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火山灰云在航空安全領(lǐng)域研究進(jìn)展

文檔作者：趙誼李永生樊祺誠(chéng) 郭正府文檔來(lái)源： 1．中國(guó)地震局地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．黑龍江省地震局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年04月06日
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· 綜 述·
礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)
Bulletin of M ineralogy，Petrology and Geochemistry
Vo1．33 No．4，July，2014
火山灰云在航空安全領(lǐng)域研究進(jìn)展
趙 誼 ，李永生 ，樊祺誠(chéng)。，郭正府
1．中國(guó)地震局地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085；2．黑龍江省地震局，哈爾濱150090；3．中國(guó)地震局
地質(zhì)研究所，北京100029；4．中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029
摘 要：火山爆發(fā)產(chǎn)生的火山灰會(huì)給附近并較大范圍內(nèi)造成嚴(yán)重影響，尤其是上升到對(duì)流層頂部及以上的火山灰云會(huì)給航空
安全帶來(lái)巨大威脅。因此，對(duì)火山灰云的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警就顯得尤為重要。闡述了火山灰云概念及其研究歷史，
并根據(jù)火山灰云特點(diǎn)介紹了火山灰云對(duì)航空安全的影響，進(jìn)而闡述了目前衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火山灰云存在的一些手段和方法，以及火
山灰云預(yù)測(cè)模型的研究進(jìn)展，國(guó)際上政府之間和各機(jī)構(gòu)等采取的一些應(yīng)對(duì)措施。隨著航空業(yè)的日益發(fā)展，特別是中國(guó)航空運(yùn)
輸?shù)目焖僭鲩L(zhǎng)，且中國(guó)周邊東南亞、日本和堪察加半島火山眾多，因此，火山灰云對(duì)航空威脅日益顯著。最后指出，更好的進(jìn)
行火山灰云的研究是非常必要的，尤其是建立火山灰云的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。
關(guān)鍵詞：火山灰云；航空安全；衛(wèi)星監(jiān)測(cè)；火山灰擴(kuò)散模型
中圖分類(lèi)號(hào)：P317．3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007—2802(2014)04—0531—09 doi：10．3969／j．issn．1007—2802．2014．04．017
The Progress of Volcanic Ash Cloud Study in Aviation Safety
ZHAO Yi ～，LI Yong—sheng ，F(xiàn)AN Qi—cheng。，GUO Zheng—fu
1．Key Laboratory of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085，China；2．The Earthquake Administration of
HP z0，z ，zg，Haerbin 1 50090，China；3．Institute of Geology，China Seismological Bureau，Beijing
100029，China；4．Key Laboratory of Cenozoic Geology and Environment，Institute of Geology
and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China
Abstract：Ash produced during explosive volcanic eruptions can cause serious impacts on both close and great dis—
tance sites to the volcano，especially，it will make huge threat to aviation safety when volcanic ash are injected to
the top of Troposphere and above．Therefore，how volcanic ash cloud arise and develop and how we make best de—
tection and prediction appear important． W e introduce the volcanic processes of generation and development and
briefly define the concept of volcanic ash cloud．Based on features of volcanic ash cloud，we describe the impact of
volcanic ash to aviation safety．Then we describe the study history of the volcanic ash cloud and present some prac—
tical means and methods on the volcanic ash cloud monitoring． Furthermore，we introduce some policies made by
