火山硫酸盐气溶胶对平流层准两年振荡（QBO）的调制作用

《Frontiers in Environmental Science》：Modulation of quasi-biennial oscillation by volcanic sulfate aerosols

　　

专业翻译摘要：大型和中型火山喷发通过释放二氧化硫（SO2）显著影响平流层，进而影响大气动力学。1991年皮纳图博火山（Mt. Pinatubo）喷发在平流层引发了3 K的增温，导致准两年振荡（QBO）东风位相延长。研究人员利用ECHAM6-HAMMOZ模式的三成员集合平均，展示了2003–2013年间喷发性火山对热带平流层及QBO的影响。与不含火山的模拟相比，含火山模拟显示，在拉包尔（Rabaul）、萨雷切夫（Sarychev）和纳布罗（Nabro）火山喷发后2个月，火山硫酸盐气溶胶使平流层气溶胶光学厚度（SAOD）分别增加了0.0024 ± 0.0018、0.0058 ± 0.0031和0.0075 ± 0.0053。研究期间（2003–2013）多次火山喷发驱动的热带平均SAOD增加，在大气层顶（TOA）产生了?0.45 ± 0.21 W m-2的平均辐射强迫，在地表产生了?0.47 ± 0.26 W m-2的平均辐射强迫。火山气溶胶前体物通过火山烟羽注入热带平流层，导致热带低平流层硫酸盐气溶胶浓度增加59.6 ± 11.1 ng m-3，加热率增加0.05 ± 0.02 × 10?2 K d-1。模式模拟显示，火山引起的平流层加热扰乱了QBO位相，导致东风位相与西风位相相互反转。研究结果表明，中型和大型火山对QBO具有调制作用。

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一、研究背景与科学问题

平流层准两年振荡（Quasi-Biennial Oscillation, QBO）是赤道平流层最显著的大气环流现象，表现为纬向风在东风与西风之间约28个月周期的准周期性交替，其向下传播的位相变化对全球大气环流、物质输运以及极端天气事件均有重要影响。强火山喷发向平流层注入大量二氧化硫（SO₂），经氧化和水合作用形成硫酸盐气溶胶。这些气溶胶一方面通过散射太阳短波辐射产生冷却效应，另一方面通过吸收近红外和长波辐射加热所在气层，从而改变平流层的热力结构和动力学过程。

已有研究主要聚焦于单一大型热带火山喷发对QBO的影响。例如，1991年皮纳图博火山（Mt. Pinatubo）喷发引发平流层增温约3 K，导致QBO东风位相延长；也有模拟研究显示强火山喷发可导致QBO位相偏移甚至完全停止。然而，2003–2013年间发生的多次中等到大型火山喷发（火山爆发指数VEI ≥ 3）对QBO的累积影响尚未得到系统研究。因此，开展这项研究旨在利用先进的气溶胶–化学–气候耦合模式，定量评估这一时段内多座火山喷发对热带平流层SAOD、辐射强迫、加热率以及QBO位相演变的综合影响。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用ECHAM6-HAMMOZ气溶胶–化学–气候模式，开展了包含全部火山排放（VAL）与关闭全球火山排放（VAL0）两组试验，每组各含三个集合成员，模拟时段为2003–2013年，并采用集合平均差值（VAL?VAL0）分析火山气溶胶的影响。研究期间全球共有17座VEI ≥ 3的火山喷发，其中8座位于热带（20°S–20°N），7座位于北半球副热带外（20°N–90°N），2座位于南半球副热带外（20°S–90°S）。

研究得出以下主要结论：其一，火山喷发使研究期间热带平均SAOD增加0.0012 ± 0.00095，在热带区域（20°S–20°N）产生负辐射强迫（TOA：?0.45 ± 0.21 W m^-2；地表：?0.47 ± 0.26 W m^-2）。其二，火山喷发使热带低平流层硫酸盐气溶胶浓度增加56.60 ± 11 ng m^-3，加热率增加0.05 ± 0.02 × 10^?2 K d^-1，这一加热效应导致QBO东风位相与西风位相相互反转。其三，火山硫酸盐气溶胶导致赤道附近约5 hPa高度QBO风速增强、约20 hPa高度风速减弱，同时伴随温度升高和H₂SO₄浓度增加，而低平流层H₂SO₄浓度升高可能通过化学途径促进臭氧损耗。

这项研究的重要意义在于，将研究视角从单一大型热带火山拓展到全球范围内多次中等到大型火山喷发的累积效应，揭示了中等强度火山活动对QBO具有不可忽视的调制作用，为改进气候模式中火山强迫与QBO相互作用的表征提供了依据。

三、主要技术方法

本研究采用以下关键技术方法：第一，使用ECHAM6-HAMMOZ气溶胶–化学–气候模式，该模式耦合了ECHAM6大气环流模块与HAM气溶胶模块，可预测硫酸盐、黑碳（BC）、颗粒有机物（POM）、海盐（SS）和矿物尘（DU）等气溶胶的成核、增长、演变和汇过程，气溶胶粒径分布由七个对数正态模态描述。第二，火山SO₂排放清单基于Carn等（2017）的卫星观测资料，涵盖1979–2014年全球火山SO₂排放。第三，模式采用T63谱分辨率（水平约1.875° × 1.875°），垂直方向95层至0.001 hPa（约90 km），下边界条件使用月变化的AMIP海表温度（SST）和海冰覆盖（SIC）。第四，采用三成员集合平均方法减少内部变率影响，集合成员于2000年1月1、2、3日以微小初始扰动分别初始化，经三年旋转（spin-up）后正式模拟2003–2013年。第五，模拟SAOD与全球天基平流层气溶胶气候学数据集（GloSSAC）2.2版525 nm观测进行对比验证。第六，采用双尾Student's t检验在95%置信水平评估VAL与VAL0模拟的集合平均差异显著性。

