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【前沿报道】Nature Geoscience:小冰期最后阶段火山连续喷发的气候效应
2019-08-16 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  小冰期最後階段發生了5次大型火山噴發事件,噴發的火山灰和硫酸氣溶膠會反射和吸收太陽輻射,從而引起全球降溫,觸發的氣候效應還包括非洲和印度季風區季風降水減少和阿爾卑斯山脈冰川生長等     

  火山活動如何影響古氣候變化,具體物理過程是什麽?由于缺少系統的氣象要素觀測資料,以往回答這一問題往往依賴于古氣候模擬,但由于氣候系統的混沌效應會引起誤差非線性增長等,導致氣候模式模擬很難與觀測事實相一致。 

  从相对独立的數據觀測和数值模拟研究转向以新數據获取和大數據支撑的數據-模式驅使科學(data/model-enabled science)”是未來地球科學研究方向(郭正堂,2019),古气候數據同化研究正是古气候研究领域在2000年以後出現的新方向之一(von Storch et al.2000)。利用觀測數據(重建结果)约束气候模式模拟的轨迹,可以获取既符合气候变化物理规律,又服从重建变化事实的气候系统的最优状态估计(Widmann et al.2010)

  近日,Bronnimann et al. (2019)Nature Geoscience上發表研究成果,他們基于Franke et al. (2017) 月分辨率的1600-2005年古氣候再分析同化資料,結合HadCM3FUPSOL氣候模式,分析了小冰期最後階段(19世紀初)5次赤道大型火山噴發事件的氣候效應。 

  通過分析火山噴發對全球溫度和降水空間格局變化影響,他們發現北半球中高緯度大陸地區在19世紀5次火山爆發後的3年內出現了不同程度的大範圍降溫,非洲季風區和印度季風區的降水量也隨之下降(圖1)。這種由一系列的火山噴發引起的全球降溫、季風區降水異常偏少等可能會對氣候系統産生年際至多年代際的持續性影響。 

1  火山噴發後古氣候再分析資料全球暖季(4月至9月)温度和降水异常分布圖(上面两行是火山喷发后3年的平均溫度,下面兩行是平均降水;異常值的相對時段是1779-1808;左上角的年份是火山噴發的年份;All是五次火山的平均值)(Bronnimann et al., 2019)

  具體物理過程是:每次火山噴發後,大氣層頂淨短波輻射通量和向下淨地表熱通量立即下降,上層海洋(0-700 m)熱含量也隨之減少,大約3年後,大氣層頂淨短波輻射通量會恢複到火山噴發前的水平,而向下淨地表熱通量也會恢複到與火山噴發前相當或者略微偏高的水平。但由于海洋具有較大的熱容量,火山的連續噴發會對海洋産生持續性影響。

  一方面,火山連續噴發導致上層海洋熱含量發生多年代際變化。因爲輻射通量的改變對于混合層海洋的影響可能會滯後2-3年,而與深層海洋的混合會導致海洋對于短波輻射通量的滯後響應在多個火山噴發連續發生時進一步延遲。FUPSOL模式結果顯示上層海洋熱含量直到19世紀60年代才恢複到1779-1808的平均水平,而HadCM3模式模擬的上層海洋熱含量直到20世紀30年代才恢複到19世紀初火山喷发前的水平。

  另一方面,火山連續噴發會改變海洋表面溫度的空間結構。全球海洋在火山噴發後的溫度變化過程並不一致,火山噴發後的前兩年,上層海洋變冷,全球大部分海域的海表面溫度下降,但赤道太平洋的降溫幅度輕微低于其他海域。之後的五年,當全球大部分海域升溫時,赤道太平洋中部仍持續降溫。

  基于上述證據,作者進一步推測可能的影響機制是:19世紀初5次大型火山噴發對氣候系統産生持續性影響,可能引起北大西洋多年代際濤動(AMO)在19世紀30-50年代轉爲負位相,從而引起一系列氣候效應,包括非洲和印度季風減弱和赤道熱帶輻合帶南移等。但導致AMO相位轉變是否也與道爾頓極小期減弱的太陽活動有關,仍需要進一步研究。

  相信不久的將來會有更多的古氣候同化資料公布,例如在古全球變化(PAGES)支持下比利時法語魯汶大學Hugues Goosse教授牵头组织的国际古气候再分析、數據同化和代用记录系统模型工作组,将会公布基于PAGES2k古温度數據集的多组过去2000年古氣候同化資料,爲火山噴發引起全球古氣候時空變化的定量化研究帶來新的機遇。

  主要參考文獻 

  Bronnimann S, Franke J, Nussbaumer S U, et al. Last phase of the Little Ice Age forced by volcanic eruptions[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 650-656.原文鏈接 

  Franke J, Br?nnimann S, Bhend J, et al. A monthly global paleo-reanalysis of the atmosphere from 1600 to 2005 for studying past climatic variations[J]. Scientific Data, 2017, 4: 170076.原文鏈接 

  Von Storch H, Cubasch U, Gonzalez-Rouco J F, et al. Combining paleoclimatic evidence and GCMs by means of data assimilation through upscaling and nudging (Datun)[C]. Proceedings of the 11th Symposium on Global Climate Change Studies, American Meteorological Society Long Beach, CA, USA, 2000. 

  Widmann M, Goosse H, Schrier G, et al. Using data assimilation to study extratropical Northern Hemisphere climate over the last millennium[J]. Climate of the Past, 2010, 6(5): 627-644.原文鏈接 

  郭正堂.《地球系統與演變》: 未來地球科學的脈絡[J]. 科學通報,  2019, 64(9):883-884.原文鏈接    

(撰稿:劉威、史鋒/新生代室)

 
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