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火山灰云在航空安全领域研究进展

文档作者：赵谊李永生樊祺诚郭正府文档来源： 1．中国地震局地壳动力学重点实验室 2．黑龙江省地震局		点击数：	更新时间： 2021年04月06日
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· 综 述·
矿物岩石地球化学通报
Bulletin of M ineralogy，Petrology and Geochemistry
Vo1．33 No．4，July，2014
火山灰云在航空安全领域研究进展
赵 谊 ，李永生 ，樊祺诚。，郭正府
1．中国地震局地壳动力学重点实验室，北京100085；2．黑龙江省地震局，哈尔滨150090；3．中国地震局
地质研究所，北京100029；4．中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室，北京100029
摘 要：火山爆发产生的火山灰会给附近并较大范围内造成严重影响，尤其是上升到对流层顶部及以上的火山灰云会给航空
安全带来巨大威胁。因此，对火山灰云的发生、发展进行监测和预警就显得尤为重要。阐述了火山灰云概念及其研究历史，
并根据火山灰云特点介绍了火山灰云对航空安全的影响，进而阐述了目前卫星监测火山灰云存在的一些手段和方法，以及火
山灰云预测模型的研究进展，国际上政府之间和各机构等采取的一些应对措施。随着航空业的日益发展，特别是中国航空运
输的快速增长，且中国周边东南亚、日本和堪察加半岛火山众多，因此，火山灰云对航空威胁日益显著。最后指出，更好的进
行火山灰云的研究是非常必要的，尤其是建立火山灰云的监测和预警。
关键词：火山灰云；航空安全；卫星监测；火山灰扩散模型
中图分类号：P317．3 文献标志码：A 文章编号：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 ，FAN 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
基金项目：国家自然科学基金资助项目(41172303；41302268)
第一作者简介：赵谊(1961一)，男，研究员，研究方向：大气物理学、火山学．E—mail：jeosph@126．com．
532 赵谊等／火山灰云在航空安全领域研究进展
火山爆发过程产生的火山灰会给附近并在相当
大的范围内造成严重的影响(Blong，1984)，尤其对
航空可以造成广泛破坏。因为飞机涡轮发动机可能
由于吸入空气中火山灰而受到严重威胁，飞机的表
面也可能会受到火山灰磨损和长期腐蚀(Heiken el：
口Z．，1992；Casadevall，1994a；Casadevall et nZ．，
1996；Guffanti etnz．，2010)。2010年四五月间冰岛
埃亚菲亚德拉冰盖火山喷发造成欧洲和北大西洋空
域前所未有的关闭，经济损失全球约50亿美元。事
实上，“火山灰零容忍”预防标准加剧了这次事件的
影响。因此，冰岛火山危机后，英国民航管理局和欧
洲航空安全组织开始探索火山灰“浓度阈值”危机管
理方式。无论国际民航组织(ICAO)的“火山灰零容
忍”标准，还是新的火山灰“浓度阈值”的方法，都要
通过对火山灰源区长期数据、火山灰云卫星遥感监
测数据，结合数值天气预报模型(NWP)和火山灰传
输、扩散模型(VATDM)对火山灰云的发展扩散趋
势进行判断。
1990~2005年问全球航空交通量以每年2．2
～ 4．7 9／6增长速度不断增加(Escap，2005)。目前的
商业航空交通量的增长速度有显著的地区差异。伴
随更多的环太平洋地区商业通道，预计中东和亚太
地区的增幅最大。2004～2007年期间亚太地区商
业航空增长速度是8．6 ，而全球则是6．8 。2002
～ 2015年期间预计货运航空的增长量为每年亚太
地区为6．4 ，中东地区为6．6 ，全球为5．5
(ESCAP，2005)。亚太地区约有450座火山，约占
全球活动火山的50％ ，都处在太平洋沿岸，故此也
称作“火山环”。再加上双引擎飞机替代四引擎飞机
的趋势，飞机在遇到火山灰后容易遭受损失，世界航
空的脆弱性显著增加。
火山灰云研究涉及的领域较多，系统研究较晚，
在国内还没有统一的专业组织进行研究。本文通过
搜集国内外相关领域文献，首先，简单解释了火山灰
云定义，阐述了火山灰云对全球航空安全的影响，对
火山灰云研究历史进行了简要的回顾，回顾30年来
气象卫星的发展，并描述如何利用卫星工具来检测
和监测危险的火山灰云；其次，阐述了卫星检测火山
灰云的主要技术和取得的进展，火山灰扩散预测数
字建模的进展和存在的问题，讨论了火山SO 的检
测的进展；然后，简要介绍了为了应对火山爆发产生
的火山灰云带来的威胁，各国政府和国际间采取的
一些应对措施；最后，对火山灰云研究前景进行了简
要的总结。
上 火山灰
1．1 火山灰云定义
火山灰是由火山喷发产生，由直径小于2 mm
的破碎岩石、矿物和火山玻璃碎片组成。火山灰也
经常用来泛指所有爆炸性喷发产物，包括大于2
mm 的颗粒。云是指停留大气层上的水滴或冰晶胶
体的集合体。所以“火山灰云”应该是指火山爆发所
产生的停留在大气层上的破碎岩石、矿物和火山玻
璃碎片的集合体，另外还伴有大量的火山气体
(SO 、CO。、HC1等气体)。
活动火山可喷发出多种类型的喷发柱和火山灰
云。静谧式的火山喷发柱包含水汽、气体和少量的
颗粒，这种喷发柱很少能上升到6 km 以上，并且通
常扩散范围只有几十千米。这种静谧式的火山喷发
柱对航空安全的影响不大。
爆炸式喷发柱非常猛烈，在火山通道上方会形
成菜花状包含火山灰和气体的柱，在十几分钟内即
可上升到1～3 km高度。通常会包含直径达到几
英寸的火山岩块，并且伴随高浓度的火山灰和气体。
爆炸式喷发柱持续时间通常在几小时之内，并且影
响范围通常在火山喷发口几英里范围之内，所以，对
航空安全的影响不大。
漂移的火山灰云包含细小的破碎的岩石碎片和
火山气体，由于风的作用将其从剧烈喷发柱中吹离。
大规模火山喷发产生的火山灰云会进入平流层，并
可以被气流搬运数千千米。火山灰云可以进入全球
大气循环，其影响可以持续数周。因此漂移的火山
灰云对航空是一个很大的威胁。
1．2 火山灰云对航空安全的危害
火山灰可以造成飞机广泛的破坏，包括引擎失
灵、磨损挡风玻璃和损坏敏感的航空电子设备(Cas—
