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非球形沙尘气溶胶物理建模和光学特性研究

林武绍  
【摘要】:沙尘气溶胶的光学特性对大气辐射传输和气溶胶定量遥感具有重要影响。在偏振辐射传输和气溶胶偏振遥感中,沙尘粒子的非球形特征及其光学特性参数化是长期以来所面临的难题。本论文针对传统方法特别是椭球沙尘气溶胶模型的局限性,发展了超椭球模型(比椭球模型具有更高的形状自由度),利用不变嵌入T矩阵方法和改进的几何光学方法,系统地研究了超椭球粒子模型的光学特性,并针对非球形粒子光学特性计算的难题发展了椭球消光效率因子的快速算法。为了进一步验证超椭球沙尘气溶胶模式的优越性及其在主/被动偏振遥感中的应用价值,本文开展了如下工作:首先,对阿姆斯特丹光散射数据库中25个沙尘样本的散射相矩阵进行了模拟并与实验测量的相矩阵进行了对比,确定了超椭球粒子的最佳形状参数区间。研究发现,具有凹面特征的(圆滑度参数范围为2.4~3.0)超椭球模型能够模拟出不同沙尘样本的散射相矩阵。相比于椭球模型(圆滑度参数为1.0),超椭球模型不需要考虑极端的横纵比分布,简单的等概率横纵比假设就能够模拟出实验室测量结果。同时,超椭球模型能够更好地模拟出沙尘气溶胶散射相矩阵对入射光波长(441.6 nm和632.8 nm)的依赖性。其次,针对主动偏振遥感应用,系统评估了超椭球形状参数以及折射率对退偏比和雷达比的影响,并与三波长(355nm、532nm、1064nm)高光谱分辨率激光雷达观测对比评估了超椭球模型在激光雷达探测中的应用价值。研究发现雷达比对折射率的虚部十分敏感,随虚部增大而增大。结合模拟分析,推测当前常用的沙尘气溶胶模式高估了沙尘气溶胶在可见光波段的吸收性(如虚部为0.008),这一结论与文献(Di Biagio et al.,2019)中最新沙尘复折射指数测量结果一致。通过模拟结果与激光雷达观测和AERONET(AErosol RObotic NETwork)反演结果的对比,超椭球模型在紫外-可见光波段模拟得到的退偏比明显大于传统椭球的退偏比(约大8%),与观测结果一致。重要的是,超椭球模型模拟的退偏比与激光雷达观测结果均在532nm取极大值,而传统椭球模型的结果呈现单调变化,随波长增加而增大。另外,针对被动偏振遥感应用,系统地评估了超椭球模型对大气层顶辐亮度和偏振辐亮度的影响。利用累加倍加偏振辐射传输方案,对位于三个不同沙尘源区(非洲北部、中东地区和塔克拉玛干沙漠)的15个沙尘事件进行了模拟研究并与PARASOL(Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar)卫星观测结果进行了对比。研究发现,相比于传统椭球模型,超椭球模型模型能够更好地模拟出PARASOL观测的865 nm偏振辐亮度随散射角的变化,最佳超椭球形状参数(圆滑度)为2.6~3.0。值得指出,此最佳形状参数区间与实验室散射相矩阵以及主动遥感后向散射模拟研究所得出的结论相似,在物理上具有自洽性。上述研究表明,超椭球模型在大气偏振辐射传输和气溶胶定量遥感中具有很好的应用前景。


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