ENSO與火山活動的共同作用對大氣CO2濃度年際變化的影響

摘要利用Mauna Loa和南極站點(diǎn)月均觀測大氣CO2和δ13C資料分析了大氣CO2濃度的年際變化特征，發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度年際變化與ENSO呈正相關(guān)而與火山噴發(fā)指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。大規(guī)模火山噴發(fā)能夠降低強(qiáng)ENSO對大氣CO2濃度的年際變化的影響，不僅與噴發(fā)強(qiáng)度有關(guān)，還與持續(xù)作用時(shí)間有關(guān)。ENSO與火山噴發(fā)共同影響大氣CO2濃度年際變化，而分析期間內(nèi)的El Chichon和Pinatubo噴發(fā)后大氣CO2和δ13C年際變化的差異則受ENSO和火山噴發(fā)的強(qiáng)度以及兩者的相對起始時(shí)間的影響。δ13C分析結(jié)合Keeling Plot計(jì)算表明，ENSO對大氣CO2濃度年際變化的影響主要通過影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量的變化，而火山噴發(fā)對其影響則通過因溫度降低和海洋施肥效應(yīng)所引起的海洋吸收增加。

關(guān)鍵詞大氣CO2；δ13C；年際變化；ENSO；火山噴發(fā)

過去50 a間的直接觀測表明，大氣CO2濃度增加具有明顯的年際變化，波動幅度約為±25 Gt C/a（gigatonnes carbon，1 Gt=1015g），由于人為排放的年際變化與大氣CO2濃度年際變化（Interannual Fluctuations of Atmospheric CO2，IFAC）并不一致，IFAC反映了陸地生態(tài)系統(tǒng)/海洋與大氣間CO2的非平衡交換，主要受某些氣候變率引起的大氣和海洋熱/動力學(xué)變化的復(fù)雜影響（Feely et al.，2006；IPCC，2013；Reichstein et al.，2013；陳中笑和劉兆祎，2014）?；谟^測的大氣CO2，δ13C和O2/N2分析認(rèn)為?！?dú)忾g碳通量的年際變化應(yīng)該在1～2 Gt C/a左右（Francey et al.，1995；Keeling et al.，1996；Rayner et al.，1999；Battle et al.，2000），遠(yuǎn)大于海洋模式（Sarmento et al.，2010；Peylin et al.，2013）和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法（Lee et al.，1998；Park et al.，2006）得出的03～05 Gt C/a。這些差異只能用陸—?dú)忾g交換通量來平衡（陳中笑和劉兆祎，2014），從而難以說明引起IFAC的主要原因來自陸地生態(tài)系統(tǒng)還是海洋。引起IFAC的直接原因既可能來自海洋環(huán)流特別是熱帶太平洋的變化（Feely et al.，1999），也可能受陸地降水變化引起的陸地初級生產(chǎn)量變化（Yang and Wang，2000；Zhou et al.，2005）的影響。同時(shí)，海表溫度（Sabine and Feely，2007）、陸地溫度（Braswell et al.，1997）、季風(fēng)強(qiáng)度（Siegenthaler，1990）和云量的變化（李陽春等，2005）以及某些極端事件如火山活動（Hansen et al.，1996；Krakauer and Randerson，2003；Sarmento et al.，2010；陳中笑和程軍，2011）、森林火災(zāi)（IPCC，2007）都可能影響IFAC。