四、研究结果

模型评估：将模拟的全球平均SAOD（550 nm）与GloSSAC观测（525 nm）对比，模式较好地捕捉了SAOD的主要时间变化，包括拉包尔（2006）、萨雷切夫（2009）和纳布罗（2011）喷发后的SAOD增强以及2003–2005年火山活动平静期的低气溶胶载荷。模拟与观测的相关系数r = 0.87，表明模式合理再现了火山气溶胶扰动的时机和相对变率。模式对萨雷切夫喷发的模拟尤为准确，对拉包尔略有低估（约0.0002），对纳布罗峰值略有高估（约0.0013）。

火山对SAOD、辐射强迫和加热率的影响：模拟显示，2003–2005年火山活动平静期，热带区域SAOD异常增加0.0006 ± 0.0004，全球增加0.00096 ± 0.00081；2005–2013年多次火山喷发期间，热带SAOD平均增加0.0014 ± 0.0011，全球增加0.0023 ± 0.0019。SAOD峰值出现在2006年（拉包尔）、2009年（萨雷切夫）和2011年（纳布罗）。模式显示2008–2012年间卡萨托奇、萨雷切夫和纳布罗喷发使全球SAOD增加38.2%，与Andersson等（2015）报道的30%增幅基本一致。辐射强迫方面，2003–2013年平均全球TOA辐射强迫降低0.34 ± 0.17 W m^-2，热带降低0.45 ± 0.21 W m^-2；全球地表辐射强迫降低0.37 ± 0.23 W m^-2，热带降低0.47 ± 0.26 W m^-2。加热率方面，全球平均增加0.01 ± 0.009 × 10^?2 K d^-1，热带增加0.051 ± 0.04 × 10^?2 K d^-1，2012年后随平流层硫酸盐气溶胶减少而下降。硫酸盐气溶胶浓度在2003–2004年平静期仅增加23.32 ± 2 ng m^-3，2005–2013年显著增加59.60 ± 11 ng m^-3，且气溶胶在喷发后可在平流层存留2–3年。

火山硫酸盐气溶胶对QBO的影响：VAL0模拟显示QBO东风位相下传速度（约22–26个月周期）快于西风位相（约24–36个月周期）。VAL?VAL0异常与VAL0在32 hPa和10 hPa两个高度层均呈明显反位相，表明火山扰动使QBO位相发生反转。纬度–气压剖面显示，VAL0模拟的QBO纬向风在赤道附近呈双峰结构，峰值位于32 hPa和5 hPa，最小值位于20 hPa。加入火山强迫后，热带平流层中下层（32–10 hPa）纬向风速减弱、温度升高，而上平流层（5–1 hPa）赤道附近风速增强、温度降低。机制分析表明，火山硫酸盐气溶胶吸收近红外和长波辐射，对热带低平流层产生异常加热，在赤道加热区与较冷副热带之间形成经向温度梯度，通过热成风平衡在赤道70–20 hPa产生东风切变，从而扰乱QBO位相。同时，火山导致热带低平流层H₂SO₄浓度升高，可能通过化学途径促进臭氧损耗。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，研究结果与其他模式存在一定差异。例如，Brühl等（2015）使用EMAC模式报道2002–2012年热带火山喷发使SAOD增加0.001–0.01，辐射强迫降低?0.1至?0.26 W m^-2；Schmidt等（2018）使用CESM1-WACCM模式估计2005–2014年SAOD增强0.0076，全球平均辐射强迫降低?0.10 W m^-2。这些差异主要源于各模式在火山SO₂排放清单、注入方案和气溶胶参数化方面的不同。

研究结论可概括为：第一，2003–2013年火山喷发使热带SAOD升高0.0012 ± 0.00095，在热带区域产生负辐射强迫（TOA：?0.45 ± 0.21 W m^-2；地表：?0.47 ± 0.26 W m^-2）。第二，火山喷发使热带低平流层硫酸盐气溶胶增加56.60 ± 11 ng m^-3，低平流层加热率升高0.05 ± 0.02 × 10^?2 K d^-1，这一加热导致QBO东风与西风位相相互反转。第三，火山硫酸盐气溶胶使赤道附近约5 hPa QBO风速增强、约20 hPa风速减弱，同时伴随温度升高和H₂SO₄浓度增加，后者可能促进臭氧损耗。研究明确指出，中型和大型火山对QBO具有调制作用，但由于排放清单、输运过程和参数化的差异，不同模式结果可能有所不同。鉴于QBO可调制热带对流和气旋活动进而影响极端天气，在气候预测中合理表征火山气溶胶强迫及其与QBO的相互作用具有重要意义。