《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Satellite data synergy for volcano monitoring: The 2022 Mauna Loa eruption
编辑推荐：
2022年毛纳罗亚火山喷发通过多源卫星数据融合，揭示了热异常提前迹象、熔岩流动动力学及冷却过程，验证了商业与政府卫星数据协同监测的效能。
作者：Ian T.W. Flynn、Shashank Bhushan、Scott Henderson、Claudia Corradino、Michael S. Ramsey、Evan R. Collins
美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学地质与环境科学系，O'Hara街4107号，邮编15260
摘要
2022年莫纳罗亚火山的喷发始于11月27日，结束于12月10日，持续了13天。此次喷发被多家商业公司和政府机构运营的卫星仪器所监测。本文利用这些数据对整个喷发过程进行了多学科的回顾性分析，包括使用高分辨率卫星可见光图像监测熔岩流的覆盖范围，利用机载激光雷达和轨道立体可见光图像生成熔岩流厚度图，以及利用热红外数据进行分析。结合这些不同的数据集，可以全面了解喷发的情况。在喷发开始前约一个月（2022年10月22日），检测到了可测量的温度升高现象。这一温度升高区域位于火山口的西北侧，与该地区过去的喷气孔活动一致，并且在喷发前温度有所上升。喷发发生后，整个熔岩流覆盖了35.7平方公里的面积，体积约为0.13立方公里。最大规模的熔岩流平均每日覆盖面积为0.27平方公里，其中约80%的熔岩在喷发源口活跃后的48小时内形成。熔岩流最厚的部分（超过20米）完全冷却至背景温度大约需要21个月的时间。我们的分析展示了卫星数据在监测火山喷发前、喷发中和喷发后变化方面的协同作用。
引言
过去几十年中，利用卫星仪器数据监测和应对火山喷发已成为标准做法（Coppola等人，2020年；Francis和Rothery，2000年；A. Harris，2013年；Ramsey和Flynn，2020年；Ramsey和Harris，2013年）。Terra、Aqua、Landsat和Sentinel系列卫星以及先进陆地观测卫星（ALOS）平台上的高分辨率仪器常用于研究火山活动。这些仪器由美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）或日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）等政府机构运营。然而，商业公司（如Airbus、ICEYE、Maxar/Vantor和Planet）提供的仪器增加了高空间和时间分辨率的可见光近红外（VNIR）及雷达数据，以及由此衍生的数据产品（如地形数据）的可用性。通过NASA的商业小型卫星数据获取（CSDA）计划（Maskey等人，2021年）等合作机制，研究人员能够更方便地获取这些数据并将其纳入研究。这些数据为火山学研究提供了新的工具，例如从高空间分辨率数据中获取的详细地形信息（Dai等人，2024年；Galetto等人，2025a年），或从高时间分辨率数据中获取的更密集的VNIR时间序列数据。这类研究已在埃特纳火山（Dozzo等人，2024年）、福戈火山（Bagnardi等人，2016年）、富埃戈火山（Aldeghi等人，2019年）、新岛福富滕诺巴火山（Simurda等人，2022年）、皮顿德拉富尔奈斯火山（Chevrel等人，2023年）和托尔巴奇克火山（Dai和Howat，2017年）等地进行。此外，将机器学习（ML）等新分析工具应用于现有档案数据，可以用于评估新的火山活动及其作为喷发前兆的可能性（Corradino等人，2023年；Ramsey等人，2023年）。然而，对任何火山的分析都受到观测仪器能力、观测频率以及数据对科学家的可获取性的限制。没有单一的卫星数据集能够覆盖全部波长范围或全部空间/时间分辨率，这限制了其应用范围。因此，结合多个卫星数据集可以提供更全面和准确的火山喷发解释。商业和公共部门提供的卫星数据集的增加和可用性，为火山科学和观测站带来了新的监测和灾害响应能力。本文展示了这些卫星数据在2022年夏威夷莫纳罗亚火山喷发前、喷发期间和喷发后的协同应用。
从2022年9月开始，莫纳罗亚火山的地震活动增强，特别是在火山口和西南裂谷带（SWRZ）下方（Maher等人，2023年）。11月27日，山顶火山口出现裂缝，标志着这次喷发的开始（Lynn等人，2025年）。熔岩流最初出现在山顶火山口并向西南裂谷带方向流动（图1）。然而，11月28日上午，活动转移到了东北裂谷带（NERZ），多处裂缝打开并产生了喷火现象。11月29日至12月9日期间，喷发主要通过裂缝3进行，形成了一个喷口和一条长约18公里的熔岩流（图1）。裂缝3的持续喷发成为主要危险源，因为较长的熔岩流可能导致连接岛屿东西两侧的主要交通路线——丹尼尔·K·井上高速公路（Saddle Road）被覆盖和阻断。幸运的是，当2022年12月10日所有喷发活动停止时，裂缝3的熔岩流距离Saddle Road约3公里处停止了。我们的研究重点是对2020年至喷发结束期间的热时间序列进行分析，包括来自裂缝3的熔岩流覆盖范围、喷发后的地形、面积和体积。我们还研究了喷发前后的热演变过程及其产物。
热分析
热趋势分析采用了基于机器学习的模型（Corradino等人，2023年），该模型使用自动时空热异常检测（ASTAD）算法（Ramsey等人，2023年）的数据进行训练。该模型是一种具有UNET架构的卷积神经网络（CNN），应用于Terra卫星上的先进星载热辐射和反射辐射计（ASTER）仪器提供的90米/像素的热红外（TIR）数据（Kahle等人，1991年）。分析了四年的数据
喷发热趋势
ASTER TIR传感器已采集数据超过25年，每天夜间都会对夏威夷的火山进行成像，平均每周提供一张图像。ASTAD-ML分析结果识别出了整个观测期间与莫纳罗亚火山基线热活动相对应的异常热特征（图2）。在ASTER图像中，之前已经注意到多种从背景温度趋势中突出的热特征
讨论
我们证明了结合多个卫星数据集可以更好地监测熔岩流的前进情况、计算体积变化，并将热趋势与物理火山学特征相关联。这项分析是回顾性的；然而，Planet和Maxar/Vantor提供的数据可在获取后24小时内迅速供用户使用，以便纳入近乎实时的灾害响应。在未来的喷发中，这里介绍的工作流程可以用于监测
结论
我们展示了卫星数据在回顾性监测持续喷发过程中的有效性。利用现有的商业和公开获取的轨道数据，我们识别出了喷发前的温度升高现象，生成了熔岩流厚度图，测量了裂缝3熔岩流的覆盖范围，并研究了2022年莫纳罗亚火山喷发后这些熔岩流的热趋势
Ian T.W. Flynn：验证、写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。Shashank Bhushan：软件、可视化、写作——审阅与编辑、写作——初稿、资源、方法论、调查、正式分析。Scott Henderson：数据管理、方法论、资源、软件、写作——初稿、写作——审阅与编辑、验证。Claudia Corradino：数据管理、资源
[Flynn等人，2023a]
[Krishnan等人，2011]
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
我们感谢Tobias Fishcher的编辑支持，以及Matt Patrick和一位匿名审稿人的建设性评论。感谢Dave Hyman和Mike Zoeller在获取喷发前地形数据方面提供的帮助。感谢Matt Patrick、Hannah Dietterich和Lis Gallant就2022年莫纳罗亚火山喷发提供的有益讨论。Shashank Bhushan得到了NASA十年调查孵化计划（资助编号NNH21ZDA001N-DSI）的支持。
