火山是地球内部与表层系统连接的纽带，火山活动是地球内部能量在地表释放的直接体现。火山活动作为地球深部挥发物质排放的主要方式，对全球气候的演变有着重要影响，火山喷发引起的大气干扰、海啸、地震等会给自然界和人类社会带来严重灾难，威胁着人类赖以生存的环境。海底火山占全球火山的70%以上，受观测条件的限制，90%以上未进行有效的监测研究和灾害风险评估^[1-2]。对于大型火山或超级火山喷发如何影响气候或全球变化，也一直处于探索阶段^[3]。监测大型海底火山活动不仅有助于深化火山喷发的气候效应、板块运动、地球各圈层物质交换以及地球演化方面认知，同时对火山灾害防控预警具有重要意义。

2022年1月14日—2022年1月15日，南太平洋汤加境内洪阿哈阿帕伊岛(Hunga Tonga-Hunga Ha'apai，HT-HH)海底火山(以下简称汤加火山)发生大规模爆炸式喷发活动，引发了全球性海啸^[4]，并且火山喷发羽流高达58 km，达到了大气中间层，造成了电离层扰动，引起了国内外广泛关注^[5-7]。汤加火山处于西南太平洋板块与澳大利亚板块交界(图 1(a))，地质构造运动活跃，火山、地震、海啸等地质灾害频发。20世纪以来，汤加火山共发生了6次有历史记录的喷发事件。2022年喷发是全球自1883年印度尼西亚喀拉喀托火山灾难性爆发以来最大的海底火山活动，火山喷发指数VEI预估在5级左右^[8-11]。“千年一遇”的汤加火山喷发活动为研究火山活动及其气候响应及与全球变化的关系提供了窗口。众多学者针对火山喷发活动引起的形变、海啸、大气扰动、电离层扰动等方面开展了大量研究。通过海底压力计、全球验潮站网等观测手段发现，汤加火山喷发后引发的海啸在数十个小时内迅速扩张至全球，全球多地广泛观测到明显的海啸波^[12-13]。通过地球同步环境卫星观测，此次火山喷发产生了强烈的兰姆波和重力波，激发了横跨整个太平洋的圆形波面，之前从未观测到单一震源产生如此量级的全球范围响应^[14-17]。利用GNSS、电离层探空仪等技术手段观测发现，汤加火山喷发后，火山上空电离层总电子含量明显减少，出现了巨大的电离层空洞和赤道等离子体气泡^[18-19]。上述研究进一步说明此次火山喷发规模宏大，引发的大气、海洋效应具有全球性。

截至目前，受制于观测手段，对于火山喷发海域的相关海洋环境效应研究存在不足，缺乏火山区域海洋环境变化的综合观测研究，如综合分析火山附近海域由火山喷发活动引起的海平面变化、海浪变化、电离层异常等。海平面变化是气候变化的指示器，其趋势与特征是服务海洋灾害预报、认识全球气候变化过程、制定气候变化应对措施等的重要基础^[20]。而大型海底火山、地震活动，可能引起海底地壳发生抬升或下降，从而引起海平面变化^[21]。因此，监测研究汤加火山活动对区域海平面变化的影响十分有必要。

卫星测高技术是目前高效获取高精度全球海洋环境资料的有力工具，可同时提供海面高、海面风速、电离层延迟改正、对流层改正、有效波高等海洋环境信息。经过近50年的发展，国内外已发射20余颗测高卫星，其中TOPEX/Poseidon、Jason-1/2/3、Sentinel-6MF系列卫星沿着几乎重合的地面轨迹提供全球±66°范围内的海面高观测数据，测量精度高达2 cm，重复周期为10 d，可提供超20年的全球海面高长时间序列，是研究海面高变化的首选卫星^[22-23]。汤加火山喷发当日，Jason-3卫星186弧段正好经过火山附近海域(图 2)，可为汤加火山喷发引起的区域海洋环境变化的综合观测研究提供技术手段。

