汤加火山喷发SO2全球传输扩散态势模拟研究

宿兴涛,邓志武,安 豪

汤加火山喷发SO2全球传输扩散态势模拟研究

宿兴涛1,2*,邓志武1,安 豪1

(1.北京应用气象研究所,北京 100029；2.中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室(LAPC),北京 100029)

针对2022年1月汤加火山喷发SO2全球扩散态势,采用拉格朗日粒子扩散模式(FLEXPART),基于卫星监测信息对SO2源项进行评估和设计,在此基础上开展数值模拟(截至2022年2月20日).结果表明,火山喷发初期模式对SO2南北扩散范围模拟偏窄,但随着时间演变与观测呈现逐渐吻合趋势;SO2主体位于南半球,向西传输区域主要位于0～30ºS纬度带,最大传输速度约22.5º/d,在研究时段跨赤道传输作用弱,对北半球和我国影响小;SO2在西向传输过程中总体保持前高后低倾斜态势,传输最快高度和向上扩散最大高度分别位于27km和31km左右;截至2月20日,SO2累积地面沉降已扩展至60ºN以南全球大部分区域,主要区域位于0～50ºS纬度带,沉降最强地区位于澳大利亚东部、汤加火山西北部和南美洲南部.研究结果可为汤加火山气候效应评估提供数据支撑和思路借鉴.

汤加火山；SO2；扩散；FLEXPART

SO2是一种主要的大气污染物,对大气环境、人类健康和全球气候均具有重要影响.空气质量和气候研究均需要准确的SO2时空分布信息[1-2].SO2主要来自人为排放源,包括含硫燃料燃烧、石油化工、金属冶炼等过程[3],但来自火山喷发等的自然排放源同样起着重要作用[4].卫星观测表明,2005～2015年全球火山每年大约喷出(2000～2500)´107kg SO2进入大气[5].SO2能转化为硫酸盐气溶胶,由于对太阳辐射具有强烈的反射作用,可对地球气候能产生较强的致冷效应[6].因此,火山喷发SO2质量及其时空分布对于研究其气候效应具有重要价值.

受风、降水等因素影响,火山喷发物扩散过程具有一定不确定性[7],其主要观测手段包括卫星遥感、雷达、探空气球、数值模拟等,而数千公里以上大范围扩散研究又以卫星遥感和数值模拟为主.卫星遥感能够实时、准确获取火山喷发信息,是定量监测火山喷发物扩散态势的有效手段,从20世纪80年代开始得到快速发展,并呈现出传感器类型不断增多、多源传感器组合监测、分辨率不断提高、监测精度逐渐增高等发展趋势[8-10].在紫外光吸收法、模式识别法、分裂窗亮温差法等监测算法基础上[8],近年来又逐渐发展了机器学习算法[11-12].数值模拟方面,主要有天气尺度和气候尺度两种模式,包含PUFF、HYSPLIT、WRF-Chem、GCM、CAM等多种类型[13-14].由于中国并不是火山喷发的高危区域,以往对火山喷发扩散的研究很少[15],有限的研究多集中在火山灰云卫星反演算法方面[8,16],基于数值模式的扩散研究还不多见.

2022年1月13日(世界时,下同)开始,位于南太平洋汤加洪阿哈阿帕伊岛的海底火山发生了剧烈喷发.此次爆发等级为普林尼式,火山爆发指数VEI指数(根据火山喷发物体积与喷发柱高度来衡量火山爆发强烈程度)大约为5级[17],属于本世纪以来最强.Zhang等[17]采用简单辐射平衡模式评估表明,未来1-2年全球平均地表气温约下降0.0315～0.1118℃.Zuo等[18]利用火山爆发后次年地表冷却幅度与火山强度之间存在的准线性关系,估算得出汤加火山爆发后次年全球平均地表温度下降0.004℃.两篇文献重点聚焦汤加火山喷发带来的气候效应,研究方法均为估算方式,未直接通过研究火山喷发物如SO2、火山灰的空间分布、辐射强迫进而得出地表温度的变化情况.