adevall，1994a；Casadevall et口z．，1996)。火山气体
(尤其是SO。)也能对飞机造成危险，而且由于与火
山灰的比重不同，它们会与火山灰分离并且在不同
的高度以不同的速度在空中运移(Holasek f＆z．，
1996)。火山灰对飞机的影响可能是即刻的，也可能
是长时间后才显现。即刻的影响很容易确定，并且
比较容易修复。中长期的影响很难发现，并且主要
是由于火山灰云中的气体组分造成的，尤其是酸性
硫化物气体。
全球对流层顶部和中部(MUT)风的循环模式
决定了火山灰总体扩散方向和影响范围。在MUT
中，纬向风强于经向风并且火山灰云会迅速沿着纬
向移动。250 hPa(10 km)高度长期平均的纬向风
矿物岩石地球化学通报
场表明1月份北纬30。和7月份南纬30。是强纬向风
场(Prata，2009)。在赤道两侧±1O。以内纬向风一
般都很弱，但有明显的季节性，7月份赤道北侧以东
风为主。经向风场表明1月份经向风往往是更靠北
的，在冬季半球的高纬度地区可以达到6 m／s(Pra—
ta，2009)。赤道风在1年的2个时期都很弱。在此
基础上，如果火山灰上升到10 km 高空，我们就可
以得出一个大体的评价。例如7月份在赤道附近发
生火山喷发，那么火山灰最可能是向西扩散，而很少
向高纬度地区扩散。发生在高纬度地区的火山喷
发，火山灰的传播方向和速度取决于所在的半球和
季节。例如：7月份，智利火山喷发火山灰云会快速
向东、向南传播，几乎不可能传播到北半球，更可能
在南半球纬度30。附近环绕。1991年8月份智利哈
德逊火山喷发观察到了这种现象，火山灰云向东边
澳大利亚方向传播，造成了一些轻微的航空事故
(Barton et a1．，1992)。如果火山喷发发生在日本，
火山灰将沿勘察加半岛向北、向东传播，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
山爆发的火山灰云很可能对连接日本到美国的北太
平洋航线产生较大的风险。
一些活火山的喷发可以影响重要的航线。例如
冰岛火山喷发很可能扰乱连接美国和欧洲大陆之间
的北大西洋航线。尤其当经向风是北风且纬向风较
弱时，影响最大。因为火山灰云将向南运动并与北
大西洋航线相交。所以，冬季比夏季喷发危害更大。
从冰岛喷发出的火山灰云的另一条可能轨迹是快速
向东然后向南，火山灰云可能被带到东欧上空进入
繁忙的航线。这样的火山灰云轨迹也从2004年格
里姆火山喷发得到证实(Witham et a1．，2007)，当
时导致欧洲一些飞机的迫降，但没有发生严重事件。
另外，在连接日本以及亚洲到美国大陆的繁忙的跨
太平洋航线上空，主要的威胁来自日本火山、勘察加
半岛火山、还有沿阿留申群岛到阿拉斯加西南部的
火山。整个地区都是火山活动区，曾见有几起火山
活动产生的火山灰云造成该地区相关航空事件的报
道。在每年的大部分时间纬向风都是向东，携带日
本和勘察加火山产生的火山灰向美国大陆漂移并进
入高密度的空中交通通道。该地区有记录的两起完
整的航空事故都发生在冬季。1989年12月份，从
阿姆斯特丹飞往阿拉斯加的安克雷奇的KLM867
商用飞机飞近里道特火山(60．485。N，152．742。W)
(Casadevall，1994a)空域时，遭遇火山灰。这架飞机
是迎着火山灰喷发柱飞行的，在冬季平均风的作用
下，火山灰云是向北东方向移动的，并有相关火山灰
533
扩散模型对该次事件进行了模拟。该地区另外一个
较近的火山事件是2000年2月份克利夫兰火山
(52．82。N，167．95。w)喷发，当时扩散的火山灰向
北北东方向运动，在平均风循环的基础上与预期相
一致，这次火山喷发也有相关的火山灰扩散模拟。
有些火山灰也向南南东方向运动，并且影响美国西
海岸的空中交通。在这次火山喷发中，有4次飞机
遭遇火山灰事件的报道，其中1次发生在美国加州
FL一300 B一747(Simpson et a1．，2002)。
1．3 火山灰云研究历史
1．3．1 重要会议火山灰云对航空威胁较大，但直
至上世纪8O年代，火山灰云的研究逐渐引起人们的
重视。在国际上，召开了一系列学术研讨会探讨火
山灰云带来的航空安全问题。一次是在1989年12
月份里道特火山喷发之后，1991年在华盛顿西雅图
市召开的，此次研讨会收集的文章由USGS刊发
(Casadevall，1994b)。2004年在美国弗吉尼亚州亚
历山德里亚召开了第2次研讨会“第二届国际火山
灰与航空安全会议”(OFCM，2004)。在这2次会议
期间，Sigurdsson(1999)出版了《Encyclopedia of
Volcanoes)(火山百科全书)，是火山学领域一项重
要的基础工作。另外，在澳大利亚、日本、阿拉斯加
和法国也举办了一些地方性的火山会议。这些会议
的焦点是如何提高使飞机避免火山灰危险的方法。
目前执行的火山灰扩散危险预警方案将全球划分为
九大区域(图1)，每个区域都有一个火山灰咨询中
心(VAAC)。
2010年冰岛埃亚菲亚德拉冰盖火山喷发给航
空业带来的严重后果。10月18日至20 Et在世界
气象组织(WMO)和国际火山学和地球内部化学协
会(IAVCEI)的主持下，52位火山学家、气象学家、
大气扩散建模专家、空问和地面测控专家(包括6个
火山灰咨询机构和相关代表机构)组成了火山灰扩
散预测和民航IAVCEI／WMO第一个工作组，其目
标是讨论火山灰建模的需求，研究新的数据采集策
略(即定量的测量和观察)，讨论了如何改善研究机
构和业务执行机构之间的沟通问题。
1．3．2 火山灰云卫星研究 通常火山活动前兆是
可以通过形变和火山地震等手段监测的，一般在火
山喷发前就可以进行预警。在喷发开始的最初几个
小时内，火山口及其附近空域对航空的威胁最大，但
是影响范围有限。火山喷发开始阶段，火山灰和火
山气体的混合物沿着垂直方向呈柱状向上喷出并达
到最大高度，上升的高度取决于火山喷发的能量和
其他环境条件。在火山大规模喷发后，火山灰和火
534 赵谊等／火山灰云在航空安全领域研究进展
山气体可以运移到很远的距离，但在垂直方向上的
厚度通常仅有1～2 km。因为在不同高度，风场参
数通常是很准确的，对火山灰云模型的影响不大，因
此，火山灰云垂直高度就成了建模的关键因素。根
据不同的喷发阶段，火山灰的监测手段也不尽相同，
喷发开始阶段，由于火山灰厚度很厚，通常是不透明
的，所以只能通过地面雷达和航天飞机对其进行监
测和追踪。火山灰云扩散后，随着浓度的降低，地面