作為最顯著的氣候變化信號，厄爾尼諾和南方濤動（ENSO）事件是引起IFAC的重要原因已經(jīng)得到共識（McPhaden et al.，2006；IPCC，2013；Reichstein，2013）。通過觀測的大氣CO2和δ13C分析（Keeling et al.，1989；Zhou et al.，2006；陳中笑和程軍，2011）、海氣分壓差計(jì)算海氣間CO2通量（Feely et al.，2006；Takahashi et al.，2009）以及海洋碳循環(huán)模式（Mikaloff Fletcher et al.，2006；Le Quéré et al.，2009）和陸地生態(tài)模式（Peylin et al.，2013）、歸一化植被指數(shù)反演陸地生產(chǎn)量（Braswell et al.，1997；Chen et al.，2004）等研究手段都強(qiáng)調(diào)了ENSO對IFAC的作用，差別在于海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)的大小。原因在于?！?dú)忾gCO2通量的觀測還不全面，僅赤道太平洋（Feely et al.，1997）和格陵蘭海（Skjelvan et al.，1999）有較大的與ENSO相關(guān)的年際變化，對其他海域特別是高緯度地區(qū)的直接觀測不足（Sabine and Feely，2007），但ENSO通過影響海洋環(huán)流以及陸地降水和溫度的變化引起IFAC已被許多研究證實(shí)。與此同時(shí)，火山活動通過改變表面溫度（Zhou et al.，2001）、散射光量（Roderick et al.，2001）以及海洋施肥效應(yīng)（Watson，1997）等也影響IFAC，許多研究都注意到Pinatubo火山噴發(fā)后近3 a大氣CO2增加減少（IPCC，2007，2013），甚至掩蓋了ENSO對IFAC的影響（陳中笑和程軍，2011）。隨之而來的問題在于過去50 a間，火山噴發(fā)指數(shù)VEI（Volcanic Eruption Index）在4級以上高達(dá)40多次，僅關(guān)注Pinatubo、El Chichon等5級以上噴發(fā)并不合理，小規(guī)模噴發(fā)也會對氣候產(chǎn)生影響（Solomon et al.，2010）。更加復(fù)雜的是在最受關(guān)注的近50 a間，大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)常伴隨多次較強(qiáng)的ENSO事件，如何從有限的大氣CO2濃度觀測中區(qū)分各自的影響是一重要問題（Frlicher et al.，2013）。同時(shí)噴發(fā)并非瞬時(shí)而是持續(xù)一段時(shí)間，火山灰的衰減也會對溫度、降水產(chǎn)生持續(xù)影響（Robock，2013）。因此，火山噴發(fā)規(guī)模及持續(xù)時(shí)間的差異如何對IFAC產(chǎn)生影響，尤其是火山活動與ENSO事件共同/持續(xù)作用對IFAC產(chǎn)生什么影響及其機(jī)制是關(guān)注的重點(diǎn)，本文的主要目的在于通過觀測的大氣CO2和δ13C年際變化討論ENSO和火山活動對IFAC的影響特征。

1數(shù)據(jù)及處理

研究采用的CO2數(shù)據(jù)（大氣CO2觀測和化石燃料的使用）、ENSO指數(shù)（Nio34區(qū)海溫距平SSTA）和VEI分別來自CO2信息分析中心、美國國家海洋和大氣管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）氣候預(yù)報(bào)中心和Smithsonian火山研究所。通過計(jì)算大氣CO2和δ13C月均值的年增加量的方法去除過強(qiáng)的季節(jié)變化信號及增長趨勢來代表IFAC（Sarmiento et al.，2010；陳中笑和程軍，2011）：

CA（i，j）=C（i，j）-C（i-1，j）。 （1）

δA（i，j）=δ（i，j）-δ（i-1，j）。 （2）

其中：CA（δA）和C（δ）分別為大氣CO2（δ13C）月均值的年增加量和月均觀測值；i為年份；j為月份。由于大氣示蹤氣體較快的混合速率，Mauna Loa（MLO）和南極站（SPO）的大氣CO2濃度近似代表了南北半球的平均狀態(tài)（IPCC，2007），本研究采用該兩個(gè)站點(diǎn)表示全球平均水平。圖1給出了Scripps海洋學(xué)研究所MLO和SPO站的CA和δA（計(jì)算13個(gè)月的移動平均）。

