湯加火山噴發SO2全球傳輸擴散態勢模擬研究

宿興濤,鄧志武,安 豪

湯加火山噴發SO2全球傳輸擴散態勢模擬研究

宿興濤1,2*,鄧志武1,安 豪1

(1.北京應用氣象研究所,北京 100029；2.中國科學院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學國家重點實驗室(LAPC),北京 100029)

針對2022年1月湯加火山噴發SO2全球擴散態勢,采用拉格朗日粒子擴散模式(FLEXPART),基于衛星監測信息對SO2源項進行評估和設計,在此基礎上開展數值模擬(截至2022年2月20日).結果表明,火山噴發初期模式對SO2南北擴散范圍模擬偏窄,但隨著時間演變與觀測呈現逐漸吻合趨勢;SO2主體位于南半球,向西傳輸區域主要位于0～30oS緯度帶,最大傳輸速度約22.5o/d,在研究時段跨赤道傳輸作用弱,對北半球和我國影響小;SO2在西向傳輸過程中總體保持前高后低傾斜態勢,傳輸最快高度和向上擴散最大高度分別位于27km和31km左右;截至2月20日,SO2累積地面沉降已擴展至60oN以南全球大部分區域,主要區域位于0～50oS緯度帶,沉降最強地區位于澳大利亞東部、湯加火山西北部和南美洲南部.研究結果可為湯加火山氣候效應評估提供數據支撐和思路借鑒.

湯加火山；SO2；擴散；FLEXPART

SO2是一種主要的大氣污染物,對大氣環境、人類健康和全球氣候均具有重要影響.空氣質量和氣候研究均需要準確的SO2時空分布信息[1-2].SO2主要來自人為排放源,包括含硫燃料燃燒、石油化工、金屬冶煉等過程[3],但來自火山噴發等的自然排放源同樣起著重要作用[4].衛星觀測表明,2005～2015年全球火山每年大約噴出(2000～2500)′107kg SO2進入大氣[5].SO2能轉化為硫酸鹽氣溶膠,由于對太陽輻射具有強烈的反射作用,可對地球氣候能產生較強的致冷效應[6].因此,火山噴發SO2質量及其時空分布對于研究其氣候效應具有重要價值.

受風、降水等因素影響,火山噴發物擴散過程具有一定不確定性[7],其主要觀測手段包括衛星遙感、雷達、探空氣球、數值模擬等,而數千公里以上大范圍擴散研究又以衛星遙感和數值模擬為主.衛星遙感能夠實時、準確獲取火山噴發信息,是定量監測火山噴發物擴散態勢的有效手段,從20世紀80年代開始得到快速發展,并呈現出傳感器類型不斷增多、多源傳感器組合監測、分辨率不斷提高、監測精度逐漸增高等發展趨勢[8-10].在紫外光吸收法、模式識別法、分裂窗亮溫差法等監測算法基礎上[8],近年來又逐漸發展了機器學習算法[11-12].數值模擬方面,主要有天氣尺度和氣候尺度兩種模式,包含PUFF、HYSPLIT、WRF-Chem、GCM、CAM等多種類型[13-14].由于中國并不是火山噴發的高危區域,以往對火山噴發擴散的研究很少[15],有限的研究多集中在火山灰云衛星反演算法方面[8,16],基于數值模式的擴散研究還不多見.

2022年1月13日(世界時,下同)開始,位于南太平洋湯加洪阿哈阿帕伊島的海底火山發生了劇烈噴發.此次爆發等級為普林尼式,火山爆發指數VEI指數(根據火山噴發物體積與噴發柱高度來衡量火山爆發強烈程度)大約為5級[17],屬于本世紀以來最強.Zhang等[17]采用簡單輻射平衡模式評估表明,未來1-2年全球平均地表氣溫約下降0.0315～0.1118℃.Zuo等[18]利用火山爆發后次年地表冷卻幅度與火山強度之間存在的準線性關系,估算得出湯加火山爆發后次年全球平均地表溫度下降0.004℃.兩篇文獻重點聚焦湯加火山噴發帶來的氣候效應,研究方法均為估算方式,未直接通過研究火山噴發物如SO2、火山灰的空間分布、輻射強迫進而得出地表溫度的變化情況.

