基于極地冰芯的歷史火山活動序列重建研究進展

高超超

（浙江大學環(huán)境與資源學院，浙江杭州310058）

0 引言

大規(guī)模的火山噴發(fā)導致大量的SO2和H2S氣體噴入對流層頂部和平流層。這些酸性氣體在大氣中被氧化成硫酸氣溶膠，隨大氣環(huán)流在半球乃至全球范圍進行擴散。硫酸氣溶膠一方面通過散射和反射以減少到達地表的短波輻射，從而使得地表降溫，另一方面吸收太陽短波和地球長波輻射，導致平流層大氣升溫。除了直接的溫度效應，由于地表降溫導致水分蒸發(fā)減少，火山活動還會減少熱帶地區(qū)的降水，減弱亞洲和非洲夏季季風氣候的影響［1-2］。一般而言，低緯度火山事件的影響范圍可以波及全球［3-4］，而中高緯度火山活動的影響范圍往往在半球尺度上。但是如果中高緯度火山事件極為強烈，其噴發(fā)物仍可通過平流層而影響全球。如發(fā)生在公元186±10年左右的Taupo火山事件，雖然發(fā)生在新西蘭，但是由于其噴發(fā)規(guī)模大，煙柱高達55 km，故在多個兩極冰芯中均記錄有這次火山活動的信號（如 GISP2［5］，WDC06［6］，DT401［7］，SP04［8］，NEEM S1［9］）。

單次火山事件對氣候的直接影響通常持續(xù)1—3年，但短期內(nèi)連續(xù)的火山活動，加上海洋和冰雪的正反饋機制，則會延長其氣候效應到幾十年甚至上百年［5，10-12］。因而其與太陽輻射、溫室氣體及地表變化等共同影響著全新世晚期（即過去2 000年）的全球氣候變化。利用大氣環(huán)流模式，李曉東等［13］指出強火山噴發(fā)可導致平流層顯著升溫以及地表年、月平均溫度約下降0.4℃與1℃。利用能量平衡模型，Crowley［11］使用基于 Lean等［14］重建的太陽活動序列和兩組主要來自Crete和GISP2長冰芯的火山活動記錄，發(fā)現(xiàn)太陽輻射變化和火山活動等自然因素在1000—1850年期間貢獻了41%—64%的全球氣溫變化，其中火山活動的貢獻率在同期達22%—23%，并且在 1400—1850年期間上升至 41%—49%。同理，Bertrand等［10］利用一個二維全球氣候模式（2D-GCM）分別模擬了在不同太陽輻射（即Bard等［15］，Lean等［14］和 Crowley［11］重建的三組序列）和火山活動（即 Zielinski等［16］結(jié)合 Sato等［17］重建和Crowley［11］重建的二組序列）驅(qū)動下的地表溫度響應。結(jié)果顯示歷史火山活動的氣候效應很大程度上取決于所利用的序列，如果使用Crowley［11］序列，火山活動導致工業(yè)革命以前北半球20%的年代際溫度變化，并在 1400—1850年間達到 36%—42%；而使用Zielinski序列的氣候效應則明顯減小。綜上所述，模型評估結(jié)果很大程度上取決于所使用的CO2、太陽及火山活動的輻射強迫序列。隨著全球氣候模式的不斷發(fā)展，準確評估火山活動的氣候效應和客觀區(qū)分自然與人為強迫因子的影響，依賴于一個適合當代模式且具有較高時空精密度的火山活動序列。