governments and international agencies to avoid the volcanic ash threat to aviation safety．W ith the increasing devel—
opment of the aviation industry，especially the rapid growth of China S air transports and numerous volcanoes a—
round our country in southeastern Asia，e．g．Japan and the Kamchatka Peninsula，volcanic ash cloud threat to avi—
ation increases significantly． Therefore，it is very necessary to pay more attention on studying the volcanic ash
cloud，which could better monitor the volcanic ash cloud and predict the threat to aviation．
Key words：volcanic ash cloud；aviation safety； satellite monitoring；volcanic ash transport and dispersal model
(VATDM )
收稿日期：2013-12-30收到，2O14—02—26改回
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172303；41302268)
第一作者簡(jiǎn)介：趙誼(1961一)，男，研究員，研究方向：大氣物理學(xué)、火山學(xué)．E—mail：jeosph@126．com．
532 趙誼等／火山灰云在航空安全領(lǐng)域研究進(jìn)展
火山爆發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的火山灰會(huì)給附近并在相當(dāng)
大的范圍內(nèi)造成嚴(yán)重的影響(Blong，1984)，尤其對(duì)
航空可以造成廣泛破壞。因?yàn)轱w機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可能
由于吸入空氣中火山灰而受到嚴(yán)重威脅，飛機(jī)的表
面也可能會(huì)受到火山灰磨損和長(zhǎng)期腐蝕(Heiken el：
口Z．，1992；Casadevall，1994a；Casadevall et nZ．，
1996；Guffanti etnz．，2010)。2010年四五月間冰島
埃亞菲亞德拉冰蓋火山噴發(fā)造成歐洲和北大西洋空
域前所未有的關(guān)閉，經(jīng)濟(jì)損失全球約50億美元。事
實(shí)上，“火山灰零容忍”預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)加劇了這次事件的
影響。因此，冰島火山危機(jī)后，英國(guó)民航管理局和歐
洲航空安全組織開(kāi)始探索火山灰“濃度閾值”危機(jī)管
理方式。無(wú)論國(guó)際民航組織(ICAO)的“火山灰零容
忍”標(biāo)準(zhǔn)，還是新的火山灰“濃度閾值”的方法，都要
通過(guò)對(duì)火山灰源區(qū)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)、火山灰云衛(wèi)星遙感監(jiān)
測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型(NWP)和火山灰傳
輸、擴(kuò)散模型(VATDM)對(duì)火山灰云的發(fā)展擴(kuò)散趨
勢(shì)進(jìn)行判斷。
1990~2005年問(wèn)全球航空交通量以每年2．2
～ 4．7 9／6增長(zhǎng)速度不斷增加(Escap，2005)。目前的
商業(yè)航空交通量的增長(zhǎng)速度有顯著的地區(qū)差異。伴
隨更多的環(huán)太平洋地區(qū)商業(yè)通道，預(yù)計(jì)中東和亞太
地區(qū)的增幅最大。2004～2007年期間亞太地區(qū)商
業(yè)航空增長(zhǎng)速度是8．6 ，而全球則是6．8 。2002
～ 2015年期間預(yù)計(jì)貨運(yùn)航空的增長(zhǎng)量為每年亞太
地區(qū)為6．4 ，中東地區(qū)為6．6 ，全球?yàn)?．5
(ESCAP，2005)。亞太地區(qū)約有450座火山，約占
全球活動(dòng)火山的50％ ，都處在太平洋沿岸，故此也
稱(chēng)作“火山環(huán)”。再加上雙引擎飛機(jī)替代四引擎飛機(jī)
的趨勢(shì)，飛機(jī)在遇到火山灰后容易遭受損失，世界航
空的脆弱性顯著增加。
火山灰云研究涉及的領(lǐng)域較多，系統(tǒng)研究較晚，
在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的專(zhuān)業(yè)組織進(jìn)行研究。本文通過(guò)
搜集國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)，首先，簡(jiǎn)單解釋了火山灰
云定義，闡述了火山灰云對(duì)全球航空安全的影響，對(duì)
火山灰云研究歷史進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧，回顧30年來(lái)
氣象衛(wèi)星的發(fā)展，并描述如何利用衛(wèi)星工具來(lái)檢測(cè)
和監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)的火山灰云；其次，闡述了衛(wèi)星檢測(cè)火山
灰云的主要技術(shù)和取得的進(jìn)展，火山灰擴(kuò)散預(yù)測(cè)數(shù)
字建模的進(jìn)展和存在的問(wèn)題，討論了火山SO 的檢
測(cè)的進(jìn)展；然后，簡(jiǎn)要介紹了為了應(yīng)對(duì)火山爆發(fā)產(chǎn)生
