.01度，不会对全球气温造成显著影响。
但是，由于喷发尚未平息，最终气候影响还有待观察火山的后续活动状况。
0.4Tg？这次火山喷发到底有多强？
Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山位于20.536°S, 175.382°W，是一座海底火山。作为汤加-克马德克群岛火山弧的一部分，这里火山活动十分活跃。根据测量，这座火山隐藏在海底的部分高约1800米，宽约20公里。
巨大的海底火山顶着Hunga Tonga和Hunga Ha'apai两个小岛，岛屿长度约2km，分别是海底火山口边缘的西部和北部残余。自1912年第一次历史喷发以来，Hunga Tonga-Hunga Ha'apai已经发生了多次海底喷发。其中，2014年12月中旬的一次喷发在两个大岛之间形成了一个新的岛屿。
Hunga Tonga-Hunga Ha’apai火山在2021年12月20日上午曾喷发过一次，火山灰达到16km的高度，喷发过程持续至12月21日凌晨左右逐渐减弱。之后在2022年1月14日又再次活动，并在1月15日剧烈喷发。
火山喷发后，火山灰和大量气体从太平洋海面迅速升起。据卫星探测的气溶胶垂直剖面结果显示，火山灰已经达到了30km的高度，深入平流层。我国的风云卫星也监测到了火山灰向西南方向的扩散过程，证明火山灰已经进入平流层。
1月16日的气溶胶垂直剖面捕捉到了平流层火山气溶胶云，其高度达到了~30公里。
来源：NASA臭氧和空气质量监测网，https://ozoneaq.gsfc.nasa.gov/data/aerosols/#tab=image&prods=131&view=1
风云卫星对火山灰云扩散过程的监测，2022年1月15日15：45至21：00（汤加时）
此次喷发之后，从卫星图像上来看，基本上位于北部的Hunga Ha'apai整个岛屿都沉入海底。火山喷发导致当地网络几乎完全中断，至今汤加的主流新闻网站对此次火山喷发的报导仍停留在1月15日。
1991年汤加土地、调查和自然资源部航拍照片（左）
来源：https://volcano.si.edu/volcano.cfm?vn=243040&vtab=Weekly；2014年海底火山喷发后形成的新岛屿（右上）；2022年1月15日火山喷发后的洪阿哈阿帕伊岛（右下），哨兵一号SAR成像图。
汤加新闻网页截图
来源：https://matangitonga.to/2022/01/15/tongan-geologists-stunning-Jan14eruptions
汤加火山喷发有何特殊之处？据已有数据估计，这次海底火山喷发的强度可能会达到VEI5-6级；从1850年以来的火山位置以及强度来看，这是强度达到VEI5级或以上的最靠南的火山喷发，纬度位于20°S，而此前的大部分大型火山喷发分布在热带或者北半球高纬度地区。从过去2500年的时间尺度来看，南半球的火山喷发次数也偏少，且强度偏弱。
1850年以来的大型火山喷发列表
来源：作者根据文献总结
过去2500年火山喷发的重建序列，红色为热带火山，蓝色为北半球火山，紫色为南半球火山。
（改绘自Sigl et al. 2015, Nature）
小知识：VEI指数即火山爆发指数（Volcanic Explosivity Index），是1982年由火山学家提出的以喷出物体积、火山灰超过峰顶或进入大气的高度以及喷发的类型等因素来衡量火山爆发强烈程度的指标。其中非爆炸性喷发的火山VEI为0，爆炸性喷发的火山VEI从1到8，每增加1级，其释放的能量就增加10倍，喷发周期也相应延长。
目前已有的证据表明汤加火山喷发后火山灰达到25km以上，达到VEI5级左右。而二氧化硫气体观测表明目前喷发释放的二氧化硫气体质量达到了0.4Tg（Tg为百万吨，即40万吨），远小于1991年皮纳图博火山的20Tg，但由于此次火山喷发还在持续过程中，可能会累积更多的释放量，因此还需根据更多的资料确定此次火山喷发的强度等级。
需要注意的是，相同VEI等级的火山，其喷发的SO2量也存在差别，因此造成的影响也有区别。例如1902年的Santa Maria火山和1991年的Pinatubo火山，虽然VEI等级均为6，但Santa Maria喷发出的SO2质量远小于Pinatubo，因此造成的影响有限。
汤加火山喷发出的二氧化硫气体观测，总量达到0.4Tg
来源：https://twitter.com/simoncarn
有了“火山灰阳伞”，
是否可以不用担心全球变暖？