火山喷发通过改变气候、大气环境、电离层等多种方式对地球产生影响.海底火山爆发还会产生海啸,对沿海设施和人类生命造成威胁.国内外普遍关注火山喷发对全球气温的影响.虽然Zhang等[17]和Zuo等[18]评估给出汤加火山全球温度降幅介于约0.004～ 0.1118℃,但两项研究均采用的是对比和间接的方法,未直接采用汤加火山喷发物的时空分布信息进行计算,因此其评估准确性存在很大不确定性.基于此,本文采用一种粒子扩散模式,以SO2为研究对象,通过模拟给出汤加火山喷发后短期内SO2大气传输扩散态势和时空分布特征,有望为其他汤加火山气候效应评估提供直接的数据支撑和思路借鉴.

1 模式介绍与试验设计

1.1 模式介绍

本文采用FLEXPART模式作为研究工具.该模式是一种开源的拉格朗日粒子扩散模式,最初被用来研究长距离、中尺度的点源空气污染扩散问题,该模式经过多年发展已经成为模拟和分析大气传输的重要工具,可覆盖从几十米到全球多种空间尺度,以及从空气污染到大气传输、温室气体、水循环、火山灰等多个领域[19-20].FLEXPART模式通过计算点、线、面或体源释放的粒子轨迹,描述示踪物在大气中长距离和中尺度的传输、扩散、干湿沉降和辐射衰减等过程.同时,通过时间前向运算来模拟示踪物由源区向周围的扩散,也可通过后向运算来确定对固定站点有影响的潜在源区分布(格点驻留时间,也称敏感性系数或印痕函数).FLEXPART模式核心是污染物的源汇关系,采用零加速度方案计算粒子轨迹,可表示为:

模式还涉及边界层参数化、湿沉降、干沉降、放射性衰减、粒子质量损耗等过程,关于该模式的详细描述请参考文献Pisso等[19]和Stohl等[20]. FLEXPART模式是一种拉格朗日粒子模式,相比于欧拉模式,具有无数值扩散、独立于计算网格、运算效率高等优点.另外,该模式移植方便,可与多种气象模式进行耦合使用.需要指出的是,FLEXPART是一种离线模式,需要使用再分析、预报等气象资料作为驱动场.同时,该模式适用于物理化学性质较为稳定的污染物种类,对于容易在空气中发生物理化学反应的污染物种类描述具有局限性.

1.2 源项评估与设计

准确的SO2喷发源项信息对于模式模拟效果至关重要.源项信息主要包括喷发位置(经度、纬度、高度)、喷发时间、喷发速率(喷发质量)、喷发高度分布(喷发形状或质量分布)等.由于缺乏现场直接观测数据,采用美国国家航空航天局大气化学与动力实验室全球SO2监测网提供的汤加火山喷发信息(https://so2.gsfc.nasa.gov/index.html).此次汤加火山喷发主要发生在两个时段,分别为13日15:00～ 15:30、15日04:00～10:00.有多个卫星传感器对SO2质量进行了评估,但由于传感器性能、反演算法等原因导致结果存在一定差异.其中,对于13日喷发释放的SO2质量,Aura/OMI(臭氧监测仪)监测评估约5.848´107kg(监测时间14日01:17～01:20),Suomi NPP/OMPS(臭氧剖面制图仪)评估约6.796´107kg (监测时间14日00:49～00:52),Sentinel-5P/TROPOMI评估约5.312´107kg(监测时间14日00:53～02:36).3种传感器发射时间和反演数据分辨率不同,但监测时间基本一致.

表1 汤加火山喷发SO2源项信息

本文采用发射时间较晚、可靠性和分辨率相对较高的Sentinel-5P/TROPOMI的评估结果,即5.312´107kg.15日火山喷发SO2质量只被Suomi NPP/OMPS捕获到,监测时间为16日00:09～03:37, SO2质量约为42.053´107kg,由于此时包括了第一次喷发的SO2质量,减掉后得到第二次喷发的SO2质量约为36.741´107kg.OMPS-LP资料显示,13日、15日喷发高度分别达到约20km、28～30km,本文采用28km;第二次火山喷发向对流层排放的SO2很少,绝大部分进入到平流层.根据上述信息,在设计第二次喷发源项时将喷入对流层和平流层的SO2质量比例设置为1:9,第一次喷发源项设计相同.张誉等[21]研究表明,热带地区20°S附近对流层比较稳定保持在17km左右,因此第二次喷发低层和高层分界以17km高度为界,第一次喷发按照相同比例设置为约12km.由于喷发火山为海底火山,喷入大气起始高度设置为从海平面开始.同时假定在火山两次喷发持续时间内火山喷发SO2强度保持不变.综合以上信息,表1给出了本文设计的汤加火山喷发SO2具体源项信息.需要指出的是,Zhang等[17]研究重点关注汤加火山长期气候效应,其在设计源项时根据过去火山活动指数和估算火山喷发指数的判据,估算得到汤加火山VEI为5级.Zuo等[18]源项设计直接采用了NASA大气化学与动力实验室全球SO2监测网提供的第二次喷发SO2总质量(约0.4Tg).上述两项研究仅估算或直接引用了VEI、总质量等火山喷发总的表征指标,未涉及源项三维分布、时间变化等信息.