本文提出利用测高卫星数据分析汤加海底火山喷发引起的海洋环境效应，包括海面高变化、海面波高、电离层异常等。以15°S—25°S，170°W—180°为研究区域(图 1(b))，通过对Jason-3测高数据进行数据编辑、共线处理、海面高计算、海面高异常计算等数据预处理，获取2016年2月—2023年2月高质量沿轨海面观测数据，并分别针对火山喷发对海洋环境的短期影响和长期影响进行研究。针对短期影响，采用重复轨道法，对比分析火山喷发时期海面观测异常；针对长期影响，构建海面观测长时间序列，并通过小波分析和奇异谱分析方法探测时间序列中的异常扰动，分析火山喷发对海面环境的长期影响。

1 采用数据 1.1 卫星测高数据

本文采用的卫星测高数据为法国国家空间研究中心CNES发布的Jason-3卫星F版本第001—227周期和第300—330周期的GDR产品数据集，时间范围为2016年2月—2023年2月，数据集包括所有的环境改正和地球物理改正项，并且经过了完全验证^[22]。GDR数据中包括1 Hz和20 Hz采样频率的海面观测数据。本文采用了1 Hz采样数据，沿轨相邻数据间隔约7 km。Jason-3卫星每周期可分为254段地面轨迹，其中上升轨迹和下降轨迹各半，共有10条轨迹分布在研究区域内，如图 1(b)所示，其中奇数(红色字体标注)轨迹为升轨，偶数(黑色)为降轨。由图 1(b)可知，降轨186弧段距离汤加火山最近，最近点距离小于200 km，且其周期218于2022年1月15日8—9时(汤加火山喷发当日，火山喷发时间为2022年1月15日4时UTC)经过研究区域，可为观测火山喷发引发的海面异常提供数据支撑。

1.2 海洋Nino指数

海洋Nino指数(oceanic Niño index，ONI)是指热带东太平洋海域(Nino 3.4区域，5°S—5°N，120°W—170°W)的海表面温度异常，为该区域3个月平均海温距平数据，能够较直接反映El Nino现象的海洋效应，是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)用于对东热带太平洋厄尔尼诺(EI Nino)(暖)和拉尼娜(La Nina)(冷)事件进行分类的标准依据。一般将Nino 3.4指数连续5个月≥0.5℃认定为一次暖事件(EI Nino)，连续5个月≤-0.5℃认定为一次冷事件(La Nina)^[24-25]。本文采用的海洋Nino指数为NOAA机构2016年2月—2023年2月共7年Nino 3.4指数。

2 海面观测数据处理方法 2.1 数据预处理

受海洋环境、仪器状态等影响，高度计在采集数据时常常存在误差。因此，为保证高度计数据质量，计算海面高和海面高异常前，需进行质量控制，按照一定的编辑准则对测高数据进行编辑，将不符合条件的观测数据剔除^[26]。本文严格按照Jason-3测高卫星GDR数据的编辑准则进行数据编辑^[22]。海面高异常(sea level anomaly，SLA)反映的是由于季节变化和气候现象而引起的海洋表面高度的多样性，可用于研究海平面的变化规律。因此，为研究汤加火山喷发对海平面的影响，本文对编辑后的Jason-3沿轨海面高数据进行干、湿对流层改正、电离层改正、海潮及海洋负荷潮改正、固体潮改正、极潮改正、海况偏差改正，减去平均海平面，计算各轨迹点处的海面高异常值。

电离层总电子含量(total electron content，TEC)是描述电离层特征的一个重要参量。卫星测高技术是计算全球TEC的重要辅助手段之一。根据Jason-3用户手册可知，Jason-3测高卫星计算电离层TEC的公式^[22]如下

式中，TEC表示电离层总电子含量，单位为electrons/m²，本文已换算至TECU，1 TECU=1×10¹⁶electrons/m²；dR为Jason-3测高卫星GDR数据中Ku波段的电离层距离改正，单位为m；f表示Ku波段频率，一般取值为13.575 GHz。

有效波高(significant wave height，SWH)是由雷达回波前缘坡度计算而来，近似等于一段时间内或者给定海域内最高海浪的高度^[26]。本文直接选用Jason-3卫星2级GDR产品中Ku波段1 Hz有效波高改正值序列作为有效波高进行分析，研究汤加火山喷发对海浪的影响。

