宿興濤,鄧志武,安 豪

湯加火山噴發(fā)SO2全球傳輸擴(kuò)散態(tài)勢(shì)模擬研究

宿興濤1,2*,鄧志武1,安 豪1

(1.北京應(yīng)用氣象研究所,北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LAPC),北京 100029)

針對(duì)2022年1月湯加火山噴發(fā)SO2全球擴(kuò)散態(tài)勢(shì),采用拉格朗日粒子擴(kuò)散模式(FLEXPART),基于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)信息對(duì)SO2源項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估和設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上開(kāi)展數(shù)值模擬(截至2022年2月20日).結(jié)果表明,火山噴發(fā)初期模式對(duì)SO2南北擴(kuò)散范圍模擬偏窄,但隨著時(shí)間演變與觀測(cè)呈現(xiàn)逐漸吻合趨勢(shì);SO2主體位于南半球,向西傳輸區(qū)域主要位于0～30oS緯度帶,最大傳輸速度約22.5o/d,在研究時(shí)段跨赤道傳輸作用弱,對(duì)北半球和我國(guó)影響小;SO2在西向傳輸過(guò)程中總體保持前高后低傾斜態(tài)勢(shì),傳輸最快高度和向上擴(kuò)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(kuò)展至60oN以南全球大部分區(qū)域,主要區(qū)域位于0～50oS緯度帶,沉降最強(qiáng)地區(qū)位于澳大利亞?wèn)|部、湯加火山西北部和南美洲南部.研究結(jié)果可為湯加火山氣候效應(yīng)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐和思路借鑒.

湯加火山；SO2；擴(kuò)散；FLEXPART

SO2是一種主要的大氣污染物,對(duì)大氣環(huán)境、人類(lèi)健康和全球氣候均具有重要影響.空氣質(zhì)量和氣候研究均需要準(zhǔn)確的SO2時(shí)空分布信息[1-2].SO2主要來(lái)自人為排放源,包括含硫燃料燃燒、石油化工、金屬冶煉等過(guò)程[3],但來(lái)自火山噴發(fā)等的自然排放源同樣起著重要作用[4].衛(wèi)星觀測(cè)表明,2005～2015年全球火山每年大約噴出(2000～2500)′107kg SO2進(jìn)入大氣[5].SO2能轉(zhuǎn)化為硫酸鹽氣溶膠,由于對(duì)太陽(yáng)輻射具有強(qiáng)烈的反射作用,可對(duì)地球氣候能產(chǎn)生較強(qiáng)的致冷效應(yīng)[6].因此,火山噴發(fā)SO2質(zhì)量及其時(shí)空分布對(duì)于研究其氣候效應(yīng)具有重要價(jià)值.

受風(fēng)、降水等因素影響,火山噴發(fā)物擴(kuò)散過(guò)程具有一定不確定性[7],其主要觀測(cè)手段包括衛(wèi)星遙感、雷達(dá)、探空氣球、數(shù)值模擬等,而數(shù)千公里以上大范圍擴(kuò)散研究又以衛(wèi)星遙感和數(shù)值模擬為主.衛(wèi)星遙感能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確獲取火山噴發(fā)信息,是定量監(jiān)測(cè)火山噴發(fā)物擴(kuò)散態(tài)勢(shì)的有效手段,從20世紀(jì)80年代開(kāi)始得到快速發(fā)展,并呈現(xiàn)出傳感器類(lèi)型不斷增多、多源傳感器組合監(jiān)測(cè)、分辨率不斷提高、監(jiān)測(cè)精度逐漸增高等發(fā)展趨勢(shì)[8-10].在紫外光吸收法、模式識(shí)別法、分裂窗亮溫差法等監(jiān)測(cè)算法基礎(chǔ)上[8],近年來(lái)又逐漸發(fā)展了機(jī)器學(xué)習(xí)算法[11-12].數(shù)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(lèi)型[13-14].由于中國(guó)并不是火山噴發(fā)的高危區(qū)域,以往對(duì)火山噴發(fā)擴(kuò)散的研究很少[15],有限的研究多集中在火山灰云衛(wèi)星反演算法方面[8,16],基于數(shù)值模式的擴(kuò)散研究還不多見(jiàn).

