ENSO与火山活动的共同作用对大气CO2浓度年际变化的影响

摘要利用Mauna Loa和南极站点月均观测大气CO2和δ13C资料分析了大气CO2浓度的年际变化特征，发现大气CO2浓度年际变化与ENSO呈正相关而与火山喷发指数呈负相关。大规模火山喷发能够降低强ENSO对大气CO2浓度的年际变化的影响，不仅与喷发强度有关，还与持续作用时间有关。ENSO与火山喷发共同影响大气CO2浓度年际变化，而分析期间内的El Chichon和Pinatubo喷发后大气CO2和δ13C年际变化的差异则受ENSO和火山喷发的强度以及两者的相对起始时间的影响。δ13C分析结合Keeling Plot计算表明，ENSO对大气CO2浓度年际变化的影响主要通过影响陆地生态系统生产量的变化，而火山喷发对其影响则通过因温度降低和海洋施肥效应所引起的海洋吸收增加。

关键词大气CO2；δ13C；年际变化；ENSO；火山喷发

过去50 a间的直接观测表明，大气CO2浓度增加具有明显的年际变化，波动幅度约为±25 Gt C/a（gigatonnes carbon，1 Gt=1015g），由于人为排放的年际变化与大气CO2浓度年际变化（Interannual Fluctuations of Atmospheric CO2，IFAC）并不一致，IFAC反映了陆地生态系统/海洋与大气间CO2的非平衡交换，主要受某些气候变率引起的大气和海洋热/动力学变化的复杂影响（Feely et al.，2006；IPCC，2013；Reichstein et al.，2013；陈中笑和刘兆祎，2014）。基于观测的大气CO2，δ13C和O2/N2分析认为海—气间碳通量的年际变化应该在1～2 Gt C/a左右（Francey et al.，1995；Keeling et al.，1996；Rayner et al.，1999；Battle et al.，2000），远大于海洋模式（Sarmento et al.，2010；Peylin et al.，2013）和经验统计方法（Lee et al.，1998；Park et al.，2006）得出的03～05 Gt C/a。这些差异只能用陆—气间交换通量来平衡（陈中笑和刘兆祎，2014），从而难以说明引起IFAC的主要原因来自陆地生态系统还是海洋。引起IFAC的直接原因既可能来自海洋环流特别是热带太平洋的变化（Feely et al.，1999），也可能受陆地降水变化引起的陆地初级生产量变化（Yang and Wang，2000；Zhou et al.，2005）的影响。同时，海表温度（Sabine and Feely，2007）、陆地温度（Braswell et al.，1997）、季风强度（Siegenthaler，1990）和云量的变化（李阳春等，2005）以及某些极端事件如火山活动（Hansen et al.，1996；Krakauer and Randerson，2003；Sarmento et al.，2010；陈中笑和程军，2011）、森林火灾（IPCC，2007）都可能影响IFAC。

