[发明专利]一种大气气溶胶颗粒的微物理模型构建方法

说明书

本发明公开了一种大气颗粒物的微物理模型构建技术方法。该方法基于大气颗粒物的电子显微镜图像，首先通过多特征均值漂移的图像分割，确定颗粒物在显微镜图像上的精确位置与区域。基于形态学属性断面获得丰富的形态特征，利用角点和边缘检测技术获得精确的几何信息，通过灰度共生矩阵生成相应的纹理特征，结合多种特征提升分割精度。根据显微镜比例尺，获得不同成份在图像上的长、宽、边界长度、内/外接圆半径等几何信息。结合化学成份、体积大小、表面粗糙度等辅助信息，参考典型颗粒物的形态参数，利用图像阴影恢复深度信息，从单视角二维投影图像直接重建出三维微物理模型。通过生成多个微物理模型进行优化的方式，以获得更加真实的模拟结果。

技术领域

本发明涉及一种大气气溶胶颗粒的微物理模型构建方法，用于灰霾和沙尘等天气下大气颗粒物的微观物理化学特性模拟。

背景技术

真实大气中的颗粒物具有形态随机、成份多样，混合方式复杂等特点，其微观物理化学特性是制约大气参数遥感反演和辐射强迫评估精度的关键因素之一。在遥感反演和气候评估中，一般将大气颗粒物的微物理模型简化为体积等效球或多层球体(Bohren,2008)。但是，基于这种简化模型的反演结果，与实际观测数据相比具有较大的误差(etal.,2012)。

近年来，越来越多的研究关注于如何模拟出更加接近于实际观测结果的大气颗粒物的微物理模型，从而获得更加精确的光学特性(Adachi et al.,2010)。基于固定形态的假设，已经有一些研究将沙尘气溶胶颗粒假设为椭球体，将黑碳气溶胶颗粒假设为多球团簇进行微观物理化学特性的模拟，获得比球形假设更接近实测的光学散射特性(Nousiainen et al.,2006；Liu et al.,2008；Liu et al.,2013；Dong et al.,2015)。但是，基于这种常规的固定形态假设的气溶胶颗粒微物理模型模拟获得的光学特性结果仍然与实测结果具有一定的差异，无法满足实际的需求。

为了模拟更加接近真实情况的大气颗粒物特性，近期研究开始关注没有固定形态约束的大气颗粒物的微物理模型构建。Liu et al.(2015)在黑碳气溶胶粒子微物理模型构建过程中加入颈缩效应(necking)，以模拟获得更加接近实测的微观理化特性和光学散射特性。Zubko et al.,(2015)利用不规则聚集粒子方法构建了具有随机形态和粗糙表面的气溶胶粒子微物理模型和光学散射模型，模拟计算获得了更加接近实测的光学特性。Wu etal.(2016)假设团簇中的各个小粒子也具有非球形形态，模拟获得了比多球团簇模型更加接近实测的黑碳质量吸收截面。

与此同时，在一些具备实验条件的实验室，研究学者开始采用电子透射显微镜图像三维重建的方法，以获得更加接近实际情况的气溶胶粒子形态。Lindqvist et al.(2014)提出利用多视角的电子透射显微镜图像构建立体像对，直接获得气溶胶粒子的三维微观模型，以模拟更加接近实测的光学散射特性。但是，该技术对于气溶胶采样和电子透射显微镜操作的要求较高，特别是多视角电子显微镜图像数据的获取较难，局限较大。

因此，在不断模拟更加接近实测理化光学特性的研究中，有必要研究一种直接基于实测的气溶胶颗粒物散射模型构建方法，能够通过电子透射显微镜获得的单张二维投影图像较为准确地建立气溶胶颗粒物的微物理模型，进一步改进固定形态约束的气溶胶散射建模方法，可以更好地应用于无定形气溶胶颗粒物的光学特性计算和分析，提高大气参数遥感反演和辐射强迫评估的精度。

发明内容

提出了一种从实测的气溶胶颗粒形态出发，不预设常规的球形、椭球、团簇等固定形态限制，直接模拟出无定形气溶胶颗粒微观物理化学特性的方法。基于典型气溶胶颗粒在电子透射显微镜图像上的二维投影，结合实测获得的化学成份、体积大小和表面粗糙程度等辅助参数，考虑不同类型气溶胶粒子的理化特性，模拟出无定形气溶胶粒子的微物理模型。

具体步骤如下：