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星期一, 2011年 8月 29日

火山、天气与气候

火山爆发是地球上其中一个最震撼人心的自然现象。虽然蘑菇状火山灰云和火山闪电的情景的确是非常壮观且令人印象深刻,但火山爆发却对人类有重大影响。火山灰和火山泥流会威胁陆上人类的安全,而火山灰云亦会严重影响航空交通。最近的例子就是2010年在冰岛和2011年6月在智利发生的火山爆发。

图一     NASA的Aqua卫星上的MODIS仪器所拍摄的可见光图像。这图像显示火山灰烟羽从智利Puyehue-Cordón Caulle火山中喷发出来(时间:2011年6月12日协调世界时18:05) ,灰羽吹向东北并卷入一个位于大西洋上的低压区中。
图一      NASA的Aqua卫星上的MODIS仪器所拍摄的可见光图像。这图像显示火山灰
烟羽从智利Puyehue-Cordón Caulle火山中喷发出来(时间:2011年6月12日协
调世界时18:05) ,灰羽吹向东北并卷入一个位于大西洋上的低压区中。
(图片来源: NASA Goddard/MODIS Rapid Response, Jeff Schmaltz/Text: NASA/Rob Gutro,
http://www.flickr.com/photos/gsfc/sets/72157626837498837/with/5833005577/)

火山活动也影响天气和气候。火山爆发会把大量的气体和微粒释放到大气中,从而影响短期天气(数日至数月)和长期气候(几年到几百年)。一般来说,火山爆发对天气或气候的影响取决于爆发的强度和持续时间、火山灰烟羽的化学成份及火山的位置(纬度)。

对于小规模的火山爆发,火山灰的烟羽通常限于对流层内(从地面延伸到约10-16公里高空的一层大气,其高度取决于纬度)。对区域天气的直接影响包括低能见度和昼夜温差减少。由于大部分喷射到对流层的火山灰和气体都会在数周内被雨水冲洗并沉积至地表(图二 (a)),它对全球天气和长期气候的影响不大 [1]

图二     (a) 小规模的火山爆发与 (b) 强烈的火山爆发对大气的影响简单示意图。
图二      (a) 小规模的火山爆发与 (b) 强烈的火山爆发对大气的影响简单示意图。


强烈的火山爆发则能够将以二氧化硫为主的含硫气体喷发到平流层(从对流层顶部延伸到离地面约 50公里高空的气层)。二氧化硫会在阳光下与水分子发生反应,形成硫酸气溶胶(微小硫酸颗粒)。平流层内的强风会在随后数星期将气溶胶扩散到整个半球,甚至散布全球(取决于火山的纬度)。这层气溶胶能在稳定的平流层中逗留多年,减少太阳光到达下面的对流层,引致对流层冷却(图二(b))。这种冷却效应在热带和处于夏季的半球更为显著 [1]。虽然从全球平均的角度来看,在平流层的火山气溶胶可造成地面冷却,但它对北半球冬季的影响是间接而且复杂的。简单来说,与火山爆发相关的北半球大气环流变化,有利于北极涛动出现正位相 [2],为北半球部分地区,包括欧亚大陆北部和北美部分地区等带来暖冬。对这过程有兴趣的读者可以参考相关的文献 [1, 3]

在1991年6月菲律宾皮纳图博火山的爆发,是大型火山爆发令到全球平均温度下降的其中一个例子。该火山爆发的火山灰烟羽高达约34公里。它的火山灰和气溶胶在随后的18个月令全球平均气温降低了约0.5oC。全球平均温度要过了几年后才回到火山爆发之前的水平(图三)。其他过去的主要火山爆发事件显示,与增强温室效应造成的长期气候变暖趋势相比,个别火山爆发对全球气候的冷却效应通常是短暂的 [4,5]

图三     1991至1996年间的全球平均温度变化(每月数据由Goddard Institute for Space Studies,NASA提供)。深红色线代表13个月滑动平均。
图三      1991至1996年间的全球平均温度变化(每月数据由Goddard Institute for
Space Studies,NASA提供)。深红色线代表13个月滑动平均。


由火山爆发释放到大气中的二氧化碳,也是造成的古气候变化的其中一个自然因素。然而,各项研究显示在过去一个世纪每年由人类活动排放二氧化碳的重量,远远超过由陆地和海底火山所释放的总和。在2010年由人类活动引起的二氧化碳排放量估计约为 350亿吨,是全球火山估计二氧化碳排放量(约每年2.6亿吨)的100倍以上 [6]

图四     全球平均表面温度距平(相对于 1901至1950年期间)的时间序列。黑线为观察值,(a)为气候模式考虑了人为和自然因素的模拟结果(红线),而(b)为气候模式只考虑自然因素的模拟结果(蓝线)。垂直灰线表示主要火山爆发的时间。粗线代表模式的集合平均,而幼线显示个别模式的结果。 (来源: IPCC第四次评估报告, 第一工作组; 图 9.5)
图四      全球平均表面温度距平(相对于 1901至1950年期间)的时间序列。黑线为观察值,(a)为气候
模式考虑了人为和自然因素的模拟结果(红线),而(b)为气候模式只考
虑自然因素的模拟结果(蓝线)。垂直灰线表示主要火山爆发的时间。粗
线代表模式的集合平均,而幼线显示个别模式的结果。 (来源: IPCC第四次
评估报告, 第一工作组; 图 9.5)

火山爆发对全球气候影响的研究,让科学家进一步了解自然因素和人为因素对20世纪观察到的全球变暖趋势相对的贡献。科学家利用最先进的电脑气候模式来模拟过去的气候变化。他们的模拟普遍能捕捉到在过去一个世纪大规模火山爆发造成的短期冷却效应。最重要的是,气候模式在仅仅考虑自然因素时(如火山活动和太阳活动),无法模拟出20世纪后半叶的迅速升温现象(图四(b)中的蓝线)。气候模式要加入人为因素(特别是温室气体和气溶胶的排放)时,才能模拟出气温上升趋势(图四(a)中的红线)。所以20世纪的变暖不太可能只用自然因素来解释。气候模式模拟结果表明,在过去 50年大部分观测到的全球气温上升很有可能是由人类活动所引致的 [7]



李子祥   郝孟骞


参考:

[1] Robock, A., 2000 : Volcanic eruptions and climate. Reviews of Geophysics, 38(2), 191-219.

[2] http://www.weather.gov.hk/climate_change/ao_uc.htm

[3] Shindell, D.T., G. A. Schmidt, M.E. Mann, and G. Faluvegi, 2004 : Dynamic winter climate response to large tropical
volcanic eruptions since 1600. Journal of Geophysical Research, 109, D05104.

[4] NASA Science Briefs : Pinatubo Climate Investigation, 1997.

[5] Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of the Working Group I to the Fourth Assessment
Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.
B. Averyt, M. Tignor and H. L. Miller, Eds. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York,
NY, USA, 996 pp.

[6] U.S. Geological Survey, Volcanic Gases and Climate Change Overview.

[7] P. A. Stott, S. F. B. Tett, G. S. Jones, M. R. Allen, J. F. B. Mitchell, and G. J. Jenkins, 2000 : External Control of 20th
century temperature by natural and anthropogenic forcings. Science, 290, 2133-2137.



最近修订日期: <2013年9月27日>