火山噴發通過改變氣候、大氣環境、電離層等多種方式對地球產生影響.海底火山爆發還會產生海嘯,對沿海設施和人類生命造成威脅.國內外普遍關注火山噴發對全球氣溫的影響.雖然Zhang等[17]和Zuo等[18]評估給出湯加火山全球溫度降幅介于約0.004～ 0.1118℃,但兩項研究均采用的是對比和間接的方法,未直接采用湯加火山噴發物的時空分布信息進行計算,因此其評估準確性存在很大不確定性.基于此,本文采用一種粒子擴散模式,以SO2為研究對象,通過模擬給出湯加火山噴發后短期內SO2大氣傳輸擴散態勢和時空分布特征,有望為其他湯加火山氣候效應評估提供直接的數據支撐和思路借鑒.

1 模式介紹與試驗設計

1.1 模式介紹

本文采用FLEXPART模式作為研究工具.該模式是一種開源的拉格朗日粒子擴散模式,最初被用來研究長距離、中尺度的點源空氣污染擴散問題,該模式經過多年發展已經成為模擬和分析大氣傳輸的重要工具,可覆蓋從幾十米到全球多種空間尺度,以及從空氣污染到大氣傳輸、溫室氣體、水循環、火山灰等多個領域[19-20].FLEXPART模式通過計算點、線、面或體源釋放的粒子軌跡,描述示蹤物在大氣中長距離和中尺度的傳輸、擴散、干濕沉降和輻射衰減等過程.同時,通過時間前向運算來模擬示蹤物由源區向周圍的擴散,也可通過后向運算來確定對固定站點有影響的潛在源區分布(格點駐留時間,也稱敏感性系數或印痕函數).FLEXPART模式核心是污染物的源匯關系,采用零加速度方案計算粒子軌跡,可表示為:

模式還涉及邊界層參數化、濕沉降、干沉降、放射性衰減、粒子質量損耗等過程,關于該模式的詳細描述請參考文獻Pisso等[19]和Stohl等[20]. FLEXPART模式是一種拉格朗日粒子模式,相比于歐拉模式,具有無數值擴散、獨立于計算網格、運算效率高等優點.另外,該模式移植方便,可與多種氣象模式進行耦合使用.需要指出的是,FLEXPART是一種離線模式,需要使用再分析、預報等氣象資料作為驅動場.同時,該模式適用于物理化學性質較為穩定的污染物種類,對于容易在空氣中發生物理化學反應的污染物種類描述具有局限性.

1.2 源項評估與設計

準確的SO2噴發源項信息對于模式模擬效果至關重要.源項信息主要包括噴發位置(經度、緯度、高度)、噴發時間、噴發速率(噴發質量)、噴發高度分布(噴發形狀或質量分布)等.由于缺乏現場直接觀測數據,采用美國國家航空航天局大氣化學與動力實驗室全球SO2監測網提供的湯加火山噴發信息(https://so2.gsfc.nasa.gov/index.html).此次湯加火山噴發主要發生在兩個時段,分別為13日15:00～ 15:30、15日04:00～10:00.有多個衛星傳感器對SO2質量進行了評估,但由于傳感器性能、反演算法等原因導致結果存在一定差異.其中,對于13日噴發釋放的SO2質量,Aura/OMI(臭氧監測儀)監測評估約5.848′107kg(監測時間14日01:17～01:20),Suomi NPP/OMPS(臭氧剖面制圖儀)評估約6.796′107kg (監測時間14日00:49～00:52),Sentinel-5P/TROPOMI評估約5.312′107kg(監測時間14日00:53～02:36).3種傳感器發射時間和反演數據分辨率不同,但監測時間基本一致.

