基于紫外卫星遥感SO2技术监测火山活动

文 | 闫欢欢 张兴赢 国家卫星气象中心

一、引言

火山喷发是地壳运动的一种表现形式，大量气体岩浆等喷出物在短时间内从火山口向地表和高空释放，排放高度能达到对流层顶层甚至是平流层[1-3]，从而扰乱大气化学组成，潜在影响环境和气候。在火山喷发物中（包含有H2O，SO2，CO2，H2S等和火山灰），SO2气体在喷发前后都大量存在，且SO2紫外反演受其他因素影响较小，因此SO2可作为火山活动监测及预警的指标之一。SO2在大气中长距离的传输及其气粒转换过程，不仅会降低地球温度，影响全球辐射平衡[3]，且会对飞机机身造成物理伤害，使飞行能见度降低或造成引擎关闭，从而引发航空飞行事故[4]。

卫星遥感凭借其覆盖面广、周期观测能力强、空间连续等优势成为火山活动SO2动态监测的重要手段，可作为地面火山活动监测技术的补充。 自1982年 Nimbus-7卫星上 TOMS （Total Ozone Mapping Spectrometer）传感器首次观测到埃尔奇琼（El Chichón）火山爆发产生的SO2云之后[5]，卫星探测开始被广泛应用于定量化评估火山SO2排放。之后发射的GOME （Global Ozone Monitoring Experiment）[6]、SCIAMACHY（SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY）[7]、紫外可见光高光谱臭氧探测仪OMI （Ozone Monitoring Instrument）[8]传感器都能够实现火山SO2排放监测。

本文利用OMI和SCIAMACHY两颗卫星紫外反演SO2柱总量结果，对2007年4月留尼汪岛火山喷发过程中SO2排放的浓度量级、空间扩散范围、持续时长及长距离传输影响等进行评价分析，最后利用紫外高光谱卫星SO2产品对中国长白山火山活动性进行动态监测。

二、气象卫星监测火山活动

1.卫星数据

由荷兰和芬兰联合研发的OMI传感器，于2004年7月15日搭载在 美国国家航空航天局（NASA）的EOS/Aura卫星上发射升空。OMI采用太阳同步轨道的天底观测方式，是近紫外—可见光波段的高光谱传感器，波长范围270 nm～500 nm；114°的视场角，宽度大约2600km；每行有60像元，每个像元对应地面垂直于轨道宽度从星下点的24km到边缘的128km，对应地面沿轨长度大约13km；赤道过境当地时间13：40～13：50，可完成每天全球覆盖[9]。OMI对SO2的探测敏感度高，不仅能够探测火山喷发的SO2, 而且能够监测人类排放的SO2[10]。

OMI SO2柱总量产品使用LF（Linear Fit Algorithm）[11]算法进行反演，该算法将TOMS OMTO3算法[12]反演臭氧结果作为初始输入，利用矢量辐射传输模型TOMRAD[13]计算紫外波段12个波长处 （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） 的测量值与观测值的残差，通过建立二次多项式，同时反演得到大气SO2柱总量、O3柱总量、地表反射率等参数，最后通过中值残差背景误差校正，得到校正后的SO2柱总量、O3柱总量和地表反射率等参数。

SCIAMACHY传感器搭载在欧洲航天局（ESA）ENVISAT-1太阳同步极轨卫星上，于2002年3月1日发射升空。由德国政府、荷兰政府以及比利时政府分别通过德国航空航天中心（DLR）、荷兰宇宙空间方案机构（NIVR）以及比利时太空宇航研究院（BIRA-IASB）联合出资设计。它利用天底、临边和掩星多种观测方式开展大范围的痕量气体观测，过境时间为地方时10：00，每天围绕地球约14圈，赤道附近重访周期为6 天。SCIAMACHY 的光谱覆盖范围包括紫外—可见光—近红外，波长范围为240 ～2400 nm，光谱分辨率为0.22～1.48 nm，可获得 O3、O4、O2、SO2、BrO、OClO、ClO、NO、NO2、NO3、H2O、CO、CO2、CH4、N2O、云以及气溶胶的卫星观测信息[14]。

SCIAMACHY SO2柱总量产品[7]使用差分吸收光谱算法（DOAS，Differential Optical Absorption Spectroscopy）[15,16]进行反演，该算法利用近紫外315～317 nm波段，将大气消光分为随波长快速变化的部分和随波长缓慢变化的两部分，用低阶多项式表示随波长缓慢变化的部分（包括气体吸收的慢变部分，瑞利散射和米散射），对卫星观测值和气体吸收系数进行差分处理，建立大气消光多项式，通过最小二乘拟合，得到大气SO2斜柱浓度。通过不同的SO2廓线假设计算大气质量因子（AMF），转换SO2斜柱浓度为SO2垂直柱浓度。

2.研究区域

留尼汪岛（Reunion）位于印度洋西南部（21.23°S，55.71°E），面积约 2512km2，是西南印度洋马斯克林群岛中的一个火山岛，也是全世界最活跃的火山之一。留尼汪岛地形大半由火山作用形成，岛上大部分为高原山地，在沿海地带有狭窄的平原。留尼汪岛东端的富尔奈斯活火山（Piton de la Fournaise）是一座盾形火山[17]。2007年4月2日起留尼汪岛的富尔奈斯活火山开始了一次本世纪以来最大的喷发[18,19]。由于该次喷发异常剧烈和对环境造成巨大影响，多篇文献都对该次留尼汪岛火山喷发进行了科学研究[19-22]。本文选择52°～62°E，15°～25°S为留尼汪岛火山研究区域。

