Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 地球大气中辐射传输与粒子光散射相互作用的研究 | |
| 其他题名 | Interaction Research between Radiation Transfer and the Scattering by Particles in Earth Atmosphere |
| 杨文 | |
| 出版年 | 2004 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 季国良 |
| 学位授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 中文摘要 | 辐射过程是物理和能量之间相互作用的主要过程，地气系统的主要驱动力来自辐射强迫作用。因此，如何准确、定量地了解气溶胶、云等因子对辐射场的扰动贡献，如何描述并确定气溶胶之间、气溶胶与云滴之间微物理的、光学的和化学的相互作用，已成为当今气候变化中辐射强迫研究的热点和难点问题。正基于此，本文开展了三部分研究，首先，从包含粒子多次散射的辐射传输方程入手，以简洁的方法深入地探讨了辐射传输基本原理间的关系，发展、建立吸收、发射和散射大气中辐射传输方程的物理解。随后，以电磁理论和量子散射理论为基础，建立描述复杂粒子之间内混合相互作用的光散射理论和多种算法，提供辐射传输模式所必需的输入参数。最后，结合上述创建的辐射模式和粒子光散射提供的输入参数来研究粒子之间光学相互作用在紫外辐射传输中的表现。主要结果如下：第一部分辐射传输理论 （1）从定义一个新的总透射函数入手，仅仅依赖反射和透射函数的基本定义，得到了两个最基本辐射传输原理一相互作用原理和有限大气不变性原理的全新推导。（2）建立了基于相互作用原理和不变性原理的矩阵算符方法和累加一倍加法的物理与数学上的联系，即两者均是能量守恒原理在吸收、发射和散射大气辐射过程中的一种表现。（3）通过多次利用相互作用原理和不变性原理，加之巧妙安排计算顺序，获得了一个占用计算机时间和空间都少的累加一倍加法。（4）服务于简化的辐射传输模式，建立了各种长波、短波统一的四流近似方法，即求和四流近似，等扇面四流近似和球谐四流近似。（5）发展了长波辐射累加一倍加多流模式，为了讨论曾被忽略的长波多次散射问题提供了精确的计算方法。计算表明：只考虑长波的发射和吸收，而忽略多次散射，会高估云层（特别是薄云）的向上发射率、减少云层向下的发射率。（6）为了克服日益受到重视的DZ／4S模式之固定角度源函数的局限（Fu et al 1997），采用两项式相函数近似，我们解析地给出了线性依赖任意天顶角的新的源函数技术，获得了改进的D2／4S长波辐射模式。（7）根据不变性原理，严格地建立起了三种二流累加法，即半球常数二流累加法、两点Gauss求和累加法和Delta函数二流近似累加，尽管半球常数二流近似累加法与现行的CCM3辐射框架一样，但本文的推导无疑是最完美、最严格的。同时，对行星问题反射和透射函数的累加法也给出了有别于以往的第三种证法，进而对利用行星反照率卫星遥感地表反照率的线性化关系提供了理论上的证实和其适用范围的讨论。提出了一个卫星反演高地表反照率（如干旱沙漠地区，雪面等）二次项关系式，为下一步的具体反演工作打下了理论基础。吸8）为便于辐射传输的数值计算，我们介绍了多种处理方法，如相函数 Lgendre展开系数、相函数归一化，并将它们成功地藕合进了紫外光 谱累加一倍加模式之中。同时，大力改进了Gauss-Legendre；Gauss-Lobatto求和法中分离点初值的选择问题，提高了计算速度，特别是独立实施了快速Double-Gauss求和法。第二部分粒子光散射理论与算法（扮不同于前人的处理，我们基于物理的观点，创新地提出了空间任一点熬电磁场均余内向波和外向波组成，前者依赖于第一类球Bessel函数，后者极颤于第一类球Hankel函数，得到了多分层气溶胶或受污染云滴粒子内混合的迭代求解光敬射算法。这一算法不仅形式简单，而且计算快速、稳定、准确，己被娜际同行所认同。佗少借用辐射传输中逐次散射（505）方法，全面、细致地跟踪多分层球介髓内部光的逐次散射和传输过程，获得了分层找新子兴箭助的全挤方法一逐次光散射算法。（3）根据逐次光散射算法，通讨提取小核CCN和薄壳气溶胶的扰动贡献，实现了气溶胶扰动项和与纯云滴贡献项的成功分离，分别得到了小核和薄先的微扰近似方法。这一方法的实施为部分减少ccN和薄壳层气溶胶所产生的间接辐射效应，为部分解释云吸收异常等热点问颗，都提供了新的理论手段。（4）为了开辟气溶胶粒子光散射的近似计算方法，我们基于量子力学形式散射理论，通过对自由传播子的线性化处理（单一正向线性传播子，或正向加负向线性传播子近似），获得了六种前向和后向散射的不同近似，即一般eikonal近似；零阶与一阶后向散射近似；调制eikonal近似和前向与后向三级Bom近似。由于采用的量子形式散射理论，我们的推导简单且完全不同于以往eikonal的推导。因为国内外暂没发现将形式散射理论用于气溶胶的后向散射截面的计算上来，所以，我们发展的五种的方法几乎是全新的工作。第三部分紫外辐射传输（1）依据累加一倍加法，建立了一垂直分层为27，光谱分辨率为o．snm的任意流数高精度的紫外辐射传输模式。成功地采用了Wiscombe（1977）的δ-M近似法，King（1983）的不变性嵌入初始化，Ganss-Lobatto求和。选用16流近似与Liou（197，1975）的结果比较，通量密度足够获得4-6位的有效精度，反射率和透过率足够获得3-6位的有效精度。（2）成功地模拟了青藏高原的直接、漫射和总紫外（UVA＋UVB）地表辐射通量密度，以及O3和NOZ光解率随高度变化的廓线分布；进而将黑碳一硫气溶胶的内混合引入到紫外光谱光解率的计算之中，所得的结果基本反应 了03光解率的事实，即光解率中直接光化通量远大于漫射变化通量；从 15km到50km光解率随高度逐步增加，且在大约45kii处达到最大。 |
| 英文摘要 | Solar radiation transport is key issues in atmospheric physics, which plays important role in current climate change study. It is appropriate to think of the discipline of atmospheric radiation as one of the building block subjects of the atmospheric science linking the fields of microphysics, optics, aerosol, cloud physics, chemistry, climate and climate change. In doing these partly, the main targets in my doctoral dissertation include three subjects. Firstly, part one mainly deals with the