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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：趙誼李永生樊祺誠郭正府文檔來源： 1．中國地震局地殼動力學(xué)重點實驗室 2．黑龍江省地震局		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月06日
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· 綜 述·
礦物巖石地球化學(xué)通報
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。，郭正府
1．中國地震局地殼動力學(xué)重點實驗室，北京100085；2．黑龍江省地震局，哈爾濱150090；3．中國地震局
地質(zhì)研究所，北京100029；4．中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，北京100029
摘 要：火山爆發(fā)產(chǎn)生的火山灰會給附近并較大范圍內(nèi)造成嚴(yán)重影響，尤其是上升到對流層頂部及以上的火山灰云會給航空
安全帶來巨大威脅。因此，對火山灰云的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測和預(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)火山灰云特點介紹了火山灰云對航空安全的影響，進(jìn)而闡述了目前衛(wèi)星監(jiān)測火山灰云存在的一些手段和方法，以及火
山灰云預(yù)測模型的研究進(jìn)展，國際上政府之間和各機(jī)構(gòu)等采取的一些應(yīng)對措施。隨著航空業(yè)的日益發(fā)展，特別是中國航空運
輸?shù)目焖僭鲩L，且中國周邊東南亞、日本和堪察加半島火山眾多，因此，火山灰云對航空威脅日益顯著。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)測和預(yù)警。
關(guān)鍵詞：火山灰云；航空安全；衛(wèi)星監(jiān)測；火山灰擴(kuò)散模型
中圖分類號：P317．3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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
基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41172303；41302268)
第一作者簡介：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)過程產(chǎn)生的火山灰會給附近并在相當(dāng)
大的范圍內(nèi)造成嚴(yán)重的影響(Blong，1984)，尤其對
航空可以造成廣泛破壞。因為飛機(jī)渦輪發(fā)動機(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
面也可能會受到火山灰磨損和長期腐蝕(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，英國民航管理局和歐
洲航空安全組織開始探索火山灰“濃度閾值”危機(jī)管
理方式。無論國際民航組織(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
通過對火山灰源區(qū)長期數(shù)據(jù)、火山灰云衛(wèi)星遙感監(jiān)
測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值天氣預(yù)報模型(NWP)和火山灰傳
輸、擴(kuò)散模型(VATDM)對火山灰云的發(fā)展擴(kuò)散趨
勢進(jìn)行判斷。
1990~2005年問全球航空交通量以每年2．2
～ 4．7 9／6增長速度不斷增加(Escap，2005)。目前的
商業(yè)航空交通量的增長速度有顯著的地區(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)航空增長速度是8．6 ，而全球則是6．8 。2002
～ 2015年期間預(yù)計貨運航空的增長量為每年亞太
地區(qū)為6．4 ，中東地區(qū)為6．6 ，全球為5．5
(ESCAP，2005)。亞太地區(qū)約有450座火山，約占
全球活動火山的50％ ，都處在太平洋沿岸，故此也
稱作“火山環(huán)”。再加上雙引擎飛機(jī)替代四引擎飛機(jī)
的趨勢，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，
在國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的專業(yè)組織進(jìn)行研究。本文通過
搜集國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)，首先，簡單解釋了火山灰
云定義，闡述了火山灰云對全球航空安全的影響，對
火山灰云研究歷史進(jìn)行了簡要的回顧，回顧30年來
氣象衛(wèi)星的發(fā)展，并描述如何利用衛(wèi)星工具來檢測
和監(jiān)測危險的火山灰云；其次，闡述了衛(wèi)星檢測火山
灰云的主要技術(shù)和取得的進(jìn)展，火山灰擴(kuò)散預(yù)測數(shù)
字建模的進(jìn)展和存在的問題，討論了火山SO 的檢
測的進(jìn)展；然后，簡要介紹了為了應(yīng)對火山爆發(fā)產(chǎn)生
的火山灰云帶來的威脅，各國政府和國際間采取的
一些應(yīng)對措施；最后，對火山灰云研究前景進(jìn)行了簡
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)。
活動火山可噴發(fā)出多種類型的噴發(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)時間通常在幾小時之內(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
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)生的火山灰云會進(jìn)入平流層，并
可以被氣流搬運數(shù)千千米。火山灰云可以進(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
灰云對航空是一個很大的威脅。
1．2 火山灰云對航空安全的危害
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)?；鹕綒怏w
(尤其是SO。)也能對飛機(jī)造成危險，而且由于與火
山灰的比重不同，它們會與火山灰分離并且在不同
的高度以不同的速度在空中運移(Holasek f＆z．，
