聚焦汤加火山喷发 | 胡羽丰，李振洪等：2022年汤加火山喷发的综合遥感快速解译分析 |武汉大学学报·信息科学版

本文改编自学术论文《2022年汤加火山喷发的综合遥感快速解译分析》

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胡羽丰1, 2, 3 李振洪1, 2, 3 王乐1, 2 陈博1, 2 朱武1, 2, 3 张双成1, 2, 3 杜建涛1, 2 张雪松1, 2 杨璟1, 2 周美玲1, 2 刘振江1, 2 王丝丝4 苗晨4 张连翀5  彭建兵1, 3

1长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安，710054

2长安大学地学与卫星大数据研究中心，陕西 西安，710054

3西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西 西安，710054

4科技部国家遥感中心，北京，100036

5中国科学院空天信息创新研究院，北京，100094

胡羽丰

博士，讲师，研究方向为GNSS环境监测。[e-mail]    

李振洪

博士，教授。[e-mail]

摘要 

2022年1月14日―15日南太平洋汤加Hunga Tonga-Hunga Ha'apai (HTHH)海底火山发生剧烈喷发并造成海啸，引起了国际广泛关注。对此次“千年一遇”的汤加HTHH火山喷发事件进行应急响应，首先综合利用国内外多时相卫星光学影像、雷达影像、GNSS（global navigation satellite system）监测站等数据进行快速解译分析此次火山喷发过程及影响，评估了此次汤加部分地区的受灾情况；然后提出多源数据获取-地貌演化监测-地表形变监测-环境响应探测-灾害损毁评估-灾后恢复决策一整套综合遥感技术框架。

结果显示，汤加HTHH海底火山自2020-06以来在卫星视线方向出现明显的地表形变，累积最大下沉达到6.0 cm，并且该火山在2021-12-22左右已出现喷发迹象；火山喷发过程中当地磁场和电离层出现明显异常变化，汤加地表GNSS监测站发生显著位移，其中地表抬升量达50.2 cm；火山喷发的火山灰覆盖了大部分汤加地区，但汤加首都北部沿海区域无明显海岸线冲断迹象，主要建筑和道路保持完整。

本研究展示了如何利用综合遥感技术对海底火山喷发进行快速解译分析，实现HTHH火山地形变化跟踪和灾害评估。该综合遥感技术框架将有助于灾后快速恢复和重建，也为后续灾害的防治提供支撑。

引用 

胡羽丰, 李振洪, 王乐, 陈博, 朱武, 张双成等. 2022年汤加火山喷发的综合遥感快速解译分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版，doi:10.13203/j.whugis20220050）

火山喷发是地壳运动的一种表现形式，也是地球内部能量在地表释放的体现，而地球全部火山活动的70%以上发生在海底。监测海底火山活动不仅有利于理解地壳运动和圈层相互影响机制，同时对火山灾害风险的防控具有重要意义。

2022年1月14日、15日南太平洋岛国汤加首都努库阿洛法以北约65 km的Hunga Tonga-Hunga Ha'apai (HTHH)海底火山（175°23′58.54″W， 20°30′57.78″S）连续两天发生剧烈火山喷发并引发海啸，太平洋沿岸澳大利亚、日本、美国、智利等国家纷纷发布了海啸预警。火山喷发产生的“燃料-冷却剂相互作用”致使大量火山灰、气体与水蒸气进入高空形成巨大云团，喷发至高空20 km处。这是HTHH火山自公元1100年以来最猛烈的一次喷发，引发了全世界广泛关注。HTHH火山处于西南太平洋板块和澳大利亚板块之间的聚敛边界，而西南太平洋板块是全球移动最快的板块之一，其向澳大利亚板块的汇聚俯冲形成了区域内世界第二深的汤加-克马德克海沟。海沟的两侧分布有多个海脊、海槽以及岛弧等高压低温变质带，伴随海沟而生的汤加-克马德克群岛火山弧，从新西兰东北向北一直延伸到斐济的俯冲带上 。