的火山灰云帶來(lái)的威脅，各國(guó)政府和國(guó)際間采取的
一些應(yīng)對(duì)措施；最后，對(duì)火山灰云研究前景進(jìn)行了簡(jiǎn)
要的總結(jié)。
上 火山灰
1．1 火山灰云定義
火山灰是由火山噴發(fā)產(chǎn)生，由直徑小于2 mm
的破碎巖石、礦物和火山玻璃碎片組成?；鹕交乙?
經(jīng)常用來(lái)泛指所有爆炸性噴發(fā)產(chǎn)物，包括大于2
mm 的顆粒。云是指停留大氣層上的水滴或冰晶膠
體的集合體。所以“火山灰云”應(yīng)該是指火山爆發(fā)所
產(chǎn)生的停留在大氣層上的破碎巖石、礦物和火山玻
璃碎片的集合體，另外還伴有大量的火山氣體
(SO 、CO。、HC1等氣體)。
活動(dòng)火山可噴發(fā)出多種類(lèi)型的噴發(fā)柱和火山灰
云。靜謐式的火山噴發(fā)柱包含水汽、氣體和少量的
顆粒，這種噴發(fā)柱很少能上升到6 km 以上，并且通
常擴(kuò)散范圍只有幾十千米。這種靜謐式的火山噴發(fā)
柱對(duì)航空安全的影響不大。
爆炸式噴發(fā)柱非常猛烈，在火山通道上方會(huì)形
成菜花狀包含火山灰和氣體的柱，在十幾分鐘內(nèi)即
可上升到1～3 km高度。通常會(huì)包含直徑達(dá)到幾
英寸的火山巖塊，并且伴隨高濃度的火山灰和氣體。
爆炸式噴發(fā)柱持續(xù)時(shí)間通常在幾小時(shí)之內(nèi)，并且影
響范圍通常在火山噴發(fā)口幾英里范圍之內(nèi)，所以，對(duì)
航空安全的影響不大。
漂移的火山灰云包含細(xì)小的破碎的巖石碎片和
火山氣體，由于風(fēng)的作用將其從劇烈噴發(fā)柱中吹離。
大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生的火山灰云會(huì)進(jìn)入平流層，并
可以被氣流搬運(yùn)數(shù)千千米?；鹕交以瓶梢赃M(jìn)入全球
大氣循環(huán)，其影響可以持續(xù)數(shù)周。因此漂移的火山
灰云對(duì)航空是一個(gè)很大的威脅。
1．2 火山灰云對(duì)航空安全的危害
火山灰可以造成飛機(jī)廣泛的破壞，包括引擎失
靈、磨損擋風(fēng)玻璃和損壞敏感的航空電子設(shè)備(Cas—
adevall，1994a；Casadevall et口z．，1996)。火山氣體
(尤其是SO。)也能對(duì)飛機(jī)造成危險(xiǎn)，而且由于與火
山灰的比重不同，它們會(huì)與火山灰分離并且在不同
的高度以不同的速度在空中運(yùn)移(Holasek f＆z．，
1996)?；鹕交覍?duì)飛機(jī)的影響可能是即刻的，也可能
是長(zhǎng)時(shí)間后才顯現(xiàn)。即刻的影響很容易確定，并且
比較容易修復(fù)。中長(zhǎng)期的影響很難發(fā)現(xiàn)，并且主要
是由于火山灰云中的氣體組分造成的，尤其是酸性
硫化物氣體。
全球?qū)α鲗禹敳亢椭胁?MUT)風(fēng)的循環(huán)模式
決定了火山灰總體擴(kuò)散方向和影響范圍。在MUT
中，緯向風(fēng)強(qiáng)于經(jīng)向風(fēng)并且火山灰云會(huì)迅速沿著緯
向移動(dòng)。250 hPa(10 km)高度長(zhǎng)期平均的緯向風(fēng)
礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)
場(chǎng)表明1月份北緯30。和7月份南緯30。是強(qiáng)緯向風(fēng)
場(chǎng)(Prata，2009)。在赤道兩側(cè)±1O。以?xún)?nèi)緯向風(fēng)一
般都很弱，但有明顯的季節(jié)性，7月份赤道北側(cè)以東
風(fēng)為主。經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)表明1月份經(jīng)向風(fēng)往往是更靠北
的，在冬季半球的高緯度地區(qū)可以達(dá)到6 m／s(Pra—
ta，2009)。赤道風(fēng)在1年的2個(gè)時(shí)期都很弱。在此
基礎(chǔ)上，如果火山灰上升到10 km 高空，我們就可
以得出一個(gè)大體的評(píng)價(jià)。例如7月份在赤道附近發(fā)
生火山噴發(fā)，那么火山灰最可能是向西擴(kuò)散，而很少
向高緯度地區(qū)擴(kuò)散。發(fā)生在高緯度地區(qū)的火山噴
發(fā)，火山灰的傳播方向和速度取決于所在的半球和
季節(jié)。例如：7月份，智利火山噴發(fā)火山灰云會(huì)快速
向東、向南傳播，幾乎不可能傳播到北半球，更可能
在南半球緯度30。附近環(huán)繞。1991年8月份智利哈
德遜火山噴發(fā)觀(guān)察到了這種現(xiàn)象，火山灰云向東邊
澳大利亞方向傳播，造成了一些輕微的航空事故
(Barton et a1．，1992)。如果火山噴發(fā)發(fā)生在日本，
火山灰將沿勘察加半島向北、向東傳播，并且1月份
的速度大于7月份的速度。日本或者堪察加冬季火
山爆發(fā)的火山灰云很可能對(duì)連接日本到美國(guó)的北太
平洋航線(xiàn)產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)。
一些活火山的噴發(fā)可以影響重要的航線(xiàn)。例如
冰島火山噴發(fā)很可能擾亂連接美國(guó)和歐洲大陸之間
的北大西洋航線(xiàn)。尤其當(dāng)經(jīng)向風(fēng)是北風(fēng)且緯向風(fēng)較
弱時(shí)，影響最大。因?yàn)榛鹕交以茖⑾蚰线\(yùn)動(dòng)并與北
大西洋航線(xiàn)相交。所以，冬季比夏季噴發(fā)危害更大。
從冰島噴發(fā)出的火山灰云的另一條可能軌跡是快速
向東然后向南，火山灰云可能被帶到東歐上空進(jìn)入
繁忙的航線(xiàn)。這樣的火山灰云軌跡也從2004年格
里姆火山噴發(fā)得到證實(shí)(Witham et a1．，2007)，當(dāng)
時(shí)導(dǎo)致歐洲一些飛機(jī)的迫降，但沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重事件。