Lamb［18］最早利用歷史記錄、輻射觀測、溫度和噴發(fā)體積等資料建立了火山灰塵幕指數(shù)（DVI）。之后，Mitchell，Lamb，Robock［19-23］等先后對 DVI進行了補充和改進。Newhall等［24］和 Self等［25］依據(jù)火山噴發(fā)的強度、擴散程度和破壞性等11個特征參數(shù)建立了火山爆發(fā)指數(shù)（VEI），并由 Simkin等［26-27］進行了補充更新。Sato等［17］分別利用 1850—1882年，1882—1979年，1979—1990年期間的火山灰塵幕體積、光學特性及衛(wèi)星觀測等不同代用資料重建了過去150年火山活動的大氣光學厚度（AOD）序列。Stothers［28-29］分別利用太陽熱力（pyrheliometric）和恒星消逝（stellar extinction）等天文測量結(jié)果，重建了1861—1960年和1961—1978年期間氣溶膠光學厚度序列。這些序列的重建增進了人們對歷史火山事件的了解和定量認識，但同時也存在一定的缺陷［30］。如 DVI和 Sato［17］序列采用了不同代用資料，缺乏時間序列上的一致性；溫度等氣候資料的使用容易引起序列在應用于氣候響應研究時的循環(huán)推理質(zhì)疑；VEI主要表征火山爆發(fā)強度等地質(zhì)特征，與其氣候效應（如噴發(fā)物中的硫含量等）的直接關(guān)聯(lián)性較低；還有，這些指數(shù)所使用的代用資料一定程度上都是建立在人類直接觀測的歷史記錄基礎(chǔ)之上，不但具有主觀性，而且容易導致發(fā)生在人類社會早期以及南半球等人跡罕至的地區(qū)火山事件被遺漏。

與湖泊或珊瑚沉積芯、樹輪、孢粉、歷史記錄等其他記載過去氣候環(huán)境變化信息的介質(zhì)相比，極地冰芯因其保真性好、分辨率高、記錄時間長等特性，為火山氣溶膠序列的重建提供了比較客觀、持續(xù)的代用資料［31］?；鹕綒馊苣z擴散到南北兩極后以干濕沉降的方式降至地表，日積月累就逐漸變成冰蓋的一部分。由于火山沉積物導致極地冰雪中的溶度顯著增加，通過測定各冰芯的電導率或化學成分，可以客觀地重現(xiàn)大氣中火山氣溶膠通量的歷史記錄。本文就以下三方面加以介紹：基于兩極冰芯重建歷史火山活動的研究進展，重建工作面臨的問題和挑戰(zhàn)，以及未來南北極冰芯鉆探與研究工作如何更好地應用火山灰重建火山活動長序列，及其氣候效應的模擬評估研究。

1 基于極地冰芯的火山活動序列重建

冰芯因其時間序列長（可達幾十萬年）、分辨率高（可達到年甚至季節(jié)或月）、保真性高（低溫環(huán)境、人類活動干擾少）等特性，在研究火山活動時有其他代用資料所無法比擬的優(yōu)勢。冰芯中記載的火山氣溶膠信息指標包括電導率（ECM或DEP）、SO2－4濃度、H＋濃度等。20世紀 70年代 Hammer［32］率先利用格陵蘭冰芯重建了過去200年的歷史火山活動，開啟了利用極地冰雪中的火山沉積物信號研究歷史火山活動的先河。Legrand和Delmas［33］首次分析了南極洲冰芯中的火山硫酸鹽記錄，并重建了過去220的火山活動序列-冰川火山指數(shù)（GVI）。隨后，一系列的冰芯［33-42］先后被鉆取并應用于火山噴發(fā)物或其他大氣組成和氣候要素的歷史研究中?；鹕叫盘柗治龇椒ㄒ矎?0世紀80年代的電導率識別法，90年代的硫酸根（或非海鹽硫酸根NSS）濃度識別法，發(fā)展到如今的連續(xù)流分析技術(shù)結(jié)合離子色譜（CFA-IC）的方法。這不但使得分析速度加快，而且使得火山信號的分辨率也有了不斷地提高［43］。同時，近年來非質(zhì)量硫同位素的分餾效應檢測法應用，為區(qū)分通過平流層或?qū)α鲗觽鬏數(shù)幕鹕綒馊苣z提供了方法［43-45］。