2022年1月13日(世界時(shí),下同)開(kāi)始,位于南太平洋湯加洪阿哈阿帕伊島的海底火山發(fā)生了劇烈噴發(fā).此次爆發(fā)等級(jí)為普林尼式,火山爆發(fā)指數(shù)VEI指數(shù)(根據(jù)火山噴發(fā)物體積與噴發(fā)柱高度來(lái)衡量火山爆發(fā)強(qiáng)烈程度)大約為5級(jí)[17],屬于本世紀(jì)以來(lái)最強(qiáng).Zhang等[17]采用簡(jiǎn)單輻射平衡模式評(píng)估表明,未來(lái)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(fā)后次年地表冷卻幅度與火山強(qiáng)度之間存在的準(zhǔn)線性關(guān)系,估算得出湯加火山爆發(fā)后次年全球平均地表溫度下降0.004℃.兩篇文獻(xiàn)重點(diǎn)聚焦湯加火山噴發(fā)帶來(lái)的氣候效應(yīng),研究方法均為估算方式,未直接通過(guò)研究火山噴發(fā)物如SO2、火山灰的空間分布、輻射強(qiáng)迫進(jìn)而得出地表溫度的變化情況.

火山噴發(fā)通過(guò)改變氣候、大氣環(huán)境、電離層等多種方式對(duì)地球產(chǎn)生影響.海底火山爆發(fā)還會(huì)產(chǎn)生海嘯,對(duì)沿海設(shè)施和人類(lèi)生命造成威脅.國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注火山噴發(fā)對(duì)全球氣溫的影響.雖然Zhang等[17]和Zuo等[18]評(píng)估給出湯加火山全球溫度降幅介于約0.004～ 0.1118℃,但兩項(xiàng)研究均采用的是對(duì)比和間接的方法,未直接采用湯加火山噴發(fā)物的時(shí)空分布信息進(jìn)行計(jì)算,因此其評(píng)估準(zhǔn)確性存在很大不確定性.基于此,本文采用一種粒子擴(kuò)散模式,以SO2為研究對(duì)象,通過(guò)模擬給出湯加火山噴發(fā)后短期內(nèi)SO2大氣傳輸擴(kuò)散態(tài)勢(shì)和時(shí)空分布特征,有望為其他湯加火山氣候效應(yīng)評(píng)估提供直接的數(shù)據(jù)支撐和思路借鑒.

1 模式介紹與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(kāi)源的拉格朗日粒子擴(kuò)散模式,最初被用來(lái)研究長(zhǎng)距離、中尺度的點(diǎn)源空氣污染擴(kuò)散問(wèn)題,該模式經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)成為模擬和分析大氣傳輸?shù)闹匾ぞ?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(huán)、火山灰等多個(gè)領(lǐng)域[19-20].FLEXPART模式通過(guò)計(jì)算點(diǎn)、線、面或體源釋放的粒子軌跡,描述示蹤物在大氣中長(zhǎng)距離和中尺度的傳輸、擴(kuò)散、干濕沉降和輻射衰減等過(guò)程.同時(shí),通過(guò)時(shí)間前向運(yùn)算來(lái)模擬示蹤物由源區(qū)向周?chē)臄U(kuò)散,也可通過(guò)后向運(yùn)算來(lái)確定對(duì)固定站點(diǎn)有影響的潛在源區(qū)分布(格點(diǎn)駐留時(shí)間,也稱(chēng)敏感性系數(shù)或印痕函數(shù)).FLEXPART模式核心是污染物的源匯關(guān)系,采用零加速度方案計(jì)算粒子軌跡,可表示為:

