基于紫外衛(wèi)星遙感SO2技術(shù)監(jiān)測火山活動

文 | 閆歡歡 張興贏 國家衛(wèi)星氣象中心

一、引言

火山噴發(fā)是地殼運動的一種表現(xiàn)形式，大量氣體巖漿等噴出物在短時間內(nèi)從火山口向地表和高空釋放，排放高度能達到對流層頂層甚至是平流層[1-3]，從而擾亂大氣化學(xué)組成，潛在影響環(huán)境和氣候。在火山噴發(fā)物中（包含有H2O，SO2，CO2，H2S等和火山灰），SO2氣體在噴發(fā)前后都大量存在，且SO2紫外反演受其他因素影響較小，因此SO2可作為火山活動監(jiān)測及預(yù)警的指標之一。SO2在大氣中長距離的傳輸及其氣粒轉(zhuǎn)換過程，不僅會降低地球溫度，影響全球輻射平衡[3]，且會對飛機機身造成物理傷害，使飛行能見度降低或造成引擎關(guān)閉，從而引發(fā)航空飛行事故[4]。

衛(wèi)星遙感憑借其覆蓋面廣、周期觀測能力強、空間連續(xù)等優(yōu)勢成為火山活動SO2動態(tài)監(jiān)測的重要手段，可作為地面火山活動監(jiān)測技術(shù)的補充。 自1982年 Nimbus-7衛(wèi)星上 TOMS （Total Ozone Mapping Spectrometer）傳感器首次觀測到埃爾奇瓊（El Chichón）火山爆發(fā)產(chǎn)生的SO2云之后[5]，衛(wèi)星探測開始被廣泛應(yīng)用于定量化評估火山SO2排放。之后發(fā)射的GOME （Global Ozone Monitoring Experiment）[6]、SCIAMACHY（SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY）[7]、紫外可見光高光譜臭氧探測儀OMI （Ozone Monitoring Instrument）[8]傳感器都能夠?qū)崿F(xiàn)火山SO2排放監(jiān)測。

本文利用OMI和SCIAMACHY兩顆衛(wèi)星紫外反演SO2柱總量結(jié)果，對2007年4月留尼汪島火山噴發(fā)過程中SO2排放的濃度量級、空間擴散范圍、持續(xù)時長及長距離傳輸影響等進行評價分析，最后利用紫外高光譜衛(wèi)星SO2產(chǎn)品對中國長白山火山活動性進行動態(tài)監(jiān)測。

二、氣象衛(wèi)星監(jiān)測火山活動

1.衛(wèi)星數(shù)據(jù)

由荷蘭和芬蘭聯(lián)合研發(fā)的OMI傳感器，于2004年7月15日搭載在 美國國家航空航天局（NASA）的EOS/Aura衛(wèi)星上發(fā)射升空。OMI采用太陽同步軌道的天底觀測方式，是近紫外—可見光波段的高光譜傳感器，波長范圍270 nm～500 nm；114°的視場角，寬度大約2600km；每行有60像元，每個像元對應(yīng)地面垂直于軌道寬度從星下點的24km到邊緣的128km，對應(yīng)地面沿軌長度大約13km；赤道過境當?shù)貢r間13：40～13：50，可完成每天全球覆蓋[9]。OMI對SO2的探測敏感度高，不僅能夠探測火山噴發(fā)的SO2, 而且能夠監(jiān)測人類排放的SO2[10]。

OMI SO2柱總量產(chǎn)品使用LF（Linear Fit Algorithm）[11]算法進行反演，該算法將TOMS OMTO3算法[12]反演臭氧結(jié)果作為初始輸入，利用矢量輻射傳輸模型TOMRAD[13]計算紫外波段12個波長處 （308.7 nm，310.8 nm，311.85 nm，312.61 nm，313.2 nm，314.4 nm，317.62 nm，322.42 nm，331.34 nm，345.4 nm，360.15 nm，372.8 nm） 的測量值與觀測值的殘差，通過建立二次多項式，同時反演得到大氣SO2柱總量、O3柱總量、地表反射率等參數(shù)，最后通過中值殘差背景誤差校正，得到校正后的SO2柱總量、O3柱總量和地表反射率等參數(shù)。