作为最显著的气候变化信号，厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）事件是引起IFAC的重要原因已经得到共识（McPhaden et al.，2006；IPCC，2013；Reichstein，2013）。通过观测的大气CO2和δ13C分析（Keeling et al.，1989；Zhou et al.，2006；陈中笑和程军，2011）、海气分压差计算海气间CO2通量（Feely et al.，2006；Takahashi et al.，2009）以及海洋碳循环模式（Mikaloff Fletcher et al.，2006；Le Quéré et al.，2009）和陆地生态模式（Peylin et al.，2013）、归一化植被指数反演陆地生产量（Braswell et al.，1997；Chen et al.，2004）等研究手段都強调了ENSO对IFAC的作用，差别在于海洋和陆地生态系统贡献的大小。原因在于海—气间CO2通量的观测还不全面，仅赤道太平洋（Feely et al.，1997）和格陵兰海（Skjelvan et al.，1999）有较大的与ENSO相关的年际变化，对其他海域特别是高纬度地区的直接观测不足（Sabine and Feely，2007），但ENSO通过影响海洋环流以及陆地降水和温度的变化引起IFAC已被许多研究证实。与此同时，火山活动通过改变表面温度（Zhou et al.，2001）、散射光量（Roderick et al.，2001）以及海洋施肥效应（Watson，1997）等也影响IFAC，许多研究都注意到Pinatubo火山喷发后近3 a大气CO2增加减少（IPCC，2007，2013），甚至掩盖了ENSO对IFAC的影响（陈中笑和程军，2011）。随之而来的问题在于过去50 a间，火山喷发指数VEI（Volcanic Eruption Index）在4级以上高达40多次，仅关注Pinatubo、El Chichon等5级以上喷发并不合理，小规模喷发也会对气候产生影响（Solomon et al.，2010）。更加复杂的是在最受关注的近50 a间，大规模火山喷发常伴随多次较强的ENSO事件，如何从有限的大气CO2浓度观测中区分各自的影响是一重要问题（Frlicher et al.，2013）。同时喷发并非瞬时而是持续一段时间，火山灰的衰减也会对温度、降水产生持续影响（Robock，2013）。因此，火山喷发规模及持续时间的差异如何对IFAC产生影响，尤其是火山活动与ENSO事件共同/持续作用对IFAC产生什么影响及其机制是关注的重点，本文的主要目的在于通过观测的大气CO2和δ13C年际变化讨论ENSO和火山活动对IFAC的影响特征。

1数据及处理

研究采用的CO2数据（大气CO2观测和化石燃料的使用）、ENSO指数（Nio34区海温距平SSTA）和VEI分别来自CO2信息分析中心、美国国家海洋和大气管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）气候预报中心和Smithsonian火山研究所。通过计算大气CO2和δ13C月均值的年增加量的方法去除过强的季节变化信号及增长趋势来代表IFAC（Sarmiento et al.，2010；陈中笑和程军，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）分别为大气CO2（δ13C）月均值的年增加量和月均观测值；i为年份；j为月份。由于大气示踪气体较快的混合速率，Mauna Loa（MLO）和南极站（SPO）的大气CO2浓度近似代表了南北半球的平均状态（IPCC，2007），本研究采用该两个站点表示全球平均水平。图1给出了Scripps海洋学研究所MLO和SPO站的CA和δA（计算13个月的移动平均）。

2大气CO2年际变化影响因素

21ENSO的影响

1959—2008年间，El Nio发生后MLO及SPO站点都伴随着CA增加（δA减少），CA增加幅度与ENSO的强度有关（图1），且两站点的变化趋势相似，说明ENSO对全球IFAC的影响机制相同。在ENSO早期，由于赤道海域上升流的减弱，减少了表层海水溶解无机碳（DIC，Dissolved Inorganic Carbon）的供给，表层海水的排气作用减弱，CA减小（Siegenthaler，1990）；而在ENSO后期，CA迅速增加，不仅由于上升流的恢复增加了表层DIC供给，更重要的是与ENSO相关的气候变化引起了陆地生态系统净初级生产量（NPP，Net Primary Production）的变化（McPhaden et al.，2006）。整体来看，Nio34的SSTA总是领先CA及δA变化8～10个月左右（图2），且CA与δA变化趋势相反。20世纪70年代之前，ENSO指数与IFAC的关系不明显；70至90年代有明显的相似变化趋势；2000年后即使没有强ENSO事件IFAC的波动仍较大。在分析期间内仅1973—1974、1987—1989和1998—2000年发生强El Nio和La Nia时CA有较大变化，其他强ENSO期间CA的增加不显著甚至减小。一方面是由于火山活动的影响，同时也说明ENSO对IFAC的影响机制还远未被了解。虽然ENSO确实改变了海洋特别是热带海域吸收大气CO2的能力（Feely et al.，2006），但ENSO期间CA和δA的反向变化说明CA的变化主要受陆地生态系统的影响（Siegenthaler，1990；Yang and Wang，2000；陈中笑和程军，2011）。

