南半球火山喷发对北半球气候影响大吗
满文敏 左萌 周天军
今年1月南太平洋岛国汤加的洪阿哈阿帕伊岛海底火山的剧烈喷发，引起了公众的关注，“火山喷发带来无夏之年”“全球气温下降”等各种说法也扩散开来。
那么，这次汤加火山喷发到底会给全球气候带来什么影响？南半球的火山喷发对北半球的气候影响大吗？近日，中国科学院大气物理研究所周天军研究团队，从类比历史上大型火山喷发的角度，对上述问题进行估算并给出了定量预测，相关研究成果发表在《大气科学进展》杂志上。这里我们约请研究者来介绍一下相关的科学问题。
火山喷发为什么会影响气候
火山喷发会将大量的火山灰、二氧化硫和硫化氢这些气体输送到大气中，但是火山喷发影响气候并不是通过火山灰，因为火山灰是比较大的颗粒，这些矿物颗粒物质会在火山喷发点周围逐渐沉降。真正影响气候的是含硫气体，火山喷发会将含硫气体喷入平流层，这些酸性气体被氧化成硫酸盐气溶胶，随大气环流在全球范围进行扩散，基本上几个月之内就会在全球范围内扩散均匀。在平流层生命周期可达数年，通过阻挡太阳辐射，产生一个“阳伞效应”，帮助地球将更多的阳光反射出去，使地表冷却。
需要注意的是，这个因果关系若成立，还必须考虑一个重要因素——“量级”。火山喷发能否影响气候和进入平流层的硫酸盐量有关。自1950年以来有3次大规模低纬度火山喷发，1963年阿贡火山喷发约800万吨二氧化硫进入平流层，1982年埃尔奇琼火山喷发约700万吨二氧化硫进入平流层，而1991年皮纳图博火山喷发，约2000万吨二氧化硫进入平流层，这三次火山喷发均造成了之后1-2年的全球气候异常。
除了带来全球温度降低，火山喷发还能够给全球很多地区带来显著的降雨变化。在历史上，多次高强度大范围干旱事件均与火山喷发存在联系。火山喷发后，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。研究表明，包括亚澳季风区、美洲季风区和非洲季风区在内的全球季风区，在火山喷发后的1-2年之内，都会产生不同程度的降水减少，中国东部、北部以及印度北部的干旱事件增多。
目前评估火山喷发强度一般用火山喷发指数(VEI)来衡量，共分0-8级，数值越大，火山喷发越强。
全球降温程度与火山喷发强度成正比
强火山喷发会对地球气候、生态系统和生物多样性构成威胁。地球历史上发生过多次生物大灭绝，比如2亿年前的三叠纪-侏罗纪之交大灭绝、6500万年前的恐龙灭绝等，火山喷发可能是导致生物大灭绝的一个重要因素。大规模的火山喷发可能引起大环境气候变化，或者释放出有毒物质污染了水源，导致大量生物灭绝。
距今约7.5万年前印度尼西亚苏门答腊岛的托巴湖发生超级火山喷发，强度为VEI指数的8级，释放的能量达到1200亿吨的烈性炸药量。超强火山喷发对气候造成了严重影响，使得大量动植物死亡，世界人口大为减少，人类演化几乎到了灭绝的边缘。
值得指出的是，火山虽然给全球气候和生态系统带来危害，但是长期来看，它作为自然界的组成部分，没有好坏之分。地球现在的样子就是地质活动的结果，没有地质活动，就没有高山、大海，没有丰富多彩的地形地貌。
火山喷发后的全球降温程度和火山喷发强度成正比。1815年发生在印度尼西亚的坦博拉火山喷发，是过去千年最大的火山活动之一，VEI等级达到了7级。这次火山喷发造成了约71000人死亡，其中11000—12000人的死亡是直接因为火山喷发造成的，其余人则是死于火山造成的饥荒和疾病。这次火山喷发的影响遍及全球，火山喷发后的次年即1816年非常冷，欧洲、北美历史上称这一年为无夏之年或者饥荒之年。当年6月，纽约地区依然有降雪；7月和8月，在宾夕法尼亚州西北地区湖里和河里依然有冰块；8月20日和21日，南至弗吉尼亚州依然有霜冻的报道。欧洲的低温、暴雨也让农作物大面积减产。同年我国史书上记录中国出现了嘉庆饥荒，南方多地出现异常雨雪天气，如农历七月，安徽、江西出现飞雪，台湾新竹冰坚寸余；农历八月，云南天气忽然寒冷如冬。