1.3 试验设计

模式模拟区域水平范围为全球(区域R1),分辨率为1°×1°,格点数为360´180;垂直范围为地面至40km,共分为80层,分辨率为500m.为刻画主要分布区域SO2更细致的信息,对南半球(东西向全球,南北向0～40°S)区域进行了嵌套输出(区域R2),水平分辨率为0.25°×0.25°,格点数为1440´160,垂直范围相同.区域R1和R2范围及相关模式参数设置分别见图1和表2.模拟时间为1月13日0:00至2月20日0:00,模式驱动场采用间隔6h的NCEP FNL全球再分析资料,水平分辨率为1°×1°,其垂直范围为海平面至0.01hPa.

图1 模拟区域范围(R1为全球,R2为嵌套输出区域)

表2 模拟区域参数设置

2 模拟性能检验

为检验模式模拟性能,采用模拟SO2多布森单位分布与NASA网站发布的汤加火山喷发SO2监测图像进行对比,时间为第二次火山喷发后1月16日～ 1月21日(图2),对比的主要指标见表3.

监测图像优先采用Sentinel-5P卫星OMI图像,当日无监测时采用NPP卫星OMPS图像.由图2可见,16日3:00,监测显示SO2主要位于(15°S～25°S, 160°E～180°E)区域,高值区位于(20°S,175°E)周边几个经纬度范围,数值最大在20DU以上.相比监测,模拟SO2主体区域位置基本一致,包括对170°W～ 175°W低值区的刻画,但南北跨度较窄,20DU以上高值区南北跨度约3～4个纬度,较监测小约2个纬度,高值区东西跨度较监测宽约4个经度.另外,模式对高值区西侧20DU以下区域模拟范围明显偏小.17日5:00,监测显示SO2已抵达澳大利亚东北部140°E附近,主体区域位于澳大利亚东北部海域,海上SO2整体分布呈西偏北走向.模式总体再现了上述特征,包括高值区位置,但SO2扩散前锋位置明显偏东.与16日相似,主体区域模拟范围的南北跨度偏窄.18日6:00,SO2主体抵达130°E附近,其东部海域上空SO2呈西北―东南分布,模式总体再现了上述分布特征,但在澳大利亚北部区域范围的南北跨度同样较监测偏窄,数值偏大.19日8:00, SO2主体抵达130°E以东,澳大利亚西北部海域和北部沿海地区存在5DU以上的高值区,且澳大利亚北部SO2到达10°S附近,南部到达27°S附近.模拟显示,SO2主体位置与监测相近,包括主体西北部三角形前锋形状,但5DU以上高值区范围偏大.20日9:00,监测和模拟均显示喷发物抵达80°E附近,主体均位于澳大利亚西北海域.21日11:00,污染物前锋抵达非洲马达加斯加东北部海域,主体位于55°E-120°E区间,北侧污染物传输较快特征也得到重现.

总体来看,数值模式总体再现了火山喷发SO2在1月16日～21日期间的传输扩散特征,尤其是SO2前锋所处位置的模拟与观测基本一致.同时,虽然模式对于SO2南北扩散范围的模拟总体偏窄,但主要体现在火山喷发初期,随着时间发展SO2总体分布特征演变呈现与观测逐渐吻合的趋势.1月19～21日(180°E,30°S)附近的SO2未得到重现,关于其是否来自15日之后火山低强度喷发产生的SO2,有待后续进一步研究.除模式本身局限、源项设计等因素外,模式模拟与卫星观测存在差异的原因还可能是卫星监测产品为平流层低层SO2柱含量STL产品.该产品反映的是较为理想的污染物垂直分布假设,其中心质量高度为18km,而本次汤加火山喷发SO2从海平面至30km左右高度均有分布,其分布情况与卫星存在差异.需要指出的是,虽然卫星监测短期SO2扩散态势具有优势,但随着时间发展伴随扩散、沉降等过程发生,SO2浓度逐渐降低,已逐渐在卫星图像中难以分辨,而采用数值模式是研究相对较长时间火山喷发SO2浓度及其气候效应的最佳选择之一.