22火山喷发的影响

为详细了解火山喷发对IFAC的影响，有别于其他研究仅仅关注Pinatubo火山喷发的现状（IPCC，2007，2013），图1给出了1959—2008年间VEI在4级（为便于比较，图中VEI都减去4）以上的火山活动。可以看出，4级以下的喷发对IFAC的影响并不大（或难以改变ENSO的作用），5级以上火山喷发后CA才表现出明显的异常，如Agung、El Chichon和Pinatubo喷发后（A、B和C灰色区域）即使在强ENSO期间CA也未显著增加（B区）甚至减小（A、C区），说明5级以上火山喷发后大气CO2的增加会减缓。火山喷发规模的差异在于喷发物的多少、喷发高度以及持续影响时间，火山喷发物在减少到达地面的太阳辐射使平均温度降低并减少陆地系统NPP（Zhou et al.，2001）的同时，还因为气溶胶的增加而提高了散射光量从而促进陆地生态系统的光合作用能力（Roderick et al.，2001；Gu et al.，2003），两者产生了相反的效果；而模式研究则提出温度降低引起的呼吸作用的减弱比生产量的增加更为显著（Jones and Cox，2001），针对全球树木年轮的观测也认为，Pinatubo喷发后的树木吸收没有明显变化（Krakauer and Randerson，2003），再考虑喷发对海洋的施肥效应（Watson，1997）及海表温度降低引起的海洋排气作用的减弱，使得火山喷发对IFAC的影响机制有较大的不确定性。

根据陆地生态系统吸收大气CO2增加/减少（CA减少/增加）会引起大气δ13C增加/減少（δA增加/减少），而海洋吸收的变化对大气δ13C影响很小的观点（Siegenthaler，1990；陈中笑和程军，2011），分析了B和C区CA和δA的变化特征（图1）：B区CA增加δA减小，说明是陆地生态系统NPP的降低起了主要作用，既火山喷发虽然降低了强ENSO事件引起的CA增加，但强ENSO超过火山喷发对IFAC的影响；而C区CA和δA同步减小，则说明主要影响因素来自海洋吸收的增加或因温度降低引起的土壤呼吸作用的减弱而不是陆地生态系统NPP的增加（因为陆地NPP增加会使大气δ13C增加），即火山喷发超过了较强ENSO对IFAC的影响。什么原因造成的这一差异？一是La Nia强度的差异，El Chichon喷发期间（B区）有强El Nio和La Nia，Pinatubo喷发后（C区）只有较强的El Nio；二是火山喷发强度的不同，B区虽有两次5级喷发但间隔长，C区在1 a内有6和5级喷发各1次。

考虑到火山喷发的密集程度的差异造成喷发后持续作用时间与强度的不同，采取了与Qu et al.（2010）相同的方法以得到4级以上VEI的时间序列（IVEIt）：

IVEIt=∑ni=1（IVEIi×100-20×ti）300。 （3）

其中：i为火山喷发；ti为喷发后月份（喷发影响每月衰减20），为便于比较除以300。通过对比IVEIt与Nio34 SSTA及MLO CA的时间序列可以看出（图3），IVEIt与CA的变化趋势相反，表明正是由于火山喷发的持续影响造成CA的减少，IVEIt到达峰值后CA才开始增加。仅1966—1968和2003—2008年间IVEIt和CA有正相关趋势，前者有中等强度ENSO事件发生及较高的IVEIt，后者IVEIt较低且ENSO较弱，但都显示了一定的特殊性。在St.Helens喷发后CA开始减小，直至El Chichon喷发后IVEIt达到峰值而CA达到低值；随后由于强ENSO的影响，CA开始增加。Pinatubo喷发后CA开始减小，随后的ENSO并未改变CA的趋势。由于前者的IVEIt高于后者，说明火山喷发强度及持续作用时间的差异并非引起两个不同阶段（即图1中B和C区）CA变化差异的主因。则上述两次火山喷发后CA变化差异只可能来自ENSO强度的影响或ENSO爆发时机的差异，因为El Chichon喷发时Nio34 SSTA开始上升，而Pinatubo喷发后Nio34 SSTA已接近峰值。为把上述期间观测的大气CO2和δ13C结合起来，采用Keeling Plot方法（Keeling，1958）来辨别大气CO2的变化主要来自海洋还是陆地。

