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火山气溶胶作为一种重要的自然强迫因子，对全球气候具有重要影响。在过去千年气候变化中被认为可能起主导作用;在近期气候变化中，被认为可能是导致全球变暖停滞的原因之一。全球季风区是世界上人口最密集的地区之一，伴随其降水变化发生的洪涝、干旱会造成严重的经济和社会损失。全球干旱区生态环境脆弱，对气候变化响应十分敏感。因此，理解火山气溶胶对季风区和干旱区气候的影响对认识气候变化的原因，以及理解未来气候变化预估中火山爆发可能带来的气候影响提供了重要参考，具有重要的科学意义。
然而，当前关于火山气溶胶对全球季风区和干旱区气候影响及其成因的认识仍然不足。本文围绕火山气溶胶对季风区和干旱区的气候影响，首先分析了火山强迫对季风区和干旱区降水的影响，揭示了不同纬度火山爆发后的不同降水响应及其物理机制。接下来研究了太平洋海温对火山强迫的响应，探讨了不同气候背景态下海温响应的区别和机理。基于此定量描述了火山爆发后直接辐射强迫和间接海温响应对降水变化的贡献。最后基于未来预估中考虑了火山强迫的试验，探讨火山爆发对预估中气候平均态、年际变率及其不确定性的影响。主要研究结论如下:
一、不同纬度火山爆发后全球季风区降水的响应和物理机制
全球季风区是全球人口分布密度最大的地区之一，季风活动的异常对社会经济发展有着重大影响。火山活动作为自然外强迫中的重要因子，理解其对全球季风降水的影响具有重要的科学和社会意义。目前关于不同纬度火山爆发对全球季风区降水影响的研究仍不完善。因此本文基于多套重建数据，观测资料以及气候模式模拟(CESM过去千年集合模拟，CESM-LME)对这一问题进行了研究。重建和观测资料均揭示出北（南）半球火山爆发后北（南）半球季风降水减少，南（北）半球季风降水增加的现象。热带火山爆发后全球季风降水均减少。以上结果在单独火山强迫试验的结果中得到了验证。进一步基于模式结果使用水汽收支和湿静力能诊断方法对降水响应进行分解，结果表明与环流变化相关的动力过程在降水响应中起着主导作用。北（南）半球火山爆发后北（南）半球季风区变干以及热带火山爆发后全球季风降水的减少是由季风环流减弱造成的;南（北）半球火山爆发后北（南）半球季风区变湿是由半球间温差变化引起的越赤道气流增强导致的。进一步将分析延伸到极端降水变化上，选取了连续干旱天和连续湿润天来表征极端干湿变化。结果表明极端降水在空间分布上与平均降水类似，但在季风区响应更敏感。此外，地表径流和净初级生产力的变化在部分子季风区较降水变化更强。
二、不同纬度火山爆发后全球干旱区降水的响应和物理机制
全球干旱区占陆地面积的41％，作为对气候变化和自然灾害最敏感的地区之一，理解干旱区对辐射强迫的响应具有重要的科学和社会意义。前人研究集中于人为外强迫对干旱区气候变化的影响，对自然外强迫的作用关注较少。火山爆发是重要的自然辐射强迫因子，本文研究了火山爆发对全球干旱区降水的影响。重建和观测资料均揭示出火山爆发后干旱区变湿的现象，在北半球和热带火山爆发后这一现象最为显著。单独火山强迫试验可以合理模拟出重建和观测中的“干变湿”现象。水汽收支诊断表明与环流相关的动力过程在降水变化中起着主导作用。北（南）半球火山爆发后南（北）半球干旱区降水的增加是由增强的越赤道气流带来的暖平流造成的;热带火山爆发后全球干旱区降水的增加主要受季风-沙漠耦合机制的控制。干旱区极端降水的响应与平均降水分布一致，但在区域尺度上响应更敏感。
三、热带太平洋海温对不同纬度火山爆发的响应及物理机制