雷达和航天飞机的局限性就体现出来了，而利用卫
星进行大范围监测的优点显而易见。因为火山灰云
初期的影响有限，所以目前利用卫星监测火山灰云
后期影响成为目前主要研究方向之一。
Sawada(1987)首先提出利用卫星图像对火山
灰云进行气象学方法研究。他利用地球同步气象卫
星(静止气象卫星GMS一1)研究了西太平洋地区的
火山喷发和火山灰云的扩散。Sawada(1996)发现
1977—1985期间所有已知的火山喷发的GMS图像
的检出率是13．7 ，这么低的检出率明显受到气象
云的干扰。空间分辨率(小于5 km 的云团检测不
到)和光谱采样(GMS只有单一的可见光和红外通
道)的限制也是低检出率的原因之一。Maling—
reauand Kaswanda(1986)利用卫星图像(AVHRR)
研究1983年7月28日印尼Colo火山爆发，这次火
山喷发还在该地区造成了喷气飞机故障。Han—
strum和Watson(1983)从气象学角度研究了1982
年4月份印尼Galunggung火山喷发，并指出卫星
数据在检测火山灰方面的实用性。Krueger(1983)，
Krueger(1995)和Krueger(2000)研究表明，安装在
TOMS上的用来测量臭氧的紫外线仪器可以用来
跟踪火山灰云S0 。Carn等(2004)研究表明
TOMS也可以用于测量人造SO 排放量。
Prata(1989a，1989b)首先提出利用卫星红外图
像区分火山灰云和气象云的理论基础，然后Wen和
Rose(1994)进行了扩展。现在的火山灰咨询中心
(VAACs)还在使用。Prata(1989a)提出的原始方
法或者它的变换。该方法依赖于火山灰在8～12
,um 波长范围内对2个波段吸收的差值。火山灰云
主要由硅酸盐颗粒组成，这些颗粒的吸收、散射和重
新释放红外辐射的方式与气象学“天气”云的重要组
成部分水和冰不同。这点重要的区别可以区分出火
山灰云团和水一冰组成的气象云。由于它们都在湍
流的大气中，当出现它们的混合物时，区分它们的能
力就会降低，有时还会失效，例如火山灰颗粒完全被
冰包裹时(Rose et a1．，1995)。尽管这种“反吸收”
技术存在一些缺点，但它仍然是从卫星图像检测和
鉴别火山灰云最有效的手段。随着红外卫星技术的
发展，研究人员发现，电磁频谱的紫外线部分也可应
用于研究火山灰云。Krueger(1983)第一个认识到
卫星紫外辐射测量对于研究1982年墨西哥E1 Chi—
chon火山喷发的火山灰云中SO 的传播的用处。
他用TOMS的紫外线图像显示全球的So。的运动。
TOMS最初设计是用来测量臭氧的，现在已经为检
测全球火山灰云SO。提供了30年的数据。
Krueger(1995)和Krotkov(2006)说明了使用
TOMS和臭氧检测仪(OMI)仪器进行紫外线测量
和量化火山灰物质(可以确定火山灰和SO )的原
理。SO 的检索依赖于280～320 nm波长范围内易
受影响的反向散射太阳紫外线辐射。多波段光谱的
利用可以排除一些干扰的影响，如其他分子(如臭
氧)、表面反射、瑞利复合散射和气溶胶与云的吸收
性。通过计算气溶胶2个波段的吸收指数(Torres
et aZ．，1998)可以检测到火山灰。虽然这种技术区
分不开火山灰和其他吸收性的气溶胶，但是根据测
量的背景足可以推断出火山灰是气溶胶的主要吸收
成分。
可见光也可以用来推断大气中火山碎屑的存
在。Matson(1984)利用GOES和N0AA AVHRR
卫星数据，Richardson(1984)利用N0AA AVHRR
卫星数据测量了EI Chichon(萨尔瓦多奇诺)火山
爆发前后大气透明度的变化。
l991年6月份菲律宾皮纳图博火山爆发后，利
用卫星图像研究火山灰云的方法得到了改进和完
善。飞机遭遇火山灰的例子有30多例(Casadevall
et a1．，1996)，如何为飞机提供实时的火山灰云预警
成为显著的问题。随着火山喷发带来的问题的出
现，分别在澳大利亚的达尔文、Et本东京、阿拉斯加
安克雷奇、阿根廷布宜诺斯艾利斯、加拿大蒙特利
尔、法国图卢兹、威灵顿、美国华盛顿和英国伦敦建
立了火山灰咨询中心(VAACs)网络(图1)。火山
灰咨询中心有责任为他们的地区提供咨询，这些咨
询中心覆盖了全球大多数地区，包括了所有主要的
航线。火山灰咨询中心的运行随着更好的空间、时
间和光谱分辨率的卫星的改进一直在改进，并且大
大提高了数据传输服务，研究重点已经从被动模式
的反应转向主动模式的预测。火山灰云扩散的预测
已经成为一个主要的研究方向。
2 火山灰云监测
2．1 卫星监测
对于监控火山活动，卫星技术的使用是令人振

536 赵谊等／'A山灰云在航空安全领域研究进展
的产品，可以与扩散模型结合生成航空工业用的风险
地图。有许多卫星(极地和地球同步卫星)搭载了这些
红外通道，所以这款产品可以全球应用。表2列出了
一些能够提供火山灰质量载荷卫星仪器的详细信息。
其中AIRS(Chahine et a1．，2006)和IASI(Clerbaux et
a1．，2007)不仅可以测量火山灰质量载荷，他们搭载了
高光谱分辨率并且采用了更多的测量通道，并很有可
能揭示火山灰中的矿物成分。事实上，这种方法可以
用来区分沙尘和火山灰云。
表2 用红外测量检测火山灰的卫星的信息
Tahie 2 DetaiIs of satellite instruments that can be
usedto detect ash from infraredI]leO~ul'ements
在许多情况下确认火山灰的危害性仍然存在一些
困难，并且实时性仍然是一个问题。更复杂的是没有
一个标准的卫星基础产品能够准确提供火山灰云的高
度。一旦一组图像揭示了火山灰云在时间和空间行
为，在“猜测”的高度上运行火山灰轨迹模型，与实际火
山灰运行轨迹最匹配的，就可能是火山灰云实际高度。
这种“碰运气”的方法最近在基础理论上得到了巩固，
Eckhardt(2 O()8)利用反演建模技术，结合Langrangian
粒子扩散理论，利用风场与卫星测量估算火山喷发喷
射灰流高度轮廓。这种方法在也门Jebel火山(15．55。
N，41．83。E)爆发得到了验证，依靠的是SEVIRI卫星
对SOe的测量。其结果非常好，并且依靠OMI和基于
空间雷达(CAI』PS())独立验证表明一旦火山灰喷射高
度确定(精度在±1 kin)，火山灰云的轨迹和扩散便可