按照轨道设计，Jason-3卫星在精密重复任务(exact repeat mission，ERM)时期应保持在重复轨道上，即重复周期内地面轨迹每一弧段能完全重合，以方便将海面高度变化与大地水准面分离。然而，受大气阻力和太阳辐射压力影响，实际卫星轨道会发生漂移，导致地面轨迹间存在约±1 km的偏差。由于大地水准面局部坡度的影响，在估算海面高度变化时，会产生误差。这种误差大多数情况下约为2 cm/km，但在海沟、大陆架、岛屿和海山附近可超过20 cm/km^[27]，因此，在对海面高变化、有效波高等进行长时间序列分析时，需进行共线处理，消除上述误差。共线处理是以一定规则选择一条轨迹作为参考轨迹，确定其他轨迹上相对于此参考轨迹相同纬度点的经度和海面高。本文选择汤加火山喷发时期Jason-3卫星轨迹(周期218)为参考轨迹，将其他周期观测量统一至此参考轨迹中。

2.2 短期海面异常分析

利用重复轨道分析方法，选定某个物理参量，如海面高异常、电离层总电子含量、有效波高等，分析2022年1月(火山喷发月)火山喷发引起的该参量异常。具体过程为：将火山喷发时刻Jason-3卫星经过汤加火山上空或距离汤加火山最近的地面轨迹数据(周期218，弧段186，2022年1月15日经过研究区域上空，如图 2所示)，与该月内火山喷发前后不同周期同一弧段地面轨迹数据及同一弧段该参量月平均值进行对比分析，研究该物理参量在火山喷发月内的异常变化。

2.3 长期海面异常分析

分析汤加火山引起的长期海面异常，需构建火山喷发前后该研究海域内海面异常区域平均时间序列。本文计算的时间跨度为2016年2月—2023年2月共计85个月，分别选定海面高异常、电离层总电子含量、有效波高3个物理参量，利用Jason-3测高卫星重复轨道任务的观测值进行地理平均，再以每月为时间间隔进行时间平均，从而形成时间序列。在进行地理平均时，为消除纬度间隔不同的影响，采用了纬度加权法。根据卫星测高工作模式，卫星观测是等时间间隔的，其星下点在沿轨方向等间距，但其地面轨迹空间分布不均匀，纬度越高，轨迹越密。在利用卫星测高数据计算区域平均海平面异常时，可根据纬度对不同观测值赋予适当的权^[28]，即

式中，φ为纬度；i表示卫星轨道倾角。研究区域的平均海面异常SLA为

式中，h(φ, λ)表示网格点海面高异常；λ为经度。

利用奇异谱分析方法分析海面观测长时间序列，探测火山喷发引起的异常扰动。奇异谱分析(singular spectrum analysis，SSA)是一种从时间序列动力重构出发的无参数据自适应分析方法，无须先验信息，可从未知物理本质的数据中提取尽可能多的可靠信息^[29-30]。它不仅能从时间序列中提取观测数据的非线性趋势，而且不受正弦波假定的约束，能够稳定识别和强化周期信号和影响较大的干扰。SSA作为经验正交函数展开的扩展形式，本质是主成分分析方法在一维时间序列分析中的应用，能够提取时间序列中主成分的特性，将信号分解成趋势项、周期项和干扰项，已被广泛应用于测量学、海洋学、地震学等领域^[31-33]。

将研究区域2016年2月—2023年2月的区域月平均海面观测数据作为原始时间序列进行SSA分析。长期海面异常观测数据通常包含着年周期、半年周期、趋势项和异常扰动等，利用奇异谱分析方法提取出海面观测时间序列的周期部分作为主成分，剩余部分则为时间序列中的异常扰动，分析异常扰动与火山喷发的关系，从而解释汤加火山喷发对研究区域海面环境的影响。