表1 湯加火山噴發SO2源項信息

本文采用發射時間較晚、可靠性和分辨率相對較高的Sentinel-5P/TROPOMI的評估結果,即5.312′107kg.15日火山噴發SO2質量只被Suomi NPP/OMPS捕獲到,監測時間為16日00:09～03:37, SO2質量約為42.053′107kg,由于此時包括了第一次噴發的SO2質量,減掉后得到第二次噴發的SO2質量約為36.741′107kg.OMPS-LP資料顯示,13日、15日噴發高度分別達到約20km、28～30km,本文采用28km;第二次火山噴發向對流層排放的SO2很少,絕大部分進入到平流層.根據上述信息,在設計第二次噴發源項時將噴入對流層和平流層的SO2質量比例設置為1:9,第一次噴發源項設計相同.張譽等[21]研究表明,熱帶地區20°S附近對流層比較穩定保持在17km左右,因此第二次噴發低層和高層分界以17km高度為界,第一次噴發按照相同比例設置為約12km.由于噴發火山為海底火山,噴入大氣起始高度設置為從海平面開始.同時假定在火山兩次噴發持續時間內火山噴發SO2強度保持不變.綜合以上信息,表1給出了本文設計的湯加火山噴發SO2具體源項信息.需要指出的是,Zhang等[17]研究重點關注湯加火山長期氣候效應,其在設計源項時根據過去火山活動指數和估算火山噴發指數的判據,估算得到湯加火山VEI為5級.Zuo等[18]源項設計直接采用了NASA大氣化學與動力實驗室全球SO2監測網提供的第二次噴發SO2總質量(約0.4Tg).上述兩項研究僅估算或直接引用了VEI、總質量等火山噴發總的表征指標,未涉及源項三維分布、時間變化等信息.

1.3 試驗設計

模式模擬區域水平范圍為全球(區域R1),分辨率為1°×1°,格點數為360′180;垂直范圍為地面至40km,共分為80層,分辨率為500m.為刻畫主要分布區域SO2更細致的信息,對南半球(東西向全球,南北向0～40°S)區域進行了嵌套輸出(區域R2),水平分辨率為0.25°×0.25°,格點數為1440′160,垂直范圍相同.區域R1和R2范圍及相關模式參數設置分別見圖1和表2.模擬時間為1月13日0:00至2月20日0:00,模式驅動場采用間隔6h的NCEP FNL全球再分析資料,水平分辨率為1°×1°,其垂直范圍為海平面至0.01hPa.

圖1 模擬區域范圍(R1為全球,R2為嵌套輸出區域)

表2 模擬區域參數設置

2 模擬性能檢驗

為檢驗模式模擬性能,采用模擬SO2多布森單位分布與NASA網站發布的湯加火山噴發SO2監測圖像進行對比,時間為第二次火山噴發后1月16日～ 1月21日(圖2),對比的主要指標見表3.

監測圖像優先采用Sentinel-5P衛星OMI圖像,當日無監測時采用NPP衛星OMPS圖像.由圖2可見,16日3:00,監測顯示SO2主要位于(15°S～25°S, 160°E～180°E)區域,高值區位于(20°S,175°E)周邊幾個經緯度范圍,數值最大在20DU以上.相比監測,模擬SO2主體區域位置基本一致,包括對170°W～ 175°W低值區的刻畫,但南北跨度較窄,20DU以上高值區南北跨度約3～4個緯度,較監測小約2個緯度,高值區東西跨度較監測寬約4個經度.另外,模式對高值區西側20DU以下區域模擬范圍明顯偏小.17日5:00,監測顯示SO2已抵達澳大利亞東北部140°E附近,主體區域位于澳大利亞東北部海域,海上SO2整體分布呈西偏北走向.模式總體再現了上述特征,包括高值區位置,但SO2擴散前鋒位置明顯偏東.與16日相似,主體區域模擬范圍的南北跨度偏窄.18日6:00,SO2主體抵達130°E附近,其東部海域上空SO2呈西北―東南分布,模式總體再現了上述分布特征,但在澳大利亞北部區域范圍的南北跨度同樣較監測偏窄,數值偏大.19日8:00, SO2主體抵達130°E以東,澳大利亞西北部海域和北部沿海地區存在5DU以上的高值區,且澳大利亞北部SO2到達10°S附近,南部到達27°S附近.模擬顯示,SO2主體位置與監測相近,包括主體西北部三角形前鋒形狀,但5DU以上高值區范圍偏大.20日9:00,監測和模擬均顯示噴發物抵達80°E附近,主體均位于澳大利亞西北海域.21日11:00,污染物前鋒抵達非洲馬達加斯加東北部海域,主體位于55°E-120°E區間,北側污染物傳輸較快特征也得到重現.

