“火云”通常指由火山噴發(fā)或大規(guī)模野火產(chǎn)生的、具有高溫、高顆粒物濃度、可能帶電的煙云或火山灰云。在科學研究中，捕捉和分析火云數(shù)據(jù)至關(guān)重要，用于理解其形成機制、擴散路徑、化學成分、環(huán)境影響（氣候、空氣質(zhì)量、航空安全）以及災害預警。

科學研究利用多種儀器和技術(shù)平臺來捕捉火云數(shù)據(jù)，形成一個多尺度、多參數(shù)的立體觀測網(wǎng)絡：

衛(wèi)星遙感：

• 可見光/近紅外成像儀： (如 MODIS, VIIRS, Sentinel-2, Landsat)
  • 捕捉火云的可見形態(tài)、覆蓋范圍、擴散方向。
  • 通過多光譜波段識別火點（熱點）、煙霧羽流、區(qū)分云和煙霧。
  • 估算氣溶膠光學厚度。
• 熱紅外傳感器： (如 MODIS, VIIRS, ASTER, GOES-R ABI)
  • 探測火云和下方火場的輻射溫度（亮溫），識別活躍火區(qū)。
  • 估算火點強度和火線功率。
  • 探測火山灰云中的高溫火山灰顆粒。
• 紫外傳感器： (如 OMI, TROPOMI)
  • 探測火云中關(guān)鍵的痕量氣體濃度，特別是二氧化硫、甲醛、氣溶膠指數(shù)。SO?是火山噴發(fā)的重要標志物，甲醛是生物質(zhì)燃燒的指示物。
• 高光譜成像儀： (如 Hyperion, PRISMA, EnMAP)
  • 提供連續(xù)的光譜信息，能更精細地識別和量化火云中的氣體成分和氣溶膠類型。
• 主動傳感器 - 星載激光雷達： (如 CALIOP/CALIPSO, CATS)
  • 向地球發(fā)射激光脈沖，通過接收后向散射信號，精確測量火云的垂直結(jié)構(gòu)（層高、厚度）、氣溶膠消光系數(shù)、退偏振比（區(qū)分球形水滴和非球形顆粒如火山灰/煙塵）。
  • 提供關(guān)鍵的垂直剖面信息，這是被動傳感器難以獲取的。
• 合成孔徑雷達： (如 Sentinel-1)
  • 不受天氣和光照影響，可穿透薄云/煙霧，探測地表形變（火山活動相關(guān)）或識別被厚煙云覆蓋的區(qū)域輪廓。對火云本身的直接探測能力有限，主要用于輔助。

地基觀測：

• 地基激光雷達： (如 米散射激光雷達、拉曼激光雷達、多波長激光雷達)
  • 類似于星載激光雷達，但部署在地面固定點，提供高時間分辨率（分鐘級甚至秒級）的垂直剖面數(shù)據(jù)（氣溶膠消光、后向散射、退偏振比、邊界層高度），監(jiān)測火云過境時的詳細垂直結(jié)構(gòu)和演變。
• 太陽光度計網(wǎng)絡： (如 AERONET)
  • 測量直接太陽輻射和天空亮度，反演氣溶膠光學厚度、粒子尺度分布、單次散射反照率等光學特性，用于驗證衛(wèi)星產(chǎn)品和研究火云氣溶膠的輻射效應。
• 地面氣溶膠采樣與監(jiān)測站：
  • 顆粒物監(jiān)測儀： 實時測量 PM??、PM?.? 濃度。
  • 氣溶膠質(zhì)譜儀： 在線分析氣溶膠的化學組成（有機碳、元素碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、金屬等）。
  • 黑碳儀： 專門測量煙塵中的吸光性碳（黑碳）濃度。
  • 濾膜采樣： 采集顆粒物樣品，進行離線實驗室分析（元素組成、微觀形貌、礦物學、同位素等），提供最詳細但非實時的化學成分信息。
• 地面氣體監(jiān)測站：
  • 差分吸收光譜： (如 MAX-DOAS, Pandora) 測量多種痕量氣體（SO?, NO?, HCHO, HONO, Glyoxal 等）在火云過境時的柱濃度或垂直廓線。
  • 原位氣體分析儀： (如 CO, CO?, CH?, O?, NO?, SO? 分析儀) 實時測量近地面氣體濃度。
• 氣象站： 提供風速、風向、溫度、濕度、氣壓等關(guān)鍵氣象參數(shù)，用于理解火云的擴散條件和驅(qū)動因素。
• 閃電探測網(wǎng)絡： 監(jiān)測火云內(nèi)部產(chǎn)生的強烈電活動（俗稱“火山閃電”、“野火閃電”），這是火云動力學和微物理過程的重要指標。
• 火山觀測站網(wǎng)絡： 針對火山云，還包括地震儀（監(jiān)測噴發(fā)活動）、傾斜儀/應變儀（監(jiān)測地表形變）、次聲波傳感器（監(jiān)測噴發(fā)產(chǎn)生的低頻聲波）等，提供噴發(fā)源信息。

