研究背景

近年来，海底火山频繁喷发，如2018年印度尼西亚的“喀拉喀托之子”火山、2019年新西兰的“怀特岛”火山以及2021年日本的“西之岛”和“福徳冈之场”火山等。这些喷发事件不仅对海洋生态环境造成影响，还可能引发海啸等次生灾害，严重威胁人类生命财产安全。传统火山活动监测方法主要依赖地震和火山气体数据，但对海底火山监测效果有限。研究表明，火山喷发前后海水的“变色现象”可能成为预测海底火山活动的重要指标，然而目前全球范围内对海底火山周围变色海水的研究仍十分匮乏。来自日本广岛大学的Yuji Sakuno博士及其团队在GeoHazards 期刊发表文章，旨在解决如何利用卫星遥感技术定量监测海底火山喷发引起的海水变色现象这一关键问题。

研究内容

日本广岛大学的研究团队创新性地提出利用“主波长”指标定量分析海底火山喷发引起的海水变色现象。研究以2018年12月喷发的印度尼西亚“喀拉喀托之子”海底火山为案例，使用日本GCOM-C卫星搭载的第二代全球成像仪 (SGLI) 获取的17个时期 (2018年10月至2019年3月) 大气校正数据进行分析。SGLI传感器具有250米的高分辨率和约2天的观测周期，其9个可见光/近红外波段 (380-869 nm) 特别适合监测海水颜色变化。

研究团队开发了从卫星多光谱反射率数据中提取“主波长”的创新方法。该方法基于国际照明委员会 (CIE) 1931年采用的XYZ颜色系统，通过将卫星获取的9个波段反射率数据线性插值为5 nm间隔，再乘以5 nm权重因子，转换为色度坐标X、Y、Z，进而计算出色度坐标x、y，最终推导出主波长数值。主波长直接对应于人类眼睛感知到的光色波长，能够客观量化海水颜色变化。研究还建立了主波长与θ角之间的六阶多项式近似关系，实现了主波长的精确计算。

图1. 研究区域与测深信息

研究发现，喷发前海水主波长的平均值±标准差为497 nm±2 nm，喷发后变为515 nm±35 nm。通过绘制500 nm和560 nm等高线，可清晰识别火山岛周围变色海水区域。研究还发现，主波长≥500 nm的变色海水面积在0-35 km2范围内复杂变化，且在喷发前略微增加，这一现象可能具有喷发预测价值。特别值得注意的是，火山西南方向站点的主波长在喷发后达到539±42 nm，明显高于其他方向，这与火山山体西南侧坍塌的位置相符。

图2. 喀拉喀托火山周围的主波长图

研究总结

本研究创新性地将色度学中的主波长概念应用于海底火山活动监测，建立了基于卫星遥感的海水变色定量分析方法。相比传统监测方法，该方法能够更直观、更灵敏地反映海底火山活动引起的海水化学组成变化。研究证实，GCOM-C SGLI卫星数据结合主波长分析可有效监测海底火山活动，为火山喷发预测提供了新的技术手段。未来研究需要进一步验证主波长与海水化学成分 (如铁、铝、硅等元素) 的具体关系，并在全球更多海底火山开展应用验证。该方法在活火山实地调查困难的情况下，特别适合通过相对安全的温泉水和火山口湖等环境进行方法验证。这项研究为海底火山监测开辟了新途径，对预防火山灾害、保障海洋生态安全具有重要意义。

原文出自GeoHazards 期刊：https://www.mdpi.com/2228782

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/geohazards

GeoHazards 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Zhong Lu, Southern Methodist University, USA

Dr. Tiago Miguel Ferreira, University of Lisbon, Portugal

期刊发表范围涵地球物理/地质灾害、气候及气候变化相关灾害、气象灾害、水文灾害、块体运动灾害以及人为和技术灾害等研究领域。自2020年创刊以来，被ESCI、Scopus、GeoRef等多个权威数据库收录。

2024 Impact Factor：1.6

2024 CiteScore：2.2

Time to First Decision：17.2 Days

Acceptance to Publication：3.6 Days