模式還涉及邊界層參數(shù)化、濕沉降、干沉降、放射性衰減、粒子質(zhì)量損耗等過(guò)程,關(guān)于該模式的詳細(xì)描述請(qǐng)參考文獻(xiàn)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(wú)數(shù)值擴(kuò)散、獨(dú)立于計(jì)算網(wǎng)格、運(yùn)算效率高等優(yōu)點(diǎn).另外,該模式移植方便,可與多種氣象模式進(jìn)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(yù)報(bào)等氣象資料作為驅(qū)動(dòng)場(chǎng).同時(shí),該模式適用于物理化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的污染物種類(lèi),對(duì)于容易在空氣中發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的污染物種類(lèi)描述具有局限性.

1.2 源項(xiàng)評(píng)估與設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確的SO2噴發(fā)源項(xiàng)信息對(duì)于模式模擬效果至關(guān)重要.源項(xiàng)信息主要包括噴發(fā)位置(經(jīng)度、緯度、高度)、噴發(fā)時(shí)間、噴發(fā)速率(噴發(fā)質(zhì)量)、噴發(fā)高度分布(噴發(fā)形狀或質(zhì)量分布)等.由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)數(shù)據(jù),采用美國(guó)國(guó)家航空航天局大氣化學(xué)與動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室全球SO2監(jiān)測(cè)網(wǎng)提供的湯加火山噴發(fā)信息(https://so2.gsfc.nasa.gov/index.html).此次湯加火山噴發(fā)主要發(fā)生在兩個(gè)時(shí)段,分別為13日15:00～ 15:30、15日04:00～10:00.有多個(gè)衛(wèi)星傳感器對(duì)SO2質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估,但由于傳感器性能、反演算法等原因?qū)е陆Y(jié)果存在一定差異.其中,對(duì)于13日噴發(fā)釋放的SO2質(zhì)量,Aura/OMI(臭氧監(jiān)測(cè)儀)監(jiān)測(cè)評(píng)估約5.848′107kg(監(jiān)測(cè)時(shí)間14日01:17～01:20),Suomi NPP/OMPS(臭氧剖面制圖儀)評(píng)估約6.796′107kg (監(jiān)測(cè)時(shí)間14日00:49～00:52),Sentinel-5P/TROPOMI評(píng)估約5.312′107kg(監(jiān)測(cè)時(shí)間14日00:53～02:36).3種傳感器發(fā)射時(shí)間和反演數(shù)據(jù)分辨率不同,但監(jiān)測(cè)時(shí)間基本一致.