1996)?；鹕交覍︼w機(jī)的影響可能是即刻的，也可能
是長時間后才顯現(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)并且火山灰云會迅速沿著緯
向移動。250 hPa(10 km)高度長期平均的緯向風(fēng)
礦物巖石地球化學(xué)通報
場表明1月份北緯30。和7月份南緯30。是強(qiáng)緯向風(fēng)
場(Prata，2009)。在赤道兩側(cè)±1O。以內(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個時期都很弱。在此
基礎(chǔ)上，如果火山灰上升到10 km 高空，我們就可
以得出一個大體的評價。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連接日本到美國的北太
平洋航線產(chǎn)生較大的風(fēng)險。
一些活火山的噴發(fā)可以影響重要的航線。例如
冰島火山噴發(fā)很可能擾亂連接美國和歐洲大陸之間
的北大西洋航線。尤其當(dāng)經(jīng)向風(fēng)是北風(fēng)且緯向風(fēng)較
弱時，影響最大。因為火山灰云將向南運動并與北
大西洋航線相交。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。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(Witham et a1．，2007)，當(dāng)
時導(dǎo)致歐洲一些飛機(jī)的迫降，但沒有發(fā)生嚴(yán)重事件。
另外，在連接日本以及亞洲到美國大陸的繁忙的跨
太平洋航線上空，主要的威脅來自日本火山、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。整個地區(qū)都是火山活動區(qū)，曾見有幾起火山
活動產(chǎn)生的火山灰云造成該地區(qū)相關(guān)航空事件的報
道。在每年的大部分時間緯向風(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，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的，并有相關(guān)火山灰
533
擴(kuò)散模型對該次事件進(jìn)行了模擬。該地區(qū)另外一個
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)時擴(kuò)散的火山灰向
北北東方向運動，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動，并且影響美國西
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道，其中1次發(fā)生在美國加州
FL一300 B一747(Simpson et a1．，2002)。
1．3 火山灰云研究歷史
1．3．1 重要會議火山灰云對航空威脅較大，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。在國際上，召開了一系列學(xué)術(shù)研討會探討火
山灰云帶來的航空安全問題。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
市召開的，此次研討會收集的文章由USGS刊發(fā)
(Casadevall，1994b)。2004年在美國弗吉尼亞州亞
歷山德里亞召開了第2次研討會“第二屆國際火山
灰與航空安全會議”(OFCM，2004)。在這2次會議
期間，Sigurdsson(1999)出版了《Encyclopedia of
Volcanoes)(火山百科全書)，是火山學(xué)領(lǐng)域一項重
要的基礎(chǔ)工作。另外，在澳大利亞、日本、阿拉斯加
和法國也舉辦了一些地方性的火山會議。這些會議
的焦點是如何提高使飛機(jī)避免火山灰危險的方法。
目前執(zhí)行的火山灰擴(kuò)散危險預(yù)警方案將全球劃分為
九大區(qū)域(圖1)，每個區(qū)域都有一個火山灰咨詢中
心(VAAC)。
2010年冰島埃亞菲亞德拉冰蓋火山噴發(fā)給航
空業(yè)帶來的嚴(yán)重后果。10月18日至20 Et在世界
氣象組織(WMO)和國際火山學(xué)和地球內(nèi)部化學(xué)協(xié)
會(IAVCEI)的主持下，52位火山學(xué)家、氣象學(xué)家、
大氣擴(kuò)散建模專家、空問和地面測控專家(包括6個
火山灰咨詢機(jī)構(gòu)和相關(guān)代表機(jī)構(gòu))組成了火山灰擴(kuò)
散預(yù)測和民航IAVCEI／WMO第一個工作組，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(即定量的測量和觀察)，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)之間的溝通問題。
1．3．2 火山灰云衛(wèi)星研究 通?；鹕交顒忧罢资?
可以通過形變和火山地震等手段監(jiān)測的，一般在火
山噴發(fā)前就可以進(jìn)行預(yù)警。在噴發(fā)開始的最初幾個
小時內(nèi)，火山口及其附近空域?qū)娇盏耐{最大，但
是影響范圍有限。火山噴發(fā)開始階段，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。因為在不同高度，風(fēng)場參
數(shù)通常是很準(zhǔn)確的，對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)測手段也不盡相同，
噴發(fā)開始階段，由于火山灰厚度很厚，通常是不透明
的，所以只能通過地面雷達(dá)和航天飛機(jī)對其進(jìn)行監(jiān)
測和追蹤?；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)出來了，而利用衛(wèi)
星進(jìn)行大范圍監(jiān)測的優(yōu)點顯而易見。因為火山灰云
初期的影響有限，所以目前利用衛(wèi)星監(jiān)測火山灰云
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。空間分辨率(小于5 km 的云團(tuán)檢測不
到)和光譜采樣(GMS只有單一的可見光和紅外通
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)在檢測火山灰方面的實用性。Krueger(1983)，
Krueger(1995)和Krueger(2000)研究表明，安裝在
TOMS上的用來測量臭氧的紫外線儀器可以用來
跟蹤火山灰云S0 。Carn等(2004)研究表明
TOMS也可以用于測量人造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。該方法依賴于火山灰在8～12
,um 波長范圍內(nèi)對2個波段吸收的差值?；鹕交以?
