通过分布在晨昏轨道、上午中段以及下午太阳同步轨道上的风云高光谱红外探测器，对火山释放的二氧化硫进行了监测

《Remote Sensing of Environment》：Volcanic sulfur dioxide monitored from a constellation of FengYun hyperspectral infrared sounders in dawn-dusk, mid-morning, and afternoon sun-synchronous orbits

火山二氧化硫排放监测研究利用中国风云三号气象卫星上三个不同太阳同步轨道的HIJKAS仪器组，首次实现每日六次全球覆盖的高频次观测。通过Ruang火山和Sheveluch火山两次案例的对比分析，验证了该星座在SO?总柱量反演（相关系数>0.95）、层高度估算（误差<15%）及消散时间（9±2.8天）方面的技术优势，特别在晨昏轨道（FY-3E）的观测能力得到充分展示。

　　卫星观测为监测火山二氧化硫（SO?）气团的空间分布、垂直结构和时间变化提供了独特的方式。本研究利用中国风云三号（FY-3）气象卫星上搭载的高光谱红外大气探测器（HIRAS）星座，这些卫星分别运行在晨昏轨道、上午轨道和下午轨道上，从而形成了一个低地球轨道的观测网络。HIRAS星座每天提供六次全球覆盖，间隔大约为4小时，且在赤道上空的过顶时间分别为FY-3E的5:30（上午/下午）、FY-3F的10:00（上午/下午）以及FY-3D的2:00（上午/下午）。尽管目前有多种卫星仪器，如IASI和TROPOMI，它们分别运行在上午和下午轨道，但晨昏轨道的观测优势尚未得到充分研究。本研究首次利用HIRAS星座对火山SO?气团进行监测，展示了其在高时间分辨率下的观测能力。

火山活动释放的二氧化硫对大气化学和气候具有重要影响。据估计，火山排放的二氧化硫占全球二氧化硫排放总量的7.5%至10.5%（Halmer等，2002）。这些气体被注入到对流层高层和平流层低层（UTLS）区域，经过氧化作用生成硫酸盐气溶胶，能够有效反射太阳辐射，从而对地球的能量平衡产生长期影响（Robock，2000）。追踪火山SO?气团不仅有助于研究伴随的火山灰，还能够深入了解火山活动对气候的影响（如Prata和Kerkmann，2007；Sellitto等，2024）。此外，它对于监测火山活动以及减轻与火山硫酸盐云有关的航空危害也具有重要意义（如Pardini等，2019；Prata，2009）。

在卫星观测方面，已有多种仪器被用于监测火山SO?气团。例如，在紫外波段，TOMS、GOME/GOME-2、SCIAMACHY、OMI和TROPOMI等卫星仪器能够有效检测火山SO?的增强信号（如Krueger等，1995；Rix等，2012；Lee等，2008；Carn等，2008；Quei?er等，2019；Theys等，2021）。在红外波段，MODIS、AVHRR、TOVS和ASTER等仪器也参与了这一监测任务（如Watson等，2004；Prata，1989；Prata等，2003；Pugnaghi等，2006）。此外，还有高光谱红外探测器，如AIRS、TES、IASI和CrIS，它们也能够探测火山SO?的信号（如Carn等，2005；Clerbaux等，2008；Clarisse等，2008；Walker等，2011；Carboni等，2012；Hyman和Pavolonis，2020）。还有微波层析仪（如Pumphrey等，2015）和大气化学实验-傅里叶变换光谱仪（如Dodangodage等，2025）等仪器也参与了火山SO?的监测工作。尽管这些仪器在检测火山SO?的增强信号方面表现出高灵敏度，但大多数研究主要集中在单一轨道的观测上，未能充分评估多轨道星座在火山SO?监测中的潜力。

HIRAS仪器是搭载在风云三号气象卫星上的高光谱红外大气探测器，它采用傅里叶变换米歇尔干涉仪，能够收集三种红外波段的上行辐射，即短波、中波和长波波段（图1b）。表I总结了FY-3D、FY-3E和FY-3F上搭载的HIRAS仪器的特性。FY-3D上的第一代HIRAS仪器（以下简称FY-3D/HIRAS）于2017年发射（Wu等，2020）。第二代HIRAS仪器则在后续的风云三号卫星上部署，进一步提升了其观测能力。

本研究旨在利用HIRAS星座对火山SO?气团进行监测，其主要目标是展示中国风云三号卫星上的高光谱红外探测器在高时间分辨率下的观测能力。研究使用了FY-3D、FY-3E和FY-3F上搭载的HIRAS仪器的红外光谱数据（波长范围为1208.75至1400 cm?1），以追踪2024年4月中旬印尼鲁安火山（Ruang volcano，位于2.3°N，125.37°E，海拔725米）的爆发事件。鲁安火山的爆发过程包括4月16日21:45（当地时间）的爆炸活动，火山灰气团升至2公里以上。4月17日01:08，一次爆炸导致火山灰气团升至9.1公里，并向西飘散。到了4月17日03:00，火山灰气团达到12.2公里的高度，并脱离火山口。该火山爆发事件为研究提供了良好的案例，因为它具有显著的SO?排放特征，且其气团能够被多个轨道上的卫星仪器有效捕捉。

