GNSS掩星廓线分析火山喷发中对流层顶动态变化_刘宾.pdf

第 卷第期 年月测绘科学 作者简介：刘宾（），男，河南商丘人，硕士研究生，主要研究方向为 无线电掩星观测。：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）通信作者：张绍成 副教授 ：引文格式：刘宾，张绍成，余涛，等 掩星廓线分析火山喷发中对流层顶动态变化 测绘科学，（）：（，（）：）：掩星廓线分析火山喷发中对流层顶动态变化刘宾，张绍成，余涛，虢盛（中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，武汉 ；中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，武汉 ）摘要：针对 年初汤加洪阿哈阿帕伊（）海底火山喷发引起对流层顶动态变化现象，该文提出基于 掩星大气廓线快速产品分析汤加火山喷发期间的对流层顶动态变化。采用温度递减率法（）确定的对流层顶，较好地反映火山喷发期间对流层顶空间结构，能够为火山喷发规模的量级提供数据支撑。本轮火山喷发记录对比表明，火山喷发引起对流层顶上升效应显著，且火山喷发强度与对流层顶维持高位的时长呈正相关，同时相应的对流层顶温度在较低水平维持。掩星技术可为火山喷发研究提供一种全新的且高效可靠的观测资料，可为类似地质灾害事件的影响量级评估提供参考。关键词：掩星；火山；对流层顶；热力学方法【中图分类号】；【文献标志码】【文章编号】（），（，；，）：（），（），：；引言火山监测需要大量的自动化监测技术和仪器，根据监测方式不同可分为直接监测和远程监测，地震信号监测仍是火山监测的主流，简单的事件计数或 幅度 估 计 被 用 作火山活动 水 平 的 粗 略 指第期刘宾，等 掩星廓线分析火山喷发中对流层顶动态变化标。对于一些已知且容易到达的火山区域，常规监测手段均可较好地实现火山的状态监测和评估。但此次汤加洪阿哈阿帕 伊（，）火山剧烈喷发引起通信中断以及地表监测设备损坏，导致不能实时获取到火山喷发的状态，无法对火山喷发状况做出有效的评估。此外还有大量潜在火山没有配备有效的监测设备，数据无法及时获取，通过卫星视角能够一定程度地解决地面监测数据缺失的问题，实现火山喷发状况的监测和评估。全球卫星导航系统（，）掩星作为一种星基观测技术，能够在不受地面环境影响条件下快速获取地表大气温度、湿度和气压等廓线信息，其在平流层下部和对流层上部有着最佳的数据质量，同时具有全球覆盖、全天候和长期稳定的能力。掩星廓线在 以上具有极佳的垂直分辨率和精度，因此在对流层顶参数变化监测上有较好的适用性，有助于实现全球气候变化的观测评估。在火山喷发这一剧烈的地质活动环境下，掩星探测技术具备不依赖地面监测手段独特的优势，通过探测火山喷发后平流层下层和对流层上层的温度变化，有望对本轮火山的喷发状态实现独立的观测。本 文 基 于 （）数据分析与归档中心（，）提供的近实时 掩星快速廓线产品，研究火山 年初喷发期间，对流层顶参数的变化关系。首先根据流层顶的热力学定义确定掩星廓线中对流层顶参数的计算方法；然后分析 火山喷发期间对流层顶的参数变化以及对流层顶的时间序列；最后评估掩星探测技术在火山喷发这种特殊地质灾害监测中的可行性。汤加火山喷发概况南太平洋 海底火山（，）于当地时间 年月 日、月 日发生猛烈喷发并引发了海啸，此次火山喷发指数 为级，喷发强度与公元 年庞贝古城的维苏威火山相当。火山原本位于海平面 ，连接 岛和 岛，喷发后整体沉入海平面以下，后续未见明显喷发迹象。火山处于地质活动最活跃的环太平洋火山带西侧，属于汤加克马德克弧的一部分，有记录以来该地区发生过多次火山喷发。作为全球地质灾害频发的地区之一，众多学者对此展开了大量的研究，特别是火山地震带的研究。其中 火山 的 前 期 研 究 大 多 集 中 于 年 和 年的次喷发，而此次是历来最强喷发，喷发的前产生了快速传播的海啸波、地震波、可听声波、次声波、火山闪电和火山烟流，而火山烟流瞬间到达地球的中间层 处。