隐藏在大气中的神秘信息！用气象卫星监测火山爆发引起的气象波动和环境污染

作者/邱(国立中央大学大气物理研究所博士生)、刘(中央研究院环境变化研究中心副研究员)嘿！地球另一边的火山爆发和我们有什么关系？

距离台湾省8000多公里的汤加王国发生了史无前例的火山爆发。当太平洋周边国家开始担心海底火山喷发引发海啸的时候，更多不为人知的事情正在悄然发生。到底火山喷发除了海啸还有什么影响？让我们一起学习吧！

00-1010大气重力波现象并不少见。通常垂直方向的空气块受到扰动，在浮力(作为回复力)和重力的双重影响下，在水平面上形成振荡波。

常见的气流流经山峰，在背风面产生盘状云系(豆荚状积云)，晴朗稳定天气的波状积云是大自然画布下大气重力波的最佳画面。火山爆发也有机会引起大气重力波。

2022年1月15日，台湾省时间下午12点20分左右(当地时间下午5点20分)，位于西南太平洋岛国3354汤加王国首都努库阿洛法以北65公里的海底火山Honggatonga-Honggatha 'apai大规模爆发，伴随地震和海啸。

这可能是21世纪以来最大规模的火山喷发。后续的一系列影响不仅被地震仪和海象仪记录下来，当天晚上8点左右，台湾省的气象台也观测到了海底火山喷发引起的气压变化。根据观测数据，台湾省这次海底火山喷发造成的气压变化约为1至2百帕(hPa)，约为每日标准大气压的千分之一至千分之二(图1)。

【图1】中央气象局222个自动气象站气压扰动动画。图/中央气象局第二组；资料来源：如果中央气象局把地面气压数据的分辨率提高到每分钟，从东南到西北排列中央气象局109个地方站，画出台湾省高密度站气压扰动的二维时间序列图(图2)，火山爆发是由东南向西北传输的能量作用在大气中的蓝雨站测得的，这在台湾省东南部是第一个，最晚观测到的与马祖站时差约25分钟。其次，火山爆发引起的大气波动，除了气压变化最剧烈的主波外，还有前导波和若干后波。

【图2】中央气象局109个地方站的气压扰动二维时间序列图。图/黄屯溪博士；来源：中央气象局

看不见也摸不着的气象波动——大气重力波

从上图我们可以看到，这些波动的周期大概是10到15分钟，从10分钟的观测数据中并不容易发现。目前，在西太平洋和东太平洋地区监测的地球同步卫星向日葵8号(Himawari-8)和GOES-17可分别提供2.5分钟和1分钟的高分辨率卫星观测，对高频大气波动的分析能力将比过去更好。

不仅是地面气象台，位于地球上空3.6万公里的地球同步卫星也捕捉到了火山爆发的证据。日本气象卫星Shimawari-8观测到火山喷发后的波纹(图3)，以火山喷发口为中心的波纹是大气重力波。

【图3】火山喷发引起云顶高度变化的重力波振荡。图/邱艺豪；来源：Himawari-8汤加王国所在的区域不仅位于向日葵-8的观测网内，还被美国地球同步卫星GOES-17的监测所覆盖。下图(图4)是GOES-17气象卫星红外水气通道每10分钟的亮温差。从对流层中部水气通道的云图可以清楚地看到，火山喷发产生的内部重力波是从火山口向外部传播的。

【图4】火山喷发引起的重力波振荡。图//CIMSS/UW-麦迪森；来源：GOES-17火山喷发造成的快速上升的气流，火山灰造成的重力波现象，理论上是可行的，但观测上很少。尤其是海底火山通过海洋向大气中快速释放大量火山灰和气体并引起如此壮观的大气波动，并不容易。

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这场大气波动产生的云系高度深，範围广，观测到的云顶红外线亮度温度达 -105.18ºC 可能打破了自 20 世纪末有云顶温度的监测以降，最低温的纪录（图五）。

除了上述的两颗地球同步卫星，搭载于美国国家航空暨太空总署（NASA）之 Aqua 卫星上的大气红外探空仪（Atmospheric Infrared Sounder，AIRS）也同时发现了此一现象（图六）。德国尤利希超级运算中心的大气科学家——霍夫曼博士（Dr. Lars Hoffmann）说：「AIRS 自 2002 年 5 月开始观测以来，从未在过往的火山喷发个案中发现过类似的情况」，这也意味着这次的海底火山喷发事件是前所未有的剧烈。

