火山气溶胶对全球和东亚夏季风影响的模拟研究

Explosive volcanic eruptions are known to be a leading cause of natural climate change. The Coupled Model Inter-comparison Project - Phase 6 (CMIP6) has promoted the Model Intercomparison Project on the climatic response to Volcanic forcing (VolMIP) as CMIP6-Endorsed MIPs, in order to understand the dominant mechanisms behind simulated post-eruption climate evolution. This project will investigate the global monsoon (GM) (especially the East Asian summer monsoon, EASM) response to large volcanic eruptions, and understand fundamental drivers for the GM response following the eruptions. Based on the CMIP6 VolMIP experiments, by comparing the multi-model results, we will evaluate the different influences of the low-latitude and high-latitude volcanic eruptions on the EASM circulation and the associated rainfall pattern over eastern China, and investigate the key physical processes that affect the differences. The sampling of nine different initial conditions, which spanning warm/cold/neutral and strong/weak/neutral states of El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), will allow revealing the uncertainty of the EASM responses to volcanic forcing, and allow a better understanding of the relative role of internal (ENSO, AMOC) and externally-forced (volcanic aerosols) climate variability during periods of strong volcanic activity.

火山活动是影响全球气候异常的重要自然因子。第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）设立“火山强迫的气候响应模拟比较计划”（VolMIP），以理解火山气溶胶的辐射强迫特征，揭示火山气溶胶对全球和区域气候的影响。本项目的目的，是揭示火山气溶胶对全球季风（重点是东亚夏季风）的影响及其机制。结合CMIP6 VolMIP国际计划的实施，通过多模式的试验比较，考察热带和高纬度火山爆发对东亚夏季风环流和中国东部降水格局的影响，揭示不同纬度火山活动影响东亚夏季风变化的关键过程；通过分析9组发生在不同气候状态下（包括强/弱/中性 ENSO和强/弱/中性 大洋经圈环流AMOC等）的火山气候影响模拟试验，理解不同气候背景下火山气溶胶对全球和东亚夏季风的不同影响，区分气候系统内部变率（ENSO和AMOC）和外强迫（火山气溶胶）对夏季风的影响异同。

全球季风区是全球人口分布密度最大的地区之一，季风活动的异常对社会经济发展有着重大影响。火山活动作为重要的自然强迫因子，理解其对全球季风降水的影响具有重要的科学意义。本项目基于多套重建数据、观测资料和气候模拟，揭示出南、北半球火山爆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，热带火山爆发导致全球季风区降水均减少。阐明了与环流变化相关的动力过程在降水响应中起着主导作用，北（南）半球火山爆发后北（南）半球季风区降水减少是由季风环流减弱造成的；北（南）半球火山爆发后南（北）半球季风区降水增加是由半球间温差变化带来的越赤道气流增强导致的。火山爆发导致全球干旱区变湿，跨半球干旱区降水的增加是由增强的越赤道气流带来的暖平流造成的，而热带火山爆发后全球干旱区降水的增加主要受季风-沙漠耦合机制控制。北半球和热带火山爆发后有显著的El Nino型海温异常，南半球火山爆发后El Nino型海温响应较弱。ITCZ移动引发的信风减弱可解释北半球火山爆发导致的El Niño型海温，但对热带和南半球火山爆发不适用。海洋动力恒温机制激发的西风异常，可解释太平洋海温对不同纬度火山爆发的响应及其不同特征。当火山爆发前为ENSO中性和暖位相时，火山爆发后发生El Niño型海温异常的概率显著提高；当海温背景态为ENSO冷位相时，El Niño型海温异常的发生概率显著减小。进一步阐明了直接辐射强迫和间接海温响应对火山爆发后降水变化的相对贡献，在北半球季风区，间接海温响应对降水的贡献小于直接辐射强迫的作用；在南半球季风区，海温响应对降水的调控作用大于火山直接辐射强迫的作用。与不考虑火山强迫和考虑背景态火山强迫相比，加入随时间变化的火山气溶胶强迫使得全球陆地季风区降水预估的不确定性增加约20%。火山强迫导致未来百年全球陆地季风区平均降水减少约10%，其中亚洲地区受影响最大。火山强迫可将人类活动影响的信号萌芽期出现的时间在超过全球陆地季风区60%的面积上平均推迟5年。