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，區(qū)分它們的能
力就會降低，有時還會失效，例如火山灰顆粒完全被
冰包裹時(Rose et a1．，1995)。盡管這種“反吸收”
技術(shù)存在一些缺點，但它仍然是從衛(wèi)星圖像檢測和
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)，電磁頻譜的紫外線部分也可應(yīng)
用于研究火山灰云。Krueger(1983)第一個認(rèn)識到
衛(wèi)星紫外輻射測量對于研究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的紫外線圖像顯示全球的So。的運動。
TOMS最初設(shè)計是用來測量臭氧的，現(xiàn)在已經(jīng)為檢
測全球火山灰云SO。提供了30年的數(shù)據(jù)。
Krueger(1995)和Krotkov(2006)說明了使用
TOMS和臭氧檢測儀(OMI)儀器進(jìn)行紫外線測量
和量化火山灰物質(zhì)(可以確定火山灰和SO )的原
理。SO 的檢索依賴于280～320 nm波長范圍內(nèi)易
受影響的反向散射太陽紫外線輻射。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。通過計算氣溶膠2個波段的吸收指數(shù)(Torres
et aZ．，1998)可以檢測到火山灰。雖然這種技術(shù)區(qū)
分不開火山灰和其他吸收性的氣溶膠，但是根據(jù)測
量的背景足可以推斷出火山灰是氣溶膠的主要吸收
成分。
可見光也可以用來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)提供實時的火山灰云預(yù)警
成為顯著的問題。隨著火山噴發(fā)帶來的問題的出
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、法國圖盧茲、威靈頓、美國華盛頓和英國倫敦建
立了火山灰咨詢中心(VAACs)網(wǎng)絡(luò)(圖1)?；鹕?
灰咨詢中心有責(zé)任為他們的地區(qū)提供咨詢，這些咨
詢中心覆蓋了全球大多數(shù)地區(qū)，包括了所有主要的
航線?；鹕交易稍冎行牡倪\行隨著更好的空間、時
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)，研究重點已經(jīng)從被動模式
的反應(yīng)轉(zhuǎn)向主動模式的預(yù)測?；鹕交以茢U(kuò)散的預(yù)測
已經(jīng)成為一個主要的研究方向。
2 火山灰云監(jiān)測
2．1 衛(wèi)星監(jiān)測
對于監(jiān)控火山活動，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
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量通道，并很有可
能揭示火山灰中的礦物成分。事實上，這種方法可以
用來區(qū)分沙塵和火山灰云。
表2 用紅外測量檢測火山灰的衛(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，并且實時性仍然是一個問題。更復(fù)雜的是沒有
一個標(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間和空間行
為，在“猜測”的高度上運行火山灰軌跡模型，與實際火
山灰運行軌跡最匹配的，就可能是火山灰云實際高度。
這種“碰運氣”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)場與衛(wèi)星測量估算火山噴發(fā)噴
射灰流高度輪廓。這種方法在也門Jebel火山(15．55。
N，41．83。E)爆發(fā)得到了驗證，依靠的是SEVIRI衛(wèi)星
對SOe的測量。其結(jié)果非常好，并且依靠OMI和基于
空間雷達(dá)(CAI』PS())獨立驗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10000 km。使用s 測量衛(wèi)星來推
斷火山灰危險性不是新的方法，但這種方法還存在一
些問題并且在理想情況下可以直接進(jìn)行火山灰測量。
目前來看，衛(wèi)星SO2測量更容易做到而且已經(jīng)證明對
航空危險預(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的移動和擴(kuò)散可以間
接反應(yīng)火山灰的情況。由于它對紫外線和紅外線有特
殊吸收特性，因此產(chǎn)生了一系列檢測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。利用紫外線和紅外線傳感器檢測火山
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( 測量追蹤
并預(yù)測危險云團(tuán)的運動的能力是很有價值的，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
目前已開發(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)測灰云的軌跡和采取安全措施。
這些模型的預(yù)測非常依賴風(fēng)場和灰云原始參數(shù)的精確
性。在過去的10多年問，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)報中心(NWP)的數(shù)據(jù)，這些模型能夠預(yù)測
火山灰云在大氣中的傳播，為當(dāng)局對災(zāi)害回應(yīng)計劃提
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)測精度，主
要有2個因素：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
是它的時間和空間分辨率。同參考軌跡相比，在傳輸
時間上灰云粒子軌跡的平均誤差超過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)測精度，但卻是極其消耗時間的，時間上
的延遲對于快速精確的預(yù)測都是不利的。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)通常來講是非常難
的，尤其是在噴發(fā)后最初的幾個小時內(nèi)急需一些快速
響應(yīng)的時候。另外，這些參數(shù)值在噴發(fā)的過程中也會
不斷的改變。
Witham(20O7)在VAACs對各種火山灰擴(kuò)散模型
做了相互比較，但是一次測試涉及這么多模型的案例
以前從未有過。此外，有相關(guān)文獻(xiàn)明確了12個VAT
DM 模型的特點、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
檢測的數(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，紫外線照相機(jī)，VOLDORAD)?；?