表3 性能检验指标

3 全球传输扩散态势

3.1 水平扩散

图3为1月16日～2月20日间隔5d的SO2水平分布,图4为相应日期55°S～5°N纬度带SO2主要传输高度20～30km(图5)平均水平风场.由图3可见,火山喷发后SO2在向周围扩散的同时,位于平流层的SO2快速向西扩散(图5),传输区间主要位于0～30°S纬度带.由图4可见,研究时段南半球正值夏季,相对平直的东风急流主导低纬度平流层风场,由于SO2喷发时大部分直接进入平流层,因此SO2主体在急流作用下快速向西传输.1月16日向西到达澳大利亚东部170°E附近,1月21日抵达60°E附近,1月26日抵达南美洲东部地区,1月31日0:00即抵达汤加火山所处的175°W附近,此时SO2前锋已基本完成环绕地球一周的传输.从15日第二次喷发起算,时间约为16d,由此可得出SO2扩散前锋西向传输速度约为22.5°/d.另外,SO2在东西向传输扩散的同时,也存在一定的南北向扩散趋势.1月16日向北即将达到赤道附近,1月21日已有部分跨越赤道到达北半球,但范围和数值很小,在0.5DU以下,并且位于汤加火山附近的SO2向南扩散至45°S附近.1月26日,位于180°E附近的SO2向北到达10°N附近,南侧位于40°S附近.总的来看,由于南北半球风场环流相对独立,在一个多月时间内,SO2主体位于南半球,并在平流层高速向西传输,但跨赤道传输弱,对北半球和我国影响较小.

图3 1月16日～2月20日SO2水平分布(DU)

图4 1月16日～2月20日20～30km高度平均水平风场(m/s)

3.2 垂直扩散

选择东西向主要传输区间0～30°S纬度带,图5给出了SO2在1月16日～2月20日间隔5d的垂直扩散.

图6 1月16日～2月20日10～1000hPa高度沿0～40ºS纬度带平均垂直风场和温度场(℃)

图6为10～1000hPa高度沿0～40°S纬度带平均垂直风场.由图可见,在第二次喷发不久的1月16日0:00,大约以17km高度为界,17km以下SO2基本保持在火山喷发所处经度附近,东西向扩散范围小;17km高度以上在东风急流作用下逐渐开始向西向上扩散,最大高度位于30km附近,最大浓度在20μg/m3以上;20km高度SO2存在一支西向分叉,最大浓度在2μg/m3以上,该部分主要来自第一次火山喷发,已抵达160°E附近.1月21日,SO2主体以17～18km高度为界分隔为两部分,该高度以上SO2发生明显的向西传输,传输最前沿位于27km高度附近,由于上层风速整体较下层大,SO2传输区域自上而下呈倾斜分布;17～18km高度以下SO2总体位于170°E～160°W经度带.1月26日,位于平流层的SO2,向西传输最快的高度依然处在27km附近,并抵达60°W附近,最下端传输相对较慢,尚位于80°E附近,东西向跨度达到约140个经度.原来主体位于对流层的SO2,在扩散作用下主要位于15～20km高度、170°E附近,15km高度以下SO2浓度已经很低.1月31日,位于平流层的SO2前锋已抵达170°W,高度位于25～28km,最前沿同样在27km高度附近.同水平分布相同,此时位于平流层的SO2已基本完成绕地球一周传输.26日位于15～20km高度、170°E附近的SO2,除少部分向东传输外,大部分开始向西传输,并抵达80°E附近.2月5日以后,原来上下分层的SO2,已逐渐合为一个整体,自上而下整体呈上快下慢的倾斜分布态势,最大高度在31km左右,最快传输高度保持在27km,最下层高度在扩散作用下逐渐抬升,至2月20日位于18km高度附近.2月9日上层传输最快的SO2已追上下层,此时SO2完成东西向横跨全球覆盖.2月16日27km高度最快传输的SO2已完成绕地球第二周传输,传输速度同第一周基本相同.根据图6,17～18km对应100hPa左右高度层,处于上层东风与下层对流层风场过渡或转换地带,在该高度上下出现不同传输态势;27km左右东风风速最大,因此该高度SO2传输最快.总体来看,火山喷发SO2在西向传输过程中总体保持前高后低倾斜态势,最快传输高度在27km左右,传输速度保持在22.5º/d.