HTHH火山位于地球上火山、地震最活跃的环太平洋火山带的西侧，属于汤加-克马德克群岛火山弧的一部分，地质活动十分活跃。20世纪以来，该火山共发生了5次有历史记录的喷发事件，分别发生在1912年、1937年、1988年、2009年和2014―2015年。2009年和2014―2015年的两次喷发均形成了火山锥，其中2014―2015年的喷发形成了一个高约 120 m、宽 2 km的近圆形火山锥，将Hunga-Tonga和Hunga-Ha'apai岛连接了起来，形成了常态陆地区域(见图1)。

目前，HTHH火山的研究主要集中于2009年和2014―2015年的两次喷发。Vaughan和Webley利用高空间分辨率的ASTER (advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer)和高时间分辨率的MODIS (moderate resolution imaging spectroradiometer)研究了HTHH火山2009年喷发的位置、持续时间和演化过程，并估计此次火山爆发指数VEI (volcanic explosivity index)为2。Bohnenstiehl等利用水听器阵列跟踪了HTHH火山2009年喷发活动，划分了火山喷发的过程阶段。Garvin等采用RADARSAT-2 SAR（synthetic aperture radar)和WorldView影像研究了HTHH火山2014―2015年火山喷发形成的火山锥，发现该火山锥经历着速率约0.002 56 km3/a的侵蚀。

图1 汤加HTHH海底火山（子图展示了汤加地区的地形分布，图中HTHH火山、汤加首都努库阿洛法(Nuku'alofa)、汤加GNSS测站TONG分别用红圈、红色五角星和黄色圆圈表示，同时世界地图显示了全球火山(红色三角)和板块分布情况以及汤加所在位置）

针对汤加HTHH火山此次剧烈喷发，本文综合利用多源遥感数据(见表1)进行了快速分析，首先结合卫星光学影像和SAR影像追踪刻画此次喷发的发展过程，在此基础上利用InSAR（interferometric synthetic aperture radar）技术获取了HTHH火山的长时间形变序列；进而基于地磁和电离层数据、GNSS（global navigation satellite system）观测数据研究火山喷发过程中的环境响应；然后分析了汤加在火山喷发和海啸下的受灾情况；最后讨论梳理了本次火山喷发遥感响应的流程框架，总结了主要结果，并对下一步研究进行了展望。

表1 本文所使用的数据集

1  HTHH火山喷发发展过程

HTHH火山的剧烈喷发发生于2022年1月14日-15日，本文利用多时相卫星光学影像和SAR影像分析HTHH火山的喷发过程。通过对比2021-08-05―2022-01-17期间采集的11景哨兵二号(Sentinel-2)光学卫星影像和1景高分一号(GF-1)光学影像(2022-01-16)共12景影像(见图2)发现，2021-08-05―2021-12-18 HTHH火山处于稳定状态，2021-12-23火山南部发生明显变形且上空出现大量浓烟(图2（h）)，据此推断HTHH火山于2021-12-23之前已在喷发，且一直持续至12-28，从图2（j）可以看出，在2022-01-02岛屿东南部已经明显扩大；01-02之后光学卫星影像云层覆盖率达100%，直到01-16，云层消失，但HTHH火山已仅剩东西两侧海拔较高的山脊处于海面之上，其他区域均已沉入海中。

部分光学影像受到云层干扰无法解译，作为其补充，利用哨兵一号(Sentinel-1) 2021-08-01―2022-01-15的12景SAR影像研究HTHH火山后向散射强度时间序列变化(见图3)，图3中亮斑表示该处地物具有较高的后向散射强度，通常是裸露的岩石、建筑物等稳定的地物。从图3可以看出，在 2021-12-10之前，岛屿轮廓清晰，火山无明显变化，火山口和两侧山脊的后向散射强度较高。但在2021-12-22(图3（j）)和2022-01-03(图3（k）)，岛屿面积有明显的扩大，推测可能是火山喷发前地下岩浆囊的膨胀导致地表隆升。在2022-01-15，火山喷发之后的影像中（图3（l）），原本明显的火山口已被海水淹没，只剩两侧海拔较高的山脊处在海面之上。

图2 汤加HTHH火山2021-08―2022-01的光学影像变化（红色虚线表示汤加火山2021-08-05未喷发前的轮廓）

图3 汤加HTHH火山哨兵一号SAR后向散射强度时空序列图（红色虚线表示汤加火山2021-08-05未喷发前的轮廓）

2  HTHH火山长时序形变监测

对HTHH火山喷发前的55景降轨Sentinel-1 IW（interferometric wide swath）模式数据采用短基线干涉测量(small baseline subset InSAR，SBAS InSAR)技术进行了时序处理，得到了2019-07-06―2021-12-10期间的卫星雷达视线向(line of sight，LOS)平均形变速率和形变时间序列。