为了评估HIRAS星座对火山SO?气团的监测能力，研究团队对SO?总柱和层高进行了定量反演，并与IASI和TROPOMI的观测数据进行了交叉比较。观测数据的时间范围是从2024年4月17日到4月29日，用于估算大气中SO?气团的寿命。结果表明，SO?气团的e-折叠时间约为9.0±2.8天，这代表了其在对流层高层和平流层低层的传输和扩散过程。此外，研究团队还应用了相同的方法对2024年11月俄罗斯舍韦鲁赫火山（Sheveluch volcano）的爆发事件进行了分析，以验证HIRAS仪器在高纬度地区检测SO?信号的有效性和一致性。这一研究不仅展示了HIRAS星座在火山SO?监测中的潜力，还强调了其在高时间分辨率下的观测优势。

在具体方法上，研究团队设计了一套基于红外光谱数据的反演算法，以估算SO?的总柱和层高。该算法的流程如图2所示，包括三个主要步骤：首先，利用辐射传输模型对火山SO?的信号进行检测；其次，估算SO?的层高；最后，计算SO?的总柱。这一方法的实现依赖于对HIRAS仪器的详细理解，以及对红外光谱数据的准确处理。通过比较不同轨道上的卫星仪器的观测结果，研究团队发现HIRAS星座在不同轨道上的观测数据具有高度一致性，表明其在监测火山SO?气团方面具有广泛的适用性。

本研究的结果表明，HIRAS星座能够有效监测火山SO?气团的时空变化。其高时间分辨率的观测能力，使得科学家能够更精确地追踪火山爆发后SO?气团的扩散过程，从而更好地理解其对大气化学和气候的影响。此外，由于HIRAS星座运行在不同的轨道上，其观测角度和时间覆盖范围更广，有助于提高对火山活动的监测能力。特别是在高纬度地区，如俄罗斯舍韦鲁赫火山的爆发事件中，HIRAS星座的观测数据能够提供更全面的信息，从而增强对火山SO?气团的监测效果。

在数据处理方面，研究团队对不同轨道上的HIRAS仪器进行了详细分析，并与IASI和TROPOMI的观测数据进行了交叉验证。结果表明，HIRAS星座的观测数据与IASI和TROPOMI的观测结果具有高度一致性，进一步验证了其在火山SO?监测中的可靠性。这一发现不仅有助于提高火山活动监测的准确性，还为全球火山SO?监测网络的建设提供了新的思路和方法。

在实际应用中，HIRAS星座的观测数据可以为火山活动的实时监测提供重要支持。由于其高时间分辨率和广域覆盖能力，该星座能够捕捉到火山爆发后的SO?气团变化，为火山活动的预警和灾害评估提供数据基础。此外，这些数据还可以用于研究火山活动对大气化学和气候的影响，特别是在全球气候变化的背景下，火山排放的二氧化硫可能对臭氧层和温室气体浓度产生影响。因此，HIRAS星座的观测数据不仅具有科学价值，还具有重要的应用意义。

在技术层面，HIRAS仪器的高光谱分辨率和红外探测能力使其能够区分不同成分的气团，从而提高对SO?的检测精度。同时，由于其运行在不同的轨道上，HIRAS星座能够提供多角度的观测数据，有助于更全面地了解火山SO?气团的分布和变化。这一多轨道观测模式，使得科学家能够在不同时间点和空间位置上对火山活动进行连续监测，从而获得更完整和准确的火山SO?排放信息。

此外，研究团队还对HIRAS星座的观测数据进行了长期分析，以评估其在监测火山SO?气团方面的稳定性和一致性。通过对比不同时间点的观测结果，他们发现HIRAS星座的观测数据在时间上具有良好的连续性，且在不同轨道之间的数据差异较小。这表明，HIRAS星座能够提供可靠的长期观测数据，为火山活动的研究和监测提供支持。

总的来说，本研究展示了HIRAS星座在火山SO?监测中的巨大潜力。其高时间分辨率、广域覆盖和多轨道观测模式，使得科学家能够更全面、更精确地追踪火山爆发后的SO?气团变化。这一研究不仅拓展了现有火山监测手段，还为未来的全球火山活动监测提供了新的技术支持。随着技术的不断进步和卫星观测能力的提升，HIRAS星座有望成为全球火山SO?监测的重要工具，为科学研究和实际应用提供更丰富的数据支持。