從20世紀80年代至今，在利用冰芯中沉積物重建歷史火山活動的研究方法上，也經(jīng)歷了由單個冰芯，到南極與格陵蘭冰芯的耦合對比，再到綜合利用多個冰芯的發(fā)展過程。如 Zielinski［16］通過分析GISP2冰芯中的SO24－通量，恢復了過去2 100年噴發(fā)性火山活動所導致的大氣光學厚度變化歷史。Jiang等［46］、Ren等［7］和周麗婭等［47］依據(jù)其他冰芯的火山標志層結(jié)合積累率計算，分別重建了東南極Dome A、DT401、DT263過去 2 840年、2 680年和780年的火山活動歷史。然而，冰蓋上的火山沉積物的通量大小與火山噴發(fā)源到極地冰蓋的距離密切相關(guān)。發(fā)生在極地附近的火山活動通常比發(fā)生在低緯度地區(qū)同樣規(guī)模的火山活動導致更多的沉積物，而基于單一冰芯的重建研究較難區(qū)分兩者的不同。因此高緯度地區(qū)的小型火山噴發(fā)可能由于在冰芯中顯示的信號較大而被誤認為是低緯地區(qū)發(fā)生的大型火山活動，導致對其氣候效應的評估可能被放大。Langway等［34，48］對比分析了3組南極和 3組格陵蘭冰芯記錄，發(fā)現(xiàn)其中的NSSSO2－4濃度峰值對應的年層具有非常好的一致性，因而提出，在假設(shè)同時（或間隔1—2年）出現(xiàn)在兩極的沉積物源自同一低緯度火山活動的前提下，可利用兩極的冰芯數(shù)據(jù)來重建大型火山活動的歷史記錄。同理，Sigl等［9］利用格陵蘭的NEEM S1深冰芯和南極的WDC06A深冰芯重現(xiàn)了全球過去2 000多年的火山活動歷史。另一方面，由于受溫度、風的傳播、地形及干濕沉降等局地氣候因素的影響，同一火山活動的硫酸沉積物在不同冰芯中的通量記錄存在較大差異［30，46，49］。如1815年印度尼西亞的Tambora火山事件在西南極Siple Station的沉積通量為133 kg·km－2，而在東南極Plateau Remote的沉積通量僅為前者的 1／6（22.4 kg·km－2）。在對比8組來自格陵蘭和5組來自南極冰蓋的冰芯數(shù)據(jù)后，Robock和 Free［30］發(fā)現(xiàn)每兩組冰芯數(shù)據(jù)間的相關(guān)性都較低，而當一定數(shù)量的冰芯數(shù)據(jù)同時使用時，則可以較好地減少冰芯間差異的影響，火山信號明顯突出。綜合利用這13組冰芯數(shù)據(jù)，研究者們重建了過去150年的火山活動記錄。Robertson［50］利用6組兩極冰芯數(shù)據(jù)把序列重建推到過去500年。Crowley［11］利用兩組格陵蘭島冰芯-GISP2和Crete-的通量記錄，結(jié)合Langway等［48］對兩極冰芯的對比研究結(jié)論，恢復了過去1 000年的火山活動歷史。這幾組序列為20世紀末至21世紀初火山活動的氣候效應研究工作提供了研究基礎(chǔ)。然而，這些序列都以南或北半球的總通量為單位，無法滿足現(xiàn)代氣候模型影響評估對火山氣溶膠緯度和季節(jié)分布的要求。

為滿足全球氣候模式對高精密度的火山氣溶膠序列的要求，Ammann等［51］通過對比14組兩極冰芯中火山信號的時間及大小，并結(jié)合一個平流層大氣傳播的經(jīng)驗模型，重建了過去1 150年具有一定緯度和季節(jié)分辨率的火山氣溶膠序列。Crowley等［52-53］綜合21組（6組格陵蘭＋15組南極）冰芯數(shù)據(jù)，利用1991年P(guān)inatubo火山事件的衛(wèi)星觀測結(jié)果進行轉(zhuǎn)換計算，重建了過去1 200年的以10天為單位在 0—30°N、30°N—90°N、0—30°S、30°S—90°S四個緯度帶上的火山氣溶膠通量序列。這兩套基于多個冰芯的序列，在一定程度上減少了基于單組或少數(shù)幾組冰芯的火山信號提煉和強度估算的誤差，并在一定程度上提高了時空分辨率。Gao等［54］綜合利用54組（22組格陵蘭＋32組南極）冰芯數(shù)據(jù)，在考慮了火山沉積物在冰蓋的空間差異基礎(chǔ)上，恢復了過去1 500年南北半球及全球平流層的火山氣溶膠總通量歷史（圖1）；同時結(jié)合非局部擴散模式［55］，建立了一套以月為時間單位，以緯度10°、海拔500 m為空間單位的火山氣溶膠輻射強迫序列IVI2（圖2）。由于建立了比以往其他重建多兩倍多的冰芯數(shù)據(jù)，IVI2把序列的不確定性從兩倍降到了40%—45%［54］。

