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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】【关闭

  小冰期最后阶段发生了5次大型火山喷发事件,喷发的火山灰和硫酸气溶胶会反射和吸收太阳辐射,从而引起全球降温,触发的气候效应还包括非洲和印度季风区季风降水减少和阿尔卑斯山脉冰川生长等     

  火山活动如何影响古气候变化,具体物理过程是什么?由于缺少系统的气象要素观测资料,以往回答这一问题往往依赖于古气候模拟,但由于气候系统的混沌效应会引起误差非线性增长等,导致气候模式模拟很难与观测事实相一致。 

  从相对独立的数据观测和数值模拟研究转向以新数据获取和大数据支撑的数据-模式驱使科学(data/model-enabled science)”是未来地球科学研究方向(郭正堂,2019),古气候数据同化研究正是古气候研究领域在2000年以后出现的新方向之一(von Storch et al.2000)。利用观测数据(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上发表研究成果,他们基于Franke et al. (2017) 月分辨率的1600-2005年古气候再分析同化资料,结合HadCM3FUPSOL气候模式,分析了小冰期最后阶段(19世纪初)5次赤道大型火山喷发事件的气候效应。 

  通过分析火山喷发对全球温度和降水空间格局变化影响,他们发现北半球中高纬度大陆地区在19世纪5次火山爆发后的3年内出现了不同程度的大范围降温,非洲季风区和印度季风区的降水量也随之下降(图1)。这种由一系列的火山喷发引起的全球降温、季风区降水异常偏少等可能会对气候系统产生年际至多年代际的持续性影响。 

1  火山喷发后古气候再分析资料全球暖季(4月至9月)温度和降水异常分布图(上面两行是火山喷发后3年的平均温度,下面两行是平均降水;异常值的相对时段是1779-1808;左上角的年份是火山喷发的年份;All是五次火山的平均值)(Bronnimann et al., 2019)

  具体物理过程是:每次火山喷发后,大气层顶净短波辐射通量和向下净地表热通量立即下降,上层海洋(0-700 m)热含量也随之减少,大约3年后,大气层顶净短波辐射通量会恢复到火山喷发前的水平,而向下净地表热通量也会恢复到与火山喷发前相当或者略微偏高的水平。但由于海洋具有较大的热容量,火山的连续喷发会对海洋产生持续性影响。

  一方面,火山连续喷发导致上层海洋热含量发生多年代际变化。因为辐射通量的改变对于混合层海洋的影响可能会滞后2-3年,而与深层海洋的混合会导致海洋对于短波辐射通量的滞后响应在多个火山喷发连续发生时进一步延迟。FUPSOL模式结果显示上层海洋热含量直到19世纪60年代才恢复到1779-1808的平均水平,而HadCM3模式模拟的上层海洋热含量直到20世纪30年代才恢复到19世纪初火山喷发前的水平。

  另一方面,火山连续喷发会改变海洋表面温度的空间结构。全球海洋在火山喷发后的温度变化过程并不一致,火山喷发后的前两年,上层海洋变冷,全球大部分海域的海表面温度下降,但赤道太平洋的降温幅度轻微低于其他海域。之后的五年,当全球大部分海域升温时,赤道太平洋中部仍持续降温。

  基于上述证据,作者进一步推测可能的影响机制是:19世纪初5次大型火山喷发对气候系统产生持续性影响,可能引起北大西洋多年代际涛动(AMO)在19世纪30-50年代转为负位相,从而引起一系列气候效应,包括非洲和印度季风减弱和赤道热带辐合带南移等。但导致AMO相位转变是否也与道尔顿极小期减弱的太阳活动有关,仍需要进一步研究。

  相信不久的将来会有更多的古气候同化资料公布,例如在古全球变化(PAGES)支持下比利时法语鲁汶大学Hugues Goosse教授牵头组织的国际古气候再分析、数据同化和代用记录系统模型工作组,将会公布基于PAGES2k古温度数据集的多组过去2000年古气候同化资料,为火山喷发引起全球古气候时空变化的定量化研究带来新的机遇。

  主要参考文献 

  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.原文链接 

  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.原文链接 

  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.原文链接 

  郭正堂.《地球系统与演变》: 未来地球科学的脉络[J]. 科学通报,  2019, 64(9):883-884.原文链接    

(撰稿:刘威、史锋/新生代室)

 
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