另外，在連接日本以及亞洲到美國(guó)大陸的繁忙的跨
太平洋航線(xiàn)上空，主要的威脅來(lái)自日本火山、勘察加
半島火山、還有沿阿留申群島到阿拉斯加西南部的
火山。整個(gè)地區(qū)都是火山活動(dòng)區(qū)，曾見(jiàn)有幾起火山
活動(dòng)產(chǎn)生的火山灰云造成該地區(qū)相關(guān)航空事件的報(bào)
道。在每年的大部分時(shí)間緯向風(fēng)都是向東，攜帶日
本和勘察加火山產(chǎn)生的火山灰向美國(guó)大陸漂移并進(jìn)
入高密度的空中交通通道。該地區(qū)有記錄的兩起完
整的航空事故都發(fā)生在冬季。1989年12月份，從
阿姆斯特丹飛往阿拉斯加的安克雷奇的KLM867
商用飛機(jī)飛近里道特火山(60．485。N，152．742。W)
(Casadevall，1994a)空域時(shí)，遭遇火山灰。這架飛機(jī)
是迎著火山灰噴發(fā)柱飛行的，在冬季平均風(fēng)的作用
下，火山灰云是向北東方向移動(dòng)的，并有相關(guān)火山灰
533
擴(kuò)散模型對(duì)該次事件進(jìn)行了模擬。該地區(qū)另外一個(gè)
較近的火山事件是2000年2月份克利夫蘭火山
(52．82。N，167．95。w)噴發(fā)，當(dāng)時(shí)擴(kuò)散的火山灰向
北北東方向運(yùn)動(dòng)，在平均風(fēng)循環(huán)的基礎(chǔ)上與預(yù)期相
一致，這次火山噴發(fā)也有相關(guān)的火山灰擴(kuò)散模擬。
有些火山灰也向南南東方向運(yùn)動(dòng)，并且影響美國(guó)西
海岸的空中交通。在這次火山噴發(fā)中，有4次飛機(jī)
遭遇火山灰事件的報(bào)道，其中1次發(fā)生在美國(guó)加州
FL一300 B一747(Simpson et a1．，2002)。
1．3 火山灰云研究歷史
1．3．1 重要會(huì)議火山灰云對(duì)航空威脅較大，但直
至上世紀(jì)8O年代，火山灰云的研究逐漸引起人們的
重視。在國(guó)際上，召開(kāi)了一系列學(xué)術(shù)研討會(huì)探討火
山灰云帶來(lái)的航空安全問(wèn)題。一次是在1989年12
月份里道特火山噴發(fā)之后，1991年在華盛頓西雅圖
市召開(kāi)的，此次研討會(huì)收集的文章由USGS刊發(fā)
(Casadevall，1994b)。2004年在美國(guó)弗吉尼亞州亞
歷山德里亞召開(kāi)了第2次研討會(huì)“第二屆國(guó)際火山
灰與航空安全會(huì)議”(OFCM，2004)。在這2次會(huì)議
期間，Sigurdsson(1999)出版了《Encyclopedia of
Volcanoes)(火山百科全書(shū))，是火山學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重
要的基礎(chǔ)工作。另外，在澳大利亞、日本、阿拉斯加
和法國(guó)也舉辦了一些地方性的火山會(huì)議。這些會(huì)議
的焦點(diǎn)是如何提高使飛機(jī)避免火山灰危險(xiǎn)的方法。
目前執(zhí)行的火山灰擴(kuò)散危險(xiǎn)預(yù)警方案將全球劃分為
九大區(qū)域(圖1)，每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)火山灰咨詢(xún)中
心(VAAC)。
2010年冰島埃亞菲亞德拉冰蓋火山噴發(fā)給航
空業(yè)帶來(lái)的嚴(yán)重后果。10月18日至20 Et在世界
氣象組織(WMO)和國(guó)際火山學(xué)和地球內(nèi)部化學(xué)協(xié)
會(huì)(IAVCEI)的主持下，52位火山學(xué)家、氣象學(xué)家、
大氣擴(kuò)散建模專(zhuān)家、空問(wèn)和地面測(cè)控專(zhuān)家(包括6個(gè)
火山灰咨詢(xún)機(jī)構(gòu)和相關(guān)代表機(jī)構(gòu))組成了火山灰擴(kuò)
散預(yù)測(cè)和民航IAVCEI／WMO第一個(gè)工作組，其目
標(biāo)是討論火山灰建模的需求，研究新的數(shù)據(jù)采集策
略(即定量的測(cè)量和觀(guān)察)，討論了如何改善研究機(jī)
構(gòu)和業(yè)務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的溝通問(wèn)題。
1．3．2 火山灰云衛(wèi)星研究 通?；鹕交顒?dòng)前兆是
可以通過(guò)形變和火山地震等手段監(jiān)測(cè)的，一般在火
山噴發(fā)前就可以進(jìn)行預(yù)警。在噴發(fā)開(kāi)始的最初幾個(gè)
小時(shí)內(nèi)，火山口及其附近空域?qū)娇盏耐{最大，但
是影響范圍有限?；鹕絿姲l(fā)開(kāi)始階段，火山灰和火
山氣體的混合物沿著垂直方向呈柱狀向上噴出并達(dá)
到最大高度，上升的高度取決于火山噴發(fā)的能量和
其他環(huán)境條件。在火山大規(guī)模噴發(fā)后，火山灰和火
534 趙誼等／火山灰云在航空安全領(lǐng)域研究進(jìn)展
山氣體可以運(yùn)移到很遠(yuǎn)的距離，但在垂直方向上的
厚度通常僅有1～2 km。因?yàn)樵诓煌叨?，風(fēng)場(chǎng)參
數(shù)通常是很準(zhǔn)確的，對(duì)火山灰云模型的影響不大，因
此，火山灰云垂直高度就成了建模的關(guān)鍵因素。根
據(jù)不同的噴發(fā)階段，火山灰的監(jiān)測(cè)手段也不盡相同，
噴發(fā)開(kāi)始階段，由于火山灰厚度很厚，通常是不透明
的，所以只能通過(guò)地面雷達(dá)和航天飛機(jī)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)
測(cè)和追蹤?；鹕交以茢U(kuò)散后，隨著濃度的降低，地面
雷達(dá)和航天飛機(jī)的局限性就體現(xiàn)出來(lái)了，而利用衛(wèi)
星進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。因?yàn)榛鹕交以?