圖1 IVI2中過去1 500年全球平流層火山氣溶膠的時間序列［54］（數(shù)據(jù)可在美國大氣海洋局國際數(shù)據(jù)中心網(wǎng)址下載 ftp：／／ftp.ncdc.noaa.gov／pub／data／paleo／climate＿forcing／volcanic＿aerosols／gao2008ivi2／ivi2totalloading501-2000.txt）Fig.1.Total stratospheric volcanic sulfate aerosol injection for the past1 500 years in global［54］

2 極地冰芯重建歷史火山活動序列研究中的問題和挑戰(zhàn)

針對極地冰芯中火山氣溶膠的特性，主要通過基于冰芯樣品酸度的電導率識別法和基于硫酸根）的硫酸根濃度識別法來識別火山信號以重建歷史火山活動序列，詳見姜蘇等［43］。利用極地冰芯氣溶膠記錄重建大氣中歷史火山活動序列可能面臨如下問題：（1）非火山來源的酸或堿的干擾，尤其是的干擾；（2）ECM監(jiān)測對環(huán)境溫度的依賴性；（3）低緯度和中高緯度火山活動的區(qū)分；（4）對于火山氣溶膠從平流層到極地冰蓋的傳播途徑認識有限；（5）干濕沉降過程的隨機性；（6）風的再分配作用；（7）定年的不確定性。

圖2 IVI2中火山氣溶膠（以1809年未知與1815年Tambora火山事件為例）的時空分布特征圖［54］Fig.2.Spatial and temporal distribution of sulfate aerosol loading from 1809 Unknown and 1815 Tambora eruptions［54］

隨著冰芯數(shù)量的不斷增加和分析手段的逐步改進，部分問題逐漸得到改善和解決。以IVI2為例，信號提取過程中Loess濾波器的使用可以去除周期性來源的SO2－4的影響，加上僅限于SO2－4濃度記錄的重建可以消除（1）的影響。基于兩極的多個冰芯，尤其是高分辨率的冰芯記錄，可以在一定程度上減少（3）和（7）的干擾作用；通過在較大范圍內(nèi)分析火山沉積物空間分布，計算其統(tǒng)計平均值，可以較為有效地降低（5）和（6）造成的不確定性［49］。本節(jié)針對上述幾個典型問題的研究進展以及現(xiàn)存的挑戰(zhàn)進行簡要闡述。