厄尔尼诺-南方涛动（El Ni(n)o-Southern Oscillation，ENSO）是最重要的气候系统内部变率模态之一，能够通过大气遥相关影响全球气候。前人关于火山爆发与厄尔尼诺之间联系及其机理的研究尚存在争议。本文基于CESM-LME，分析了过去千年北半球、热带和南半球火山爆发对赤道太平洋海温的影响。模式结果表明在北半球和热带火山爆发5到10个月后，赤道太平洋呈El Ni(n)o型海温异常。在南半球火山爆发后，这一响应强度较弱。从Ni(n)o3指数的时间演变上来看，北半球和热带火山爆发后一年半，Ni(n)o3指数达到峰值，可达0.8℃。三类火山爆发两年后，赤道太平洋转变为La Ni(n)a型海温异常。火山爆发后热带辐合带的南移导致的信风减弱只适用于解释北半球火山爆发引起的海温异常，而通过“海洋动力恒温机制”触发的西太平洋西风异常能更好地解释三类火山爆发后的不同海温响应。海洋动力恒温机制是指热带太平洋受到负辐射强迫而产生冷却时，由于东太平洋的垂直平流较强，冷却作用可部分被垂直平流所平衡，而在西太平洋只能由表面热通量平衡，导致火山爆发后西太平洋冷却较东太平洋更强，造成纬向温度梯度的减小，激发了西风异常，并最终导致El Ni(n)o型的海温异常。
四、不同海温背景态下火山爆发后季风区和干旱区气候响应的异同及机制
火山爆发时的气候背景态是模拟火山爆发后气候响应不确定性的重要来源之一。探讨不同海温背景态下火山爆发后热带太平洋的响应及其对季风区和干旱区降水的影响，可以有效减小模拟中火山爆发后气候响应的不确定性。现有研究着重关注热带火山爆发，对火山爆发后气候响应差异的物理机制理解亦不完善。本文基于CESM-LME分析了背景态为不同ENSO位相时，北半球、热带和南半球火山爆发后热带海温的响应及其对全球季风区和干旱区降水的影响。结果表明在不同的ENSO位相作为背景态时，火山爆发后热带太平洋海温的响应具有显著差异。当火山爆发前为ENSO中性和暖位相(El Ni(n)o)时，三类火山爆发后均更易出现El Ni(n)o型海温异常;当火山爆发前为ENSO冷位相(La Ni(n)a)时，火山爆发后均更易出现La Ni(n)a型海温异常，南半球火山爆发后该响应最为显著。这是由于在冷位相背景态下，东太平洋温跃层变浅，上层海洋层结较强，火山爆发后由于南美大陆降温激发的东风异常扰动更容易引起海洋异常平流以及海洋次表层上升流的变化。上述海温响应进一步通过大气桥作用加强或削弱不同季风区和干旱区的降水响应。将火山爆发后降水的响应分解为直接辐射强迫和间接海温响应作用两部分，发现不同纬度的火山爆发后，季风区和干旱区的降水响应中，直接辐射强迫和间接海温响应的作用具有区域差异。
五、未来预估中火山强迫对季风区和干旱区气候及其不确定性的影响
全球增暖下，气候预估中温度和降水的平均态和变率均会发生显著变化，造成极端事件频率和强度的变化，增加气象灾害风险。火山爆发因其时间上的不可预测性，是气候预估中存在的重要不确定性因子。本文利用包含火山爆发情景的气候预估试验，分析了火山强迫对预估的温度、降水平均态和年际变率变化及其不确定性的影响。未来预估中考虑火山强迫会使季风区和干旱区平均温度的上升趋势减弱，温度变化的不确定性增大，在季风区暖季达180.8％。此外，预估的近期、中期和远期极端暖事件的发生概率减小，极端冷事件的发生概率增加。在降水变化上，考虑火山强迫后预估中季风区降水的上升趋势和干旱区降水的下降趋势均减弱，降水变化的不确定性也增大，在季风区暖季达21.3％。火山强迫使预估的季风（干旱）区暖季降水的概率密度分布向变干（湿）方向移动，导致极端强降水事件的发生概率减小（增加），极端干旱事件的发生概率增加（减小）。除平均态变化外，火山强迫导致季风区和干旱区温度的年际变率在整个预估时段均增加，且温度年际变率的不确定性增大，在季风区暖季达93.7％;降水年际变率在2050至2060年期间显著增加，其不确定性也显著增大，在干旱区暖季达13.2％。上述结果表明火山强迫对预估的季风区和干旱区气候平均态和年际变率均有较大影响。