剧烈喷发到大气中的能量产生了具有不同光谱能量含量的大气波，扰动气流达到 以上，直径约 。喷发到平流层的火山灰和二氧化硫可能会破坏臭氧层，形成一定的气溶胶来阻止太阳光辐射到地球表面，进而引起全球变冷风险。因此监测评估火山喷发造成的影响变得尤为重要，并且各种气候变化的研究都需要火山监测的数据作为参考依据。基于大气廓线的对流层顶的确定 对流层顶的定义对流层顶作为重要的气象学参数，一方面因为它是对流层和平流层交界处物质交换的动力屏障，控制着对流层和平流层物质交换的平衡，另一方面对流层顶的变化也是引起气候变化的重要指标 ，对全球气候变化监测有重要意义。对流层顶是具有稳定分层的平流层和对流层之间的过渡地带，随着区域不同和气候变化所展现的厚度也不一致。基于研究方法的不同，主要有个层面的对流层顶定义，具体为热力学定义、动力学定义和大气成分定义。传统热力学定义是基于垂直温度廓线，在温度最低点处或是温度递减率符合一定的标准的位置，认定该位置为对流层顶。动力学定义则是基于位涡的“动力学”，这种把大气动力联系起来形成的对流层顶是一种不连续面。大气成分定义利用对流层顶与微量气体的急剧梯度相关的事实。不同对流层顶定义确定对流层顶高度也不尽相同，也从侧面反映对流层顶具有多方面的性质。其中，热力学定义的对流层顶用来作为观测研究；动力学定义的对流层顶通常为大尺度传输模式的模拟；大气成分定义的 对 流 层 顶 适 用 于 检 测 残 留 时 间 短 的 化 学物质。测绘科学第 卷 掩星探测技术获取到的 掩星廓线数据主要与温度、压强和折射率有关，其探测到的对流层顶更符合热力学定义，因此本文主要从热力学定义的方法确定对流层顶。确定对流层顶的方法基于 掩星廓线确定对流层顶的方法主要有弯曲角协方差法（，）、最 低 冷 点 法（，）和 温 度 递 减 率 法（，）。是随着掩星探测技术发展起来的方法，基于反演前的弯曲角数据确定对流层顶，其具体是利用弯曲角剖面的自然对数和梯度窗函数卷积中的极大值确定对流层顶高度，主要定义见式（）和式（）。（，）（）（）（）式中：（，）为不同高度的协方差变化函数；代表尺度因子；代表高度；（）代表大气垂直廓线；为廓线的最低点；为廓线的最高点。（）（）（），或烅烄烆（）式中：（）为梯度函数；为高度变量，其中高度单位均为。弯曲角廓线（）取对数，转换为（），作为弯曲角协方差变化中的（），通过协方差变换计算出弯曲角变化最剧烈的地方。（，）其运算量随 着值 增 加 而 增 加，而的 取 值 也 较 为关键 。是依据垂直温度廓线温度最低点对应的高度为对流顶层顶高度，也被世界气象组织（，）认定 为 对流层顶。是利用温度递减的程度符合 制定的标准来确定对流层顶，温度递减率（）的定义见式（）。（）（）式中：为某一高度层高度，单位为；为某一高度层温度，单位为。判定对流层的标准，应该满足如下的条件：温度递减率从低层开始，首次减小到不大于 且在该位置以上 内的所有高度层的温度递减率均不超过，则被视为第一对流层顶；如果在第一对流层顶之上存在某一高度，在此高度以上 内，所有的温度递减率均超过，则以第一对流层顶标准继续判定第二对流层顶。基于以上规则对 进行改进得到的 方法已被众多学者认可，本质上是大气温度的静态稳定性剖面的不连续水平，可以更好地识别对流层到平流层的转变，因此以 作为确定对流层顶参数的标准。结果讨论本文采用 提供 星座近实时 级的 大气廓线产品，该产品提供除湿度外的主要大气参数信息，如气压、折射率、温度、弯 曲 角 等，在 地 面 至 范 围 内 具 有 的垂直分辨率。本文以温度垂直廓线作为研究参数，使用 确定对流层顶高度和温度，研究火山喷发对对流层顶的影响，并分别从对流层顶高度和温度两方面特征研究对流层顶变化。对流层顶高度和温度特征分析对流层顶高度和温度特征分析是借助火山喷发前后对流层顶高度和温度特征分析其内在机理和规律。通过查阅汤加火山喷发记录，根据喷发时间点绘制对流层顶高度空间结构分布如图所示，其中红色五角星为火山中心位置，红色点位为 掩 星 探 测 点 位，时 间 为 汤 加 地 区 当 地时间。