2大氣CO2年際變化影響因素

21ENSO的影響

1959—2008年間，El Nio發(fā)生后MLO及SPO站點(diǎn)都伴隨著CA增加（δA減少），CA增加幅度與ENSO的強(qiáng)度有關(guān)（圖1），且兩站點(diǎn)的變化趨勢相似，說明ENSO對全球IFAC的影響機(jī)制相同。在ENSO早期，由于赤道海域上升流的減弱，減少了表層海水溶解無機(jī)碳（DIC，Dissolved Inorganic Carbon）的供給，表層海水的排氣作用減弱，CA減?。⊿iegenthaler，1990）；而在ENSO后期，CA迅速增加，不僅由于上升流的恢復(fù)增加了表層DIC供給，更重要的是與ENSO相關(guān)的氣候變化引起了陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)量（NPP，Net Primary Production）的變化（McPhaden et al.，2006）。整體來看，Nio34的SSTA總是領(lǐng)先CA及δA變化8～10個(gè)月左右（圖2），且CA與δA變化趨勢相反。20世紀(jì)70年代之前，ENSO指數(shù)與IFAC的關(guān)系不明顯；70至90年代有明顯的相似變化趨勢；2000年后即使沒有強(qiáng)ENSO事件IFAC的波動仍較大。在分析期間內(nèi)僅1973—1974、1987—1989和1998—2000年發(fā)生強(qiáng)El Nio和La Nia時(shí)CA有較大變化，其他強(qiáng)ENSO期間CA的增加不顯著甚至減小。一方面是由于火山活動的影響，同時(shí)也說明ENSO對IFAC的影響機(jī)制還遠(yuǎn)未被了解。雖然ENSO確實(shí)改變了海洋特別是熱帶海域吸收大氣CO2的能力（Feely et al.，2006），但ENSO期間CA和δA的反向變化說明CA的變化主要受陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響（Siegenthaler，1990；Yang and Wang，2000；陳中笑和程軍，2011）。

22火山噴發(fā)的影響

為詳細(xì)了解火山噴發(fā)對IFAC的影響，有別于其他研究僅僅關(guān)注Pinatubo火山噴發(fā)的現(xiàn)狀（IPCC，2007，2013），圖1給出了1959—2008年間VEI在4級（為便于比較，圖中VEI都減去4）以上的火山活動?？梢钥闯觯?級以下的噴發(fā)對IFAC的影響并不大（或難以改變ENSO的作用），5級以上火山噴發(fā)后CA才表現(xiàn)出明顯的異常，如Agung、El Chichon和Pinatubo噴發(fā)后（A、B和C灰色區(qū)域）即使在強(qiáng)ENSO期間CA也未顯著增加（B區(qū)）甚至減?。ˋ、C區(qū)），說明5級以上火山噴發(fā)后大氣CO2的增加會減緩?；鹕絿姲l(fā)規(guī)模的差異在于噴發(fā)物的多少、噴發(fā)高度以及持續(xù)影響時(shí)間，火山噴發(fā)物在減少到達(dá)地面的太陽輻射使平均溫度降低并減少陸地系統(tǒng)NPP（Zhou et al.，2001）的同時(shí)，還因?yàn)闅馊苣z的增加而提高了散射光量從而促進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)的光合作用能力（Roderick et al.，2001；Gu et al.，2003），兩者產(chǎn)生了相反的效果；而模式研究則提出溫度降低引起的呼吸作用的減弱比生產(chǎn)量的增加更為顯著（Jones and Cox，2001），針對全球樹木年輪的觀測也認(rèn)為，Pinatubo噴發(fā)后的樹木吸收沒有明顯變化（Krakauer and Randerson，2003），再考慮噴發(fā)對海洋的施肥效應(yīng)（Watson，1997）及海表溫度降低引起的海洋排氣作用的減弱，使得火山噴發(fā)對IFAC的影響機(jī)制有較大的不確定性。

根據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收大氣CO2增加/減少（CA減少/增加）會引起大氣δ13C增加/減少（δA增加/減少），而海洋吸收的變化對大氣δ13C影響很小的觀點(diǎn)（Siegenthaler，1990；陳中笑和程軍，2011），分析了B和C區(qū)CA和δA的變化特征（圖1）：B區(qū)CA增加δA減小，說明是陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的降低起了主要作用，既火山噴發(fā)雖然降低了強(qiáng)ENSO事件引起的CA增加，但強(qiáng)ENSO超過火山噴發(fā)對IFAC的影響；而C區(qū)CA和δA同步減小，則說明主要影響因素來自海洋吸收的增加或因溫度降低引起的土壤呼吸作用的減弱而不是陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的增加（因?yàn)殛懙豊PP增加會使大氣δ13C增加），即火山噴發(fā)超過了較強(qiáng)ENSO對IFAC的影響。什么原因造成的這一差異？一是La Nia強(qiáng)度的差異，El Chichon噴發(fā)期間（B區(qū)）有強(qiáng)El Nio和La Nia，Pinatubo噴發(fā)后（C區(qū)）只有較強(qiáng)的El Nio；二是火山噴發(fā)強(qiáng)度的不同，B區(qū)雖有兩次5級噴發(fā)但間隔長，C區(qū)在1 a內(nèi)有6和5級噴發(fā)各1次。