總體來看,數值模式總體再現了火山噴發SO2在1月16日～21日期間的傳輸擴散特征,尤其是SO2前鋒所處位置的模擬與觀測基本一致.同時,雖然模式對于SO2南北擴散范圍的模擬總體偏窄,但主要體現在火山噴發初期,隨著時間發展SO2總體分布特征演變呈現與觀測逐漸吻合的趨勢.1月19～21日(180°E,30°S)附近的SO2未得到重現,關于其是否來自15日之后火山低強度噴發產生的SO2,有待后續進一步研究.除模式本身局限、源項設計等因素外,模式模擬與衛星觀測存在差異的原因還可能是衛星監測產品為平流層低層SO2柱含量STL產品.該產品反映的是較為理想的污染物垂直分布假設,其中心質量高度為18km,而本次湯加火山噴發SO2從海平面至30km左右高度均有分布,其分布情況與衛星存在差異.需要指出的是,雖然衛星監測短期SO2擴散態勢具有優勢,但隨著時間發展伴隨擴散、沉降等過程發生,SO2濃度逐漸降低,已逐漸在衛星圖像中難以分辨,而采用數值模式是研究相對較長時間火山噴發SO2濃度及其氣候效應的最佳選擇之一.

表3 性能檢驗指標

3 全球傳輸擴散態勢

3.1 水平擴散

圖3為1月16日～2月20日間隔5d的SO2水平分布,圖4為相應日期55°S～5°N緯度帶SO2主要傳輸高度20～30km(圖5)平均水平風場.由圖3可見,火山噴發后SO2在向周圍擴散的同時,位于平流層的SO2快速向西擴散(圖5),傳輸區間主要位于0～30°S緯度帶.由圖4可見,研究時段南半球正值夏季,相對平直的東風急流主導低緯度平流層風場,由于SO2噴發時大部分直接進入平流層,因此SO2主體在急流作用下快速向西傳輸.1月16日向西到達澳大利亞東部170°E附近,1月21日抵達60°E附近,1月26日抵達南美洲東部地區,1月31日0:00即抵達湯加火山所處的175°W附近,此時SO2前鋒已基本完成環繞地球一周的傳輸.從15日第二次噴發起算,時間約為16d,由此可得出SO2擴散前鋒西向傳輸速度約為22.5°/d.另外,SO2在東西向傳輸擴散的同時,也存在一定的南北向擴散趨勢.1月16日向北即將達到赤道附近,1月21日已有部分跨越赤道到達北半球,但范圍和數值很小,在0.5DU以下,并且位于湯加火山附近的SO2向南擴散至45°S附近.1月26日,位于180°E附近的SO2向北到達10°N附近,南側位于40°S附近.總的來看,由于南北半球風場環流相對獨立,在一個多月時間內,SO2主體位于南半球,并在平流層高速向西傳輸,但跨赤道傳輸弱,對北半球和我國影響較小.

圖3 1月16日～2月20日SO2水平分布(DU)

圖4 1月16日～2月20日20～30km高度平均水平風場(m/s)

3.2 垂直擴散

選擇東西向主要傳輸區間0～30°S緯度帶,圖5給出了SO2在1月16日～2月20日間隔5d的垂直擴散.

