1961年以來火山噴發年份黑龍江省溫水及主要災害變化特征初探*

閆 平，王秋京，李永生，曹 蕾，初 征，劉 丹，翟 墨，姜麗霞

(1.黑龍江省氣象科學研究所，哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣候中心，哈爾濱 150030；3.哈爾濱市氣象臺，哈爾濱 150028)

2022年1月15日，南太平洋島國湯加發生的火山噴發引起了世界廣泛關注。多年來，世界各國科學家持續研究火山噴發對氣候變化的影響，研究表明，火山活動是氣候變化的驅動因素之一[1-2]，利用火山活動觀測資料分析指出，小火山噴發對全球溫度影響很小，影響時間也較短，而大火山噴發后的1～2年全球年均溫下降約0.3℃[3-4]，同時通過數值模擬研究發現，近百年強火山噴發可造成地表年平均溫度下降約0.4℃[5-7]，可見觀測與模擬研究結論較為接近。許多專家學者對火山活動與我國氣候變化的關系開展了研究工作[8]，張先恭等[9]分析指出火山活動對我國氣候確有一定影響，火山活動對氣溫的影響要比對降水的影響明顯得多，于革等[10]利用三維大氣環流模式進行氣候模擬試驗，結果顯示火山灰陽傘效應造成我國長江流域以北的廣大地區普遍出現了0.2℃的降溫，李明啟等[11]分析發現10°S～10°N的強火山噴發后第一年青藏高原東部出現降溫；從近540年火山噴發對中國地區降水的影響看，由于火山緯度不同以及火山噴發強度不同，火山噴發對中國地區降水量影響不同，夏季降水量變化較全年更加顯著，中國不同地區降水量對火山噴發的響應也存在差異，胡昌新[12]研究了火山噴發對長江流域干旱的影響，分析提出在太陽活動低值年(黑子數最小時) 背景下，當火山猛烈噴時，將形成灰塵幕—長江流域旱情—河口咸潮入侵。

總體來看，火山活動與氣候變化關系較為復雜，火山噴發性質、季節、緯度以及區域不同，其產生影響也存在差異。目前關于火山噴發對黑龍江省氣候影響的相關研究較少，在火山噴發年份，黑龍江省溫水特征以及低溫冷害、干旱特征如何變化仍不明確，基于此，本文利用1961—2021年氣象資料，對1961年以來火山噴發年份黑龍江省溫水條件狀況進行分析，探討溫度、降水以及災害特點，以期為氣候預測評價、災害監測評估及農業防災減災提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

氣象資料包括1961—2021年黑龍江省80個氣象觀測站日平均氣溫、日降水資料?；鹕絿姲l強弱按火山噴發指數(VEI)區分，VEI共分為8級，即VEI-1級至VEI-8級，1級是最小級別，8級是最大級別[10]。5級和5級以上是比較強烈的火山噴發，在地球上并不多見，1961年以來5級及以上火山噴發6次，共計5年(表1)[13]。湯加火山在2009年、2014年、2015年、2019年和2021年曾發生多次噴發。多次均是小規模噴發，未達到5級。

表1 5級及以上強度火山噴發概況

1.2 數據處理方法

1.2.1 數據處理分析

利用80個氣象觀測站日平均氣溫、日降水資料分別計算黑龍江省1—12月各月、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)、生長季(5—9月)平均氣溫、平均降水合量以及≥10℃積溫、≥2℃無霜期、≥0℃初霜凍日期。研究表明，火山噴發及噴發后1～2年，其對氣候產生較大影響[4,9,11,14]，因此本文重點分析火山噴發年及噴發后1～2年黑龍江省溫水及災害特征。

1.2.2 距平計算方法

考慮氣候變暖影響，歷年平均采取30年滑動平均方式計算，即滾動計算1961—1990年平均值、1962—1991年平均值、1963—1992年平均值，……，依次類推。在進行距平計算時，1961—1990年期間的各年份均與1961—1990年平均值進行比較，從1991年開始，則利用滾動計算的30年平均值，如1991年與1962—1991年平均值進行比較，1992年與1963—1992年平均值進行比較，依次類推。采用此種方式計算，可以減少氣候變化的影響，確保數據比較結果的科學性，使計算結果準確性更高。

1.2.3 低溫冷害年判識

利用日平均氣溫資料，計算1961—2021年黑龍江省80個氣象觀測站5—9月平均氣溫和。依據國家標準《北方水稻低溫冷害等級：QX/T 34967—2017》[15]劃分的水稻5—9月平均氣溫和距平等級(表2)，判定低溫冷害年。

1.2.4 干旱年判識

采用水分虧缺距平指數(CWa)作為農業干旱指數計算基礎[16]，CWa計算公式為：

(1)

CW=a×CWj+b×CWj-1+c×CWj-2+d×CWj-3+e×CWj-4。

(2)