初期的影響有限，所以目前利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火山灰云
后期影響成為目前主要研究方向之一。
Sawada(1987)首先提出利用衛(wèi)星圖像對(duì)火山
灰云進(jìn)行氣象學(xué)方法研究。他利用地球同步氣象衛(wèi)
星(靜止氣象衛(wèi)星GMS一1)研究了西太平洋地區(qū)的
火山噴發(fā)和火山灰云的擴(kuò)散。Sawada(1996)發(fā)現(xiàn)
1977—1985期間所有已知的火山噴發(fā)的GMS圖像
的檢出率是13．7 ，這么低的檢出率明顯受到氣象
云的干擾?？臻g分辨率(小于5 km 的云團(tuán)檢測(cè)不
到)和光譜采樣(GMS只有單一的可見(jiàn)光和紅外通
道)的限制也是低檢出率的原因之一。Maling—
reauand Kaswanda(1986)利用衛(wèi)星圖像(AVHRR)
研究1983年7月28日印尼Colo火山爆發(fā)，這次火
山噴發(fā)還在該地區(qū)造成了噴氣飛機(jī)故障。Han—
strum和Watson(1983)從氣象學(xué)角度研究了1982
年4月份印尼Galunggung火山噴發(fā)，并指出衛(wèi)星
數(shù)據(jù)在檢測(cè)火山灰方面的實(shí)用性。Krueger(1983)，
Krueger(1995)和Krueger(2000)研究表明，安裝在
TOMS上的用來(lái)測(cè)量臭氧的紫外線(xiàn)儀器可以用來(lái)
跟蹤火山灰云S0 。Carn等(2004)研究表明
TOMS也可以用于測(cè)量人造SO 排放量。
Prata(1989a，1989b)首先提出利用衛(wèi)星紅外圖
像區(qū)分火山灰云和氣象云的理論基礎(chǔ)，然后Wen和
Rose(1994)進(jìn)行了擴(kuò)展?，F(xiàn)在的火山灰咨詢(xún)中心
(VAACs)還在使用。Prata(1989a)提出的原始方
法或者它的變換。該方法依賴(lài)于火山灰在8～12
,um 波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)2個(gè)波段吸收的差值。火山灰云
主要由硅酸鹽顆粒組成，這些顆粒的吸收、散射和重
新釋放紅外輻射的方式與氣象學(xué)“天氣”云的重要組
成部分水和冰不同。這點(diǎn)重要的區(qū)別可以區(qū)分出火
山灰云團(tuán)和水一冰組成的氣象云。由于它們都在湍
流的大氣中，當(dāng)出現(xiàn)它們的混合物時(shí)，區(qū)分它們的能
力就會(huì)降低，有時(shí)還會(huì)失效，例如火山灰顆粒完全被
冰包裹時(shí)(Rose et a1．，1995)。盡管這種“反吸收”
技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，但它仍然是從衛(wèi)星圖像檢測(cè)和
鑒別火山灰云最有效的手段。隨著紅外衛(wèi)星技術(shù)的
發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，電磁頻譜的紫外線(xiàn)部分也可應(yīng)
用于研究火山灰云。Krueger(1983)第一個(gè)認(rèn)識(shí)到
衛(wèi)星紫外輻射測(cè)量對(duì)于研究1982年墨西哥E1 Chi—
chon火山噴發(fā)的火山灰云中SO 的傳播的用處。
他用TOMS的紫外線(xiàn)圖像顯示全球的So。的運(yùn)動(dòng)。
TOMS最初設(shè)計(jì)是用來(lái)測(cè)量臭氧的，現(xiàn)在已經(jīng)為檢
測(cè)全球火山灰云SO。提供了30年的數(shù)據(jù)。
Krueger(1995)和Krotkov(2006)說(shuō)明了使用
TOMS和臭氧檢測(cè)儀(OMI)儀器進(jìn)行紫外線(xiàn)測(cè)量
和量化火山灰物質(zhì)(可以確定火山灰和SO )的原
理。SO 的檢索依賴(lài)于280～320 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)易
受影響的反向散射太陽(yáng)紫外線(xiàn)輻射。多波段光譜的
利用可以排除一些干擾的影響，如其他分子(如臭
氧)、表面反射、瑞利復(fù)合散射和氣溶膠與云的吸收
性。通過(guò)計(jì)算氣溶膠2個(gè)波段的吸收指數(shù)(Torres
et aZ．，1998)可以檢測(cè)到火山灰。雖然這種技術(shù)區(qū)
分不開(kāi)火山灰和其他吸收性的氣溶膠，但是根據(jù)測(cè)
量的背景足可以推斷出火山灰是氣溶膠的主要吸收
成分。
可見(jiàn)光也可以用來(lái)推斷大氣中火山碎屑的存
在。Matson(1984)利用GOES和N0AA AVHRR
衛(wèi)星數(shù)據(jù)，Richardson(1984)利用N0AA AVHRR
衛(wèi)星數(shù)據(jù)測(cè)量了EI Chichon(薩爾瓦多奇諾)火山
爆發(fā)前后大氣透明度的變化。
l991年6月份菲律賓皮納圖博火山爆發(fā)后，利
用衛(wèi)星圖像研究火山灰云的方法得到了改進(jìn)和完
善。飛機(jī)遭遇火山灰的例子有30多例(Casadevall
et a1．，1996)，如何為飛機(jī)提供實(shí)時(shí)的火山灰云預(yù)警
成為顯著的問(wèn)題。隨著火山噴發(fā)帶來(lái)的問(wèn)題的出
現(xiàn)，分別在澳大利亞的達(dá)爾文、Et本東京、阿拉斯加
安克雷奇、阿根廷布宜諾斯艾利斯、加拿大蒙特利
爾、法國(guó)圖盧茲、威靈頓、美國(guó)華盛頓和英國(guó)倫敦建
立了火山灰咨詢(xún)中心(VAACs)網(wǎng)絡(luò)(圖1)?；鹕?
