Анализ возможностей оценки высоты пепловых выбросов в информационной системе VolSatView на основе данных различных спутниковых систем на примере извержений вулканов Ключевской и Крашенинникова в 2025 году

На территории Камчатки и Курил расположено 68 действующих вулканов, при этом до 8 из них находятся в состоянии активизации или извержения ежегодно, выбрасывая в атмосферу облака вулканического пепла. Одним из главных параметров при анализе эксплозивного извержения является высота пепла, на которую он был выброшен в результате эксплозивного извержения. Задача по нахождению оценок таких высот является крайне важной при мониторинге вулканической активности для обеспечения безопасности окружающей среды и различных отраслей человеческой деятельности, в частности авиации. В том числе для решения такого рода задач совместными усилиями специалистов Института вулканологии и сейсмологии (ИВиС) ДВО РАН, ИКИ РАН, Вычислительного центра (ВЦ) ДВО РАН, а также ДЦ НИЦ Планета была создана и продолжает развиваться информационная система (ИС) дистанционного мониторинга активности вулканов Камчатки и Курил VolSatView. На сегодняшний день в ИС реализовано множество способов для оценки высоты пеплового облака, включающие оценки с помощью методов анализа спектральных характеристик различных приборов спутниковых систем, а также геометрические методы по нахождению таких оценок.
В августе 2025 г. на территории Камчатки было зафиксировано несколько мощных эксплозивных извержений вулкана Ключевской с выбросами пепла на высоту более 11 000 м н.у.м. Также 30 июля 2025 г. на Камчатке произошло сильнейшее землетрясение магнитудой 8,8, которое вероятно стало причиной начавшегося впервые за все время наблюдений исторического извержения вулкана Крашенинникова с выбросами пепла на высоту до 6 км. В данном разделе на примере двух этих событий приведен анализ текущих возможностей ИС для получения оценок высот пепла по данным различных спутниковых систем.

В 2017 г. в информационную систему был внедрён «температурный метод» нахождения оценок высоты пеплового облака. Алгоритм определения высоты пепловых облаков с использованием такого метода основан на предположении, что радиояркостная температура является эквивалентом температуры атмосферы на определённой высоте. На основе теплового канала спутниковых данных извлекается радиояркостная температура верхней границы пеплового облака. Затем, с использованием вертикального профиля температуры и высоты из метеоданных, определяется температурный интервал, которому соответствует измеренная радиояркостная температура. Предполагается, что высота верхней границы пеплового облака совпадает с высотой нижней границы этого температурного интервала. Данный метод реализован в ряде доступных пользователю ИС инструментах, а именно: получение оценки с помощью инструмента «инфоклик», который показывает оценку в конкретной точке по выбранному спутниковому изображению и инструмент, позволяющий пользователю перемещать курсор по спутниковому изображению, получая оценки высот в каждой точке «на лету». Также по температурному методу может быть получена максимальная высота пеплового облака в границах определенного пользователем контура, которая доступа в отдельном интерфейсе пепловых шлейфов (http://volcanoes.smislab.ru/volcanoes_interfaces/ashes/list_ashes.pl). На рисунке 1 приведены примеры инструментов для оценки высоты пеплового облака по температурному методу для извержения вулкана Крашенинникова. Оценки высоты, полученные таким методом находятся в диапазоне от 3000 до 7000 м н.у.м.

Рисунок 1 — Примеры инструментов для оценки высот по «температурному методу»: а — инструмент «инфоклик»; б — инструмент анализа пепла и оценка высоты в каждой точке; c — инструменты оконтуривания пепла с поиском максимальной высоты в границах контура; д — база данных с рассчитанными максимальными высотами пепловых облаков