式中：CWj為第j時間單位(取10 d)的水分虧缺指數(%)；CWj-1為第j-1時間單位的水分虧缺指數(%)；CWj-2為第j-2時間單位的水分虧缺指數(%)；CWj-3為第j-3時間單位的水分虧缺指數(%)；CWj-4為第j-4時間單位的水分虧缺指數(%)；a、b、c、d、e為權重系數，a取值為0.3；b取值為0.25；c取值為0.2；d取值為0.15；e取值為0.1。

CWj計算公式為：

(3)

式中：Pj為某10 d的降水量(mm)；Ij為某10 d的灌溉量(mm)；ETcj為作物某10 d實際蒸散量(mm),由ETcj=kc×ET0計算：ET0為某10 d的作物可能蒸散量，可采用聯合國糧農組織(FAO 1998)推薦的Penman-Monteith公式計算[17]。

以作物水分虧缺距平指數為指標，根據表3確定干旱等級。

表2 東北地區不同熱量區域的延遲型冷害指標(℃)

表3 作物水分虧缺距平指數的等級

2 結果與分析

2.1 火山噴發年份黑龍江省溫度特征

2.1.1 強火山噴發年份溫度特征

強火山噴發年，黑龍江省1—12月各月平均氣溫總體以偏高為主，其中正距平范圍在0.1～3.1℃之間，負距平為-3.1～-0.1℃，正距平月份較負距平月份偏多28.0%。2月、8月未出現負距平，1月、3月、5月、9月、10月、12月出現3年負距平，其它月份出現1～2年負距平(圖1)。

圖1 強火山噴發年黑龍江省1—12月平均氣溫距平

從季節變化看，強火山噴發5年夏季、生長季均呈現正距平，以暖為主導，冬季總體偏暖，春季、秋季冷暖不一。無霜期有3年偏少1～3 d，初霜凍日期2年提前，≥10℃積溫2年略偏少(表4)。

表4 強火山噴發年黑龍江省四季、生長季溫度條件

進一步分析強火山噴發后1～2年溫度變化情況，強火山噴發后1年黑龍江省1—12月各月正距平為0.1～3.2℃，負距平為-4.0～-0.1℃，月平均氣溫正距平月份較負距平月份偏少9.7%，6月、10月、11月出現4年負距平，2月、8月、9月出現3年負距平，其它月份出現1～2年負距平(圖2a)；強火山噴發后2年1—12月各月正距平為0.1～4.4℃，負距平為-4.2～-0.1℃，正距平月份與負距平月份持平，4月出現4年負距平，1—3月出現3年負距平，其它月份出現1～2年負距平(圖2b)。

圖2 強火山噴發后1～2年黑龍江省1—12月平均氣溫距平

強火山噴發后1年，春季5年均為正距平，呈偏暖趨勢，夏季、生長季出現4年負距平，總體偏冷，秋季和冬季冷暖并存，≥10℃積溫以偏少為主，無霜期1年縮短，初霜凍日期3年提前；強火山噴發后2年，冷、暖并存在主導趨勢，春季和冬季出現3年負距平，其它季節出現1～2年負距平，生長季平均氣溫和≥10℃積溫1年呈現負距平，無霜期1年縮短，初霜凍日期2年提前(表5)。

2.1.2 湯加火山噴發年份溫度分析

湯加火山噴發5年正距平為0.1～4.6℃，負距平為-2.8～-0.1℃，正距平月份多于負距平月份，偏多43.5%，2009年負距平出現最多為7個月，其它年份出現2～6個月負距平(圖3a)；湯加火山噴發后1年1—12月各月正距平為0.1～4.0℃，負距平為-4.9～-0.1℃，正距平月份多于負距平月份，偏多53.8%，2020年負距平出現最少為2個月，2010年、2016年分別出現6和5個月負距平(圖3b)。湯加火山噴發5年和后1年中2009年3個季節出現負距平，2014年未出現負距平，其他年份均是1～2個季節出現負距平，生長季平均氣溫2009年和2019年偏低0.1～0.2℃，≥10℃積溫1年偏少，無霜期正?；蚱L，初霜凍日期2年提前。湯加火山噴發后1年生長季平均氣溫和≥10℃積溫均偏多，無霜期偏長，初霜凍日期2年提前(表6)。

表5 強火山噴發后1～2年黑龍江省四季、生長季溫度條件

表6 湯加火山噴發年及后1年黑龍江省四季、生長季溫度條件

圖3 湯加火山噴發年及后1年黑龍江省1—12月平均氣溫距平

2.2 火山噴發年份黑龍江省降水量特征

2.2.1 強火山噴發年份降水量特征

強火山噴發年，黑龍江省1—12月各月降水量總體以偏少為主，其中正距平為2.8%～93.5%，負距平為-72.2%～-1.1%，負距平月份較正距平月份偏多18.2%。出現5年負距平的月份是11月，出現4年負距平的月份是2月和3月，其它月份出現1～3年負距平(圖4)。