表1 湯加火山噴發(fā)SO2源項(xiàng)信息

本文采用發(fā)射時(shí)間較晚、可靠性和分辨率相對(duì)較高的Sentinel-5P/TROPOMI的評(píng)估結(jié)果,即5.312′107kg.15日火山噴發(fā)SO2質(zhì)量只被Suomi NPP/OMPS捕獲到,監(jiān)測(cè)時(shí)間為16日00:09～03:37, SO2質(zhì)量約為42.053′107kg,由于此時(shí)包括了第一次噴發(fā)的SO2質(zhì)量,減掉后得到第二次噴發(fā)的SO2質(zhì)量約為36.741′107kg.OMPS-LP資料顯示,13日、15日噴發(fā)高度分別達(dá)到約20km、28～30km,本文采用28km;第二次火山噴發(fā)向?qū)α鲗优欧诺腟O2很少,絕大部分進(jìn)入到平流層.根據(jù)上述信息,在設(shè)計(jì)第二次噴發(fā)源項(xiàng)時(shí)將噴入對(duì)流層和平流層的SO2質(zhì)量比例設(shè)置為1:9,第一次噴發(fā)源項(xiàng)設(shè)計(jì)相同.張譽(yù)等[21]研究表明,熱帶地區(qū)20°S附近對(duì)流層比較穩(wěn)定保持在17km左右,因此第二次噴發(fā)低層和高層分界以17km高度為界,第一次噴發(fā)按照相同比例設(shè)置為約12km.由于噴發(fā)火山為海底火山,噴入大氣起始高度設(shè)置為從海平面開(kāi)始.同時(shí)假定在火山兩次噴發(fā)持續(xù)時(shí)間內(nèi)火山噴發(fā)SO2強(qiáng)度保持不變.綜合以上信息,表1給出了本文設(shè)計(jì)的湯加火山噴發(fā)SO2具體源項(xiàng)信息.需要指出的是,Zhang等[17]研究重點(diǎn)關(guān)注湯加火山長(zhǎng)期氣候效應(yīng),其在設(shè)計(jì)源項(xiàng)時(shí)根據(jù)過(guò)去火山活動(dòng)指數(shù)和估算火山噴發(fā)指數(shù)的判據(jù),估算得到湯加火山VEI為5級(jí).Zuo等[18]源項(xiàng)設(shè)計(jì)直接采用了NASA大氣化學(xué)與動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室全球SO2監(jiān)測(cè)網(wǎng)提供的第二次噴發(fā)SO2總質(zhì)量(約0.4Tg).上述兩項(xiàng)研究?jī)H估算或直接引用了VEI、總質(zhì)量等火山噴發(fā)總的表征指標(biāo),未涉及源項(xiàng)三維分布、時(shí)間變化等信息.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模式模擬區(qū)域水平范圍為全球(區(qū)域R1),分辨率為1°×1°,格點(diǎn)數(shù)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(huà)主要分布區(qū)域SO2更細(xì)致的信息,對(duì)南半球(東西向全球,南北向0～40°S)區(qū)域進(jìn)行了嵌套輸出(區(qū)域R2),水平分辨率為0.25°×0.25°,格點(diǎn)數(shù)為1440′160,垂直范圍相同.區(qū)域R1和R2范圍及相關(guān)模式參數(shù)設(shè)置分別見(jiàn)圖1和表2.模擬時(shí)間為1月13日0:00至2月20日0:00,模式驅(qū)動(dòng)場(chǎng)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(qū)域范圍(R1為全球,R2為嵌套輸出區(qū)域)

表2 模擬區(qū)域參數(shù)設(shè)置

2 模擬性能檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M性能,采用模擬SO2多布森單位分布與NASA網(wǎng)站發(fā)布的湯加火山噴發(fā)SO2監(jiān)測(cè)圖像進(jìn)行對(duì)比,時(shí)間為第二次火山噴發(fā)后1月16日～ 1月21日(圖2),對(duì)比的主要指標(biāo)見(jiàn)表3.