火山沉積物的空間分布差異 同一火山事件在極地冰蓋的沉積量因大氣環(huán)流、冰蓋地形及溫度、干濕沉降及冰雪-大氣相互作用等因素而存在顯著差異［56-57］。利用 44組兩極冰芯數(shù)據(jù)，Gao等［49］分析了過去1 000年中幾次最大的火山氣溶膠在各個冰芯中的沉積通量。結(jié)果顯示同一事件在不同冰芯中沉積物通量的顯著差異，如Laki火山（AD 1783）和Katmai（AD 1912）火山沉積物在格陵蘭冰芯中存在35%的空間差異，而Tambora（AD 1815）火山沉積物在格陵蘭和南極冰蓋中有50%的空間分布差，充分說明了利用盡可能多的冰芯數(shù)據(jù)的重要性。結(jié)合GISSModel E模式，該研究系統(tǒng)分析了極地冰蓋中火山沉積物的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)不同火山事件在極地冰蓋上存在相似的空間分布特征，并且跟這些地區(qū)的雨（雪）的積累率呈線性相關(guān)?？傮w而言，火山灰在南極半島和東南極沿海地區(qū)的沉積量普遍較多，在西南極的沉積量也基本高于平均值，而在橫貫南極山脈的東北部則普遍較少（圖3）。在格陵蘭冰蓋上，火山灰在冰蓋南部、西部沿海以及格陵蘭山脈西面沉積普遍較多，而在格陵蘭北部內(nèi)陸地區(qū)以及格陵蘭山脈的東北地區(qū)積累則較少。利用單一或少數(shù)幾個冰芯數(shù)據(jù)重建火山記錄，應該考慮空間差異造成的不確定性。通過與大范圍內(nèi)火山事件沉積通量的平均值的對比分析和加權(quán)計算，可以增加單個冰芯結(jié)果的代表性，同時減少基于多冰芯的長序列重建工作中由于冰芯數(shù)目的減少帶來的不確定性。

冰芯定年的不確定性 定年是冰芯研究的基礎(chǔ)。通過定年，可以明確一個鉆取點的基準年代剖面和時間尺度，確定針對某些特殊古氣候或古環(huán)境事件的采樣頻率；也可以確定冰芯中特定火山事件的年份，建立完整的冰芯氣候環(huán)境序列。冰芯定年方法主要包括水分子中的 δ18O、海鹽離子、Ca2＋、Mg2＋、等塵埃離子作為季節(jié)性參數(shù)數(shù)年法，以及放射性核試驗塵埃與火山沉積物等參考層法，有時空氣氣泡和化學物質(zhì)中氧和其他元素的同位素也被測定用來做綜合分析。其中火山標志層法因為沒有像季節(jié)性參數(shù)對高沉積率的要求，而且在近幾百年歷史中有一系列的大型火山事件都有確切的年度記載，被廣泛應用于冰芯研究中。如最近剛被探明發(fā)生源的Samalas（印度尼西亞，AD1257）、Huaynaputina（秘魯，AD1600）、Tambora（印度尼西亞，AD1815）、Krakatoa（印度尼西亞，AD1883）、Agung（印度尼西亞，AD1963）和 Pinabuto（菲律賓，AD1991）火山活動都是被廣泛應用南北極冰芯定年的標志性火山事件［9，33，39，58-61］。對于格陵蘭島的冰芯，阿拉斯加的火山活動如Katmai（AD 1912）和冰島的火山活動如 Hekla（AD 1104）、Eldgjá（AD 934±2）和 Laki（AD 1783）提供了額外的參考年，從而進一步降低定年的不確定性［9，40，48］。除了上述事件，13世紀中葉和15世紀中葉的兩次著名火山事件（即常被稱為“1259年未知名”和“1453年Kuwae”的火山事件）也常常被作為建立或驗證冰芯時間序列的參考。然而，15世紀中葉的這次事件在不同的冰芯中被定年為公元1450年到公元1462年不等［7，62］，是一個備受關(guān)注但仍存在較大爭議的事件［9，60，63-64］。更多來自于高積累率地區(qū)、可通過季節(jié)性變化的離子等紀年的冰芯記錄將有助于解答這一爭議。由上述可見，13世紀之前的火山標志層非常稀少，給公元0—1000年及更早期冰芯及其信號的定年帶來困難。另外，在某些冰芯中確定的火山事件也被用于標定其他冰芯中火山信號的年份，這一方面彌補了久遠時間段因缺乏歷史記錄而無法定年的不足，同時也降低了不同冰芯的時間表之間的獨立性。

圖3 Tambora火山灰在格陵蘭（a）和南極大陸（b）的空間分布及與GISS模型模擬結(jié)果的比較［49］Fig.3.Comparison between the total Tambora sulfate deposition（kg·km－2）in Greenland（a）and Antarctic（b）ice core observations and in the GISS simulations［49］