以追踪数天，超过10000 km。使用s 测量卫星来推
断火山灰危险性不是新的方法，但这种方法还存在一
些问题并且在理想情况下可以直接进行火山灰测量。
目前来看，卫星SO2测量更容易做到而且已经证明对
航空危险预警是非常有用的。
另外，S( 通常是火山爆发产生的第3丰富的气体
(水蒸气和C()2)，火山灰云中802的移动和扩散可以间
接反应火山灰的情况。由于它对紫外线和红外线有特
殊吸收特性，因此产生了一系列检测s()2的卫星仪器，
如紫外仪器TOMS、COME、SCIAMACHY、OMI和
GOME -2；红外仪器HIRS、ⅥSSR、M()DIS、AIRS、SE一
ⅥRI和IASI。利用紫外线和红外线传感器检测火山
喷发的s02的扩散的例子有很多(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)。基于卫星S( 测量追踪
并预测危险云团的运动的能力是很有价值的，并且利
用这些数据已经建立了为航空业提供全球预警的系统
(Van Gelfen et a1．，2007)。
2．2 模型预测
目前已开发出许多火山灰扩散模型(Ⅵ DM )用
于火山喷发事件中预测灰云的轨迹和采取安全措施。
这些模型的预测非常依赖风场和灰云原始参数的精确
性。在过去的10多年问，许多火山灰云的传播和扩散
模型得到发展，而且VAACs和其他中心也在使用。这
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 ，FAI L3D，
FLEXPART，HYSPLIT，IⅣ【A，MI DP0，M()CAGE，
NAME，PUFF，TEPHRA2和V()I，CAI．PUFF。结合
数值天气预报中心(NWP)的数据，这些模型能够预测
火山灰云在大气中的传播，为当局对灾害回应计划提
供科学的依据。
尽管VATDM 模型是非常有用的，但在广泛的应
用上还存在很多限制。最大的挑战就是预测精度，主
要有2个因素：①VATDM 模型使用拉格朗日粒子轨
迹，这种方法的精度主要依靠NWP数据的质量，尤其
是它的时间和空间分辨率。同参考轨迹相比，在传输
时间上灰云粒子轨迹的平均误差超过36 h的概率能达
到35 (Stunder，1996)。使用更精细网格的NWP数
据能够改善预测精度，但却是极其消耗时间的，时间上
的延迟对于快速精确的预测都是不利的。② 缺乏初始
喷发灰云的精确描述。初始参数对于许多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
及浓度分布等，然而，收集这些数据通常来讲是非常难
的，尤其是在喷发后最初的几个小时内急需一些快速
响应的时候。另外，这些参数值在喷发的过程中也会
不断的改变。
Witham(20O7)在VAACs对各种火山灰扩散模型
做了相互比较，但是一次测试涉及这么多模型的案例
以前从未有过。此外，有相关文献明确了12个VAT
DM 模型的特点、应用范围和输出，以及可用于火山灰
矿物岩石地球化学通报
检测的数据采集技术和工具(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，热成像仪，紫外线照相机，VOLDORAD)。基
准测试中考虑的VATDM 模型已经可以准确地描述火
山灰颗粒传输的一些重要方面(如对流和扩散)。然
而，其他方面如源区的特征、对流传输、或者火山灰在
特定沉积过程中的沉降应该得到更好的表征。源区的
特征在、㈣压模型中的定义为：(1)大规模爆发率
(MER)，(2)喷发柱高度，(3)总的粒度大小分布
(TGSD)和粒子性质(如密度和形状)，(4)爆发的质量
和粒度垂直分布，(5)喷发的发生和结束时间，(6)喷发
位置(即火口位置)。MER质量和粒度的垂直分布很
难实时量化，但是可以在一定程度上通过详细描述喷
发柱的动力学变化刻画其特征。喷发柱高度、TGSD、
颗粒性质、喷发开始和结束时刻、源区位置只能通过观
测和现场数据得到。因此，一个好的关于源区的评估
对于火山灰扩散建模，要求观测的时间序列、快速的数
据采集和数据处理。通过基准检测证明了VATDM 模
型的差异，可能是由于它们使用的物理机制不同，不同
的源区参数或者不同的输入参数的选择。
3 国际上火山灰云对航空安全威胁的应
对措施
1982年印尼加隆贡火山喷发，引起了公众对火山
灰云对航空安全影响的广泛关注。国际民航组织
(ICAO)在1982年成立了一个火山灰预警机构。
过去30年内的火山喷发和飞机遭遇火山灰云事
件促使不同国家和地区之间采取各种措施以减轻火山
对航空安全危害。主要有建立更密切的双边交流的机
构，机构中包括火山学家、气象学家和空中交通管制；
为飞行员提供全球火山喷发活动报告；加强火山灰云
探测传感器的研发；改善各机构之间的通讯交流；成立
专业的火山灰咨询中心。
4 火山灰云研究前景及展望
喷气飞机飞过火山灰云是非常危险的。虽然没有
飞机因为遇到火山灰云而失事的报道，但是在2O世纪
80年代末和90年代初有2次著名的事件，差点导致大
型喷气客机失事。这些事件促使了火山灰咨询中心
( )的产生。由于在地面或飞机上观察到的火山
灰云是有限的，所以，基于卫星和雷达观测的遥感技术
对于 CS和气象观察组织(WMOs)监测火山灰云
危险性是很关键的。
537
利用卫星监测火山灰云的方法虽然拥有其他技术
无法比拟的优点，但是目前存在的卫星监测火山灰云
的方法还存在各种不同的缺陷，而且在鉴别火山灰云
的方法上没有形成标准。因此，如何改进火山灰云鉴
别的方法是未来火山学家需要努力的方向之一，另外，
实现火山灰云的自动化识别是未来火山灰云预警的必
然趋势。
火山灰云扩散模型的精确度对火山灰云预警是十
分关键的，因为火山灰云扩散模型可以预测火山灰云
的发展扩散轨迹和范围。虽然目前存在多种火山灰扩
散模型，并且其预测精度也在不断提高。但是目前影
响模型预测精确度的因素很多，尤其是火山灰云真正
的云顶高度、大气风场矢量。因此，未来提高模型预测
精度一方面需要从改进模型本身的算法，另一方面是
提高火山灰模型参数的测量精度。
火山灰云团的研究涉及许多领域，因此，该领域的
发展离不开各领域学科之间的共同努力与合作，尤其
是火山学家、气象学家、大气扩散模型建模者、空间、航
空和地基测控专家之间的合作，是改善火山灰预测方
法和降低火山灰扩散相关风险的关键。研究机构和业
务机构之间多学科和跨学科的合作，是在全球范围内
可持续发展和持久的解决火山灰监测和预测方案的关