灰咨詢(xún)中心有責(zé)任為他們的地區(qū)提供咨詢(xún)，這些咨
詢(xún)中心覆蓋了全球大多數(shù)地區(qū)，包括了所有主要的
航線(xiàn)。火山灰咨詢(xún)中心的運(yùn)行隨著更好的空間、時(shí)
間和光譜分辨率的衛(wèi)星的改進(jìn)一直在改進(jìn)，并且大
大提高了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，研究重點(diǎn)已經(jīng)從被動(dòng)模式
的反應(yīng)轉(zhuǎn)向主動(dòng)模式的預(yù)測(cè)?；鹕交以茢U(kuò)散的預(yù)測(cè)
已經(jīng)成為一個(gè)主要的研究方向。
2 火山灰云監(jiān)測(cè)
2．1 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)
對(duì)于監(jiān)控火山活動(dòng)，衛(wèi)星技術(shù)的使用是令人振

536 趙誼等／'A山灰云在航空安全領(lǐng)域研究進(jìn)展
的產(chǎn)品，可以與擴(kuò)散模型結(jié)合生成航空工業(yè)用的風(fēng)險(xiǎn)
地圖。有許多衛(wèi)星(極地和地球同步衛(wèi)星)搭載了這些
紅外通道，所以這款產(chǎn)品可以全球應(yīng)用。表2列出了
一些能夠提供火山灰質(zhì)量載荷衛(wèi)星儀器的詳細(xì)信息。
其中AIRS(Chahine et a1．，2006)和IASI(Clerbaux et
a1．，2007)不僅可以測(cè)量火山灰質(zhì)量載荷，他們搭載了
高光譜分辨率并且采用了更多的測(cè)量通道，并很有可
能揭示火山灰中的礦物成分。事實(shí)上，這種方法可以
用來(lái)區(qū)分沙塵和火山灰云。
表2 用紅外測(cè)量檢測(cè)火山灰的衛(wèi)星的信息
Tahie 2 DetaiIs of satellite instruments that can be
usedto detect ash from infraredI]leO~ul'ements
在許多情況下確認(rèn)火山灰的危害性仍然存在一些
困難，并且實(shí)時(shí)性仍然是一個(gè)問(wèn)題。更復(fù)雜的是沒(méi)有
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星基礎(chǔ)產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確提供火山灰云的高
度。一旦一組圖像揭示了火山灰云在時(shí)間和空間行
為，在“猜測(cè)”的高度上運(yùn)行火山灰軌跡模型，與實(shí)際火
山灰運(yùn)行軌跡最匹配的，就可能是火山灰云實(shí)際高度。
這種“碰運(yùn)氣”的方法最近在基礎(chǔ)理論上得到了鞏固，
Eckhardt(2 O()8)利用反演建模技術(shù)，結(jié)合Langrangian
粒子擴(kuò)散理論，利用風(fēng)場(chǎng)與衛(wèi)星測(cè)量估算火山噴發(fā)噴
射灰流高度輪廓。這種方法在也門(mén)Jebel火山(15．55。
N，41．83。E)爆發(fā)得到了驗(yàn)證，依靠的是SEVIRI衛(wèi)星
對(duì)SOe的測(cè)量。其結(jié)果非常好，并且依靠OMI和基于
空間雷達(dá)(CAI』PS())獨(dú)立驗(yàn)證表明一旦火山灰噴射高
度確定(精度在±1 kin)，火山灰云的軌跡和擴(kuò)散便可
以追蹤數(shù)天，超過(guò)10000 km。使用s 測(cè)量衛(wèi)星來(lái)推
斷火山灰危險(xiǎn)性不是新的方法，但這種方法還存在一
些問(wèn)題并且在理想情況下可以直接進(jìn)行火山灰測(cè)量。
目前來(lái)看，衛(wèi)星SO2測(cè)量更容易做到而且已經(jīng)證明對(duì)
航空危險(xiǎn)預(yù)警是非常有用的。
另外，S( 通常是火山爆發(fā)產(chǎn)生的第3豐富的氣體
(水蒸氣和C()2)，火山灰云中802的移動(dòng)和擴(kuò)散可以間
接反應(yīng)火山灰的情況。由于它對(duì)紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)有特
殊吸收特性，因此產(chǎn)生了一系列檢測(cè)s()2的衛(wèi)星儀器，
如紫外儀器TOMS、COME、SCIAMACHY、OMI和
GOME -2；紅外儀器HIRS、ⅥSSR、M()DIS、AIRS、SE一
ⅥRI和IASI。利用紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)火山
噴發(fā)的s02的擴(kuò)散的例子有很多(如Krueger，1983；
Barton et a1．，1992；B1uth et a1．，1993；Schneider et“ ．，
1995；Prata et nZ．，2003；Cam et口Z．，2007；Prata et“Z．，
2007；Eckhardt et a1．，2008)?；谛l(wèi)星S( 測(cè)量追蹤
并預(yù)測(cè)危險(xiǎn)云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)的能力是很有價(jià)值的，并且利
用這些數(shù)據(jù)已經(jīng)建立了為航空業(yè)提供全球預(yù)警的系統(tǒng)
(Van Gelfen et a1．，2007)。
2．2 模型預(yù)測(cè)
目前已開(kāi)發(fā)出許多火山灰擴(kuò)散模型(Ⅵ DM )用
