利用星载主被动遥感观测资料联合反演和预测火山灰云参数的研究

Quantitatively monitoring of volcanic ash cloud features such as ash height and mass loading is very important for predicting the evolution of volcanic ash and evaluating the impact to aviation. Meteorological satellites provide an effective way of monitoring and quantitatively retrieval of volcanic ash cloud parameters. Although progress has been made on volcanic ash height and mass loading retrieval, due to the intrinsic properties of passive meteorological satellite, challenge remains on volcanic ash parameters determination on very complicated meteorological background, such as there are multi-cloud layers in vertical scale. This is a main source of error in the final retrieval. This study proposes to synergistically use measurements from both passive and active satellites observations to collocate volcanic ash cloud vertical information and parameters from infrared transfer model. Based on the collocated dataset, volcanic ash parameters will be retrieved using two combined non-linear retrieval methods. Satellite retrieved volcanic ash parameters served as main input after certain process to volcanic ash transfer model to finally realize global volcanic ash monitoring and prediction. It is expected that a prototype system will be developed. Supported by national satellite meteorological center of China Meteorological Center, the final prototype system will be used in daily operational work for global volcanic ash monitoring and prediction.

定量监测火山灰云的宏观和微观特性对预报火山灰云的扩散路径、评估火山灰云扩散过程给航线带来的危害具有重要意义。气象卫星提供了一个大范围监测火山灰云物理特性的有效手段。虽然目前已开展了大量基于气象卫星的火山灰云高度和质量浓度反演研究，但由于气象卫星水平观测的本质，在垂直结构多层云条件下，气象云和火山灰云互相层叠干扰，使得气象卫星的反演结果不确定性越来越大。本研究拟联合星载主被动遥感观测资料，研究火山灰云垂直结构信息与热红外辐射传输模式中云参数的匹配方法。基于匹配的样本库，通过融合多种非线性反演方法，提高火山灰云顶高度和质量浓度的反演精度。在此基础上，结合卫星资料反演、火山灰云扩散模式模拟，开展火山灰云扩散预测方法研究，最终构建基于多源气象卫星数据的火山灰云监测与预报原型系统，并依托国家卫星气象中心，实现全球火山灰云的动态监测与短临预报的业务服务。

定量监测火山灰云的宏观和微观特性对预报火山灰云的扩散路径、评估火山灰云扩散过程给航线带来的危害具有重要意义。气象卫星提供了一个大范围监测火山灰云物理特性的有效手段。虽然目前已开展了大量基于气象卫星的火山灰云高度和质量浓度反演研究，但由于气象卫星水平观测的本质，在垂直结构多层云条件下，气象云和火山灰云互相层叠干扰，使得气象卫星的反演结果不确定性越来越大。经过项目组四年的研发，在风云卫星火山灰云热点监测、云底高度和云顶高度反演及遥感和火山灰云扩散模型融合方法等方面取得了原创性进展。项目组构建了基于主被动多源数据的火山灰云训练数据集，有效支撑了火山灰云光谱样本库的建立和定量算法研究。提出了利用主被动卫星观测数据和多种非线性反演方法嵌套联合反演火山爆发参数的方法（火山热点、火山灰云等），改进和完善基于线性假设的火山灰云高度反演算法，提高使算法更好地刻画卫星观测与云参数之间非线性本质，并能更好地适应不同背景气象条件，提高反演的精度和稳定性。改进了传统的点源或面源驱动的扩散模拟方式，通过融合遥感数据时空信息，开发了遥感数据和大气扩散模型（Hysplit）相结合的火山灰云预测方法。构建基于多源卫星数据的火山灰云监测与预报原型系统，并依托国家卫星气象中心，实现全球火山灰云的动态监测与预报的业务服务。基于以上研究工作成果，项目组后续开展了基于多源卫星数据的火山爆发监测应用。截止到2023年2月，项目组累计发布监测报告、决策服务材料十余份，多次为我国民用和军用航空、海军近海及远洋护航提供监测分析材料，同时也持续为国家减灾中心、国际观测组织、国际减灾宪章机制提供数据产品及分析资料。项目组提供的火山监测材料多次被新华社、中央电视台新闻频道、东方时空、中国国际电视台、新华网、光明网、澎湃网、中国气象局公众号等多家主流媒体报道和转载，产生了良好的社会经济效益。