然而，当前关于火山气溶胶对全球季风区和干旱区气候影响及其成因的认识仍然不足。本文围绕火山气溶胶对季风区和干旱区的气候影响，首先分析了火山强迫对季风区和干旱区降水的影响，揭示了不同纬度火山爆发后的不同降水响应及其物理机制。接下来研究了太平洋海温对火山强迫的响应，探讨了不同气候背景态下海温响应的区别和机理。基于此定量描述了火山爆发后直接辐射强迫和间接海温响应对降水变化的贡献。最后基于未来预估中考虑了火山强迫的试验，探讨火山爆发对预估中气候平均态、年际变率及其不确定性的影响。主要研究结论如下:
一、不同纬度火山爆发后全球季风区降水的响应和物理机制
全球季风区是全球人口分布密度最大的地区之一，季风活动的异常对社会经济发展有着重大影响。火山活动作为自然外强迫中的重要因子，理解其对全球季风降水的影响具有重要的科学和社会意义。目前关于不同纬度火山爆发对全球季风区降水影响的研究仍不完善。因此本文基于多套重建数据，观测资料以及气候模式模拟(CESM过去千年集合模拟，CESM-LME)对这一问题进行了研究。重建和观测资料均揭示出北（南）半球火山爆发后北（南）半球季风降水减少，南（北）半球季风降水增加的现象。热带火山爆发后全球季风降水均减少。以上结果在单独火山强迫试验的结果中得到了验证。进一步基于模式结果使用水汽收支和湿静力能诊断方法对降水响应进行分解，结果表明与环流变化相关的动力过程在降水响应中起着主导作用。北（南）半球火山爆发后北（南）半球季风区变干以及热带火山爆发后全球季风降水的减少是由季风环流减弱造成的;南（北）半球火山爆发后北（南）半球季风区变湿是由半球间温差变化引起的越赤道气流增强导致的。进一步将分析延伸到极端降水变化上，选取了连续干旱天和连续湿润天来表征极端干湿变化。结果表明极端降水在空间分布上与平均降水类似，但在季风区响应更敏感。此外，地表径流和净初级生产力的变化在部分子季风区较降水变化更强。
二、不同纬度火山爆发后全球干旱区降水的响应和物理机制
全球干旱区占陆地面积的41％，作为对气候变化和自然灾害最敏感的地区之一，理解干旱区对辐射强迫的响应具有重要的科学和社会意义。前人研究集中于人为外强迫对干旱区气候变化的影响，对自然外强迫的作用关注较少。火山爆发是重要的自然辐射强迫因子，本文研究了火山爆发对全球干旱区降水的影响。重建和观测资料均揭示出火山爆发后干旱区变湿的现象，在北半球和热带火山爆发后这一现象最为显著。单独火山强迫试验可以合理模拟出重建和观测中的“干变湿”现象。水汽收支诊断表明与环流相关的动力过程在降水变化中起着主导作用。北（南）半球火山爆发后南（北）半球干旱区降水的增加是由增强的越赤道气流带来的暖平流造成的;热带火山爆发后全球干旱区降水的增加主要受季风-沙漠耦合机制的控制。干旱区极端降水的响应与平均降水分布一致，但在区域尺度上响应更敏感。
三、热带太平洋海温对不同纬度火山爆发的响应及物理机制
