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火山喷发作为过去两千年气候变化最重要的自然外强迫因子，不仅显著影响年际至年代际尺度气候变化，而且促进地球多圈层物质能量交换。位于中朝交界的长白山（41.98°N，128.08°E）历史上已反复喷发多次，是我国东部新生代板内火山作用的代表，也是我国最大的一座具有潜在喷发风险的多成因活火山。长白山最近的一次大喷发（又称千年大喷发）被火山学界认为是过去2000年来全球最大规模的普林尼式火山喷发之一，喷发柱高度可能超过了30 km。岩石地球化学证据表明，千年大喷发向大气中排放了45 Tg的硫，然而却鲜有证据表明此次火山喷发对东亚气候产生了显著影响，其喷发年代也存在一定不确定性。鉴于此，中国科学院岩石圈演化与环境演变全国重点实验室杨媛媛硕士研究生、史锋副研究员、郭正府研究员、孙春青副研究员、郭正堂院士以及比利时法语鲁汶大学刘威博士生、薛慧鸿博士生、挪威奥斯陆大学卓志红博士和青海师范大学鄂崇毅教授合作，筛选了覆盖亚洲、加拿大、欧洲、美国对温度变化敏感的高分辨率树轮宽度代用记录，用以评估长白山千年大喷发的发生年代及气候影响。此外，基于通用地球系统模式（Community Earth System Model，CESM）开展了长白山火山敏感性试验，以探讨火山活动的气候影响。代用记录分析结果表明，亚洲、加拿大、欧洲和美国树轮宽度在公元945年出现了显著负异常（图1）。时序叠加分析方法（Superposed Epoch Analysis，SEA）分析表明，研究选取的树轮宽度记录大部分在火山喷发次年显著降低，这说明火山强迫与树轮宽度的负异常之间可能存在着密切的联系（图2）。因此，树轮记录在公元945年显著的负异常可能指示了千年大喷发的发生和其显著的气候影响。由于树轮宽度对强火山喷发的响应可能存在时滞效应，研究推测千年大喷发的时间可能在公元944–945年。图1 树轮宽度记录逐年分析结果。（a）呈负异常的树轮宽度记录数目；（b）反距离加权结果
图2 树轮宽度记录的时序叠加分析结果
基于岩石地球化学证据的模拟结果表明，火山喷发后中高纬大部分区域气温显著降低并持续了3年，喷发对降水的影响具体表现为梅雨带降水量增加，印度、中国南海降雨量减少（图3）。印度降水负异常可能受到火山喷发后南亚夏季风减弱的影响。由于海陆表面温度对辐照减少的反应不同，火山喷发后海陆温差对比降低，减弱了从海陆水汽输送与云量。区域云量的减少增加了地表接收的辐射，进而引发了印度的增温。此外，由于长白山天池火山的纬度位置为42°N，与布鲁尔-多布森环流（Brewer-Dobson circulation, BDC）下沉支的纬度位置对应，气团的动力学作用一定程度上干扰了气溶胶向两极的扩散。受阻的气溶胶扩散过程可能是岩石地球化学方法估计的硫排放量与冰芯中记录的硫量之间出现较大差异的原因。图3 火山喷发后夏季温度（左侧）与降水（右侧）异常空间分布。（a–f）敏感性试验1；（g–l）敏感性试验2长白山火山因其独特的地质环境条件、尚不明晰的气候影响和年代而备受关注。该研究基于北半球高分辨率代用记录，结合CESM火山敏感性试验对千年大喷发的气候响应进行了初步研究，为解释其年代和气候影响的争议提供了一种可能的解释。考虑到火山喷发后气溶胶的空间扩散难以精确评估，后续研究计划使用耦合了全大气化学模块的通用地球系统模式探讨火山喷出的硫化物在大气中的迁移转化过程，进一步将地质学、地球化学与气候模式模拟相结合，以期在更长的时间尺度上，更深入地解析火山活动对气候系统的影响机制。
研究成果发表于JGR-Atmospheres（杨媛媛，史锋*，郭正府，刘威，薛慧鸿，卓志红，孙春青，鄂崇毅，郭正堂. Climate Impacts of the Millennium Eruption of Changbaishan Volcano[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2024, 129(13): e2024JD040869. DOI: 10.1029/2024JD040869.）
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