由图 可见，当地时间 年 月 日火山开始喷发，引起对流层顶的升高，随即下降，期间对流层顶一直处于较低的状态波动。年月 日火山开始大规模喷发，附近区域的对流层顶开始升高，继月 日晚最大一次喷发后，火山口附近的对流层顶再次升高。验证了火山喷发引起对流层顶升高的这一猜想，火山喷发程度越大，变化越明显，火山喷发后的平静期，对流层顶高度有一定程度的下降，可见这种对流层顶空间变化可以很好地体现火山喷发事件。依照图对应的对流层顶高度空间结构分布图，绘制对流顶温度空间结构分布，如图所示。第期刘宾，等 掩星廓线分析火山喷发中对流层顶动态变化图汤加地区对流层顶高度特征图 由图可以看出，对流层顶温度与对流层高度呈负相关，即火山喷发时，对流层顶高度提升，对流层顶温度下降。可解释为对流层顶作为气象变化的重要指标，火山喷发期间对流层顶上升，对应的对流层顶部温度降低。火山喷发后因火山灰已经到达平流层高度，笼罩该地区，阻止太阳辐射，能量无法传送到对流层，对流层整体温度也相应下降。另一方面，火山喷发引起的对流层强对流运动，使得大气的垂直流动达到较高的高度，由大气热力学原理可知，大气温度会随着完整的垂直混合过程的高度而降低，垂直流动越深入，对 流 层 顶 高 度 越 高，对 流 层 顶 温 度 则越低。相比对流层顶高度分布特征，对流层顶温度分布特征在火山喷发期间更为明显，较少出现小区域内对流层顶异常的状况，而是用一种整体的效果展现火山喷发后会怎样引起对流层顶温度变化。对流层顶作为平流层和对流层的过渡地带，未在同一高度维持不变，而是由于对流层顶以上的温度受到太阳辐射逐渐升高，对流层顶以下距离地面越远温度逐渐降低，正值在对流层顶处降为最低，考虑到局部气流的扰动，在该高度的温度也会随之上升或者下降，进而造成区域不同对流层顶高度不同，便可解释图小区域对流层顶高度异常的状况。另一方面，平流层是比较稳定的分层，所受到的热源辐射也较为稳定，预示着平流层下部所接受的太阳辐射是一定的，那么该位置受太阳辐射所产生的热量温度也一定，但对流测绘科学第 卷图汤加地区对流层顶温度特征图 层受到气候条件的影响，所接受的太阳辐射并不稳定。倘若受到太阳辐射减少，那么地面所接受的热源也会相应减少，对流层的温度将会比平常相应的有所降低，预示着平常的对流层顶高度对应的最低温度也会随之下降，该高度以上的温度也会有所下降。考虑到平流层下部的热量一定，热力学中热量的交换也会在此范围内达到平衡状态，对流层顶高度也会相应上升，反之亦然。因此，对流层顶温度降低也能体现其对火山喷发事件的响应。对流层顶变化趋势分析单天的对流层顶高度和温度空间分布变化图，能够在火山喷发的时刻显示出对流层顶的空间变化，但未能对长期的变化趋势做出有效回应。本文利用对流层顶高度和温度的时间序列分析火山喷发前后的变化趋势，有助于探讨其内在机理的联系。综 合 掩 星 廓 线 的 水 平 分 辨 率 和 火山喷发的范围，选择以 火山为中心 经 纬 度 的 数 据 范 围，将 汤 加 地 区 年 月 日至 年月日的对流层顶高度和温度时间序列绘制如图所示，其中实线为高斯加权后的平均值（），虚线为等权平均值（）。从图中可以看出，在整体趋势上更能体现出每日变化的微小波动，是因为高斯加权后的平均值，以火山喷发点为中心按照距离给每个掩星廓线数据赋予权重，避免统计范围过大影响统计结果的有效性。计算的对流层顶高度变第期刘宾，等 掩星廓线分析火山喷发中对流层顶动态变化图汤加地区对流层顶高度和温度时间序列图 化趋势与火山喷发时刻相对应，年 月 日，火山开始小规模喷发，对流层顶高度也相应升高，特别是 年月 日和月 日两次大规模的喷发，将对流层顶推至前所未有的高度，维持了较长一段时间，之后随着该地区火山活动平息，对流层顶高度也逐渐下降趋于平稳。这里认为火山喷发时对流层顶高度上升，且喷发规模越大，对流层顶升到较高处并维持时间越长。经历 年月 日最大的一次喷发后，对流层顶高度升到了最高点，对比小规模喷发，这次持续的时间更长，一直到 年月 日之后，对流层顶才逐渐下降。相应的对流层顶温度在这期