3 结果分析与讨论 3.1 短期海面异常观测结果

通过将火山喷发当日(2022年1月15日)经过研究区域的Jason-3卫星的186弧段(周期218)海面观测值与相近周期(周期217，1月5日经过；周期219，1月25日经过)观测值及1月月平均值进行对比，分析汤加火山喷发对研究区域海洋环境的影响。

首先，针对汤加火山喷发对海面高异常变化的影响进行研究，将1月15日海面高异常及1月5日、1月25日和1月海面高异常月平均值沿纬度方向展开，分布如图 3(a)所示。由图 3(a)可以看出，沿弧段186地面轨迹海面高异常值基本分布在0~0.2 m之间，存在小范围起伏，结合图 2可知，该起伏与地形相关。其中在20°S附近，受陆地影响，海面高异常呈现低值；在22.5°S附近，海面高异常先增加后降低，呈现出波峰形态，这可能因为该区域位于汤加海沟上方，地形越深海面高异常越大。通过对比不同时间海面高异常分布折线图发现，相较于其他时间，1月15日该弧段海面高异常存在一定差异，在19°S—20°S和21°S—22.5°S之间(图 3(a)浅橙色矩形区域)，海面高异常存在明显高值，在17°S—18°S之间(图 3(a)浅蓝色矩形区域)存在低值；在21°S—22.5°S之间，火山喷发前(1月5日)和火山喷发时(1月15日)海面高明显增高，火山喷发后(1月25日)海面高降低，这可能跟汤加火山活动引起的波浪形成、上升、海水环境变化及熔融物质迁移引起的海底地形变化有关。汤加火山活动引发了剧烈海啸，这种强烈的短期影响将造成明显区别于全球海平面变化的区域海平面变化。火山喷发前熔融物质的聚集及火山喷发引起的海水温盐等环境变化也可能引起区域海平面变化。另外，火山喷发前大量熔融物质聚集可能使地壳抬升从而使海面高升高，而火山喷发后熔融物质的亏损可能使地壳下降从而使海面高降低。多种物理过程耦合，造成了上述测高卫星观测到的现象。其中，考虑到海平面变化的短期特征，火山活动引起的波浪现象可能是主要因素。

其次，针对汤加火山喷发引起的海浪变化进行研究，同样将1月15日观测到的有效波高及1月5日、1月25日和1月有效波高月平均值沿纬度方向展开，分布如图 3(b)所示。由图 3可知，沿弧段186地面轨迹有效波高分布较平缓，基本位于2~3 m之间，除了在20°S附近，由于陆地的影响有效波高显著降低。对比不同时间有效波高分布折线图发现，在纬度16.5°S—18°S之间和21°S—23°S之间(图 3(b)浅橙色矩形区域)，1月15日有效波高相比其他时间存在明显上升，尤其是在纬度21°S—22°S之间，有效波高较平均值增加了约0.5 m，说明在该海域1月15日产生了高于平时约1.5 m的海浪，这可能是由汤加火山喷发引起的海啸或次海啸产生的，表明汤加火山喷发短期内对海浪存在较强影响，且卫星测高技术有可能观测到火山喷发引发的海啸现象。

最后，针对汤加火山喷发引起的电离层异常进行研究，将1月15日观测到的电离层TEC及1月5日、1月25日和1月TEC月平均值沿纬度方向展开，其分布如图 3(c)所示。由图 3可知，1月15日电离层TEC在0 TECU上下浮动，显著低于其他时间，说明汤加火山喷发时，电离层总电子含量明显减少，大型火山活动会对电离层产生剧烈影响。这与文献[18—19]利用GNSS技术监测汤加火山引起的电离层异常研究结论一致，表明卫星测高技术可作为监测火山、地震等大型地质活动引起电离层扰动的有效辅助手段。