键。事实上，有效的火山灰监测和扩散预测只能通过
学科之间的协作实现，只有在国家和国际层面的业务
机构之问的合作才能达成。
随着当今航空领域的快速发展，把航空安全提到
了前所未有的高度，人们逐渐认识到了火山灰云的危
险性，各种专业的火山研究机构也随之出现，国家间和
国际间的合作不断增多。随着现代通讯技术、卫星遥
感技术
在这种情况下，通信和高效的数据传输成为信息
流和业务程序的关键，它可以为任何的决策过程提供
支持。当科学界面临的自然现象影响到全球和地区的
社会各行各业，这样的工作团队的成立时非常必要的。
由此产生丰富的互动，建设性的讨论和合作提醒我们，
当国际科学界为了一个共同的问题一起工作能取得显
著进步。随着一系列的火山研究合作机构的成立和工
作的展开，相信在火山灰研究领域一定能有一个快速
的发展，并为下一次火山爆发做好充足的准备。
参考文献(References)：
Barton I J，Prata A J，Watterson I G，Young S A．1992．Identification of
the Mount Hudson volcanic cloud over SE AustraliaI-J~．Geophysical
Research Letters，19：1211— 1214．
Bluth G J S，Schnetzler C C，Krueger A J，Waiter L S 1993．The contri—
538 赵谊等／火山灰云在航空安全领域研究进展
bution of explosive volcanism to global atmospheric sulphur dioxide
concentrations[J]．Nature，366：327-329．
Cam S A．Krueger A J。Krotkov N A，Gray M 八2007．Extended obser—
vations of volcanic SOz and sulphate aerosol in the stratosphere[J]．At—
mos Chem Phys Discuss，7：2857- 2871．
Carn S A，Krueger A J，Krotkov N A，Gray M 2004．Fire atIraqi sul—
fur plant emits SOz clouds detected by Earth Probe TOMS[J]．Geo—
physical Research Letters， 31(19)： L19105． doi：10．1029／
2004GL020719．
CasadevalI T J，Delos Reyes P J，Schneider D J．1996．The 1991 Pinatubo
eruptions and their effects on aircraft operations[,A]．Newhall C G，
Punongbayan R S(eds)．Fire and mud：Eruptions and lahars of Mount
Pinatubo，Philippines[c]．Philippines Institute of Volcanology and
Seismology，Quezon City，University of Washington Press，Seattle，
625——636．
Casadevall T J．1994．The 1989／1990 eruption of Redoubt Volcano Alaska：
Impacts on aircraft operations[J]．Journal of Volcanology and Geother—
mal Research，62(30)：301— 316．
Casadevall T J．1994．Volcanic ash and aviation safety．In：Proceedings of
the first international symposium，Seattle，Washington，July 1991，U．
s[J]．Geological Survey Bulletin B，2047：450．
Chahine M T，Pagano T S， Aumann H H． 2006． AIRS： Improving
weather forecasting and providing new data on greenhouse gases[J]．
Bulletin of the American Meteorological Sodety，87：910—926．
Clerbaux C，Hadji-Lazaro J，Turquety S，George M，Coheur P F，Hurt一
1Tlans D，W espes C，Herbin H ，Blumstein D，Tournier B，Phulpin T．
2007．The IASI／MetOp I mission：First observations and highlights of
its potential contribution to GMES[J]．Cospar Information Bulletin：19
— 24．
D’Amours R，Servranckx R，Toviessi J P，Trudel S 1998．The operation—
al use of the Canadian Emergency Response M odel：Data assimilation，
processing，storage，and dissemination[A]．In：OECD Nuclear Energy
Agency (ed．)．Nuclear Emergency Data Management：Proceeding s of
an Intern ationa l W orkshop．Organisation for Economic Cooperation and
Development[C_．Nuclear Energy Agency，215—221．
Draxler R R，Hess G n 1998．An overview of the Hysplit 4 modeling sys—
tem for trajectories，dispersion，and deposition[-J]．Australian Meteor—