SCIAMACHY傳感器搭載在歐洲航天局（ESA）ENVISAT-1太陽同步極軌衛(wèi)星上，于2002年3月1日發(fā)射升空。由德國政府、荷蘭政府以及比利時政府分別通過德國航空航天中心（DLR）、荷蘭宇宙空間方案機構(gòu)（NIVR）以及比利時太空宇航研究院（BIRA-IASB）聯(lián)合出資設(shè)計。它利用天底、臨邊和掩星多種觀測方式開展大范圍的痕量氣體觀測，過境時間為地方時10：00，每天圍繞地球約14圈，赤道附近重訪周期為6 天。SCIAMACHY 的光譜覆蓋范圍包括紫外—可見光—近紅外，波長范圍為240 ～2400 nm，光譜分辨率為0.22～1.48 nm，可獲得 O3、O4、O2、SO2、BrO、OClO、ClO、NO、NO2、NO3、H2O、CO、CO2、CH4、N2O、云以及氣溶膠的衛(wèi)星觀測信息[14]。

SCIAMACHY SO2柱總量產(chǎn)品[7]使用差分吸收光譜算法（DOAS，Differential Optical Absorption Spectroscopy）[15,16]進行反演，該算法利用近紫外315～317 nm波段，將大氣消光分為隨波長快速變化的部分和隨波長緩慢變化的兩部分，用低階多項式表示隨波長緩慢變化的部分（包括氣體吸收的慢變部分，瑞利散射和米散射），對衛(wèi)星觀測值和氣體吸收系數(shù)進行差分處理，建立大氣消光多項式，通過最小二乘擬合，得到大氣SO2斜柱濃度。通過不同的SO2廓線假設(shè)計算大氣質(zhì)量因子（AMF），轉(zhuǎn)換SO2斜柱濃度為SO2垂直柱濃度。

2.研究區(qū)域

留尼汪島（Reunion）位于印度洋西南部（21.23°S，55.71°E），面積約 2512km2，是西南印度洋馬斯克林群島中的一個火山島，也是全世界最活躍的火山之一。留尼汪島地形大半由火山作用形成，島上大部分為高原山地，在沿海地帶有狹窄的平原。留尼汪島東端的富爾奈斯活火山（Piton de la Fournaise）是一座盾形火山[17]。2007年4月2日起留尼汪島的富爾奈斯活火山開始了一次本世紀以來最大的噴發(fā)[18,19]。由于該次噴發(fā)異常劇烈和對環(huán)境造成巨大影響，多篇文獻都對該次留尼汪島火山噴發(fā)進行了科學(xué)研究[19-22]。本文選擇52°～62°E，15°～25°S為留尼汪島火山研究區(qū)域。

位于中朝邊界的長白山天池火山是一座具有潛在災(zāi)害性噴發(fā)的大型近代活動火山，位于主峰之顛的天池及其附近火山群，構(gòu)成了規(guī)模龐大的火山系統(tǒng)，是目前中國境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因復(fù)合火山。近年來中國地震局等單位對長白山天池火山進行了較為系統(tǒng)的地質(zhì)、地球物理探測研究,并進行了以地震活動、形變、地球化學(xué)變化為主的固定、流動臺網(wǎng)監(jiān)測研究工作[23]。然而，常規(guī)的地基監(jiān)測方法耗費大量人力物力，且天池屬于中朝共有，因此需借助衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)來進行大面積、長時間周期的連續(xù)監(jiān)測。

3.留尼汪島火山噴發(fā)衛(wèi)星監(jiān)測

圖1為SCIAMACHY DOAS算法SO2產(chǎn)品在留尼汪島區(qū)域的觀測結(jié)果。從圖1可以看出，SCIAMACHY能夠監(jiān)測到2007年4月6日和8日留尼汪島火山SO2排放，但由于SCIAMACHY傳感器自身不連續(xù)的空間觀測和長達6日的全球重訪周期，導(dǎo)致觀測結(jié)果不連續(xù)，不能獲得火山噴發(fā)時期其他日期的監(jiān)測結(jié)果。4月2日SCIAMACHY監(jiān)測研究區(qū)域的SO2柱總量最大值為0.4110 DU（15.13°S，60.13°E）。在4月6日SCIAMACHY觀測到留尼汪島東北部有大量的SO2排放，且在該日監(jiān)測到 SO2排放最大值 23.2830 DU （21.38°S，56.63°E），4月8日在西北部監(jiān)測到大量SO2排放，由于SCIAMACHY觀測空間不連續(xù)，可能在留尼汪島東部也有大量的SO2排放。4月8日SO2柱總量最大值為 12.1560 DU（17.63°S，55.88°E）。