图4为HTHH火山LOS向平均形变速率图，图中红色代表沿LOS向远离卫星，蓝色代表沿LOS向靠近卫星，黑色五角星为形变参考点。从图4中可以看出，火山有明显的下沉位移，且形变场呈半圆环形状，与火山地表十分吻合。另外，位移速率从火山口向山底逐渐减小。

图5显示了HTHH火山2019-07-06―2021-12-10的LOS向累积形变时间序列（图5（a）―5(h))。在火山口形变区提取特征点P1和P2，绘制了两点的形变时间序列(图5（i）和5（j))，可以看出，到2021-12-10，P1点的累积位移超过-6 cm，P2点的累积位移约-5 cm；从形变时空演化来看，特征点的形变时序主要分为稳定期和下沉期两个阶段，P1点和P2点分别在2020年6月和8月之后呈现明显的线性LOS向地表形变，线性拟合结果显示，P1点的下沉速率达到3.1 cm/a，P2点的下沉速率达到2.2 cm/a。

图4 汤加HTHH火山InSAR卫星视线方向年平均地表形变速率图

图5 汤加HTHH火山InSAR卫星视线方向地表形变时间序列((a)-(h))以及P1点(i)和P2点(j)的卫星视线方向地表形变时间序列

3  汤加HTHH火山喷发的物理环境变化响应

此次汤加HTHH火山的剧烈喷发对周边物理环境造成了极大影响，本文利用电离层数据和GNSS数据分析此次火山喷发期间的电离层和地表变化响应。为了摸清汤加火山喷发期间地磁场和电离层的变化，获取了世界地磁数据中心发布的磁场数据和美国喷气推进实验室 （Jet Propulsion Laboratory，JPL）发布的全球电离层模型(global ionospheric map,GIM)进行分析。地磁场变化方面，汤加火山1月14和15日喷发时，行星际磁场Bz分量、地磁指数Kp和Dst都有显著的变化(见图6)。行星际磁场Bz分量为存在于太阳系行星际空间的磁场在垂直于黄道方向上的分量，Kp指数和Dst指数均描述的是地磁活动水平，其中Kp指数描述全球地磁活动的总体水平，而不考虑磁扰的具体类型，Dst指数是使用中低纬度测站测量的地磁水平分量的强度变化。地磁指数Dst在1月14日12-23时急剧下降94 nT，之后波动上升，1月16日13时后逐渐恢复正常。地磁指数Kp值则在1月14日0-23时开始急剧上升，之后逐渐下降，至1月15日12时达到最低值。行星际磁场Bz分量与Dst指数具有相似的变化趋势，1月14日23时下降至-20 nT。太阳风速在此期间变化相对平稳。由此可以得出，汤加火山1月14和15日喷发时，地磁场发生了明显的变化。电离层变化方面，图7显示了GIM绘制的2022-01-15 6时和10时的垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC)变化。可以看出，在火山爆发期间，火山上空电离层VTEC有着明显的减少，在去除背景电离层后，6时的 VTEC最大增加13 TECU，这也表明火山爆发对电离层有着剧烈影响。

图6 2022年1月1日―16日期间太阳风速、行星际磁场Bz分量、地磁指数Kp和Dst的变化

图7 2022-01-156时和10时VTEC变化

为了探测2022-01-15汤加火山喷发引发海啸对附近区域的地表影响，收集了距离火山南边约70 km的全球连续运行GNSS跟踪站点TONG (图1)高频观测数据，时间采样间隔为1 s。受火山喷发和当地通讯影响，目前仅能获取到该站在火山喷发后短时间的数据。采用精密单点定位技术获取了该站1月15日的地表三维形变时间序列(见图8)。由精密定位结果可知，该站点在火山喷发后开始发生显著变化，南北方向最大变化为17.8 cm，东西方向变化最大为-19.5 cm，高程方向最大值达 50.2 cm。时间序列说明该站在火山喷发后发生了较大的地表位移，且高程方向抬升明显。