監(jiān)測(cè)圖像優(yōu)先采用Sentinel-5P衛(wèi)星OMI圖像,當(dāng)日無(wú)監(jiān)測(cè)時(shí)采用NPP衛(wèi)星OMPS圖像.由圖2可見(jiàn),16日3:00,監(jiān)測(cè)顯示SO2主要位于(15°S～25°S, 160°E～180°E)區(qū)域,高值區(qū)位于(20°S,175°E)周邊幾個(gè)經(jīng)緯度范圍,數(shù)值最大在20DU以上.相比監(jiān)測(cè),模擬SO2主體區(qū)域位置基本一致,包括對(duì)170°W～ 175°W低值區(qū)的刻畫(huà),但南北跨度較窄,20DU以上高值區(qū)南北跨度約3～4個(gè)緯度,較監(jiān)測(cè)小約2個(gè)緯度,高值區(qū)東西跨度較監(jiān)測(cè)寬約4個(gè)經(jīng)度.另外,模式對(duì)高值區(qū)西側(cè)20DU以下區(qū)域模擬范圍明顯偏小.17日5:00,監(jiān)測(cè)顯示SO2已抵達(dá)澳大利亞?wèn)|北部140°E附近,主體區(qū)域位于澳大利亞?wèn)|北部海域,海上SO2整體分布呈西偏北走向.模式總體再現(xiàn)了上述特征,包括高值區(qū)位置,但SO2擴(kuò)散前鋒位置明顯偏東.與16日相似,主體區(qū)域模擬范圍的南北跨度偏窄.18日6:00,SO2主體抵達(dá)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(xiàn)了上述分布特征,但在澳大利亞北部區(qū)域范圍的南北跨度同樣較監(jiān)測(cè)偏窄,數(shù)值偏大.19日8:00, SO2主體抵達(dá)130°E以東,澳大利亞西北部海域和北部沿海地區(qū)存在5DU以上的高值區(qū),且澳大利亞北部SO2到達(dá)10°S附近,南部到達(dá)27°S附近.模擬顯示,SO2主體位置與監(jiān)測(cè)相近,包括主體西北部三角形前鋒形狀,但5DU以上高值區(qū)范圍偏大.20日9:00,監(jiān)測(cè)和模擬均顯示噴發(fā)物抵達(dá)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(dá)非洲馬達(dá)加斯加?xùn)|北部海域,主體位于55°E-120°E區(qū)間,北側(cè)污染物傳輸較快特征也得到重現(xiàn).

總體來(lái)看,數(shù)值模式總體再現(xiàn)了火山噴發(fā)SO2在1月16日～21日期間的傳輸擴(kuò)散特征,尤其是SO2前鋒所處位置的模擬與觀測(cè)基本一致.同時(shí),雖然模式對(duì)于SO2南北擴(kuò)散范圍的模擬總體偏窄,但主要體現(xiàn)在火山噴發(fā)初期,隨著時(shí)間發(fā)展SO2總體分布特征演變呈現(xiàn)與觀測(cè)逐漸吻合的趨勢(shì).1月19～21日(180°E,30°S)附近的SO2未得到重現(xiàn),關(guān)于其是否來(lái)自15日之后火山低強(qiáng)度噴發(fā)產(chǎn)生的SO2,有待后續(xù)進(jìn)一步研究.除模式本身局限、源項(xiàng)設(shè)計(jì)等因素外,模式模擬與衛(wèi)星觀測(cè)存在差異的原因還可能是衛(wèi)星監(jiān)測(cè)產(chǎn)品為平流層低層SO2柱含量STL產(chǎn)品.該產(chǎn)品反映的是較為理想的污染物垂直分布假設(shè),其中心質(zhì)量高度為18km,而本次湯加火山噴發(fā)SO2從海平面至30km左右高度均有分布,其分布情況與衛(wèi)星存在差異.需要指出的是,雖然衛(wèi)星監(jiān)測(cè)短期SO2擴(kuò)散態(tài)勢(shì)具有優(yōu)勢(shì),但隨著時(shí)間發(fā)展伴隨擴(kuò)散、沉降等過(guò)程發(fā)生,SO2濃度逐漸降低,已逐漸在衛(wèi)星圖像中難以分辨,而采用數(shù)值模式是研究相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間火山噴發(fā)SO2濃度及其氣候效應(yīng)的最佳選擇之一.

表3 性能檢驗(yàn)指標(biāo)

3 全球傳輸擴(kuò)散態(tài)勢(shì)