圖4 強火山噴發年黑龍江省1—12月降水量距平

從季節變化看，強火山噴發年春季降水均為正距平，夏季、冬季、生長季出現3年負距平，秋季出現2年負距平(表7)。

表7 強火山噴發年黑龍江省四季、生長季降水距平

強火山噴發后1年正距平月份與負距平月份接近，但月份間降水距平差異較大，1983年4月降水距平高達226.2%，1964年2月降水距平少至-85.5%，二者相差311.7%，1992年負距平月份最多，占全年66.7%，其它年份33.3%～58.3%的月份出現負距平。6月未出現負距平，1月、2月出現4～5年負距平，其它月份出現1～3年負距平(圖5a)；強火山噴發后2年正距平月份較負距平月份偏多13.0%，正距平月份與負距平月份差距較大，1965年負距平月份最多，占全年75.0%，其它年份25.0%～41.7%的月份出現負距平，1月、4月、5月、12月出現3年負距平，其它月份出現0～2年負距平(圖5b)。

圖5 強火山噴發后1～2年黑龍江省1—12月降水量距平

表8 強火山噴發后1～2年黑龍江省四季、生長季降水距平

表9 湯加火山噴發年及后1年黑龍江省四季、生長季降水距平

強火山噴發后1年，夏季、冬季、生長季降水以偏多為主導趨勢，春季、秋季則出現2～3年負距平。強火山噴發后2年，夏季、秋季、生長季降水總體偏多，而春季和冬季出現2年負距平(表8)。

2.2.2 湯加火山噴發年份降水分析

湯加火山噴發5年降水量正距平月份多于負距平月份，偏多19.2%，2014年負距平月份最多，占全年66.7%，其它年份25.0%～50.0%的月份出現負距平，4月出現5年負距平，10月出現4年負距平，1月、3月出現3年負距平，其它月份出現0～2年負距平(圖6a)。湯加火山噴發后1年正距平月份較負距平月份偏多109.1%，每年25.0%～33.3%的月份出現負距平，7月、12月出現2年負距平，其它月份出現0～1年負距平(圖6b)。湯加火山噴發5年中0～2個季節出現負距平，生長季降水量均偏多。湯加火山噴發后1年中的1-2個季節出現負距平，生長季降水量為偏多趨勢(表9)。

圖6 湯加火山噴發年及后1年黑龍江省1—12月降水量距平

2.3 火山噴發年份災害發生特征

2.3.1 低溫冷害

強火山噴發年黑龍江省ΔT5-9>0，均未發生低溫冷害；強火山噴發后1年中1964年、1981年、1983年發生嚴重低溫冷害，1992年ΔT5-9為-1.0，未達到低溫冷害程度，為低溫年，2012年ΔT5-9>0，未發生低溫冷害；強火山噴發后2年中僅1965年發生輕度低溫冷害，其它年份ΔT5-9>0(圖7)。由此可見，強火山噴發年黑龍江省低溫冷害發生頻率為0%，強火山噴發后1年低溫冷害發生頻率較大，為60%，強火山噴發后2年低溫冷害發生頻率為20%。

湯加火山噴發年均未達到低溫冷害標準，其中2009年和2019年ΔT5-9<0，為低溫年，2014年、2015年、2021年為正?；蚋邷啬?；湯加火山噴發后1年均為正?；蚋邷啬?圖7)?？梢娫跍踊鹕絿姲l年及次年，黑龍江省發生低溫冷害頻率為0%。

圖7 黑龍江省5—9月平均氣溫和距平

由圖8a至圖8f可見，強火山噴發年低溫冷害發生頻率明顯低于歷年發生頻率；強火山噴發后1年低溫冷害發生頻率明顯高于歷年；強火山噴發后2年低溫冷害發生頻率大部地區低于歷年，西部和東南部少部分地區低溫冷害發生頻率略高于歷年。湯加火山噴發年除了個別站點外，其它地區低溫冷害發生頻率低于歷年平均狀況，湯加火山噴發后1年全省低溫冷害發生頻率均低于歷年平均狀況。

圖8 黑龍江省低溫冷害發生頻率分布圖(審圖號GS(2017)3320號，底圖無修改)