火山喷发除了触发海啸，酸雨，影响航空交通等之外，还会对全球气候造成影响。例如历史上印度尼西亚的1815年Tambora火山，造成了著名了“无夏之年”，欧洲局地降温达到2度以上，亚洲1815年平均温度降低约0.7度。最近一次大型火山喷发为1991年Pinatubo火山，其造成了之后两年的全球气候异常，全球陆地平均温度下降0.5度。
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，并迅速扩散，这些气溶胶可在平流层中停留1-2年，通过阻挡太阳辐射，产生“阳伞效应”，使地表冷却，进而使蒸发减弱、全球平均降水减少，其中降水减少的现象在热带和季风区最为明显。除此之外，火山喷发也会影响热带太平洋海温以及北极地区极地涡旋的变化等。
火山喷发的气候效应示意。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。
图片来源：AAS封面（Liu et al. 2020, AAS）
但是，火山气溶胶的“阳伞”效应能否抵消全球增暖趋势呢？历史记录表明，单一火山事件的喷发，其直接气候影响的时间一般持续1-2年，在短期内使温度降低，造成冷暖振荡，随着气溶胶的消散温度会逐渐恢复，因此不足以改变全球的长期增温趋势。
观测中1850-2012年全球平均气温（黑色）和陆地平均气温（红色）的时间序列，紫色虚线对应火山喷发。
作者基于温度观测资料绘制。
南半球火山喷发，
对全球气候有何影响？
在超级计算机上进行的数值模拟研究表明，热带火山喷发后火山气溶胶会扩散到南北半球，而南半球的火山喷发产生的硫酸盐气溶胶主要局限在南半球，因此对南半球的温度影响较大，对北半球温度的影响幅度较小。但除了对温度的直接影响之外，火山喷发也会通过调整大气环流进而影响全球气候。研究发现南半球的火山喷发可以通过改变南北半球的温度梯度，进而改变越赤道气流，导致北半球季风区的降水增加，同时使得南半球的季风降水减少。
气候模式中不同纬度火山喷发后气溶胶光学厚度的时空分布，从左到右分别为北半球、热带和南半球火山。
引自Zhuo et al. 2021, ACP
由于此前尚无类似的南半球火山喷发，因此汤加火山喷发从气候历史记录中难以找到准确的参照物，但气候模拟为我们提供了参考的基础。我们已经观测到过去的大型火山喷发会对全球气候产生显著影响，因此，如果气候模式能够刻画火山喷发的气候效应，则有助于对未来火山喷发产生的影响进行预测。
到目前为止，本次火山喷发的二氧化硫气体质量为0.4Tg，但尚未平息。我们基于气候模拟中温度对南半球火山喷发的响应结果进行初步估算，将其强度类比至1980年St. Helens火山（喷发的SO2~1Tg），可近似得到强度为1Tg的南半球火山喷发对全球温度的影响。发现火山喷发后次年全球平均温度会下降约0.01度，澳大利亚、南美洲南部和非洲南部局地降温可达0.02度，我国东南部地区降温约0.01度，西部约0.02度。
这表明，如果本次火山喷发的强度为1Tg，则不会对全球气温造成显著影响。由于其喷发尚未平息，最终气候影响还有待观察火山的后续活动状况。
气候模式模拟的南半球火山喷发后次年气温的变化，单位为摄氏度（火山喷发的强度为1Tg）。
作者基于气候模拟资料绘制。
气候预测面临新挑战
在气候预测中，火山喷发是产生预测结果不确定来源的重要原因。总体而言，火山喷发会使得喷发之前制作的气候预测结果的可信度下降。而在火山喷发之后，合理考虑排放至平流层的火山气溶胶的总量及其空间分布与演变特征，有助于提升实时气候预测的准确性。
过去的统计分析表明，火山喷发之后热带太平洋厄尔尼诺（赤道东太平洋海水异常升温）事件发生的概率将升高，但此次火山喷发是在拉尼娜（赤道东太平洋海水异常降温）背景下发生，也有可能使得拉尼娜进一步加强。
本次Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山的喷发是否会对气候预测存在影响，仍是研究人员需要回答的问题。此外，当前的气候模式虽然普遍能够刻画火山喷发后短期内的影响，例如气温降低和水循环减弱，但在模拟其长期气候效应以及对海温的影响等方面仍存在挑战。气候学家将在探索中改进气候模式，更好地预测我国以及全球气候受火山喷发的影响。
致谢：感谢中国科学院大气物理研究所的周天军研究员、满文敏副研究员、魏科副研究员和胡帅博士为本文撰写提供素材和建议。
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作者单位：中国科学院大气物理研究所
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