科研进展

Science Bulletin: 利用气球在青藏高原上空平流层探测到汤加火山喷发的烟羽

  2022年1月15日,南太平洋岛国洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊爆发海底火山(简称汤加火山),喷发高度达到58km,为1991年菲律宾皮纳图博爆发后最强火山,影响了全球气候。目前对于火山气溶胶演变过程和作用的认识仍存在很大不确定性,尤其在喷发初期,缺乏火山烟羽中微物理量的原位观测数据。

  为了系统研究青藏高原上空大气成分的时空分布特征,中国科学院大气物理研究所LAGEO大气成分探空团队,近年来利用气球在青藏高原开展水汽、臭氧和粒子(SWOP)探空实验,搭载低温霜点湿度计(CFH),粒子后向散射探测仪(COBALD)和便携式光学粒子计数仪(POPS,测量直径在0.13至3.0μm之间)。2022年4月9日(即汤加火山喷发12周后)在云南丽江获得的球载探空观测显示,在北半球平流层西风带24-25公里处有强烈的气溶胶及水汽信号(图1、图2),这是在北半球平流层西风带首次实现此类观测。水汽值高达8.5 ppmv,显著高于平流层水汽背景值(4-5 ppmv)。COBALD和POPS观测数据获取了火山气溶胶微物理特性,如后向散射比、粒子浓度和粒径谱分布信息。火山气溶胶数浓度为~1cm-3,主要由粒径在0.42-1.27 μm的粒子组成,有别于背景条件(无火山)下的平流层气溶胶的粒径(峰值为0.22~0.42 μm)分布。在火山烟羽中还观察到明显的气溶胶与水汽分层现象。此外,基于微波临边探测器(MLS)数据的估算,汤加火山向平流层注入了大约140 Tg水汽,导致平流层水汽增加超过8%,且水汽增多主要发生在38-17 hPa(22.2-27 km)高度(图1,Xu et al., 2022)。这是首次利用原位观测数据给出汤加火山烟羽的微观特征,有助于进一步模拟火山烟羽中的物理化学过程。

  上述成果近期发表在《Science Bulletin》杂志,该工作受科技部第二次青藏高原综合科学考察研究任务六专题四(2019QZKK0604)、基金委国际合作项目(42061134012)等联合资助。

  文章链接:

  Bian, J., Li, D., Bai, Z., Xu, J., Li, Q., Wang, H., Vomel, H., Wienhold, F. G., and Peter, T., 2023. First detection of aerosols of the Hunga Tonga eruption in the Northern Hemisphere stratospheric westerlies, Science Bulletin, 68, 574–577, https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.03.002. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323001512?via%3Dihub)

  Xu, J., Li, D., Bai, Z., Tao, M., Bian, J., 2022. Large Amounts of Water Vapor Were Injected into the Stratosphere by the Hunga Tonga–Hunga Ha’apai Volcano Eruption. Atmosphere 13(6), 912. https://doi.org/10.3390/atmos13060912. ( https://www.mdpi.com/2073-4433/13/6/912/htm)

    

 

图 1 (a)MLS观测的38-17 hPa水汽距平时间纬向分布;(b)2022年4月9日,丽江CFH(蓝色)、MLS(黑色)水汽廓线,灰色2005-2020多年平均MLS水汽背景值。

图2 4月9日丽江首次观测汤加火山喷发在平流层24-25 km处引起的后向散射比,气溶胶粒径及水汽廓线异常 (a、b和c);ERA5再分析数据流场及CALIPSO火山气溶胶观测,星号标注丽江测站(d)。

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