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[转载]火山一爆发,干旱地区就下雨?

已有 2716 次阅读 2020-2-24 11:25 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

文章来自“科学大院”公众号

作者:左萌

1月12日,菲律宾塔尔火山爆发,火山灰高达10至15公里。受火山爆发影响,附近的马尼拉机场已关闭,航班基本取消。14日,菲律宾官方将火山危险等级提至4级,超过3万附近居民被紧急撤离。

(图片来源:

火山喷发时产生的大量火山灰不仅危害公共健康、基础设施、航空和农业生产,而且会对全球气候造成影响。甚至有科学家认为古埃及托勒密王朝的覆灭、白垩纪时期恐龙灭绝都与火山活动有关。

最近,中科院大气物理研究所的研究还发现了一个有趣的现象:火山灰一上天,干旱地区的降雨就增多了。(戳“阅读原文”看论文)

火山一爆发,季风区就不下雨了?

火山爆发后会影响全球气候,带来显著的降水变化。在历史上,多次高强度大范围干旱事件均与火山爆发存在联系,此前有研究表明大规模的火山喷发往往会造成东亚地区的干旱,即导致降雨量减少。

火山爆发为什么会影响降雨?在气候学中,降雨主要是由水汽的汇合抬升造成的,同时受到水汽本身和风的控制。学者们经常把降雨的变化分解为两部分,一部分是与温度变化相关的水汽变化,另一部分是风的变化导致的大气环流变化。这两个过程的改变均会引起降雨的增加或者减少。

冰岛Holuhraun火山喷发形成的火山灰云(图片来源:人民网)

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,最终抵达距离地表上空10千米至50千米高度的平流层。这些火山灰经过化学反应后形成硫酸盐气溶胶可在平流层中停留1-2年,由于平流层中风速很快,这些气溶胶的扩散速度极快,会在几个月内在全球范围内扩散均匀,阻挡了太阳辐射,造成全球温度降低。

火山喷发的气候效应示意图(图片来源:作者修改自Timmerck (2012))

当温度降低时,大气中的含水量减少,即水汽减少,成云致雨过程需要的水汽减少后,降雨自然就减少了。另一方面,风的变化会导致水汽输送的变化。例如在我国东部,夏季盛行从海洋吹向陆地的南风,会把海洋上暖湿的空气带到陆地上,使降雨增加;而到了冬季,盛行东北风,带来极地的干冷空气,导致降雨减少。火山爆发后,由于地表温度降低,造成水汽减少,因此从全球平均来看,降雨是减少的。

东亚季风示意图(图片来源:国家气候中心)

全球降水减少了

为何干旱区却“变湿”了

此前的研究大多关注本身降雨量较多的季风区,最近中科院大气物理研究所周天军研究员团队的一项研究表明:虽然火山爆发造成全球平均降水减少,但由于降雨的另一控制因素环流的变化在各区域特征不同,导致降雨变化具有不同的区域特征。对于本身降雨量较少的干旱区(如中亚地区、非洲北部和澳大利亚西南部等),火山爆发后不仅不会使这些地区变干,反而会带来更多的降雨。

(图片来源:veer图库)

那么为何火山爆发后干旱区降水会增加呢?这要从两个方面讲起。

第一,火山喷发后由于温度降低,干旱区上空大气中水汽减少,但由于当地盛行下沉气流,因此水汽减少反而导致干旱区的水汽辐散过程减弱,这会直接导致干旱区的降雨增加;

第二,火山喷发后环流异常起着重要作用。要解释这一过程,首先要提到季风区和干旱区相互联系的机制。我们知道全球陆地区域按照降水多少可以大致划分为季风区和干旱区,有趣的是几乎所有的干旱区均位于季风区的西北侧,以欧亚大陆为例,亚洲季风区主要位于中国、印度一带;而其西北侧则是著名的中亚干旱区,范围向南可扩展到非洲北部。在气候学中,季风区和沙漠区虽然气候特征迥异,但二者可以通过环流联系在一起。如果季风区降雨减少(伴随着异常的下沉运动),那么水汽凝结为降雨释放的热量就会减少,这一热量的减少会导致大气中波动的异常活动,最终通过与高空气流的相互作用,共同导致干旱区出现异常的上升运动,这一上升运动带着水汽上升,最终凝结成雨。

火山喷发后“季风-沙漠耦合”机制示意图(图片来源:作者提供)

以上过程即为“季风-沙漠耦合”机制。在周天军研究员团队今年的另一研究中,发现火山爆发后,在环流的作用下季风区的降雨显著减少,出现异常的下沉运动。结合上述季风区干旱区相互影响的机制,不难发现干旱区会产生异常的上升运动,伴随着降雨增加。

看来,同一座火山,对于不同区域的影响还是不一样的。

不同火山,都会造成相同的变化吗?