圖6 1月16日～2月20日10～1000hPa高度沿0～40oS緯度帶平均垂直風場和溫度場(℃)

圖6為10～1000hPa高度沿0～40°S緯度帶平均垂直風場.由圖可見,在第二次噴發不久的1月16日0:00,大約以17km高度為界,17km以下SO2基本保持在火山噴發所處經度附近,東西向擴散范圍小;17km高度以上在東風急流作用下逐漸開始向西向上擴散,最大高度位于30km附近,最大濃度在20μg/m3以上;20km高度SO2存在一支西向分叉,最大濃度在2μg/m3以上,該部分主要來自第一次火山噴發,已抵達160°E附近.1月21日,SO2主體以17～18km高度為界分隔為兩部分,該高度以上SO2發生明顯的向西傳輸,傳輸最前沿位于27km高度附近,由于上層風速整體較下層大,SO2傳輸區域自上而下呈傾斜分布;17～18km高度以下SO2總體位于170°E～160°W經度帶.1月26日,位于平流層的SO2,向西傳輸最快的高度依然處在27km附近,并抵達60°W附近,最下端傳輸相對較慢,尚位于80°E附近,東西向跨度達到約140個經度.原來主體位于對流層的SO2,在擴散作用下主要位于15～20km高度、170°E附近,15km高度以下SO2濃度已經很低.1月31日,位于平流層的SO2前鋒已抵達170°W,高度位于25～28km,最前沿同樣在27km高度附近.同水平分布相同,此時位于平流層的SO2已基本完成繞地球一周傳輸.26日位于15～20km高度、170°E附近的SO2,除少部分向東傳輸外,大部分開始向西傳輸,并抵達80°E附近.2月5日以后,原來上下分層的SO2,已逐漸合為一個整體,自上而下整體呈上快下慢的傾斜分布態勢,最大高度在31km左右,最快傳輸高度保持在27km,最下層高度在擴散作用下逐漸抬升,至2月20日位于18km高度附近.2月9日上層傳輸最快的SO2已追上下層,此時SO2完成東西向橫跨全球覆蓋.2月16日27km高度最快傳輸的SO2已完成繞地球第二周傳輸,傳輸速度同第一周基本相同.根據圖6,17～18km對應100hPa左右高度層,處于上層東風與下層對流層風場過渡或轉換地帶,在該高度上下出現不同傳輸態勢;27km左右東風風速最大,因此該高度SO2傳輸最快.總體來看,火山噴發SO2在西向傳輸過程中總體保持前高后低傾斜態勢,最快傳輸高度在27km左右,傳輸速度保持在22.5o/d.

3.3 地面沉降

SO2在向全球傳輸擴散的同時,在云內清除、云下清除、降水沖刷、下沉氣流等作用下,也逐漸產生地面沉降.圖7給出了1月20日～2月20日間隔10d的SO2全球累積沉降分布.由圖7可見,1月20日沉降主要發生在火山以西、160°E以東區域,1月30日沉降逐漸擴展至澳大利亞東部至南美洲中南部10°S～60°S緯度帶,并存在澳大利亞東部至湯加火山、南美洲中南部及鄰近海域2個沉降集中區域.2月10日,累積沉降通量已覆蓋南半球,主要區域位于0～50°S緯度區間,最南端和最北端分別到達南極洲和我國青藏高原.2月20日,累積沉降擴展至全球更大區域,高值區和沉降集中區域位于0～50°S緯度,大部分數值在2μg/m2以上,沉降最大值主要出現在澳大利亞東部、湯加火山西北部和南美洲南部地區,最大值在200μg/m2以上.最北端如我國華南和青藏高原地區、美國和墨西哥西部地區以及歐洲均產生沉降,青藏高原出現100～200μg/m2的沉降極值中心.由圖6可見,沉降最大值出現地區下沉氣流出現頻率較高,是促使地面沉降發生的重要原因之一.