厄尔尼诺-南方涛动（El Ni(n)o-Southern Oscillation，ENSO）是最重要的气候系统内部变率模态之一，能够通过大气遥相关影响全球气候。前人关于火山爆发与厄尔尼诺之间联系及其机理的研究尚存在争议。本文基于CESM-LME，分析了过去千年北半球、热带和南半球火山爆发对赤道太平洋海温的影响。模式结果表明在北半球和热带火山爆发5到10个月后，赤道太平洋呈El Ni(n)o型海温异常。在南半球火山爆发后，这一响应强度较弱。从Ni(n)o3指数的时间演变上来看，北半球和热带火山爆发后一年半，Ni(n)o3指数达到峰值，可达0.8℃。三类火山爆发两年后，赤道太平洋转变为La Ni(n)a型海温异常。火山爆发后热带辐合带的南移导致的信风减弱只适用于解释北半球火山爆发引起的海温异常，而通过“海洋动力恒温机制”触发的西太平洋西风异常能更好地解释三类火山爆发后的不同海温响应。海洋动力恒温机制是指热带太平洋受到负辐射强迫而产生冷却时，由于东太平洋的垂直平流较强，冷却作用可部分被垂直平流所平衡，而在西太平洋只能由表面热通量平衡，导致火山爆发后西太平洋冷却较东太平洋更强，造成纬向温度梯度的减小，激发了西风异常，并最终导致El Ni(n)o型的海温异常。
四、不同海温背景态下火山爆发后季风区和干旱区气候响应的异同及机制
火山爆发时的气候背景态是模拟火山爆发后气候响应不确定性的重要来源之一。探讨不同海温背景态下火山爆发后热带太平洋的响应及其对季风区和干旱区降水的影响，可以有效减小模拟中火山爆发后气候响应的不确定性。现有研究着重关注热带火山爆发，对火山爆发后气候响应差异的物理机制理解亦不完善。本文基于CESM-LME分析了背景态为不同ENSO位相时，北半球、热带和南半球火山爆发后热带海温的响应及其对全球季风区和干旱区降水的影响。结果表明在不同的ENSO位相作为背景态时，火山爆发后热带太平洋海温的响应具有显著差异。当火山爆发前为ENSO中性和暖位相(El Ni(n)o)时，三类火山爆发后均更易出现El Ni(n)o型海温异常;当火山爆发前为ENSO冷位相(La Ni(n)a)时，火山爆发后均更易出现La Ni(n)a型海温异常，南半球火山爆发后该响应最为显著。这是由于在冷位相背景态下，东太平洋温跃层变浅，上层海洋层结较强，火山爆发后由于南美大陆降温激发的东风异常扰动更容易引起海洋异常平流以及海洋次表层上升流的变化。上述海温响应进一步通过大气桥作用加强或削弱不同季风区和干旱区的降水响应。将火山爆发后降水的响应分解为直接辐射强迫和间接海温响应作用两部分，发现不同纬度的火山爆发后，季风区和干旱区的降水响应中，直接辐射强迫和间接海温响应的作用具有区域差异。
五、未来预估中火山强迫对季风区和干旱区气候及其不确定性的影响
全球增暖下，气候预估中温度和降水的平均态和变率均会发生显著变化，造成极端事件频率和强度的变化，增加气象灾害风险。火山爆发因其时间上的不可预测性，是气候预估中存在的重要不确定性因子。本文利用包含火山爆发情景的气候预估试验，分析了火山强迫对预估的温度、降水平均态和年际变率变化及其不确定性的影响。未来预估中考虑火山强迫会使季风区和干旱区平均温度的上升趋势减弱，温度变化的不确定性增大，在季风区暖季达180.8％。此外，预估的近期、中期和远期极端暖事件的发生概率减小，极端冷事件的发生概率增加。在降水变化上，考虑火山强迫后预估中季风区降水的上升趋势和干旱区降水的下降趋势均减弱，降水变化的不确定性也增大，在季风区暖季达21.3％。火山强迫使预估的季风（干旱）区暖季降水的概率密度分布向变干（湿）方向移动，导致极端强降水事件的发生概率减小（增加），极端干旱事件的发生概率增加（减小）。除平均态变化外，火山强迫导致季风区和干旱区温度的年际变率在整个预估时段均增加，且温度年际变率的不确定性增大，在季风区暖季达93.7％;降水年际变率在2050至2060年期间显著增加，其不确定性也显著增大，在干旱区暖季达13.2％。上述结果表明火山强迫对预估的季风区和干旱区气候平均态和年际变率均有较大影响。