我们知道火山爆发属于局地现象,那么位于不同位置的火山爆发是否会造成相同的降雨变化呢?又是通过什么样的过程产生影响?

研究发现,位于不同纬度的火山爆发后次年均对应着全球干旱区降水的增加,但背后的物理机制不同。这一研究选取了过去一千年中具有代表性的强火山爆发事件。其中爆发于1257年的印度尼西亚撒玛拉斯火山造成了全球气候变冷,并有历史文献指出该次火山爆发造成了中国农作物减产,从而导致大饥荒,有证据表明这次火山爆发可能加速了南宋的灭亡。此外,研究还选取了位于北半球高纬度的火山事件,即1783年爆发于冰岛南部的拉基火山,这是历史上强度较大的一次火山爆发。在上述两次火山爆发后次年,全球干旱区的降雨均显著增加。这表明位于不同纬度的火山爆发均会造成干旱区降雨增多,局地夏季平均降雨量增加1毫米/天。

那么这种现象是通过何种过程产生影响的呢?事实上,北半球火山爆发后南半球干旱区降水的增加是由于火山爆发后南北半球温度对比发生了变化,进而导致低层风发生改变,具体表现为从北半球吹向南半球的风增强,将热带地区暖湿空气带到南半球干旱区;而热带火山爆发后全球干旱区降水的增加主要受上述提到的“季风-沙漠耦合”机制的控制。

(图片来源:北京日报)

除了对夏季平均降雨的分析之外,目前越来越多的研究将目光投向极端事件的变化和影响方面,这是由于极端降雨会带来更大的社会影响,伴随着洪涝和干旱事件带来的气象灾害。因此,上述研究还进一步关注了持续干旱天数和持续降雨天数在火山爆发后的变化。研究发现全球干旱区极端降雨的响应与平均降雨分布一致,但在区域尺度上响应更敏感,具体表现为南半球火山爆发后北半球干旱区连续降雨日的增加超过11%,相较平均降雨增加的3%,这一响应更强。

极端降水的变化说明了虽然火山爆发后干旱区平均降水增加,持续干天减少有利于社会生产,但同时持续湿天的增加以及其他极端强降水的增加也会为生态脆弱的干旱区带来自然灾害,如洪涝灾害等。

(图片来源:北京日报)

研究“火山——下雨”有啥用?

全球干旱区占陆地面积的41%,全球38%以上的人口居住于此。作为对气候变化和自然灾害最敏感的地区之一,理解干旱区对火山爆发的响应具有重要科学和社会意义。

(图片来源:veer图库)

揭示不同纬度火山爆发对干旱区降水的影响,系统分析降雨变化背后的物理原因,对未来气候预估和气象灾害预警都有重要意义。在气候变化的背景下,科学家们拟通过一系列的数值模拟试验开展气候预测工作,以上工作说明在这些试验设计中应该考虑不同位置的火山爆发造成的不同物理过程及气候效应。

此外,为了抵御温室效应而提出的地球工程试验中有一项向平流层注入硫酸盐气溶胶的试验,这与火山爆发情况十分类似,以上结果也可在一定程度上体现地球工程试验可能会带来的气候响应,对试验设计和风险评估具有很重要的参考价值。

参考文献:

Timmreck, C. (2012), Modeling the climatic effects of large explosive volcanic eruptions.WileyInterdisciplinaryReviews-Climate Change, 3(6), 545-564. doi:10.1002/wcc.192.

Zuo, M., Zhou, T., & Man, W. (2019). Wetter global arid regions driven by volcanic eruptions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 124. https://doi.org/10.1029/2019JD031171

作者单位:中国科学院大气物理研究所

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