physical solution for RTE. a fast and accurate solution of radiation transfer equation (RTE) for absorption, emitting and scattering atmosphere has been developed. . Secondly, part two focuses on the internal mixture model and light scattering algorithm, based on electromagnetic theory and quantum scattering theory, several methods for light scattering by particles are presented, especially for light backward scattering. Thirdly, a concrete example is given out, the effects of internal mixture between aerosols or aerosol and cloud on the surface ultraviolet flux and ozone photolysis. An ultraviolet spectroscope radiation transfer model is created, using the input parameters calculated by second part. The main results are as following in detail: (1) By defining a new total transmittance function, the interaction principle and invariance principle with finite optical atmosphere is deduced independently. In addition, taking use of rearrangement of the calculating order, a fast adding method is developed. (2) The four-stream methods were limited in solar wavelength. Now, by approximating the Planck functions exponentially in optical depth, a generalized four stream method, not only for solar but also at infrared wavelength, are obtained, such as quadrature, iososector and spherical harmonic four-stream method. (3) The adding-doubling method is deduced into infrared radiation, and a new source function, which has a liner dependent with the zenith angle, is developed. It differs from Toon et al's (1989) one, which has fixed direction. (4) Based on invariance principle, three kinds of two-stream dding method are strictly demonstrated. Also, the deducing for multiple scattering in planetary problem is give out in completely different way. As to the light scattering, many methods, subject to forward and backward, are developed, some based on variance separate method; some in high energy approximation supported by quantum scattering theory. (1) The equivalent expansions of fields are proposed by use of the first kinds of Bessel function and the first kinds of Hankel function. Various calculations and tests show that this algorithm is efficient, numerically stable and accurate for a large range of size parameters and refractive indices. (2) Five different kinds approximations were constructed to calculate the forward and backward scattering efficiency. Those are new and different from early ones. In the third part, a radiation transfer model is designed in the ultravolet. The adding method for the first time is used to calculate the surface flux and ozone photolysis profile on Tibetan plateau. |
| 英文关键词 | Atmospheric radiation physical solution of RTE internal mixture light scattering by particles quantum scattering theory |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源机构 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/286363 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨文. 地球大气中辐射传输与粒子光散射相互作用的研究[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,2004. |
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