英国牛津大学物理系大气、海洋与行星物理组的气候科学家 Scott Osprey 博士也表示：「这次喷发可能会干扰热带地区风向週期性的逆转，长远看来或许会造成欧洲地区天气型态的改变，必须非常小心地关注它造成的变化」，可见整个地球系统都可能因为这次的火山爆发造成巨大的影响。

云图之外——卫星于汙染物探勘之应用

卫星不仅仅能够监测云层的移动与大气中的水气分布，近年来较为广泛的应用是使用卫星针对大气中的汙染因子做大範围的遥测。举凡工业污染排放之气溶胶、交通源排放之二氧化氮，以及生质燃烧产生之烟尘与黑碳微粒，均可藉由卫星的观测进而推估汙染程度，并搭配气象模式的模拟进行短期的预警。

下图（图七）为 NASA 的 Suomi-NPP 卫星观测到的气胶垂直剖面分布与云顶高度，可以清楚看到伴随火山喷发的气胶粒子冲破对流层进入平流层，高度可达 30 公里。这些气胶粒子在平流层中不易沉降至地表，长期下来可能会对气候造成重大影响。举例而言，气胶依照光学特性的不同可粗略分为散射能力较强与吸收能力较强的两大群体，散射能力较强的气胶进到平流层中将造成更多的太阳短波辐射被反射回外太空，进而降低地球平均温度（气胶直接效应）；反之吸收能力好的气胶则是会让地球温度上升。

而对流层中的气胶对气候的影响更为複杂，会进一步改变云的微物理状态，在特定条件下吸湿性高的气胶容易成为云的凝结核，若大气中的水气含量不变，这些新形成的云凝结核有可能与大气中既有的云滴竞争原先的水气，进而致使云滴数目增加且云滴平均的粒径降低，进而散射截面积增加，反射更多太阳光而达到降温的效果。但也因为云滴粒径变小后，变得不利于云滴粒子间的碰撞合併过程而形成为雨滴，使得地表降水减少与云的生命週期增加，此谓气胶间接效应。

不管是气胶的直接效应或是间接效应都非常複杂，会受到气胶种类、气胶数量、气胶粒径分布、大气条件等影响，也正因为充满了各种不确定性，气胶的气候效应预测非常困难，目前还需要更多的观测，特别是用大範围的卫星观测加以验证与评估。

火山喷发除了气胶粒子的污染以外，对环境造成的另一个冲击是大量的气体被释放到大气中。常见的火山气体有：水气（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）、硫化氢（H₂S）与氮氧化物（NO_x）等。

以二氧化硫为例，评估大气中微量气体多寡的单位为杜布森（Dubson， DU），指的是一大气压的空气柱中，该气体分子累积起来的厚度（垂直积分）多寡。若将气柱中的二氧化硫全部累积在一起相当于 10 微米厚，称为 1 DU 的二氧化硫。SO₂ 气候平均值约略低为 0.5 DU，欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT）的 MetOP-B 与 MetOP-C 观测到的峰值高达 50 DU 以上，高于气候平均值 100 倍。（图八）

气象与环境卫星遥测之展望

近年随着科技的发展与遥测技术的精进，气象卫星能提供的不仅仅是精美的天气云图，还有许多从云图看不出来的科学议题可加以探讨。这些科学议题不单只存在于象牙塔内，更多且更重要的是生活上的应用。社会大众关心的是：下午的聚会会不会下雨？明天空气汙染有多糟？或是下礼拜一晚上会多冷？

卫星掩星观测技术的发展（如：福卫三号、福卫七号、Sentinel-6 等）补足了广大洋面探空资料的缺失以及人力施放的不足，蒐集偏折角资讯与折射率变化推估出的大气垂直温溼度剖面，藉由数值预报模式的资料同化系统改善天气预报的误差。

汙染物浓度的监测也可以藉由卫星的观测进行评估，不论是民众在乎的近地表悬浮微粒浓度抑或是工业燃烧造成的空气汙染，皆可藉由卫星的探测第一手掌握（如文章提到的 MetOP-B、MetOP-C 以及 Sentinel-5P）。

降雨来自天空中的云，若能对雨的前驱物—云有更深的了解，降雨的推估也能做得更準确。以我们所处的东亚地区而言，像是以 Himawari-8 观测而开发的云微物理科学资料，或是国际上整合多重卫星观测的日本 GSMaP 、美国 NASA IMERG 等卫星推估的地面降水资料就是很好的例子。

当然，科学的发展并不是单纯为民生服务，但在发展科学的同时能兼顾民众的福祉相信也是社会大众所乐见的。

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