不同纬度的火山喷发对气候影响不同
通过我们的研究发现，历史上火山喷发的强度、位置因素，分别会对影响气候起到很关键的作用。具体表现如下：
研究人员发现，不同纬度的火山喷发会对气候造成不同的影响。研究人员基于目前可公开获取的重建降水记录、多套观测资料以及气候模式模拟试验，揭示出南、北火山喷发会导致位于同一半球的季风区降水减少，而另一半球季风区降水增加；热带火山喷发导致全球季风区降水均减少。
为什么会这样？具体来讲，火山喷发导致位于同一半球的季风区降水减少以及热带火山喷发后全球季风区降水的减少，主要归因于海陆热力对比减弱导致的季风环流减弱和水汽减少。而火山喷发导致另一半球季风区降水增加，是由半球间温差变化引起的，具体表现为火山喷发后南北半球温度对比发生了变化，导致低层风发生改变，从火山喷发所在半球吹向另一半球的风增强，将热带地区暖湿空气带到另一半球季风区，导致降水增加。
在此基础上我们进一步发现，位于不同纬度的火山喷发后，次年均对应着全球干旱区降水的增加。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，简单地说，如果热带火山喷发导致季风区降雨减少，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，导致干旱区降雨增加。
此次喷发后中国大部分地区降温在0.01℃以内
通过这种分析，我们定量预测了这次汤加火山喷发可能对全球气候带来的影响。
我们对历史上火山喷发的研究表明，南半球的火山喷发产生的硫酸盐气溶胶主要局限在南半球，因此对南半球的温度影响较大，对北半球温度的影响幅度较小。除了对温度的直接影响之外，火山喷发也会通过调整大气环流进而影响全球气候。研究发现南半球的火山喷发可以通过改变南北半球的温度梯度，进而改变越赤道气流，导致北半球季风区的降水增加，同时使得南半球的季风降水减少。
在南半球汤加火山喷发之后，有学者基于简化的辐射平衡模型估算得出在汤加火山喷发后的未来1-2年，全球平均地表气温将下降约0.03℃至0.1℃。
而中科院大气所周天军研究员团队，在系统理解历史火山喷发对气候影响的基础之上，使用基于气候系统模式的过去千年气候模拟试验数据，发现火山喷发后次年地表冷却的幅度与火山的强度之间存在显著的准线性关系，且该模式能够较好地再现火山喷发后的降温幅度和空间分布。研究人员进一步将气候模拟中历史上大型南半球火山喷发对地表温度的影响通过比例因子推算到汤加火山喷发的强度上，估算得出汤加火山喷发后次年全球平均地表温度仅下降0.004℃，这一幅度处于气候系统内部变率的范畴之内。其中澳大利亚和南美洲部分地区降温超过0.01℃，中国大部分地区的降温在0.01℃以内。
结果表明，目前汤加火山的喷发不足以对全球气候产生显著影响，更不会影响全球变暖的趋势。需要指出的是，从历史上看火山的喷发在时间上会有一定持续性，这次汤加火山的最终气候影响有多大，还需要密切监测其未来的活动态势。
此外，当前的气候模式虽然普遍能够刻画火山喷发后短期内的影响，例如气温降低和水循环减弱，但在模拟其长期气候效应以及对海温的影响等方面仍存在挑战。气候学家将在探索中改进气候模式，更好地预测我国以及全球气候受火山喷发的影响。