3.3 地面沉降

SO2在向全球传输扩散的同时,在云内清除、云下清除、降水冲刷、下沉气流等作用下,也逐渐产生地面沉降.图7给出了1月20日～2月20日间隔10d的SO2全球累积沉降分布.由图7可见,1月20日沉降主要发生在火山以西、160°E以东区域,1月30日沉降逐渐扩展至澳大利亚东部至南美洲中南部10°S～60°S纬度带,并存在澳大利亚东部至汤加火山、南美洲中南部及邻近海域2个沉降集中区域.2月10日,累积沉降通量已覆盖南半球,主要区域位于0～50°S纬度区间,最南端和最北端分别到达南极洲和我国青藏高原.2月20日,累积沉降扩展至全球更大区域,高值区和沉降集中区域位于0～50°S纬度,大部分数值在2μg/m2以上,沉降最大值主要出现在澳大利亚东部、汤加火山西北部和南美洲南部地区,最大值在200μg/m2以上.最北端如我国华南和青藏高原地区、美国和墨西哥西部地区以及欧洲均产生沉降,青藏高原出现100～200μg/m2的沉降极值中心.由图6可见,沉降最大值出现地区下沉气流出现频率较高,是促使地面沉降发生的重要原因之一.

图7 1月20日～2月20日SO2全球累积沉降通量分布(μg/m2)

3.4 不确定性分析

本研究还存在一些不确定性有待在今后工作中改进.首先,源项设计带来的不确定性.由于观测资料的缺乏,在确定模式输入SO2源项时将其设计为从海平面至平流层与地面垂直的直线形状,并将其在对流层和平流层的质量比例设置为1:9,同时假设火山喷发期间强度保持不变.这种较为理想的源项设计与实际情形存在差异,下一步可根据更详细的立体探测信息优化源项设计方案.其次,模式对SO2生消演变过程描述能力带来的不确定性.模式中考虑的SO2物理化学过程包括干沉降、湿沉降、OH反应等,与实际大气中SO2完整的生消演变过程存在差异.另外,模式驱动场资料带来的不确定性.模式采用的驱动场资料来自NCEP再分析资料,该资料在上对流层和下平流层的风场与实际存在一定误差[22],由此可带来对SO2时空分布模拟的误差.

4 结论

4.1 在火山喷发初期一周左右时间,模式总体再现了SO2传输扩散特征,虽然南北扩散范围模拟偏窄,但随着时间演变与观测呈现逐渐吻合趋势.

4.2 从水平分布看,SO2主体位于南半球,并在平流层0～30°S纬度带高速向西传输,1月31日完成了环绕地球一周传输,平均传输速度约22.5°/d.由于南北半球风场环流相对独立,在研究时段内SO2跨赤道传输弱,对北半球和我国影响不大.

4.3 从垂直分布看,SO2在西向传输过程中总体保持前高后低倾斜态势,传输最快高度位于27km左右,向上扩散最大高度位于31km左右,2月16日传输最快部分SO2已完成绕地球第二周传输.

4.4 从沉降分布看,截至2月20日,沉降已扩展至60°N以南全球大部分区域,但主要发生区域在0～ 50°S纬度带,沉降最大值出现在澳大利亚东部、汤加火山西北部和南美洲南部地区,最大值在200μg/m2以上.最北端如我国华南和青藏高原地区、美国和墨西哥西部地区以及欧洲均产生沉降,青藏高原出现100～200μg/m2的沉降极值中心.

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致谢：图1采用的SO2卫星监测图片来自NASA大气化学与动力实验室全球SO2监测网,在此表示感谢.

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

宿兴涛(1984-),男,山东聊城人,高级工程师,博士,主要从事大气环境仿真研究.发表论文30余篇.

2022-06-06

国防科技基础加强计划资助项目(2021-JCJQ-JJ-1058)

* 责任作者, 高级工程师, suxingtao@mail.iap.ac.cn