火山、天氣與氣候
2011年8月29日
火山爆發是地球上其中一個最震撼人心的自然現象。雖然蘑菇狀火山灰雲和火山閃電的情景的確是非常壯觀且令人印象深刻，但火山爆發卻對人類有重大影響。火山灰和火山泥流會威脅陸上人類的安全，而火山灰雲亦會嚴重影響航空交通。最近的例子就是2010年在冰島和2011年6月在智利發生的火山爆發。
圖一NASA的Aqua衛星上的MODIS儀器所拍攝的可見光圖像。這圖像顯示火山灰
煙羽從智利Puyehue-Cordón Caulle火山中噴發出來(時間:2011年6月12日協
調世界時18:05) ，灰羽吹向東北並捲入一個位於大西洋上的低壓區中。
(圖片來源: NASA Goddard/MODIS Rapid Response, Jeff Schmaltz/Text: NASA/Rob Gutro,
http://www.flickr.com/photos/gsfc/sets/72157626837498837/with/5833005577/)
火山活動也影響天氣和氣候。火山爆發會把大量的氣體和微粒釋放到大氣中，從而影響短期天氣（數日至數月）和長期氣候（幾年到幾百年）。一般來說，火山爆發對天氣或氣候的影響取決於爆發的强度和持續時間、火山灰煙羽的化學成份及火山的位置（緯度）。
對於小規模的火山爆發，火山灰的煙羽通常限於對流層內（從地面延伸到約10-16公里高空的一層大氣，其高度取決於緯度）。對區域天氣的直接影響包括低能見度和晝夜溫差減少。由於大部分噴射到對流層的火山灰和氣體都會在數週內被雨水沖洗並沉積至地表（圖二 (a)），它對全球天氣和長期氣候的影響不大 [1]。
圖二(a) 小規模的火山爆發與 (b) 強烈的火山爆發對大氣的影響簡單示意圖。
強烈的火山爆發則能夠將以二氧化硫為主的含硫氣體噴發到平流層(從對流層頂部延伸到離地面約 50公里高空的氣層）。二氧化硫會在陽光下與水分子發生反應，形成硫酸氣溶膠（微小硫酸顆粒）。平流層內的強風會在隨後數星期將氣溶膠擴散到整個半球，甚至散佈全球（取決於火山的緯度）。這層氣溶膠能在穩定的平流層中逗留多年，減少太陽光到達下面的對流層，引致對流層冷卻（圖二（b））。這種冷卻效應在熱帶和處於夏季的半球更為顯著 [1]。雖然從全球平均的角度來看，在平流層的火山氣溶膠可造成地面冷卻，但它對北半球冬季的影響是間接而且複雜的。簡單來說，與火山爆發相關的北半球大氣環流變化，有利於北極濤動出現正位相 [2]，為北半球部分地區，包括歐亞大陸北部和北美部分地區等帶來暖冬。對這過程有興趣的讀者可以參考相關的文獻 [1, 3]。
在1991年6月菲律賓皮納圖博火山的爆發，是大型火山爆發令到全球平均溫度下降的其中一個例子。該火山爆發的火山灰煙羽高達約34公里。它的火山灰和氣溶膠在隨後的18個月令全球平均氣溫降低了約0.5oC。全球平均溫度要過了幾年後才回到火山爆發之前的水平（圖三）。其他過去的主要火山爆發事件顯示，與增強溫室效應造成的長期氣候變暖趨勢相比，個別火山爆發對全球氣候的冷卻效應通常是短暫的 [4,5]。
圖三1991至1996年間的全球平均溫度變化（每月數據由Goddard Institute for
Space Studies,NASA提供）。深紅色線代表13個月滑動平均。
由火山爆發釋放到大氣中的二氧化碳，也是造成的古氣候變化的其中一個自然因素。然而，各項研究顯示在過去一個世紀每年由人類活動排放二氧化碳的重量，遠遠超過由陸地和海底火山所釋放的總和。在2010年由人類活動引起的二氧化碳排放量估計約為 350億噸，是全球火山估計二氧化碳排放量（約每年2.6億噸）的100倍以上 [6]。
圖四全球平均表面溫度距平(相對於 1901至1950年期間)的時間序列。黑線為觀察值，(a)為氣候
模式考慮了人為和自然因素的模擬結果（紅線），而（b）為氣候模式只考
慮自然因素的模擬結果（藍線）。垂直灰線表示主要火山爆發的時間。粗
線代表模式的集合平均，而幼線顯示個別模式的結果。 (來源: IPCC第四次
評估報告, 第一工作组; 圖 9.5)
火山爆發對全球氣候影響的研究，讓科學家進一步了解自然因素和人為因素對20世紀觀察到的全球變暖趨勢相對的貢獻。科學家利用最先進的電腦氣候模式來模擬過去的氣候變化。他們的模擬普遍能捕捉到在過去一個世紀大規模火山爆發造成的短期冷卻效應。最重要的是，氣候模式在僅僅考慮自然因素時（如火山活動和太陽活動），無法模擬出20世紀後半葉的迅速升溫現象（圖四(b)中的藍線）。氣候模式要加入人為因素（特別是溫室氣體和氣溶膠的排放）時，才能模擬出氣溫上升趨勢（圖四(a)中的紅線）。所以20世紀的變暖不太可能只用自然因素來解釋。氣候模式模擬結果表明，在過去 50年大部分觀測到的全球氣溫上升很有可能是由人類活動所引致的 [7]。