ological Ma gazine，47：295- 308．
Eckhardt S，Prata A J，Seibert P，Stebel K，Stohi A．2008．Estimation of
the vertical profile of sulfur dioxide injection into the atmosphere by a
volcanic eruption using satellite column measurements and inverse
transport modeling[-J]．Atmos Chem Phys Discuss，8：3761—3805．
Ellrod G P，Connell B H ，Hillger D W ．2003．Improved detection of air—
borne volcanic ash using multispectral infrared satellite data[J]．Journal
of Geo physical Research，1O8(D12)：4356．
Escap．2005．Review of developments in transport in Asia and the Pacific
[n United Nations Pub1．，No．E 06．II．F．9，ST／ESCAP／2392，
172．
Guffanti M，Casadevall T J，Budding K．2010．Encounters of aircraftwith
volcanic ash clouds~A compilation of known incidents，1953— 2009：
u．S[J_．GeologicalSurveyDataSeries，545，ver．1．0，12p．，plus ap—
pendixes．
Hanstrum B N， W atson A S 1983． A case study of two eruptions of
Mount Galunggung and an investigation of volcanic eruption cloud char—
acteristics using remote sensing techniques[J~．The Australian Meteor—
ological Ma gazine，31：131— 177．
Heiken G ．Casadevall T，NewhaU C 1992．The 1st Interna tional-Sympo—
sium on Volcanic Ash and Aviation Safety[,J]．Bulletin of Volcanology，
54(3)：25O一251．
Hillger D W ．Clark J n 2002．Prindpal component ima ge analysis of MO—
DIS for volcanic ash．Part I：Most important bands an d implications for
future GOES imagers[J]．Journal of Applied Meteorology，41：985
1001．
Hillger D W ，Clark J n 2002．Principal component image analysis of MO—
DIS for volcanic ash．Part II：simulation of current GOES and G0E M
imagers[J]．Journal of Applied Meteorology，41：1OO3一i010．
Holasek R E。Rose W I．1991．Anatomy of 1986 Augustine volcano erup—
tions as recorded by multispectral ima ges processing of digital AVHRR
weather satellite data[J]．Bulletin of Volcanology，53：42—435．
Holasek R E。W oods A W ．Self S Experiments on gas-ash separation
processes in volcanic umbrella clouds[-J]．Journal of Volcanology and
Geothermal Rescareh，70：169—181．
Jones A，Thomson D，Hort M ，Devenish R 2007．The U K．Met office’s
nextgeneration atmospheric dispersion model。NAME III[A]．In：Bor—
rego，C．。Norma n，A L (eds．)．Air Pollution M od eling and Its Ap—
plication XVII[c_．Springer，Berlin：58O一589．
Krotkov N A，Carn S A，Krueger A J，Bhartia P K，Yang K．2006．Band
residual difference algorithm for retrieval of SOd from the Aura Ozone
Monitoring Instrument(OMI)[J]．Transactions on Oeoscience 8L Re—
mote Sensing ，44(5)：1259— 1266．
Krueger A J，Schaefer S J，Krotkov N，Bluth G，Barker S．2000．Ultravi
olet remote sensing of volcanic emissions[A二．In：Mouginis-Ma rks P J，
Crisp J A，Fink J H (eds)．Remote sensing of active volcanism[C]．
Geo phys M onogr Se r，116：2543，AGU ，W ashington，I)C
Krueger A J，Walter L S，Bhartia P K，Schnetzler C C，Krotkov N A，