图8 汤加GNSS 站TONG 三维形变量时间序列

4  汤加地区受灾监测

此次火山喷发释放出大量火山灰并引发了海啸，综合利用光学影像和国产SAR影像分析此次汤加受灾情况。首先，对比灾前(2021-12-31和2022-01-14 Sentinel-2)和灾后（2022-01-17 Sentinel-2）的卫星影像发现，汤加主要岛屿地表均被火山灰覆盖，影像颜色明显黯淡(见图9)。然后，利用海丝一号C波段SAR卫星影像分析评估了火山爆发对汤加首都努库阿洛法城市的影响。图10（a）中通过叠加OSM（OpenStreetMap）公开的建筑物轮廓信息可以看出，没有出现大范围的房屋倒塌的现象；仅凭单时相SAR影像的后向散射信息，无法具体判断房屋受损情况。对汤加首都努库阿洛法城市北部海岸线进行识别与提取，显示海岸线清晰可见(图10（b）)，与2021年11月获取的Google Earth影像(图10（c）)中的海岸线形态相似，火山爆发前后海岸线并无明显变化，表明汤加首都努库阿洛法城市北部海岸线没有明显的海啸冲断迹象。

图9 汤加主要居住区火山喷发前后光学影像对比

图10 汤加部分地区海丝一号SAR影像(2022-01-16)与OSM建筑物矢量叠加图(a)以及汤加北部海岸线SAR影像(b)和光学影像(c)提取结果

5  讨论和结论

汤加HTHH海底火山喷发因其破坏性、危险性难以采用常规方法近距离观测，卫星遥感技术成为重要的火山喷发观测手段。不同遥感技术的观测方式、时空分辨率和获取的数据类型存在差异性，因此要对火山喷发进行全面刻画和分析，需要合理组合遥感观测技术和制定观测方案，实现不同遥感手段的优势互补以获取关键灾害数据，为火山喷发灾害评估和灾后恢复提供辅助决策信息。本文综合利用光学影像、雷达影像、GNSS等数据，充分发挥了国产影像数据的作用，对汤加HTHH火山喷发进行了快速响应。梳理本文的研究思路，提出构建多源数据获取-地貌演化监测-地表形变监测-环境响应探测-灾害损毁评估-灾后恢复决策一整套火山爆发遥感响应技术框架，具体见图11。

图11 汤加HTHH海底火山喷发综合遥感快速响应技术框架

遵循上述技术框架，本文采用多源多时相遥感数据，综合利用多种遥感处理手段，研究了2022年1月14日―15日汤加HTHH火山喷发的发展过程和影响。结果表明，汤加HTHH海底火山自2020-06以来在卫星视线方向出现明显的地表形变，累计下沉可达6.0 cm，2021-12-22左右呈现喷发迹象；火山喷发过程中当地磁场和电离层出现明显异常变化，火山喷发造成汤加地表GNSS监测站抬升量达50.2 cm；汤加大部分地区火山灰覆盖情况严重，但汤加首都北部沿海区域受海啸影响较小，无明显海岸线冲断情况。

本文的研究显示了遥感技术在海底火山喷发快速响应方面的独特优势，通过构建合理的遥感手段组合和方案框架（图11），可以实现对火山喷发过程和受灾情况的快速的定性以及定量分析，为探究海底火山喷发物理构造运动和灾害评估以及灾后恢复提供关键数据信息。对于HTHH火山喷发的后续研究，有以下两个方面值得关注：（1）汤加HTHH火山爆发引发了大范围的海啸，研究其诱发机制和海啸强度以及影响范围需要更多的海底和海面观测数据。汤加HTHH火山仍处于喷发活跃期，其喷发运动导致的火山结构崩塌或引发进一步的海啸，仍需要持续地进行监测。（2）作为近30年来最强的火山爆发事件之一，汤加HTHH火山喷发产生了大量的火山灰和二氧化硫(见图12)，其是否会影响全球气候需要进一步的评估。

图12 汤加及周边地区2022年1月10日―19日二氧化硫垂直柱浓度变化图

致谢：感谢欧空局提供的Sentinel系列雷达数据和光学数据，世界地磁数据中心提供的磁场数据和JRL实验室提供的全球电离层模型，以及IGS提供的GNSS观测数据；感谢国家综合地球观测数据共享平台提供的数据支持。

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