Разработка научных подходов и методов к организации мониторинга вулканической активности с помощью современных систем и технологий спутниковых наблюдений

Быстрое развитие в последние годы специализированных математических моделей открывает новые возможности для анализа и изучения процессов распространения пепловых облаков, оценки их характеристик и возникающих опасностей. С другой стороны, комплексное использование результатов численного моделирования совместно с информацией постоянного дистанционного мониторинга позволяет развивать новые методы оценки базовых параметров эксплозивных событий (время начала и продолжительность выброса пепла, его высота и т.д.). Осуществить это можно путем выбора оптимальных исходных данных для моделирования конкретных событий на основе минимизации расхождения результатов предварительного моделирования и фактических дистанционных наблюдений.

Для реализации подобного подхода в ИКИ РАН совместно с ИВиС ДВО РАН, ВЦ ДВО РАН и ДЦ НИЦ "Планета" были разработаны специальные подходы и инструменты для проведения совместного анализа спутниковых наблюдений и результатов моделирования перемещения пепловых облаков. Данные подходы и инструменты были реализованы на основе информационной системы (ИС) “Мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил” (VolSatView, http://volcanoes.smislab.ru) и автоматизированной ИС (АИС) “Сигнал”, объединенной системы работы с архивами спутниковых данных НИЦ "Планета" (http://moscow.planeta.smislab.ru/).

В картографическом интерфейсе ИС VolSatView были созданы специальные разделы, предназначенные для удаленной работы с системой моделирования. Они позволяют исследователям сформировать задание на проведение моделирования конкретного события на интересующем его вулкане, передать это задание в АИС “Сигнал”, проследить статус его выполнения и, по завершении, получить доступ к результатам моделирования. При этом можно проводить моделирование с различными параметрами, впоследствии выбирая варианты, наиболее хорошо совпадающие с данными спутниковых наблюдений.

Результаты моделирования представляются в картографическом интерфейсе системы в виде набора точек (частиц пепла), цвет которых соответствует высоте нахождения пепловых частиц в заданный момент времени. В интерфейсе имеется возможность просмотра результатов (географическое положение частиц и их высота) по каждому шагу моделирования и интересующим высотам.
Результаты расчетов могут визуализироваться в системе совместно с различными информационными продуктами, получаемыми на основе спутниковых данных.

Пример возможности уточнения параметров моделирования приведен на рисунке 3.2.3.1. Для многих труднодоступных вулканов Камчатки и Курил иногда невозможно определить даже базовые параметры извержений, такие как время начала эксплозивного события, высоту пеплового выброса, продолжительность извержения и т.д. С помощью сравнения результатов моделирования распространения пеплового облака и спутниковых данных мы можем попытаться провести уточнение или даже частичное восстановление таких параметров. Рассмотрим эксплозивное событие на вулкане Жупановский 12 февраля 2016 года. Сравнивая результаты моделирования, выполненные для различного времени начала извержения, с состоянием пеплового облака на спутниковых снимках, можно подобрать время (около 20 часов GMT 12.02.2016), при котором будет наблюдаться оптимальное совпадение результатов моделирования и спутниковых наблюдений (рисунок 3.2.3.1.). Следует обратить внимание, что при таких начальных условиях моделирования наблюдается наиболее полное совпадение не только основной области, в которой расположено пепловое облако в момент сравнения (24:00 GMT 12.02.2016), но и его форма и тенденция распространения. При моделировании с более ранним временем начала события облако смещено на юг, а с более поздним - на север по сравнению со спутниковыми данными.

Отметим, что поскольку в ИС VolSatView имеются не одномоментные наблюдения, то можно надеяться, что в перспективе будет возможно построение схемы, позволяющей одновременно уточнять несколько исходных параметров, необходимых для проведения корректного моделирования пепловых облаков.

Отметим, что подход к восстановлению или уточнению параметров эксплозивных событий на основе совместного анализа данных дистанционного зондирования и методов математического моделирования широко используется учеными и признается эффективным – позволяет получить дополнительную информацию об извержениях. В то же время, каждое такое исследование требует большой подготовительной работы и наличия соответствующей ИТ-инфраструктуры для сбора, хранения, специализированной обработки и анализа разнородных данных. Именно такая, необходимая для проведения дальнейших исследований инфраструктура и инструменты анализа информации, обеспечивающие эффективную работу с данными дистанционного мониторинга, были сформированы в рамках темы "Мониторинг" в 2016 году. Следует также отметить, что работы по развитию методов и подходов комплексного анализа данных дистанционного мониторинга и результатов численного моделирования развивались при поддержке РНФ (проект № 16-17-00042).

Рисунок 3.2.3.1 - Пример возможности варьирования времени извержения для получения оптимального совпадения результатов  моделирования и спутниковых наблюдений. Результаты моделирования распространения пеплового шлейфа, наблюдавшегося на 24:00 GMT после  извержения вулкана Жупановский  12 февраля 2016 года. Черно-белые изображения -  разница каналов 11-12 мкм по данным прибора MODIS, установленного на спутнике Terra  23:55 GMT 12 февраля 2016 года, точками представлены результаты моделирования