3.1 水平擴(kuò)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(yīng)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(fēng)場(chǎng).由圖3可見(jiàn),火山噴發(fā)后SO2在向周?chē)鷶U(kuò)散的同時(shí),位于平流層的SO2快速向西擴(kuò)散(圖5),傳輸區(qū)間主要位于0～30°S緯度帶.由圖4可見(jiàn),研究時(shí)段南半球正值夏季,相對(duì)平直的東風(fēng)急流主導(dǎo)低緯度平流層風(fēng)場(chǎng),由于SO2噴發(fā)時(shí)大部分直接進(jìn)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(dá)澳大利亞?wèn)|部170°E附近,1月21日抵達(dá)60°E附近,1月26日抵達(dá)南美洲東部地區(qū),1月31日0:00即抵達(dá)湯加火山所處的175°W附近,此時(shí)SO2前鋒已基本完成環(huán)繞地球一周的傳輸.從15日第二次噴發(fā)起算,時(shí)間約為16d,由此可得出SO2擴(kuò)散前鋒西向傳輸速度約為22.5°/d.另外,SO2在東西向傳輸擴(kuò)散的同時(shí),也存在一定的南北向擴(kuò)散趨勢(shì).1月16日向北即將達(dá)到赤道附近,1月21日已有部分跨越赤道到達(dá)北半球,但范圍和數(shù)值很小,在0.5DU以下,并且位于湯加火山附近的SO2向南擴(kuò)散至45°S附近.1月26日,位于180°E附近的SO2向北到達(dá)10°N附近,南側(cè)位于40°S附近.總的來(lái)看,由于南北半球風(fēng)場(chǎng)環(huán)流相對(duì)獨(dú)立,在一個(gè)多月時(shí)間內(nèi),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(duì)北半球和我國(guó)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(fēng)場(chǎng)(m/s)

3.2 垂直擴(kuò)散

選擇東西向主要傳輸區(qū)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(kuò)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(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)(℃)

圖6為10～1000hPa高度沿0～40°S緯度帶平均垂直風(fēng)場(chǎng).由圖可見(jiàn),在第二次噴發(fā)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(fā)所處經(jīng)度附近,東西向擴(kuò)散范圍小;17km高度以上在東風(fēng)急流作用下逐漸開(kāi)始向西向上擴(kuò)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(lái)自第一次火山噴發(fā),已抵達(dá)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(fā)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(fēng)速整體較下層大,SO2傳輸區(qū)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(jīng)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(dá)60°W附近,最下端傳輸相對(duì)較慢,尚位于80°E附近,東西向跨度達(dá)到約140個(gè)經(jīng)度.原來(lái)主體位于對(duì)流層的SO2,在擴(kuò)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(jīng)很低.1月31日,位于平流層的SO2前鋒已抵達(dá)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(shí)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(kāi)始向西傳輸,并抵達(dá)80°E附近.2月5日以后,原來(lái)上下分層的SO2,已逐漸合為一個(gè)整體,自上而下整體呈上快下慢的傾斜分布態(tài)勢(shì),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(kuò)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(shí)SO2完成東西向橫跨全球覆蓋.2月16日27km高度最快傳輸?shù)腟O2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(jù)圖6,17～18km對(duì)應(yīng)100hPa左右高度層,處于上層?xùn)|風(fēng)與下層對(duì)流層風(fēng)場(chǎng)過(guò)渡或轉(zhuǎn)換地帶,在該高度上下出現(xiàn)不同傳輸態(tài)勢(shì);27km左右東風(fēng)風(fēng)速最大,因此該高度SO2傳輸最快.總體來(lái)看,火山噴發(fā)SO2在西向傳輸過(guò)程中總體保持前高后低傾斜態(tài)勢(shì),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(kuò)散的同時(shí),在云內(nèi)清除、云下清除、降水沖刷、下沉氣流等作用下,也逐漸產(chǎn)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(jiàn),1月20日沉降主要發(fā)生在火山以西、160°E以東區(qū)域,1月30日沉降逐漸擴(kuò)展至澳大利亞?wèn)|部至南美洲中南部10°S～60°S緯度帶,并存在澳大利亞?wèn)|部至湯加火山、南美洲中南部及鄰近海域2個(gè)沉降集中區(qū)域.2月10日,累積沉降通量已覆蓋南半球,主要區(qū)域位于0～50°S緯度區(qū)間,最南端和最北端分別到達(dá)南極洲和我國(guó)青藏高原.2月20日,累積沉降擴(kuò)展至全球更大區(qū)域,高值區(qū)和沉降集中區(qū)域位于0～50°S緯度,大部分?jǐn)?shù)值在2μg/m2以上,沉降最大值主要出現(xiàn)在澳大利亞?wèn)|部、湯加火山西北部和南美洲南部地區(qū),最大值在200μg/m2以上.最北端如我國(guó)華南和青藏高原地區(qū)、美國(guó)和墨西哥西部地區(qū)以及歐洲均產(chǎn)生沉降,青藏高原出現(xiàn)100～200μg/m2的沉降極值中心.由圖6可見(jiàn),沉降最大值出現(xiàn)地區(qū)下沉氣流出現(xiàn)頻率較高,是促使地面沉降發(fā)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(jìn).首先,源項(xiàng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的不確定性.由于觀測(cè)資料的缺乏,在確定模式輸入SO2源項(xiàng)時(shí)將其設(shè)計(jì)為從海平面至平流層與地面垂直的直線形狀,并將其在對(duì)流層和平流層的質(zhì)量比例設(shè)置為1:9,同時(shí)假設(shè)火山噴發(fā)期間強(qiáng)度保持不變.這種較為理想的源項(xiàng)設(shè)計(jì)與實(shí)際情形存在差異,下一步可根據(jù)更詳細(xì)的立體探測(cè)信息優(yōu)化源項(xiàng)設(shè)計(jì)方案.其次,模式對(duì)SO2生消演變過(guò)程描述能力帶來(lái)的不確定性.模式中考慮的SO2物理化學(xué)過(guò)程包括干沉降、濕沉降、OH反應(yīng)等,與實(shí)際大氣中SO2完整的生消演變過(guò)程存在差異.另外,模式驅(qū)動(dòng)場(chǎng)資料帶來(lái)的不確定性.模式采用的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)資料來(lái)自NCEP再分析資料,該資料在上對(duì)流層和下平流層的風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際存在一定誤差[22],由此可帶來(lái)對(duì)SO2時(shí)空分布模擬的誤差.