23Keeling Plot分析

Keeling Plot方法基于簡单混合过程，即观测的大气CO2是背景大气与其他来源的CO2的混合，指出观测的大气δ13C与CO2的倒数有线性关系，可表示为（Keeling，1958；Miller and Tans，2003）：

δob=δin+Cbg（δbg-δin）Cob=δin+MCob。 （4）

其中：下标ob、bg和in分别代表观测、背景和加入值；斜率M为统计常数；截距δin代表进入到背景大气的多种源汇的平均δ13C特征。图4为MLO站点的Keeling Plot结果，其中不同阶段分别为El Chichon、Pinatubo喷发后（Ⅰ、Ⅱ）及没有大规模火山活动但有强ENSO事件发生（Ⅲ、Ⅳ）和整个分析期间（Ⅴ）。

首先来看El Chichon（Ⅰ）和Pinatubo（Ⅱ）喷发后，δin分别为-2579‰和-2183‰，远小于背景大气和来自海水的δ（约-8‰），都带有较强的陆地生态系统和/或化石燃料的δ13C特征，因为两者的δ13C难以区分（Keeling et al.，1979）。若假设化石燃料的δ13C没有变化，那么较低的δin就表示有更多的来自陆地生态系统的信号。而没有大规模火山喷发的“纯”ENSO期间（Ⅲ和Ⅳ）的δin分别为-2655‰和-2451‰，则说明该期间CA的变化主要来自陆地生态系统的影响而不是来自海洋吸收的变化，1998—1999期间较高的δin可能源自更强ENSO事件带来了更多海水起源的CO2。尤其是比较Pinatubo喷发前后（图5中Ⅲ、Ⅱ和Ⅳ），喷发后的δin最高，表明火山喷发后IFAC的变化主要来自海水起源的CO2，且只能是因温度降低或喷发的施肥效应而增加了吸收大气CO2的能力。由此可以推断，火山喷发对IFAC的影响主要来自海洋的变化，而ENSO对IFAC的影响则主要来自陆地生态系统，而El Chichon和Pinatubo喷发后IFAC的差异取决于ENSO强度及爆发时机。

3结论与讨论

利用SIO大气CO2直接观测数据，通过去除大气CO2和δ13C的季节变化分析了IFAC与ENSO和火山活动的关系，得到了几点初步结论：

1）ENSO对IFAC的影响主要通过陆地生态系统NPP的变化，ENSO强度越大，IFAC波动越大。虽然无论从观测还是机制上来看，海洋特别是热带海域也有变化，但很可能被中高纬海域的变化所平衡（Le Quéré et al.，2000）。

2）火山喷发会引起CA减小，并非仅仅与El Chichon和Pinatubo等大规模喷发有关，而是与喷发规模和持续作用时间有关。4级以下的喷发影响较小，VEIt到达峰值后CA开始增加，说明火山喷发对IFAC的影响是持续的而非瞬时的。δ13C和Keeling Plot分析则表明火山喷发主要通过海洋吸收的增加影响IFAC，即因温度降低及喷发的施肥效应造成海洋吸收增加。

3）分析期间内火山喷发后CA变化的差异主要源自ENSO强度及ENSO爆发与火山喷发的时机，即IFAC取决于ENSO与火山活动的共同作用。

需要指出的是，区别于目前ENSO或火山活动对大气CO2变化的讨论，本研究关注的是火山喷发与ENSO的共同作用对IFAC的影响。虽然通过δ13C的变化分析指出火山喷发后IFAC异常的原因来自海洋而不是陆地吸收的变化，但现阶段利用趋势分析和δ13C技术仍难以定量讨论海洋和陆地对IFAC的贡献，模式模拟可能是解决问题的有效手段。

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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

（責任编辑：孙宁）