从红外图像反演火山灰羽流特性：一种正演与反演建模方法

我们提出了一种用于火山灰羽流的耦合流体动力学与电磁模型。在正演方法中，该模型能够根据预设的输入流动条件模拟羽流动力学，并生成相应的合成热红外 (TIR) 图像，以便与实地观测进行比较。随后开发了一种反演程序，用于从 TIR 图像中反演火山灰羽流特性。所采用的流体动力学模型基于自相似（顶帽型）湍流羽流的一维稳态描述，并获得了其渐近解析解。电磁发射/吸收模型基于 Schwarzschild 方程和针对分散颗粒的 Mie 理论，假设颗粒粗于辐射波长并忽略散射。[...] 将该反演程序应用于危地马拉 Santiaguito 火山的火山灰羽流，使我们能够反演主要的羽流输入参数，即初始半径 $b_0$、速度 $U_0$、温度 $T_0$、气体质量比 $n_0$、卷吸系数 $k$ 及其相关不确定性。此外，通过与电磁模型耦合，我们获得了总粒径分布等效 Sauter 直径 $d_s$ 的可靠估计。所提出的方法具有通用性，原则上可应用于由任何流体动力学模型（无论是积分模型还是多维模型，稳态还是非稳态，单相还是多相）获得的颗粒浓度和温度空间分布。此处讨论的方法快速且稳健，表明其在火山灰质量通量和粒径分布实时估算方面具有应用潜力，这对于基于模型的火山灰扩散过程预测至关重要。