于火山噴發(fā)事件中預(yù)測(cè)灰云的軌跡和采取安全措施。
這些模型的預(yù)測(cè)非常依賴(lài)風(fēng)場(chǎng)和灰云原始參數(shù)的精確
性。在過(guò)去的10多年問(wèn)，許多火山灰云的傳播和擴(kuò)散
模型得到發(fā)展，而且VAACs和其他中心也在使用。這
些模型包括ME DIA(Piedelievre et“Z．，1998)，HYS～
PI』T(Draxler and Hess，1998)，PUFF(Searcy et“￡．，
1998)，CANERM (D’A1TIOUFS et“ ．，1998)，NAME
(Jones et a1．，2007)，ASH3D，ATHAM ，F(xiàn)AI L3D，
FLEXPART，HYSPLIT，IⅣ【A，MI DP0，M()CAGE，
NAME，PUFF，TEPHRA2和V()I，CAI．PUFF。結(jié)合
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心(NWP)的數(shù)據(jù)，這些模型能夠預(yù)測(cè)
火山灰云在大氣中的傳播，為當(dāng)局對(duì)災(zāi)害回應(yīng)計(jì)劃提
供科學(xué)的依據(jù)。
盡管VATDM 模型是非常有用的，但在廣泛的應(yīng)
用上還存在很多限制。最大的挑戰(zhàn)就是預(yù)測(cè)精度，主
要有2個(gè)因素：①VATDM 模型使用拉格朗日粒子軌
跡，這種方法的精度主要依靠NWP數(shù)據(jù)的質(zhì)量，尤其
是它的時(shí)間和空間分辨率。同參考軌跡相比，在傳輸
時(shí)間上灰云粒子軌跡的平均誤差超過(guò)36 h的概率能達(dá)
到35 (Stunder，1996)。使用更精細(xì)網(wǎng)格的NWP數(shù)
據(jù)能夠改善預(yù)測(cè)精度，但卻是極其消耗時(shí)間的，時(shí)間上
的延遲對(duì)于快速精確的預(yù)測(cè)都是不利的。② 缺乏初始
噴發(fā)灰云的精確描述。初始參數(shù)對(duì)于許多V=f盯DM 模
型的成功是非常重要的。例如最大高度，粒子大小，以
及濃度分布等，然而，收集這些數(shù)據(jù)通常來(lái)講是非常難
的，尤其是在噴發(fā)后最初的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)急需一些快速
響應(yīng)的時(shí)候。另外，這些參數(shù)值在噴發(fā)的過(guò)程中也會(huì)
不斷的改變。
Witham(20O7)在VAACs對(duì)各種火山灰擴(kuò)散模型
做了相互比較，但是一次測(cè)試涉及這么多模型的案例
以前從未有過(guò)。此外，有相關(guān)文獻(xiàn)明確了12個(gè)VAT
DM 模型的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和輸出，以及可用于火山灰
礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)
檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和工具(即AIRS，ASTER，
AVHRR ，GOES-11，GOES-12，13，14，15，Grimm EDM
107，Grimm Sky OPC，IASI，IM O-radar，Infrasonic Ar—
ray，LIDAR，ⅣⅡSR，ⅣIODIS，MTSA=r，OⅣⅡ，PLUDIX，
SEVIRI，熱成像儀，紫外線(xiàn)照相機(jī)，VOLDORAD)?；?
準(zhǔn)測(cè)試中考慮的VATDM 模型已經(jīng)可以準(zhǔn)確地描述火
山灰顆粒傳輸?shù)囊恍┲匾矫?如對(duì)流和擴(kuò)散)。然
而，其他方面如源區(qū)的特征、對(duì)流傳輸、或者火山灰在
特定沉積過(guò)程中的沉降應(yīng)該得到更好的表征。源區(qū)的
特征在、㈣壓模型中的定義為：(1)大規(guī)模爆發(fā)率
(MER)，(2)噴發(fā)柱高度，(3)總的粒度大小分布
(TGSD)和粒子性質(zhì)(如密度和形狀)，(4)爆發(fā)的質(zhì)量
和粒度垂直分布，(5)噴發(fā)的發(fā)生和結(jié)束時(shí)間，(6)噴發(fā)
位置(即火口位置)。MER質(zhì)量和粒度的垂直分布很
難實(shí)時(shí)量化，但是可以在一定程度上通過(guò)詳細(xì)描述噴
發(fā)柱的動(dòng)力學(xué)變化刻畫(huà)其特征。噴發(fā)柱高度、TGSD、
顆粒性質(zhì)、噴發(fā)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻、源區(qū)位置只能通過(guò)觀(guān)
測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到。因此，一個(gè)好的關(guān)于源區(qū)的評(píng)估
對(duì)于火山灰擴(kuò)散建模，要求觀(guān)測(cè)的時(shí)間序列、快速的數(shù)
據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。通過(guò)基準(zhǔn)檢測(cè)證明了VATDM 模
型的差異，可能是由于它們使用的物理機(jī)制不同，不同
的源區(qū)參數(shù)或者不同的輸入?yún)?shù)的選擇。
3 國(guó)際上火山灰云對(duì)航空安全威脅的應(yīng)
對(duì)措施
1982年印尼加隆貢火山噴發(fā)，引起了公眾對(duì)火山
灰云對(duì)航空安全影響的廣泛關(guān)注。國(guó)際民航組織