空中平臺觀測：

• 有人駕駛飛機：
  • 搭載專用儀器： 這是獲取火云內(nèi)部核心參數(shù)的最直接方式。飛機可飛入或環(huán)繞火云，攜帶儀器包括：
    • 氣溶膠粒子計數(shù)器/譜儀： 測量粒子數(shù)濃度和粒徑譜。
    • 云凝結(jié)核計數(shù)器： 測量云凝結(jié)核濃度。
    • 氣溶膠吸收/散射系數(shù)儀： 測量氣溶膠的光學特性。
    • 氣體分析儀： 高精度測量多種氣體濃度 (CO?, CO, CH?, VOCs, SO?, NO?, O? 等)。
    • 粒子采集器： 在飛行中采集氣溶膠和云滴樣品供實驗室分析（化學成分、形貌、混合狀態(tài)）。
    • 成像儀/高光譜儀： 獲取火云結(jié)構(gòu)和光學特性的機載視角。
    • 溫濕度探頭： 測量環(huán)境溫濕度。
  • 優(yōu)點： 數(shù)據(jù)精度高、空間分辨率高、可獲取垂直剖面和內(nèi)部核心參數(shù)、可針對特定事件靈活部署。
  • 缺點： 成本高、風險大（尤其在強噴發(fā)或劇烈野火附近）、覆蓋范圍有限。
• 無人機：
  • 攜帶小型化傳感器（氣體、顆粒物、氣象、簡易光學/熱成像），在較低高度、危險區(qū)域或衛(wèi)星/飛機難以覆蓋的地方進行靈活、低風險的探測。
  • 特別適用于火山口附近、野火火線附近或城市下風向的精細化監(jiān)測。

數(shù)據(jù)捕捉與科學研究的關(guān)鍵點：

• 多平臺協(xié)同： 單一平臺無法提供全面數(shù)據(jù)?？茖W研究依賴于衛(wèi)星（大范圍、長期）、地基（定點高分辨率、驗證）、飛機（核心參數(shù)）的協(xié)同觀測。
• 多參數(shù)融合： 結(jié)合物理（形態(tài)、擴散、垂直結(jié)構(gòu)）、化學（氣體、顆粒物成分）、光學（吸收、散射）、微物理（粒子譜、CCN）、電學（閃電）等多方面數(shù)據(jù)，才能深入理解火云的形成、演變、環(huán)境氣候效應和危害。
• 模型同化與預報： 觀測數(shù)據(jù)被輸入到大氣化學傳輸模型、火山灰擴散模型、野火煙霧預報系統(tǒng)中，用于模擬火云的擴散路徑、濃度分布、對空氣質(zhì)量的影響，并為航空預警（如火山灰咨詢中心 VAAC）和公共衛(wèi)生預警提供科學依據(jù)。
• 實驗室分析： 采集的樣品（氣溶膠、氣體）在實驗室進行深入分析，提供最詳盡的化學成分、同位素特征、微觀形貌、毒性等信息，是理解火云來源、老化過程、健康和環(huán)境效應的基礎。
• 長期監(jiān)測與事件響應： 既有對火云高發(fā)區(qū)（如活火山帶、火災易發(fā)區(qū)）的長期監(jiān)測網(wǎng)絡，也有針對突發(fā)性大型火山噴發(fā)或野火事件的快速應急響應觀測。

挑戰(zhàn)：

• 火云的高度動態(tài)性和快速演變。
• 厚云層或降水對衛(wèi)星遙感的遮擋。
• 飛機進入高危區(qū)域的限制和安全風險。
• 不同平臺、不同儀器數(shù)據(jù)的校準和融合。
• 極端環(huán)境下儀器的可靠性和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

未來趨勢：

• 更高時空分辨率、更多光譜通道的新一代衛(wèi)星。
• 小型化、低成本、高性能傳感器的廣泛應用（無人機、地面微站）。
• 人工智能/機器學習在數(shù)據(jù)處理、特征識別、模型優(yōu)化中的應用。
• 更緊密的國際合作與數(shù)據(jù)共享。

總而言之，科學研究通過構(gòu)建一個由衛(wèi)星、地面站、飛機、無人機組成的“天-地-空”一體化觀測網(wǎng)絡，并綜合運用遙感、原位測量、采樣分析和數(shù)值模擬等多種手段，來全方位地捕捉火云的數(shù)據(jù)，揭示其奧秘并服務于防災減災和環(huán)境保護。