李子祥郝孟騫
參考:
[1] Robock, A., 2000 : Volcanic eruptions and climate. Reviews of Geophysics, 38(2), 191-219.
[2] http://www.weather.gov.hk/climate_change/ao_uc.htm
[3] Shindell, D.T., G. A. Schmidt, M.E. Mann, and G. Faluvegi, 2004 : Dynamic winter climate response to large tropical
volcanic eruptions since 1600. Journal of Geophysical Research, 109, D05104.
[4] NASA Science Briefs : Pinatubo Climate Investigation, 1997.
[5] Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of the Working Group I to the Fourth Assessment
Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.
B. Averyt, M. Tignor and H. L. Miller, Eds. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York,
NY, USA, 996 pp.
[6] U.S. Geological Survey, Volcanic Gases and Climate Change Overview.
[7] P. A. Stott, S. F. B. Tett, G. S. Jones, M. R. Allen, J. F. B. Mitchell, and G. J. Jenkins, 2000 : External Control of 20th
century temperature by natural and anthropogenic forcings. Science, 290, 2133-2137.
圖一NASA的Aqua衛星上的MODIS儀器所拍攝的可見光圖像。這圖像顯示火山灰
煙羽從智利Puyehue-Cordón Caulle火山中噴發出來(時間:2011年6月12日協
調世界時18:05) ，灰羽吹向東北並捲入一個位於大西洋上的低壓區中。
(圖片來源: NASA Goddard/MODIS Rapid Response, Jeff Schmaltz/Text: NASA/Rob Gutro,
http://www.flickr.com/photos/gsfc/sets/72157626837498837/with/5833005577/)
火山活動也影響天氣和氣候。火山爆發會把大量的氣體和微粒釋放到大氣中，從而影響短期天氣（數日至數月）和長期氣候（幾年到幾百年）。一般來說，火山爆發對天氣或氣候的影響取決於爆發的强度和持續時間、火山灰煙羽的化學成份及火山的位置（緯度）。
對於小規模的火山爆發，火山灰的煙羽通常限於對流層內（從地面延伸到約10-16公里高空的一層大氣，其高度取決於緯度）。對區域天氣的直接影響包括低能見度和晝夜溫差減少。由於大部分噴射到對流層的火山灰和氣體都會在數週內被雨水沖洗並沉積至地表（圖二 (a)），它對全球天氣和長期氣候的影響不大 [1]。
圖二(a) 小規模的火山爆發與 (b) 強烈的火山爆發對大氣的影響簡單示意圖。
強烈的火山爆發則能夠將以二氧化硫為主的含硫氣體噴發到平流層(從對流層頂部延伸到離地面約 50公里高空的氣層）。二氧化硫會在陽光下與水分子發生反應，形成硫酸氣溶膠（微小硫酸顆粒）。平流層內的強風會在隨後數星期將氣溶膠擴散到整個半球，甚至散佈全球（取決於火山的緯度）。這層氣溶膠能在穩定的平流層中逗留多年，減少太陽光到達下面的對流層，引致對流層冷卻（圖二（b））。這種冷卻效應在熱帶和處於夏季的半球更為顯著 [1]。雖然從全球平均的角度來看，在平流層的火山氣溶膠可造成地面冷卻，但它對北半球冬季的影響是間接而且複雜的。簡單來說，與火山爆發相關的北半球大氣環流變化，有利於北極濤動出現正位相 [2]，為北半球部分地區，包括歐亞大陸北部和北美部分地區等帶來暖冬。對這過程有興趣的讀者可以參考相關的文獻 [1, 3]。