3.2 长期海面异常观测结果

为了进一步研究汤加火山喷发对区域海平面长期变化的影响，计算了研究区域2016年2月—2023年2月共7年的月均海平面变化时间序列，并利用最小二乘法拟合计算线性速率，如图 4(a)所示。由图 4(a)可知，2016年2月—2023年2月，研究区域内海平面整体不断上升，平均上升速率约为1.3 mm/a，低于全球平均海平面上升速率(3.3~3.5 mm/a)^[23]。为验证该上升速率，采用研究区域内Nuku'alofa验潮站(地理位置如图 4(b)所示)7年的月均海平面变化，计算其海平面上升速率，结果约为1.6 mm/a(图 4(c))，与利用卫星测高数据计算的区域平均海平面上升速率一致，低于全球平均海平面上升速率。区域海平面变化受风暴潮、天文潮汐、海洋环流、南方涛动现象、冰川融化、陆地蓄水、地壳升降等多种物理过程影响，这些物理过程在时空尺度上的差异可导致区域海平面偏离全球平均海平面上升的长期速度。另外，卫星测高技术获得的区域平均海面高时间序列与验潮站月均海面高时间序列走势相仿，周年变化明显，海平面冬春高、夏秋低，这与海面温度有关，研究区域位于南半球，冬春海温高，海平面相应也高。

为进一步分析汤加火山喷发与EI Nino和La Nina现象对研究海域平均海平面变化的影响，将区域平均海面高异常时间序列进行小波变换，并与Nino3.4指数进行对比分析，结果如图 5所示，其中图 5(a)表示海面高异常时间序列的小波分析，scale表示缩放因子，该值越小，表示信号频率越高；图中色度表示小波系数模，其极值点或零点可用来检测时间序列中的突变点。图 5(b)为Nino3.4指数分布，图中蓝色区域表示La Nina事件，红色表示EI Nino事件。由图 5(b)可知，在2016—2023期间共出现一次EI Nino事件, 发生在2019年，一次较强La Nina事件，从2020年9月持续至2022年，以及2017年和2018年两次微弱冷事件。将时间序列的小波分析图与Nino指数分布对比发现，研究海域内海面高变化的信号突变与EI Nino和La Nina事件存在较强相关性，说明EI Nino及La Nina事件对研究海域的海平面变化有较大影响。另外，汤加火山喷发(图中黑色折线所示)发生于稳定的La Nina事件中，但其对应的海面高变化小波系数模存在高频的突变，说明汤加火山喷发对研究海域内长期的海平面变化也产生了一定影响，但其影响与EI Nino和La Nina事件产生的影响耦合，需更多资料进行进一步研究。

针对研究海域内有效波高长期分布规律及汤加火山喷发对有效波高的影响进行研究，计算了研究区域2016年2月—2023年2月共7年的月均有效波高时间序列，分布如图 6红色曲线所示。由图 6可知，研究区域内有效波高分布的长期趋势较平稳，基本位于1.5~3 m之间，存在明显的周年变化，每年冬春低、夏秋高。为研究汤加火山喷发对长期有效波高分布的影响，通过奇异谱分析提取了长期有效波高时间序列的主成分(图 6绿色曲线)，并将异常扰动分离出来(图 6蓝色曲线)。由图 6可知，有效波高的长期分布较规律，异常扰动幅度较小。在7年有效波高长时间序列中，汤加火山喷发在当月引起了有效波高正异常，但幅度较小。表明汤加火山喷发可引发研究海域内短期的海浪增高，甚至引起海啸，但该变化持续时间较短，在长期分布中变化不明显。

同样，为研究汤加火山喷发对研究海域电离层的长期影响，计算了研究区域2016年2月—2023年2月共7年的月均TEC时间序列，分布如图 7红色曲线所示。由图 7可知，研究海域TEC分布存在明显的周年变化，冬春高，夏秋低。这是因为电离层受太阳活动影响，研究海域位于南半球，冬春太阳活动强烈，电离层TEC高。针对汤加火山喷发对长期电离层异常的影响进行研究，采用奇异谱分析方法提取了长期电离层TEC时间序列的主成分(图 7绿色曲线所示)，并将异常扰动分离出来(图 7蓝色曲线所示)。由图 7可知，汤加火山喷发在2022年1月引起了负的电离层TEC异常，这与火山喷发引起的短期电离层异常结果一致。在随后的两个月中，电离层TEC分布无异常，说明汤加火山喷发引起了研究海域内电离层TEC的短时间下降，但很快就恢复平静，对长期的电离层TEC影响较小。