而OMI衛(wèi)星每天全球連續(xù)覆蓋，能夠進行每日空間連續(xù)的留尼汪島火山SO2排放監(jiān)測，從而獲得火山噴發(fā)初期、噴發(fā)中期和噴發(fā)后期SO2排放衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果以及SO2擴散趨勢。圖1 （a） 、（b）和 （c）為OMI LF SO2在留尼汪島的監(jiān)測結(jié)果。本文挑選具有代表性的噴發(fā)時期的三天結(jié)果（4月5日，4月6日，4月7日）進行分析（見圖2）。4月5日，OMI監(jiān)測到留尼汪島地區(qū)開始出現(xiàn)少量的SO2排放，高于周圍無火山SO2排放背景區(qū)，排放主要集中在留尼汪島西部。該日OMI監(jiān)測研究區(qū)域的 SO2柱總量最大值為 72.0685 DU （21.25°S，54.92°E）。4月6日OMI監(jiān)測研究區(qū)域的SO2柱總量最大值為 31.0108 DU （21.04°S，56.69°E），高于同日SCIAMAHCY SO2柱總量最大值（23.2830 DU），這可能是因為SCIAMACHY本地過境時間為上午10：00左右，而OMI本地過境時間為下午13：30左右，SO2在該時間段內(nèi)發(fā)生擴散導(dǎo)致最大值濃度和空間位置發(fā)生變化，另外空間分辨率不同、算法差異和觀測儀器誤差也會導(dǎo)致該差異。4月7日OMI監(jiān)測到SO2排放峰值55.2908 DU（21.06°S，55.81°E），結(jié)合該日NECP風向圖（見圖3）可以看出，SO2氣體向東北方向進行擴散，與風向圖結(jié)果一致。圖4顯示了OMI在留尼汪島區(qū)域監(jiān)測的日平均變化趨勢圖，從圖中可以看出，OMI在2007年4月7日附近，即噴發(fā)中期，區(qū)域平均值出現(xiàn)了最大值，隨著火山噴發(fā)的結(jié)束，SO2濃度區(qū)域均值逐漸變低。

圖1 SCIAMACHY衛(wèi)星監(jiān)測留尼汪島火山SO2排放

圖2 OMI衛(wèi)星監(jiān)測留尼汪島火山SO2排放

圖3 2007年4月7日留尼汪島附近風向（450 mb）與OMI二級SO2柱總量

圖4 留尼汪島火山SO2排放日均值變化圖（OMI數(shù)據(jù)） （區(qū)域52°～62°E, 15°～25°S）

4.長白山天池火山活動性衛(wèi)星監(jiān)測

基于紫外衛(wèi)星遙感技術(shù)，本文選擇127.8°～128.3°E，41.7°～42.2°N為長白山天池火山研究區(qū)域，利用12年（2004年10月至2016年12月）的OMI SO2總量衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，對長白山天池火山活動性進行長期的監(jiān)測分析（見圖5）。結(jié)果表明，近年來長白山天池地區(qū)的SO2總量多年來維持在較低的水平（低于中國華北城市污染群SO2均值），未發(fā)現(xiàn)明顯的SO2升高，說明近年來長白山天池附近未出現(xiàn)明顯的火山活動。由于長白山天池區(qū)域SO2總量濃度較低，12年長期SO2總量變化趨勢未呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征[24]。從圖6可以看出，長白山天池地區(qū)的SO2總量年均值變化維持在0.3～0.5之間，2005～2011年期間SO2總量呈現(xiàn)間歇的升高趨勢，2011～2014年，SO2總量有持續(xù)的下降趨勢。

圖5 2004年10月～2016年12月長白山地區(qū)上空SO2總量的月平均變化

圖6 2004年～2016年長白山天池地區(qū)上空SO2總量的年際變化，其中2004年為10～12月三個月的平均。

三、結(jié)論

本文基于紫外遙感反演技術(shù)，通過SO2排放量的變化來監(jiān)測火山活動。利用OMI和SCIAMACHY兩顆衛(wèi)星紫外反演SO2柱總量結(jié)果，對2007年4月留尼汪島火山噴發(fā)過程中SO2排放的濃度量級、空間擴散范圍、持續(xù)時長及長距離傳輸影響等進行評價分析，最后利用紫外高光譜衛(wèi)星SO2產(chǎn)品對中國長白山火山活動性進行動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果表明，SCIAMACHY和OMI傳感器都能夠檢測到留尼汪島區(qū)域火山噴發(fā)事件，但因SCIAMACHY傳感器自身不連續(xù)的空間觀測和長達6日的全球重訪周期，導(dǎo)致觀測結(jié)果不連續(xù)，而OMI衛(wèi)星以其連續(xù)性和重訪周期短的優(yōu)勢，能夠監(jiān)測每天火山SO2排放信息以及SO2擴散情況；中國長白山天池地區(qū)的12年衛(wèi)星觀測資料顯示長白山天池區(qū)域的SO2總量長期維持在較低的水平，未見明顯升高。