圖7 1月20日～2月20日SO2全球累積沉降通量分布(μg/m2)

3.4 不確定性分析

本研究還存在一些不確定性有待在今后工作中改進.首先,源項設計帶來的不確定性.由于觀測資料的缺乏,在確定模式輸入SO2源項時將其設計為從海平面至平流層與地面垂直的直線形狀,并將其在對流層和平流層的質量比例設置為1:9,同時假設火山噴發期間強度保持不變.這種較為理想的源項設計與實際情形存在差異,下一步可根據更詳細的立體探測信息優化源項設計方案.其次,模式對SO2生消演變過程描述能力帶來的不確定性.模式中考慮的SO2物理化學過程包括干沉降、濕沉降、OH反應等,與實際大氣中SO2完整的生消演變過程存在差異.另外,模式驅動場資料帶來的不確定性.模式采用的驅動場資料來自NCEP再分析資料,該資料在上對流層和下平流層的風場與實際存在一定誤差[22],由此可帶來對SO2時空分布模擬的誤差.

4 結論

4.1 在火山噴發初期一周左右時間,模式總體再現了SO2傳輸擴散特征,雖然南北擴散范圍模擬偏窄,但隨著時間演變與觀測呈現逐漸吻合趨勢.

4.2 從水平分布看,SO2主體位于南半球,并在平流層0～30°S緯度帶高速向西傳輸,1月31日完成了環繞地球一周傳輸,平均傳輸速度約22.5°/d.由于南北半球風場環流相對獨立,在研究時段內SO2跨赤道傳輸弱,對北半球和我國影響不大.

4.3 從垂直分布看,SO2在西向傳輸過程中總體保持前高后低傾斜態勢,傳輸最快高度位于27km左右,向上擴散最大高度位于31km左右,2月16日傳輸最快部分SO2已完成繞地球第二周傳輸.

4.4 從沉降分布看,截至2月20日,沉降已擴展至60°N以南全球大部分區域,但主要發生區域在0～ 50°S緯度帶,沉降最大值出現在澳大利亞東部、湯加火山西北部和南美洲南部地區,最大值在200μg/m2以上.最北端如我國華南和青藏高原地區、美國和墨西哥西部地區以及歐洲均產生沉降,青藏高原出現100～200μg/m2的沉降極值中心.

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致謝：圖1采用的SO2衛星監測圖片來自NASA大氣化學與動力實驗室全球SO2監測網,在此表示感謝.

Simulation study on global diffusional transmission of SO2from Tonga volcano eruption.

SU Xing-tao*, DENG Zhi-wu1, AN Hao1

(1.Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China；2.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry(LAPC), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Acdemy of Sciences, Beijing 100029, China)., 2023,43(1)：96～106

The Lagrangian particle diffusion model FLEXPART (FLEXible PARTicle dispersion model) was applied to study the global SO2diffusion from the Tonga volcano eruption in January 2022. The SO2source was evaluated and designed based on satellite monitoring information, and the numerical simulation was conducted untill 20th February 2022. The model presented a rather narrower extent of SO2diffusion in north-south direction in the early stage of the volcano eruption. Later on, the simulated diffusion extent was graduallly in consistent with the observations. The SO2was mainly concentrated in the southern hemisphere, and the westward transmission region was in the latitudes from 0 to 30oS with a maximum transmission velocity of 22.5o/d. The trans-equatorial transmission was weak in the study period and with weak influence on the northern hemisphere and China. The westward transmission of SO2showed inclined shape with higher front and lower rear. The rapidest upward transmission height and the maximum diffusion height were about 27km and 31km respectively. To February 20th, the SO2deposition was discovered rarely in a large extent to south of 60oN, the most parts of the world. The main deposition area was located in the latitudes form 0to 50oS, and the strongest deposition areas were located in eastern Australia, northwest of Tonga volcano, and in southern parts of South America. The research results can provide data support and ideas for Tonga volcano climate effect assessment.

Tonga volcano；SO2；diffusion；FLEXPART

X16,P435

A

1000-6923(2023)01-0096-11

宿興濤(1984-),男,山東聊城人,高級工程師,博士,主要從事大氣環境仿真研究.發表論文30余篇.

2022-06-06

國防科技基礎加強計劃資助項目(2021-JCJQ-JJ-1058)

* 責任作者, 高級工程師, suxingtao@mail.iap.ac.cn