Sprod I，Bluth G J S 1995．Volcanic sulfur dioxide
the total ozone ma pping spectrometer instruments[J~．Journal of Geo—
physical Research，100(D7)：14O57—14076．
Krueger A J．1983．Sighting of El Chichon sulfur dioxide clouds with the
nimbus 7 total ozone mapping spectrometer[,J]．Science，220：1377—
1379．
Ma lingreau J，Kaswanda P．1986．Monitoring volcanic eruptions in Indone—
sia using weather satellite data：The Colo eruption of July 28，1983[J]．
Journal of Volcanology and Geothermal Research，27(1— 2)：179—
194．
Ma tson M 1984．The 1982 E1 Chichon volcano eruptions-a satellite per—
spective[J]．Journal of Volcanology and Geotherma l Research，23：1—
10．
Mosher F tt 2000．Four channel volcanic ash detection algorithm，Preprint
Voiume[-J]．1Oth Conference on Satellite Meteorology and Oceanogra—
phy，Long Beach，California：457- 460．
()FCM Proceeding s of 2nd international conference on volcanic ash and avi—
ation safety，Alexandria，Virginia(USA)，21— 24 June 2004．U．S
[I]．Department of Commerce／National Oceanic and Atmospheric Ad
nistration．
Pavolonis M J，Feltz W F，Heidinger A K，Gallina G M 2006．A daytime
矿物岩石地球化学通报
complement to the reverseabsorption technique for improved automated
detection of volcanic ash[J]．J Atmos Oceanic Techno1．23：1422～
1444．
Pergola N ，Tramutoli V，Marchese F，Sc affidi I。Lacav 2004．Impro—
ving volcanic ash cloud detection by a robust satellite technique[J]．Re—
mote Sens Environ，90：1— 22．
Piedelievre J P，Musson-Genon L，Bompay F．1990．An Eulerian model of
atmospheric dispersion：first validation on the Chernobyl release[J]．
Journal of Applied Meteorology，29(12)。1205— 1220．
Prata A J，Carn S A，Stohl A，Kerkmann J．2007．Long range transport
and fate of a stratospheric volcanic cloud from Soufriere Hills volcano，
Montserrat[J]．Atmospheric Chemistry and Physics，7：5093—5103．
Prata A J，Grant I 2001．Retrieval of microphysical and morphological
properties of volcanic ash plumes from satellite data：Application to
Mt．Ruapehu，New Zealand[J~．Quarterly Journal of the Royal Mete
orological Society，127(576B)：2153-2179．
Prata A J，Rose W I，Self S，O’Brieni D 2003．Global，long-term sul—
phur dioxide measurements from TOVS data：A new tool for studying
explosive volcanism and climate[J]．Volcanism and the Earth’s Atmos—
phere，Geophysics Monograph，139：75—92．
Prata A J．2009．Satellite detection of hazardous volcanic clouds and the
risk to global air trafic[J]．Natural Hazards，51(2)：3O3—324．
Prata A J．1989．Observations of volcanic ash clouds using AVHRR一2 radi—
ances[J]．International Journal of Remote Sensing，10(4～5)：751—
761．
Prata A J．1989．Radiative transfer calculations for volcanic ash cloMs[J]．
Geophysical Research Letters，16(11)：1293—1296．
Richardson A J．1984．E1 Chichon volcanic ash effects on atmospheric haze