为了研究汤加火山喷发引起的海面异常观测的空间分布特征，计算了火山喷发时期(周期218，2022年1月10—2022年1月20日)研究区域内海面观测数据与2017—2023年间该时期海面观测平均值差异的空间分布，如图 8所示。由图 8(a)可知，火山喷发期间研究区域内东北部海面高异常存在明显正距平，西南侧存在负距平。这可能是与大洋环流及火山活动引起的地形形变有关。其中海面高异常正距平分布与俯冲带呈现一定相关性，在汤加火山东侧、太平洋板块向澳大利亚板块俯冲的俯冲带中北部，海面高异常呈现显著正距平，在俯冲带东侧，呈现负距平，推测是由火山喷发引起的地形变化引起的。受板块挤压影响，大量熔融物质自俯冲带向火山底部聚集使地壳隆起，从而引起该区域海面高异常较往年升高。由图 8(b)可知，火山喷发期间，研究区域内多数海域有效波高呈现正距平，且幅值较大，尤其是在研究区域的西南和南部。这说明汤加火山喷发引起了较高的海浪，且在西南和南部，由于澳大利亚和新西兰陆地对海浪传播的影响，该区域海浪高度达到最高。由图 8(c)可知，研究区域内多数海域电离层TEC较往年有所升高，这可能与太阳活动11年周期有关，2022年太阳活动进入活跃期，电离层TEC增加，这与图 7电离层TEC长期时间序列结果一致。火山喷发期间，汤加火山东侧上空存在显著的电离层TEC负距平条带，说明火山喷发可引起低于往年的电离层TEC低值，与火山喷发引起的短期电离层异常结果一致。另外，上述分析也存在一定不确定性。首先，对于长期海面环境变化，其影响因素复杂，本文仅在对季节、气候等环境因素约束后进行初步的定性分析。其次，卫星测高技术用于监测区域海洋环境变化具有一定的局限性，这是由测高卫星运行周期造成的。Jason-3测高卫星重复周期相对较长，数据时效性差，火山喷发期间研究区域内测线分布稀疏，通过将稀疏数据网格化并对比分析得到观测数据异常的空间分布，对于火山活动引起的快速、短期环境变化解释可能存在不确定性。

4 结论

针对2022年汤加大型海底火山喷发活动，本文提出了利用Jason-3测高卫星数据观测火山喷发引起的海平面变化、有效波高和电离层TEC异常。通过对Jason-3测高数据进行数据编辑、共线处理、海面高计算、海面高异常计算等数据预处理，获取了2016年2月—2023年2月高质量沿轨海面观测数据，分别针对火山喷发对海洋环境的短期影响和长期影响进行研究。针对火山喷发对海洋环境的短期影响，利用距离火山最近的弧段186的重复轨道，对比1月15日观测数据与1月5日、1月25日及1月月平均值，分析火山喷发对海平面变化、有效波高和电离层TEC的短期影响，验证测高卫星观测火山喷发活动的能力，结果表明卫星测高可观测到火山喷发引起的海面异常，其中火山喷发可引起海平面短期变化，其物理机制与火山活动产生的波浪形成、波浪上升、海洋环境变化和海底地形变化有关；火山喷发使部分区域的有效波高显著增加，最大值较该月平均值增加了约0.5 m，增加的位置与海浪传播规律有关；火山喷发使弧段186的电离层TEC明显降低。

针对火山喷发对海洋环境的长期影响，构建了研究区域内2016年2月—2023年2月区域平均海面观测时间序列，采用小波变换、奇异谱分析方法探测时间序列中的异常扰动，分析其与火山活动的关系，并研究了海面观测数据异常的空间分布，从而推断火山喷发活动对海洋环境的长期影响。分析结果表明：火山喷发可能会对海平面变化产生长期影响，海平面变化分布与俯冲带位置具有一定相关性，其影响还与EI Nino和La Nina事件产生的影响耦合，需要更多资料进一步分析；另外，汤加火山喷发对研究海域内的平均有效波高和电离层TEC分布产生显著的短期影响，长期影响较小。