圖9 水分虧缺指數距平變化

2.3.2 干旱災害

從月尺度來看，強火山噴發年、強火山噴發后1～2年黑龍江省發生干旱的月份較少，其中強火山噴發年1982年6月、7月出現輕旱，其發生頻率為20.0%，分別較1961—2021年同期偏高15.0%、18.0%；強火山噴發后1年的1964年5月份發生輕旱，發生頻率為20.0%，比1961—2021年同期偏高10.0%；強火山噴發后2年的1965年5月、6月達到輕旱等級，發生頻率為20.0%，分別較1961—2021年同期偏高10.0%、15.0%。進一步分析干旱日變化發現，1982年主要為夏季干旱，6月12日—7月17日作物水分虧缺指數距平大于40.0%，持續干旱，其中6月30日—7月9日大部時段為重旱，最大值高達72.0%，旱情嚴重；1964年為春旱，5月4日—6月4日大部時段作物水分虧缺指數距平大于40.0%，但未達到重旱程度，干旱持續時間及影響程度明顯弱于1982年；1965年為春旱和初夏旱，5月1—20日及5月31日—6月29日大部時段作物水分虧缺指數距平大于40.0%，干旱持續時間較長，其中5月3日達到重旱等級，最大值為70.0%，干旱影響程度弱于1982年，強于1964年(圖9)。在生長季尺度上，強火山噴發年、強火山噴發后1年、強火山噴發后2年黑龍江省均未發生干旱。湯加火山噴發的5年及噴發后1年各月及生長季均未達到干旱程度。

3 討論

本文研究結果表明強火山噴發后1年黑龍江省生長季溫度呈現低溫特征，夏季低溫明顯，低溫冷害發生概率大，程度重，這與李平原等[4]、李明啟等[11]、聶文政等[14]、WOOKDS等[18]研究結果一致，大量研究已明確造成低溫的原因，即強火山噴發導致大量硫化物氣體與水蒸汽進入平流層，半年至一年后逐漸轉化形成氣溶膠，大量的氣溶膠擴散至周圍區域甚至全球，反射和折射太陽輻射，進而使太陽對地表的直接輻射量減少，導致地表溫度降低，低溫多發生在強火山噴發后1年[4-5，19]。另外，本文分析表明強火山噴發后2年低溫冷害發生概率不確定性較大，與李靖等[20]研究的強火山噴發后地面溫度偏低持續1～3年略有差別，分析其原因，由于火山噴發對溫度影響隨時間、空間不同而存在差異，火山噴發對其附近的溫度影響較明顯[20]，而黑龍江省距離強火山較遠，因此低溫影響時間與全球平均狀況存在差異。本研究還表明強火山噴發年、湯加火山噴發年和后1年，生長季溫度呈現正?；蚱咛卣?，低溫冷害發生概率小，這與WIGNALL[21]研究結論相吻合，其分析指出火山噴發造成大氣圈CO2濃度增加，引起溫室效應，而強火山噴發短時間內以及低級別火山噴發并不能形成大范圍氣溶膠，因此不會造成低溫，而溫室效應卻導致氣溫升高。

本研究中強火山噴發年、噴發后1～2年降水量及干旱趨勢與張先恭等[9]研究結果相近，與張富國等[22]研究的強火山噴發對華北地區旱澇影響差異較大，已有研究結果顯示世界不同火山區域強火山噴發對我國華南地區早澇影響亦不同，甚至相反[23]。從目前有限數據分析結果來看，強火山噴發對黑龍江省降水、旱澇影響及影響幅度存在不確定性。

4 結論

(1)強火山噴發年溫度正?；蚱?，作物生長季熱量條件較好；強火山噴發后1年，生長季溫度呈現低溫特征，夏季低溫明顯，初霜凍提前，但無霜期有增加趨勢；強火山噴發后2年，生長季溫度呈現正常偏高特征，春季、冬季溫度表現為低溫特征，初霜凍正?；蛱崆?，無霜期有增加趨勢。湯加火山噴發年和后1年，生長季溫度正?；蚱?，初霜凍正?；蛱崆?，無霜期有增加趨勢。

(2)強火山噴發年春季降水略多，夏季、冬季、生長季降水呈現偏少趨勢，作物生長期間水分條件略差；強火山噴發后1～2年，生長季降水充足，夏季有偏多趨勢。湯加火山噴發年和后1年，月降水量分布不均，生長季總降水量呈現偏多趨勢。

(3)強火山噴發年黑龍江省發生低溫冷害概率??；強火山噴發后1年低溫冷害發生概率大，程度重；強火山噴發后2年低溫冷害發生存在不確定性，西北局部和東南局部發生低溫冷害的概率略呈增加趨勢，其它地區持平或呈減少趨勢。在湯加火山噴發年及后1年，黑龍江省未發生低溫冷害。

(4)強火山噴發年6月、7月發生干旱的概率增加，干旱發生程度較重；強火山發生后1年，5月發生干旱概率增加；強火山發生后2年，5月、6月發生干旱概率增加；湯加火山噴發年及后1年發生干旱概率低。

(5)受數據量限制，本文研究結果普適性仍需進一步驗證，后期應繼續收集火山噴發相關信息，結合氣象數據、相關模擬模型進行深入研究。