В 2018 г. в ИС был добавлен геометрический метод оценки высоты пеплового облака в виде отдельного инструмента «оценка высоты по стереопаре». Геометрический метод основан на эффекте параллакса, когда облако на определённой высоте имеет разные координаты на снимках различных спутниковых систем. Инструмент позволяет оценивать высоты в конкретных точках, сравнивая наблюдения с низкоорбитальных космических аппаратов в паре с геостационарными спутниками. Для оценки высоты верхней границы пеплового облака на основе данных низкоорбитального спутника и ближайших по времени снимков геостационарного спутника выбирается одна и та же точка на каждом изображении, вычисляются ее геодезические координаты с разных углов съёмки — низкоорбитального и геостационарного спутников. Далее, по орбитальным параметрам спутниковых систем и с использованием упрощённой модели движения SGP4 определяются точные позиции низкоорбитального и геостационарного спутников в момент съёмки. Пересекая лучи сканирования спутниковых систем с разных углов и используя простую геометрию, находится оценка верхней границы пеплового облака.

В 2025 г. в рамках развития ИС в неё был добавлен новый инструментарий для расчёта высоты геометрическим методом. Данный инструмент был реализован в виде отдельной вкладки «высота облачности» и позволяет получать не отдельные оценки высот в каждой точке, а поля высот, что является существенным преимуществом относительно других методов, поскольку позволяет перейти от единичных, точечных оценок к более систематическому и массовому мониторингу. Для анализа пользователям ИС доступны оценки высот верхней границы пеплового облака по стереопаре на базе данных КА серии «Арктика-М» и Himawari-8, -9, а также на базе данных спутника Sentinel-3. Стоит также отметить, что еще одним существенным преимуществом данного инструментария является то, что все оценки получаются в полностью автоматическом режиме, с использованием потоковой обработки, включающей сбор данных, фильтрацию, поиск точек для сопоставления на основе методов компьютерного зрения и предоставления результатов. Подробнее реализованная технология представлена в разделе 6.2.1 настоящего отчёта. На рисунке 2 приведён пример поля высот, полученных автоматическим инструментом по стереопаре на базе спутников «Арктика-М» и Himawari для эксплозивного извержения вулкана Ключевской 11 августа 2025 г. В сочетании со специальными цветосинтезами для анализа и определения пепловых шлейфов реализованный инструмент позволяет специалистам быстро и в автоматизированном режиме определять параметры всего выброшенного шлейфа.

Рисунок 2 — Пример поля высоты по стереопаре «Арктика-М» – HIMAWARI. Изображение спутника HIMAWARI синтез «пепел цветной» за 11.08.2025, 06:40

В текущем году в ИС также был добавлен специальный продукт CLTH (англ. CloudTopHeight), разработанный JMA/MSC (англ. Japan Meteorological Agency’s Meteorological Satellite Center). Алгоритм продукта CLTH восстанавливает высоту облачности, комбинируя инфракрасные каналы AHI спутников Himawari-8, -9 с длинами волн 6,2; 7,3; 8,6; 11,2; 12,4 и 13,3 мкм. Он сопоставляет измеренные яркостные температуры с результатами моделирования переноса излучения в модели RTTOV (англ. Radiative Transfer for TOVS), где высота облаков определяется как уровень атмосферы, обеспечивающий минимальное расхождение между наблюдаемыми и смоделированными значениями. В каждой точке данного продукта предоставляется высота верхней границы облачности. На рисунке 3 приведён пример продукта CLTH, доступный в ИС, на котором также хорошо выделяется пепловое облако от извержения вулкана Ключевской 10 августа 2025 г. В настоящее время осуществляется накопление этого продукта в архивах ЦКП «ИКИ-Мониторинг», в том числе ретроспективное.

Таким образом, на сегодняшний день в ИС реализован ряд различных интерактивных и автоматизированных способов для оценки высоты верхней границы пепловых облаков и облачности в целом. Реализованные технологии позволяют оперативно и регулярно получать такие оценки. Стоит также отметить, что оценки высоты, полученные разными методами, достаточно хорошо согласуются друг с другом.

Рисунок 3 — Пример продукта CLTH по данным AHI в ИС VolSatView. Извержение вулкана Ключевской 10.08.2025, 00:10:00; красными стрелками показано пепловое облако на продукте CLTH