考慮到火山噴發(fā)的密集程度的差異造成噴發(fā)后持續(xù)作用時(shí)間與強(qiáng)度的不同，采取了與Qu et al.（2010）相同的方法以得到4級以上VEI的時(shí)間序列（IVEIt）：

IVEIt=∑ni=1（IVEIi×100-20×ti）300。 （3）

其中：i為火山噴發(fā)；ti為噴發(fā)后月份（噴發(fā)影響每月衰減20），為便于比較除以300。通過對比IVEIt與Nio34 SSTA及MLO CA的時(shí)間序列可以看出（圖3），IVEIt與CA的變化趨勢相反，表明正是由于火山噴發(fā)的持續(xù)影響造成CA的減少，IVEIt到達(dá)峰值后CA才開始增加。僅1966—1968和2003—2008年間IVEIt和CA有正相關(guān)趨勢，前者有中等強(qiáng)度ENSO事件發(fā)生及較高的IVEIt，后者IVEIt較低且ENSO較弱，但都顯示了一定的特殊性。在St.Helens噴發(fā)后CA開始減小，直至El Chichon噴發(fā)后IVEIt達(dá)到峰值而CA達(dá)到低值；隨后由于強(qiáng)ENSO的影響，CA開始增加。Pinatubo噴發(fā)后CA開始減小，隨后的ENSO并未改變CA的趨勢。由于前者的IVEIt高于后者，說明火山噴發(fā)強(qiáng)度及持續(xù)作用時(shí)間的差異并非引起兩個(gè)不同階段（即圖1中B和C區(qū)）CA變化差異的主因。則上述兩次火山噴發(fā)后CA變化差異只可能來自ENSO強(qiáng)度的影響或ENSO爆發(fā)時(shí)機(jī)的差異，因?yàn)镋l Chichon噴發(fā)時(shí)Nio34 SSTA開始上升，而Pinatubo噴發(fā)后Nio34 SSTA已接近峰值。為把上述期間觀測的大氣CO2和δ13C結(jié)合起來，采用Keeling Plot方法（Keeling，1958）來辨別大氣CO2的變化主要來自海洋還是陸地。

23Keeling Plot分析

Keeling Plot方法基于簡單混合過程，即觀測的大氣CO2是背景大氣與其他來源的CO2的混合，指出觀測的大氣δ13C與CO2的倒數(shù)有線性關(guān)系，可表示為（Keeling，1958；Miller and Tans，2003）：

δob=δin+Cbg（δbg-δin）Cob=δin+MCob。 （4）

其中：下標(biāo)ob、bg和in分別代表觀測、背景和加入值；斜率M為統(tǒng)計(jì)常數(shù)；截距δin代表進(jìn)入到背景大氣的多種源匯的平均δ13C特征。圖4為MLO站點(diǎn)的Keeling Plot結(jié)果，其中不同階段分別為El Chichon、Pinatubo噴發(fā)后（Ⅰ、Ⅱ）及沒有大規(guī)?；鹕交顒拥袕?qiáng)ENSO事件發(fā)生（Ⅲ、Ⅳ）和整個(gè)分析期間（Ⅴ）。

首先來看El Chichon（Ⅰ）和Pinatubo（Ⅱ）噴發(fā)后，δin分別為-2579‰和-2183‰，遠(yuǎn)小于背景大氣和來自海水的δ（約-8‰），都帶有較強(qiáng)的陸地生態(tài)系統(tǒng)和/或化石燃料的δ13C特征，因?yàn)閮烧叩摩?3C難以區(qū)分（Keeling et al.，1979）。若假設(shè)化石燃料的δ13C沒有變化，那么較低的δin就表示有更多的來自陸地生態(tài)系統(tǒng)的信號。而沒有大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)的“純”ENSO期間（Ⅲ和Ⅳ）的δin分別為-2655‰和-2451‰，則說明該期間CA的變化主要來自陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響而不是來自海洋吸收的變化，1998—1999期間較高的δin可能源自更強(qiáng)ENSO事件帶來了更多海水起源的CO2。尤其是比較Pinatubo噴發(fā)前后（圖5中Ⅲ、Ⅱ和Ⅳ），噴發(fā)后的δin最高，表明火山噴發(fā)后IFAC的變化主要來自海水起源的CO2，且只能是因溫度降低或噴發(fā)的施肥效應(yīng)而增加了吸收大氣CO2的能力。由此可以推斷，火山噴發(fā)對IFAC的影響主要來自海洋的變化，而ENSO對IFAC的影響則主要來自陸地生態(tài)系統(tǒng)，而El Chichon和Pinatubo噴發(fā)后IFAC的差異取決于ENSO強(qiáng)度及爆發(fā)時(shí)機(jī)。

