近日，我院刘健教授团队在重大火山气候效应的研究中取得进展，在《中国科学: 地球科学》上发表了题为“过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响”的综述文章。
火山喷发是气候系统中最为强烈的自然外强迫因子之一，具有重要的气候环境效应。2022年1月15日，南太平洋岛国汤加海域水下火山猛烈喷发，再次引起科学界和国际社会对火山效应的广泛关注，但迄今为止还缺乏对火山效应的系统回顾。研究团队基于观测、重建、模拟和同化数据，系统地总结了过去2000年重大火山喷发的史实、对全球和中国气候的影响机理以及未来的研究方向。
过去2000年主要的火山活动外强迫重建资料包括Gao2008、Crowley2013和Sigl2015，这些火山重建资料的差异主要来自于选取的原始冰芯数据、重建方法和判断标准等方面的不同。而上述资料一致显示：过去2000年气候寒冷时期（公元530‒700、1200‒1460和1600‒1840年）均出现在频繁的重大火山喷发（Major Volcanic Eruptions, MVEs）时期，而气候温暖时期（公元0‒200和900‒1100年）均发生于火山平静时期（图1）。发生在公元946年的长白山火山喷发是过去2000年中国最强的火山喷发。
图1 过去2500年Sigl2015资料中的平流层火山气溶胶注入量（Tg）的纬度‒时间图。修改自Sigl等（2022）
研究发现，重大火山喷发后几年内，全球和中国均出现了显著的降温（图2），但重建资料显示的降温幅度与火山强度并不完全一致。然而，PMIP3/4多模式模拟的降温与火山强度却有显著的线性关系。在年代际尺度上，当有连续的重大火山喷发时，北半球和中国都出现了年代际尺度的冷事件。重大火山喷发后第一年全球季风降水明显减少，而中国长江流域的降水则异常增加，华北、东北以及青藏高原南部，不同数据间存在不一致的响应。频繁的强火山爆发、火山叠加太阳活动极小期、气候系统内部变率叠加火山的作用都会导致北半球季风区和中国东部的年代际干旱事件。
图2 过去千年全球平均地表温度（SAT）变化。(a)重建的全球火山外强迫（GVF, W m−2）（Sigl等, 2015）。星号表示11个最强的MVEs和946年长白山喷发。(b)重建的地表温度距平（°C），相对于1961‒1990年（Neukom等, 2019）。蓝色阴影表示七种重建方法的不确定性范围，红圈代表11次最强的MVEs和946年长白山喷发后四年内温度异常的最小值。(c)PMIP多模式集合平均的全球年平均地表温度（°C, 黑线），绿色阴影表示模式间差异的一倍标准差范围
研究团队总结前人基于树轮重建的ENSO过去千年变化情况后发现，当热带重大火山喷发后会出现El Niño事件，并在随后迅速衰退为La Niña，期间引起了异常的西北太平洋反气旋，并将水汽输送到长江流域；然而，热带太平洋中部的珊瑚δ18O记录则表明，重大火山喷发并不会引起显著的El Niño事件，表明重建资料间存在差异性。频繁的重大火山喷发可以通过触发北极海冰扩张过程、NAO位相变化及AMOC的变化进而影响AMO位相变化。ENSO和AMO对火山的响应会进一步影响区域气候响应的差异，这可能会造成重建‒模拟资料的分歧。未来的研究需要加强在火山影响下气候系统内部变率对水文气候的影响过程、天气‒季节内尺度变率变化以及气候突变等方面的深入理解，这依赖于火山外强迫重建的改进、平流层化学‒气溶胶‒气候模式的发展、重大火山气候效应的更全面揭示。
我校孙炜毅讲师是该论文的第一作者，刘健教授是通讯作者，合作者包括哥德堡大学陈德亮院士、我校闾国年教授和宁亮教授、浙江大学高超超副教授、复旦大学张人禾院士和夏威夷大学王斌教授。该项研究得到国家自然科学基金项目、中国科学院学部咨询评议项目、瑞典科研与教育国际合作基金项目、未来地球计划全球秘书中心（中国）项目等的共同资助。
论文链接：
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N072022-0333 （中文版）
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11430-022-1218-0 （英文版）
论文信息：
孙炜毅, 陈德亮, 闾国年, 宁亮, 高超超, 张人禾, 王斌, 刘健*. 2023. 过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响. 中国科学: 地球科学, 53: 1–19
Sun, W., D. Chen, G. Lü, L. Ning, C. Gao, R. Zhang, B. Wang, J. Liu*, 2023: Impacts of major volcanic eruptions over the past two millennia on both global and Chinese climates: A review. Science China-Earth Sciences, 66, https://doi.org/10.1007/s11430-022-1218-0