4 結(jié)論

4.1 在火山噴發(fā)初期一周左右時(shí)間,模式總體再現(xiàn)了SO2傳輸擴(kuò)散特征,雖然南北擴(kuò)散范圍模擬偏窄,但隨著時(shí)間演變與觀測(cè)呈現(xiàn)逐漸吻合趨勢(shì).

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(huán)繞地球一周傳輸,平均傳輸速度約22.5°/d.由于南北半球風(fēng)場(chǎng)環(huán)流相對(duì)獨(dú)立,在研究時(shí)段內(nèi)SO2跨赤道傳輸弱,對(duì)北半球和我國(guó)影響不大.

4.3 從垂直分布看,SO2在西向傳輸過(guò)程中總體保持前高后低傾斜態(tài)勢(shì),傳輸最快高度位于27km左右,向上擴(kuò)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(kuò)展至60°N以南全球大部分區(qū)域,但主要發(fā)生區(qū)域在0～ 50°S緯度帶,沉降最大值出現(xiàn)在澳大利亞?wèn)|部、湯加火山西北部和南美洲南部地區(qū),最大值在200μg/m2以上.最北端如我國(guó)華南和青藏高原地區(qū)、美國(guó)和墨西哥西部地區(qū)以及歐洲均產(chǎn)生沉降,青藏高原出現(xiàn)100～200μg/m2的沉降極值中心.

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致謝：圖1采用的SO2衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖片來(lái)自NASA大氣化學(xué)與動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室全球SO2監(jiān)測(cè)網(wǎng),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(jí)工程師,博士,主要從事大氣環(huán)境仿真研究.發(fā)表論文30余篇.

2022-06-06

國(guó)防科技基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2021-JCJQ-JJ-1058)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, suxingtao@mail.iap.ac.cn