3結(jié)論與討論

利用SIO大氣CO2直接觀測數(shù)據(jù)，通過去除大氣CO2和δ13C的季節(jié)變化分析了IFAC與ENSO和火山活動的關(guān)系，得到了幾點(diǎn)初步結(jié)論：

1）ENSO對IFAC的影響主要通過陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的變化，ENSO強(qiáng)度越大，IFAC波動越大。雖然無論從觀測還是機(jī)制上來看，海洋特別是熱帶海域也有變化，但很可能被中高緯海域的變化所平衡（Le Quéré et al.，2000）。

2）火山噴發(fā)會引起CA減小，并非僅僅與El Chichon和Pinatubo等大規(guī)模噴發(fā)有關(guān)，而是與噴發(fā)規(guī)模和持續(xù)作用時(shí)間有關(guān)。4級以下的噴發(fā)影響較小，VEIt到達(dá)峰值后CA開始增加，說明火山噴發(fā)對IFAC的影響是持續(xù)的而非瞬時(shí)的。δ13C和Keeling Plot分析則表明火山噴發(fā)主要通過海洋吸收的增加影響IFAC，即因溫度降低及噴發(fā)的施肥效應(yīng)造成海洋吸收增加。

3）分析期間內(nèi)火山噴發(fā)后CA變化的差異主要源自ENSO強(qiáng)度及ENSO爆發(fā)與火山噴發(fā)的時(shí)機(jī)，即IFAC取決于ENSO與火山活動的共同作用。

需要指出的是，區(qū)別于目前ENSO或火山活動對大氣CO2變化的討論，本研究關(guān)注的是火山噴發(fā)與ENSO的共同作用對IFAC的影響。雖然通過δ13C的變化分析指出火山噴發(fā)后IFAC異常的原因來自海洋而不是陸地吸收的變化，但現(xiàn)階段利用趨勢分析和δ13C技術(shù)仍難以定量討論海洋和陸地對IFAC的貢獻(xiàn)，模式模擬可能是解決問題的有效手段。

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The combined impacts of ENSO and volcanic eruptions on the interannual fluctuations of atmospheric CO2

CHEN Zhongxiao1，2，WEI Wenhao1

1School of Marine Science，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China；

2Jiangsu Research Center for Ocean Survey Technology，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

The interannual fluctuations of atmospheric CO2（IFAC），as an important signal of global carbon cycle research，are closely related to the El NioSouthern Oscillation（ENSO）.However，most studies regarding the impact of volcanic activities tend to focus merely on the postPinatubo eruption.By using monthly observational data of atmospheric CO2 and δ13C at Mauna Loa and the South Pole from the period of 1959 to 2008，this study analyzes the features of IFAC.A positive correlation is found between IFAC and ENSO，and a negative correlation between IFAC and the volcanic eruption index.The massive eruptions could reduce the impact from strong ENSO on IFAC.The influence of volcanic activities is related to the eruption intensity，as well as the magnitude of eruptions and duration of eruption effects.ENSO and volcanic eruption work together on the IFAC.During the analysis period，the diversity of atmospheric CO2 and δ13C variations after El Chichon and Pinatubo eruptions are related to the relative beginning time of both events.Using δ13C analysis and Keeling Plot calculation，ENSO exerts influence on IFAC through the changes of terrestrial biosphere，along with volcanic eruption，by means of oceanic uptake enhanced by the cooling and fertilization effects.

atmospheric CO2；δ13C；interannual fluctuations；ENSO；volcanic eruption

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20161125001

（責(zé)任編輯：孫寧）