作者：左萌（中國科學院大氣物理研究所）

文章來源於(yu) 科學大院公眾(zhong) 號（ID：kexuedayuan）

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2020年1月12日，菲律賓塔爾火山爆發，火山灰高達10至15公裏。受火山爆發影響，附近的馬尼拉機場已關(guan) 閉，航班基本取消。14日，菲律賓官方將火山危險等級提至4級，超過3萬(wan) 附近居民被緊急撤離。

（圖片來源：人民網截圖）

火山噴發時產(chan) 生的大量火山灰不僅(jin) 危害公共健康、基礎設施、航空和農(nong) 業(ye) 生產(chan) ，而且會(hui) 對全球氣候造成影響。甚至有科學家認為(wei) 古埃及托勒密王朝的覆滅、白堊紀時期恐龍滅絕都與(yu) 火山活動有關(guan) 。

最近，中科院大氣物理研究所的研究還發現了一個(ge) 有趣的現象：火山灰一上天，幹旱地區的降雨就增多了。（戳“閱讀原文”看論文）

火山一爆發，季風區就不下雨了？

火山爆發後會(hui) 影響全球氣候，帶來顯著的降水變化。在曆史上，多次高強度大範圍幹旱事件均與(yu) 火山爆發存在聯係，此前有研究表明大規模的火山噴發往往會(hui) 造成東(dong) 亞(ya) 地區的幹旱，即導致降雨量減少。

火山爆發為(wei) 什麽(me) 會(hui) 影響降雨？在氣候學中，降雨主要是由水汽的匯合抬升造成的，同時受到水汽本身和風的控製。學者們(men) 經常把降雨的變化分解為(wei) 兩(liang) 部分，一部分是與(yu) 溫度變化相關(guan) 的水汽變化，另一部分是風的變化導致的大氣環流變化。這兩(liang) 個(ge) 過程的改變均會(hui) 引起降雨的增加或者減少。

冰島Holuhraun火山噴發形成的火山灰雲(yun) （圖片來源：人民網）

火山噴發時會(hui) 將大量的火山灰源源不斷地輸送到大氣中，輸送高度可達幾千米，最終抵達距離地表上空10千米至50千米高度的平流層。這些火山灰經過化學反應後形成硫酸鹽氣溶膠，可在平流層中停留1-2年，由於(yu) 平流層中風速很快，這些氣溶膠的擴散速度極快，會(hui) 在幾個(ge) 月內(nei) 在全球範圍內(nei) 擴散均勻，阻擋了太陽輻射，造成全球溫度降低。

火山噴發的氣候效應示意圖（圖片來源：作者修改自Timmerck (2012)）

當溫度降低時，大氣中的含水量減少，即水汽減少，成雲(yun) 致雨過程需要的水汽減少後，降雨自然就減少了。另一方麵，風的變化會(hui) 導致水汽輸送的變化。例如在我國東(dong) 部，夏季盛行從(cong) 海洋吹向陸地的南風，會(hui) 把海洋上暖濕的空氣帶到陸地上，使降雨增加；而到了冬季，盛行東(dong) 北風，帶來極地的幹冷空氣，導致降雨減少。火山爆發後，由於(yu) 地表溫度降低，造成水汽減少，因此從(cong) 全球平均來看，降雨是減少的。

東(dong) 亞(ya) 季風示意圖（圖片來源：國家氣候中心）

全球降水減少了

為(wei) 何幹旱區卻“變濕”了

此前的研究大多關(guan) 注本身降雨量較多的季風區，最近中科院大氣物理研究所周天軍(jun) 研究員團隊的一項研究表明：雖然火山爆發造成全球平均降水減少，但由於(yu) 降雨的另一控製因素環流的變化在各區域特征不同，導致降雨變化具有不同的區域特征。對於(yu) 本身降雨量較少的幹旱區（如中亞(ya) 地區、非洲北部和澳大利亞(ya) 西南部等），火山爆發後不僅(jin) 不會(hui) 使這些地區變幹，反而會(hui) 帶來更多的降雨。

（圖片來源：veer圖庫）

那麽(me) 為(wei) 何火山爆發後幹旱區降水會(hui) 增加呢？這要從(cong) 兩(liang) 個(ge) 方麵講起。

第一，火山噴發後由於(yu) 溫度降低，幹旱區上空大氣中水汽減少，但由於(yu) 當地盛行下沉氣流，因此水汽減少反而導致幹旱區的水汽輻散過程減弱，這會(hui) 直接導致幹旱區的降雨增加；

第二，火山噴發後環流異常起著重要作用。要解釋這一過程，首先要提到季風區和幹旱區相互聯係的機製。我們(men) 知道全球陸地區域按照降水多少可以大致劃分為(wei) 季風區和幹旱區，有趣的是幾乎所有的幹旱區均位於(yu) 季風區的西北側(ce) ，以歐亞(ya) 大陸為(wei) 例，亞(ya) 洲季風區主要位於(yu) 中國、印度一帶；而其西北側(ce) 則是著名的中亞(ya) 幹旱區，範圍向南可擴展到非洲北部。在氣候學中，季風區和沙漠區雖然氣候特征迥異，但二者可以通過環流聯係在一起。如果季風區降雨減少（伴隨著異常的下沉運動），那麽(me) 水汽凝結為(wei) 降雨釋放的熱量就會(hui) 減少，這一熱量的減少會(hui) 導致大氣中波動的異常活動，最終通過與(yu) 高空氣流的相互作用，共同導致幹旱區出現異常的上升運動，這一上升運動帶著水汽上升，最終凝結成雨。