(ICAO)在1982年成立了一個(gè)火山灰預(yù)警機(jī)構(gòu)。
過(guò)去30年內(nèi)的火山噴發(fā)和飛機(jī)遭遇火山灰云事
件促使不同國(guó)家和地區(qū)之間采取各種措施以減輕火山
對(duì)航空安全危害。主要有建立更密切的雙邊交流的機(jī)
構(gòu)，機(jī)構(gòu)中包括火山學(xué)家、氣象學(xué)家和空中交通管制；
為飛行員提供全球火山噴發(fā)活動(dòng)報(bào)告；加強(qiáng)火山灰云
探測(cè)傳感器的研發(fā)；改善各機(jī)構(gòu)之間的通訊交流；成立
專(zhuān)業(yè)的火山灰咨詢(xún)中心。
4 火山灰云研究前景及展望
噴氣飛機(jī)飛過(guò)火山灰云是非常危險(xiǎn)的。雖然沒(méi)有
飛機(jī)因?yàn)橛龅交鹕交以贫碌膱?bào)道，但是在2O世紀(jì)
80年代末和90年代初有2次著名的事件，差點(diǎn)導(dǎo)致大
型噴氣客機(jī)失事。這些事件促使了火山灰咨詢(xún)中心
( )的產(chǎn)生。由于在地面或飛機(jī)上觀(guān)察到的火山
灰云是有限的，所以，基于衛(wèi)星和雷達(dá)觀(guān)測(cè)的遙感技術(shù)
對(duì)于 CS和氣象觀(guān)察組織(WMOs)監(jiān)測(cè)火山灰云
危險(xiǎn)性是很關(guān)鍵的。
537
利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火山灰云的方法雖然擁有其他技術(shù)
無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是目前存在的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火山灰云
的方法還存在各種不同的缺陷，而且在鑒別火山灰云
的方法上沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何改進(jìn)火山灰云鑒
別的方法是未來(lái)火山學(xué)家需要努力的方向之一，另外，
實(shí)現(xiàn)火山灰云的自動(dòng)化識(shí)別是未來(lái)火山灰云預(yù)警的必
然趨勢(shì)。
火山灰云擴(kuò)散模型的精確度對(duì)火山灰云預(yù)警是十
分關(guān)鍵的，因?yàn)榛鹕交以茢U(kuò)散模型可以預(yù)測(cè)火山灰云
的發(fā)展擴(kuò)散軌跡和范圍。雖然目前存在多種火山灰擴(kuò)
散模型，并且其預(yù)測(cè)精度也在不斷提高。但是目前影
響模型預(yù)測(cè)精確度的因素很多，尤其是火山灰云真正
的云頂高度、大氣風(fēng)場(chǎng)矢量。因此，未來(lái)提高模型預(yù)測(cè)
精度一方面需要從改進(jìn)模型本身的算法，另一方面是
提高火山灰模型參數(shù)的測(cè)量精度。
火山灰云團(tuán)的研究涉及許多領(lǐng)域，因此，該領(lǐng)域的
發(fā)展離不開(kāi)各領(lǐng)域?qū)W科之間的共同努力與合作，尤其
是火山學(xué)家、氣象學(xué)家、大氣擴(kuò)散模型建模者、空間、航
空和地基測(cè)控專(zhuān)家之間的合作，是改善火山灰預(yù)測(cè)方
法和降低火山灰擴(kuò)散相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。研究機(jī)構(gòu)和業(yè)
務(wù)機(jī)構(gòu)之間多學(xué)科和跨學(xué)科的合作，是在全球范圍內(nèi)
可持續(xù)發(fā)展和持久的解決火山灰監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)方案的關(guān)
鍵。事實(shí)上，有效的火山灰監(jiān)測(cè)和擴(kuò)散預(yù)測(cè)只能通過(guò)
學(xué)科之間的協(xié)作實(shí)現(xiàn)，只有在國(guó)家和國(guó)際層面的業(yè)務(wù)
機(jī)構(gòu)之問(wèn)的合作才能達(dá)成。
隨著當(dāng)今航空領(lǐng)域的快速發(fā)展，把航空安全提到
了前所未有的高度，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了火山灰云的危
險(xiǎn)性，各種專(zhuān)業(yè)的火山研究機(jī)構(gòu)也隨之出現(xiàn)，國(guó)家間和
國(guó)際間的合作不斷增多。隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)、衛(wèi)星遙
感技術(shù)
在這種情況下，通信和高效的數(shù)據(jù)傳輸成為信息
流和業(yè)務(wù)程序的關(guān)鍵，它可以為任何的決策過(guò)程提供
支持。當(dāng)科學(xué)界面臨的自然現(xiàn)象影響到全球和地區(qū)的
社會(huì)各行各業(yè)，這樣的工作團(tuán)隊(duì)的成立時(shí)非常必要的。
由此產(chǎn)生豐富的互動(dòng)，建設(shè)性的討論和合作提醒我們，
當(dāng)國(guó)際科學(xué)界為了一個(gè)共同的問(wèn)題一起工作能取得顯
著進(jìn)步。隨著一系列的火山研究合作機(jī)構(gòu)的成立和工
作的展開(kāi)，相信在火山灰研究領(lǐng)域一定能有一個(gè)快速
的發(fā)展，并為下一次火山爆發(fā)做好充足的準(zhǔn)備。
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