measured by NoAA 7 AVHRR data[J]．Remote Sensing of Environ—
ment，16：157— 164．
RoseW 1，DeleneDJ，SchneiderDJ，BluthG J S。KruegerA J，SF)rodI，
Mckee C，DaviesH L，ErnstG G J．1995．Iceinthe1994Rabau1 e
ruption：Implications for volcanic hazard and atmospheric effects[J]．
Nature，375：477— 479．
Sawada Y|1996．Detection of explosive eruptions and regional tracking of
volcanic ash clouds with geostationary meteorological satellites(GMS)
[A]．In：Scarpa R，Tilling R I(eds)．Monitoring and mitigation of
volcano hazards[c]．Springer-Verlag，Berlin，Heidelberg，299—314．
Sawada 1987．Study on analysis of volcanic eruptions based on eruption
539
cloud image data obtained by the Geostationary Meteorological Satellite
(GMs)[J]．Technical Reports of the Meteorological Research Institu—
te，22：335．
Schneider D J，Rose W I，Kelley L 1995．Tracking of 1992 eruption clouds
from Crater Peak of Mount SF'urr volcano，Alaska，using AVHRR．
u s_J]．Geological Survey，2139：27—36．
Se arcy C，Dean K，String er w ．1998．PUFF：A high-resolution volcanic
ash tracking model[J]．Journal of Volcanology and Geothermal Re—
search，8O：1— 16．
Sigurdsson H ，Houghton B，Rymer H． 1999． Encyclopedia of Volcanoes
r ．Academic Press．
Simpson J J，Huford G，Pieri D，Servranckx R，Berg J S，Bauer C 2002．
The february 2001 eruption of Mount Cleveland，Al aska：Case study of
an aviation hazard~J]．Weather Forecast，17：691-704．
Stunder B J B．1996．An assessment of the quality of forecast trajectories
口]．Journal of Applied Meteorology，35：1319—1331．
Torres O，Bhartia P K，Herman J R，Ahma d Z，GIeason J．1998．Derivation
of aerosol properties from satellite ts of backscattered
ultraviolet radiation：theoretical basis[J]．Journal of Geophysical Re—
search，103(D14)：17099—17110．
VanGefen J，V丑n Rozendael M ，Di Nieolantonio W ，Tampellini L，
Valks P，Erbertseder T ，Van der A R．2006． Monitoring of volcanic
activity from satellite as part of GSE PR0M OTE．Proceeding s of the
first conference on atmospheric science， Frascati，Italy，8— 12 May
ESA publication SP 628．
Watkin S C 2003．The application of AVHRR data for the detection of
volcanic ash in a volcanic ash advisory centre[J]．Meteorological Appli—
cations，10：301— 3l1．
W en S，Rose W I．1994． Retrieval of sizes and total nlasses of particles in
volcanic clouds using AVHRR bands 4 and 5_J]，Journal of Geophysi—
cal Research，99(D3)：5421—5431．
W itham C S，Hort M C，Potts R，Se rvranckx R，Husson P，Bonnardot
2007．Comparison of VAAC atmospheric dispersion models using the 1
November 2004 Grimsvtn eruption[J]．Meteorological Applications，
14：27 38．
Yu T，Rose W I，Prata A J．2002．Atmospheric correction for satellitebased
volcanic ash ma pping and retrievals using split window IR data
from GOES and AVHRR口]．J Geophys Res，107(D16)：4311．doi：
10．1029／2001JDO00706．

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