低緯度和中高緯度火山噴發(fā)源的區(qū)分 定年的不確定性時常還伴隨著對火山噴發(fā)源認知的局限性。如1257年的Salamas火山活動，該事件的沉積物信號最先于1980年在格陵蘭冰芯中被報道［65］，隨后陸續(xù)出現(xiàn)在各個南北極冰芯中［34，36，46，66］。其中GISP2冰芯記錄［33］顯示這是過去7 000年中最大的火山事件，并將其定年為公元1259年。值得一提的是，雖然在絕大多數(shù)兩極冰芯中都留下了最大的沉積物記錄，這次事件噴發(fā)源直到2013年才被證實發(fā)生在印度尼西亞［61］。在此之前的30多年中，一直都被假設(shè)為是一次發(fā)生在低緯度地區(qū)的具有全球氣候效應的未知名火山活動，并作為各冰芯定年的標志層。由于事件所產(chǎn)生的氣候及環(huán)境效應（據(jù)史料記載）明顯低于其噴發(fā)規(guī)模［55］，因而常有研究質(zhì)疑其為同時發(fā)生在南北半球中高緯度的火山事件的可能性。在此類無法判別低緯度或中高緯度火山噴發(fā)源的情況下，結(jié)合火山玻璃（tephra）及其來源的檢測和驗證［56］以及非質(zhì)量硫同位素的分餾效應檢測來識別平流層噴發(fā)火山的方法［45，67］，可為判別事件的噴發(fā)源提供依據(jù)。

3 結(jié)論與研究展望

作為氣候變化的重要影響因子，歷史火山活動的重建在準確區(qū)分和評估自然與人為引起的氣候變化中起著重要的作用。極地冰芯遠離局地塵埃來源和人類活動的干擾，故其火山沉積記錄為重建工作提供了良好的條件。通過幾十年努力，基于極地冰芯的歷史火山活動研究取得較大的進展，冰芯數(shù)據(jù)從單組增加到幾十組，時空覆蓋率和分辨率不斷提高，信號提取方法進一步改進，定年和空間差異等不確定性逐步降低。根據(jù)多數(shù)兩極冰芯中火山沉積物重建的兩套序列（IVI2和 Crowley［52］），被作為過去千年氣候模型間第三次比較計劃（PMIP3）唯一推薦使用的火山輻射強迫序列［68］，為氣候變化的模擬和評估以及模式間的比較提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

另一方面，由于不同火山活動在極地的沉積量因事件發(fā)生地點、季節(jié)、當時大氣環(huán)流、冰蓋地形及溫度、干濕沉降及風的作用下表面雪遷移重新堆積等因素不同而差異顯著［66］；再加上不同的研究中使用的不同地點的冰芯及數(shù)量、火山信號提取方法、冰芯沉積物通量向大氣中火山噴發(fā)物通量轉(zhuǎn)化方法等差異，導致目前對部分尤其是缺乏歷史記錄的火山活動，甚至大型火山噴發(fā)的發(fā)生時間、地點的確定，及其噴發(fā)規(guī)模和氣候效應的認識存在一定爭議，還需進一步探索和改進現(xiàn)有研究方法。未來極地冰芯鉆探與研究工作，可以從以下幾個方面入手，促進人們對歷史火山活動的認識：

（1）更多高分辨率、可以獨立定年的冰芯記錄，以提高對火山噴發(fā)時間的判斷；

（2）更多來自東南極內(nèi)陸、格陵蘭北部及沿海地區(qū)的冰芯記錄，以進一步提高空間覆蓋率，降低空間分布差異的影響；

（3）更多涵蓋過去2 000年甚至更早的深冰芯數(shù)據(jù)，以降低重建中因為冰芯數(shù)目減少帶來的不確定性，同時把IVI2等序列重建向更早期延伸。

（4）針對特定年份層，開展火山玻璃、硫同位素等分析，有助于區(qū)分同時發(fā)生在高緯度和低緯度的火山事件。

（5）在火山序列重建和冰芯鉆探與分析的基礎(chǔ)上，增強對大氣環(huán)流、不同區(qū)域氣象條件、冰蓋表面雪、冰-氣相互作用及沉積后過程的研究。

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