在1991年6月菲律賓皮納圖博火山的爆發，是大型火山爆發令到全球平均溫度下降的其中一個例子。該火山爆發的火山灰煙羽高達約34公里。它的火山灰和氣溶膠在隨後的18個月令全球平均氣溫降低了約0.5oC。全球平均溫度要過了幾年後才回到火山爆發之前的水平（圖三）。其他過去的主要火山爆發事件顯示，與增強溫室效應造成的長期氣候變暖趨勢相比，個別火山爆發對全球氣候的冷卻效應通常是短暫的 [4,5]。
圖三1991至1996年間的全球平均溫度變化（每月數據由Goddard Institute for
Space Studies,NASA提供）。深紅色線代表13個月滑動平均。
由火山爆發釋放到大氣中的二氧化碳，也是造成的古氣候變化的其中一個自然因素。然而，各項研究顯示在過去一個世紀每年由人類活動排放二氧化碳的重量，遠遠超過由陸地和海底火山所釋放的總和。在2010年由人類活動引起的二氧化碳排放量估計約為 350億噸，是全球火山估計二氧化碳排放量（約每年2.6億噸）的100倍以上 [6]。
圖四全球平均表面溫度距平(相對於 1901至1950年期間)的時間序列。黑線為觀察值，(a)為氣候
模式考慮了人為和自然因素的模擬結果（紅線），而（b）為氣候模式只考
慮自然因素的模擬結果（藍線）。垂直灰線表示主要火山爆發的時間。粗
線代表模式的集合平均，而幼線顯示個別模式的結果。 (來源: IPCC第四次
評估報告, 第一工作组; 圖 9.5)
火山爆發對全球氣候影響的研究，讓科學家進一步了解自然因素和人為因素對20世紀觀察到的全球變暖趨勢相對的貢獻。科學家利用最先進的電腦氣候模式來模擬過去的氣候變化。他們的模擬普遍能捕捉到在過去一個世紀大規模火山爆發造成的短期冷卻效應。最重要的是，氣候模式在僅僅考慮自然因素時（如火山活動和太陽活動），無法模擬出20世紀後半葉的迅速升溫現象（圖四(b)中的藍線）。氣候模式要加入人為因素（特別是溫室氣體和氣溶膠的排放）時，才能模擬出氣溫上升趨勢（圖四(a)中的紅線）。所以20世紀的變暖不太可能只用自然因素來解釋。氣候模式模擬結果表明，在過去 50年大部分觀測到的全球氣溫上升很有可能是由人類活動所引致的 [7]。
李子祥郝孟騫
參考:
[1] Robock, A., 2000 : Volcanic eruptions and climate. Reviews of Geophysics, 38(2), 191-219.
[2] http://www.weather.gov.hk/climate_change/ao_uc.htm
[3] Shindell, D.T., G. A. Schmidt, M.E. Mann, and G. Faluvegi, 2004 : Dynamic winter climate response to large tropical
volcanic eruptions since 1600. Journal of Geophysical Research, 109, D05104.
[4] NASA Science Briefs : Pinatubo Climate Investigation, 1997.
[5] Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of the Working Group I to the Fourth Assessment
Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.
B. Averyt, M. Tignor and H. L. Miller, Eds. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York,
NY, USA, 996 pp.
[6] U.S. Geological Survey, Volcanic Gases and Climate Change Overview.
[7] P. A. Stott, S. F. B. Tett, G. S. Jones, M. R. Allen, J. F. B. Mitchell, and G. J. Jenkins, 2000 : External Control of 20th
century temperature by natural and anthropogenic forcings. Science, 290, 2133-2137.