準(zhǔn)測試中考慮的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?如對流和擴(kuò)散)。然
而，其他方面如源區(qū)的特征、對流傳輸、或者火山灰在
特定沉積過程中的沉降應(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
難實時量化，但是可以在一定程度上通過詳細(xì)描述噴
發(fā)柱的動力學(xué)變化刻畫其特征。噴發(fā)柱高度、TGSD、
顆粒性質(zhì)、噴發(fā)開始和結(jié)束時刻、源區(qū)位置只能通過觀
測和現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到。因此，一個好的關(guān)于源區(qū)的評估
對于火山灰擴(kuò)散建模，要求觀測的時間序列、快速的數(shù)
據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。通過基準(zhǔn)檢測證明了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 國際上火山灰云對航空安全威脅的應(yīng)
對措施
1982年印尼加隆貢火山噴發(fā)，引起了公眾對火山
灰云對航空安全影響的廣泛關(guān)注。國際民航組織
(ICAO)在1982年成立了一個火山灰預(yù)警機(jī)構(gòu)。
過去30年內(nèi)的火山噴發(fā)和飛機(jī)遭遇火山灰云事
件促使不同國家和地區(qū)之間采取各種措施以減輕火山
對航空安全危害。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)活動報告；加強(qiáng)火山灰云
探測傳感器的研發(fā)；改善各機(jī)構(gòu)之間的通訊交流；成立
專業(yè)的火山灰咨詢中心。
4 火山灰云研究前景及展望
噴氣飛機(jī)飛過火山灰云是非常危險的。雖然沒有
飛機(jī)因為遇到火山灰云而失事的報道，但是在2O世紀(jì)
80年代末和90年代初有2次著名的事件，差點導(dǎo)致大
型噴氣客機(jī)失事。這些事件促使了火山灰咨詢中心
( )的產(chǎn)生。由于在地面或飛機(jī)上觀察到的火山
灰云是有限的，所以，基于衛(wèi)星和雷達(dá)觀測的遙感技術(shù)
對于 CS和氣象觀察組織(WMOs)監(jiān)測火山灰云
危險性是很關(guān)鍵的。
537
利用衛(wèi)星監(jiān)測火山灰云的方法雖然擁有其他技術(shù)
無法比擬的優(yōu)點，但是目前存在的衛(wèi)星監(jiān)測火山灰云
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
別的方法是未來火山學(xué)家需要努力的方向之一，另外，
實現(xiàn)火山灰云的自動化識別是未來火山灰云預(yù)警的必
然趨勢。
火山灰云擴(kuò)散模型的精確度對火山灰云預(yù)警是十
分關(guān)鍵的，因為火山灰云擴(kuò)散模型可以預(yù)測火山灰云
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)測精度也在不斷提高。但是目前影
響模型預(yù)測精確度的因素很多，尤其是火山灰云真正
的云頂高度、大氣風(fēng)場矢量。因此，未來提高模型預(yù)測
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
空和地基測控專家之間的合作，是改善火山灰預(yù)測方
法和降低火山灰擴(kuò)散相關(guān)風(fēng)險的關(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)測和預(yù)測方案的關(guān)
鍵。事實上，有效的火山灰監(jiān)測和擴(kuò)散預(yù)測只能通過
學(xué)科之間的協(xié)作實現(xiàn)，只有在國家和國際層面的業(yè)務(wù)
機(jī)構(gòu)之問的合作才能達(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)識到了火山灰云的危
險性，各種專業(yè)的火山研究機(jī)構(gòu)也隨之出現(xiàn)，國家間和
國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
社會各行各業(yè)，這樣的工作團(tuán)隊的成立時非常必要的。
由此產(chǎn)生豐富的互動，建設(shè)性的討論和合作提醒我們，
當(dāng)國際科學(xué)界為了一個共同的問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，相信在火山灰研究領(lǐng)域一定能有一個快速
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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