火山噴發後“季風-沙漠耦合”機製示意圖（圖片來源：作者提供）

以上過程即為(wei) “季風-沙漠耦合”機製。在周天軍(jun) 研究員團隊今年的另一研究中，發現火山爆發後，在環流的作用下季風區的降雨顯著減少，出現異常的下沉運動。結合上述季風區幹旱區相互影響的機製，不難發現幹旱區會(hui) 產(chan) 生異常的上升運動，伴隨著降雨增加。

看來，同一座火山，對於(yu) 不同區域的影響還是不一樣的。

不同火山，都會(hui) 造成相同的變化嗎？

我們(men) 知道火山爆發屬於(yu) 局地現象，那麽(me) 位於(yu) 不同位置的火山爆發是否會(hui) 造成相同的降雨變化呢？又是通過什麽(me) 樣的過程產(chan) 生影響？

研究發現，位於(yu) 不同緯度的火山爆發後次年均對應著全球幹旱區降水的增加，但背後的物理機製不同。這一研究選取了過去一千年中具有代表性的強火山爆發事件。其中爆發於(yu) 1257年的印度尼西亞(ya) 撒瑪拉斯火山造成了全球氣候變冷，並有曆史文獻指出該次火山爆發造成了中國農(nong) 作物減產(chan) ，從(cong) 而導致大饑荒，有證據表明這次火山爆發可能加速了南宋的滅亡。此外，研究還選取了位於(yu) 北半球高緯度的火山事件，即1783年爆發於(yu) 冰島南部的拉基火山，這是曆史上強度較大的一次火山爆發。在上述兩(liang) 次火山爆發後次年，全球幹旱區的降雨均顯著增加。這表明位於(yu) 不同緯度的火山爆發均會(hui) 造成幹旱區降雨增多，局地夏季平均降雨量增加1毫米/天。

那麽(me) 這種現象是通過何種過程產(chan) 生影響的呢？事實上，北半球火山爆發後南半球幹旱區降水的增加是由於(yu) 火山爆發後南北半球溫度對比發生了變化，進而導致低層風發生改變，具體(ti) 表現為(wei) 從(cong) 北半球吹向南半球的風增強，將熱帶地區暖濕空氣帶到南半球幹旱區；而熱帶火山爆發後全球幹旱區降水的增加主要受上述提到的“季風-沙漠耦合”機製的控製。

（圖片來源：北京日報）

除了對夏季平均降雨的分析之外，目前越來越多的研究將目光投向極端事件的變化和影響方麵，這是由於(yu) 極端降雨會(hui) 帶來更大的社會(hui) 影響，伴隨著洪澇和幹旱事件帶來的氣象災害。因此，上述研究還進一步關(guan) 注了持續幹旱天數和持續降雨天數在火山爆發後的變化。研究發現全球幹旱區極端降雨的響應與(yu) 平均降雨分布一致，但在區域尺度上響應更敏感，具體(ti) 表現為(wei) 南半球火山爆發後北半球幹旱區連續降雨日的增加超過11%，相較平均降雨增加的3%，這一響應更強。

極端降水的變化說明了雖然火山爆發後幹旱區平均降水增加，持續幹天減少有利於(yu) 社會(hui) 生產(chan) ，但同時持續濕天的增加以及其他極端強降水的增加也會(hui) 為(wei) 生態脆弱的幹旱區帶來自然災害，如洪澇災害等。

（圖片來源：北京日報）

研究“火山——下雨”有啥用？

全球幹旱區占陸地麵積的41%，全球38%以上的人口居住於(yu) 此。作為(wei) 對氣候變化和自然災害最敏感的地區之一，理解幹旱區對火山爆發的響應具有重要科學和社會(hui) 意義(yi) 。

（圖片來源：veer圖庫）

揭示不同緯度火山爆發對幹旱區降水的影響，係統分析降雨變化背後的物理原因，對未來氣候預估和氣象災害預警都有重要意義(yi) 。在氣候變化的背景下，科學家們(men) 擬通過一係列的數值模擬試驗開展氣候預測工作，以上工作說明在這些試驗設計中應該考慮不同位置的火山爆發造成的不同物理過程及氣候效應。

此外，為(wei) 了抵禦溫室效應而提出的地球工程試驗中有一項向平流層注入硫酸鹽氣溶膠的試驗，這與(yu) 火山爆發情況十分類似，以上結果也可在一定程度上體(ti) 現地球工程試驗可能會(hui) 帶來的氣候響應，對試驗設計和風險評估具有很重要的參考價(jia) 值。

參考文獻:

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


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