位于中朝边界的长白山天池火山是一座具有潜在灾害性喷发的大型近代活动火山，位于主峰之颠的天池及其附近火山群，构成了规模庞大的火山系统，是目前中国境内保存最为完整的新生代多成因复合火山。近年来中国地震局等单位对长白山天池火山进行了较为系统的地质、地球物理探测研究,并进行了以地震活动、形变、地球化学变化为主的固定、流动台网监测研究工作[23]。然而，常规的地基监测方法耗费大量人力物力，且天池属于中朝共有，因此需借助卫星监测技术来进行大面积、长时间周期的连续监测。

3.留尼汪岛火山喷发卫星监测

图1为SCIAMACHY DOAS算法SO2产品在留尼汪岛区域的观测结果。从图1可以看出，SCIAMACHY能够监测到2007年4月6日和8日留尼汪岛火山SO2排放，但由于SCIAMACHY传感器自身不连续的空间观测和长达6日的全球重访周期，导致观测结果不连续，不能获得火山喷发时期其他日期的监测结果。4月2日SCIAMACHY监测研究区域的SO2柱总量最大值为0.4110 DU（15.13°S，60.13°E）。在4月6日SCIAMACHY观测到留尼汪岛东北部有大量的SO2排放，且在该日监测到 SO2排放最大值 23.2830 DU （21.38°S，56.63°E），4月8日在西北部监测到大量SO2排放，由于SCIAMACHY观测空间不连续，可能在留尼汪岛东部也有大量的SO2排放。4月8日SO2柱总量最大值为 12.1560 DU（17.63°S，55.88°E）。

而OMI卫星每天全球连续覆盖，能够进行每日空间连续的留尼汪岛火山SO2排放监测，从而获得火山喷发初期、喷发中期和喷发后期SO2排放卫星监测结果以及SO2扩散趋势。图1 （a） 、（b）和 （c）为OMI LF SO2在留尼汪岛的监测结果。本文挑选具有代表性的喷发时期的三天结果（4月5日，4月6日，4月7日）进行分析（见图2）。4月5日，OMI监测到留尼汪岛地区开始出现少量的SO2排放，高于周围无火山SO2排放背景区，排放主要集中在留尼汪岛西部。该日OMI监测研究区域的 SO2柱总量最大值为 72.0685 DU （21.25°S，54.92°E）。4月6日OMI监测研究区域的SO2柱总量最大值为 31.0108 DU （21.04°S，56.69°E），高于同日SCIAMAHCY SO2柱总量最大值（23.2830 DU），这可能是因为SCIAMACHY本地过境时间为上午10：00左右，而OMI本地过境时间为下午13：30左右，SO2在该时间段内发生扩散导致最大值浓度和空间位置发生变化，另外空间分辨率不同、算法差异和观测仪器误差也会导致该差异。4月7日OMI监测到SO2排放峰值55.2908 DU（21.06°S，55.81°E），结合该日NECP风向图（见图3）可以看出，SO2气体向东北方向进行扩散，与风向图结果一致。图4显示了OMI在留尼汪岛区域监测的日平均变化趋势图，从图中可以看出，OMI在2007年4月7日附近，即喷发中期，区域平均值出现了最大值，随着火山喷发的结束，SO2浓度区域均值逐渐变低。

图1 SCIAMACHY卫星监测留尼汪岛火山SO2排放

图2 OMI卫星监测留尼汪岛火山SO2排放

图3 2007年4月7日留尼汪岛附近风向（450 mb）与OMI二级SO2柱总量

图4 留尼汪岛火山SO2排放日均值变化图（OMI数据） （区域52°～62°E, 15°～25°S）

4.长白山天池火山活动性卫星监测

基于紫外卫星遥感技术，本文选择127.8°～128.3°E，41.7°～42.2°N为长白山天池火山研究区域，利用12年（2004年10月至2016年12月）的OMI SO2总量卫星观测数据，对长白山天池火山活动性进行长期的监测分析（见图5）。结果表明，近年来长白山天池地区的SO2总量多年来维持在较低的水平（低于中国华北城市污染群SO2均值），未发现明显的SO2升高，说明近年来长白山天池附近未出现明显的火山活动。由于长白山天池区域SO2总量浓度较低，12年长期SO2总量变化趋势未呈现明显的季节变化特征[24]。从图6可以看出，长白山天池地区的SO2总量年均值变化维持在0.3～0.5之间，2005～2011年期间SO2总量呈现间歇的升高趋势，2011～2014年，SO2总量有持续的下降趋势。

图5 2004年10月～2016年12月长白山地区上空SO2总量的月平均变化

图6 2004年～2016年长白山天池地区上空SO2总量的年际变化，其中2004年为10～12月三个月的平均。

三、结论

本文基于紫外遥感反演技术，通过SO2排放量的变化来监测火山活动。利用OMI和SCIAMACHY两颗卫星紫外反演SO2柱总量结果，对2007年4月留尼汪岛火山喷发过程中SO2排放的浓度量级、空间扩散范围、持续时长及长距离传输影响等进行评价分析，最后利用紫外高光谱卫星SO2产品对中国长白山火山活动性进行动态监测。结果表明，SCIAMACHY和OMI传感器都能够检测到留尼汪岛区域火山喷发事件，但因SCIAMACHY传感器自身不连续的空间观测和长达6日的全球重访周期，导致观测结果不连续，而OMI卫星以其连续性和重访周期短的优势，能够监测每天火山SO2排放信息以及SO2扩散情况；中国长白山天池地区的12年卫星观测资料显示长白山天池区域的SO2总量长期维持在较低的水平，未见明显升高。