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水云及卷云辐射特性参数化

王小东  
【摘要】: 研究了单粒子散射理论;水云和卷云的光学特性;卷云中冰晶粒子的单次散射特性;辐射传输中相函数的处理。主要使用了Mie理论,有限时域差分法(FDTD),T-MATRIX,Lorzen-Mie等光散射计算方法。得到了下列结论: (1)提出Mie散射前向递推溢出的数学表达式;改进了后向递推的表达式。 (2)利用Mie理论和尺度分布计算了水云的单次散射特性,和资料进行了对比,证明了本文计算方案的可行性。 (3)对水云在可见光波段和红外波段用多项式近似的方法进行了计算,得到计算结果在短波段相对误差小于10%,在红外波段误差小于3%。计算时间可以减少一到两个数量级。 (4)利用已有的传输代码,用组合计算的方式精确计算了六种典型冰晶粒子(空心和实心柱,空间子弹玫瑰花,聚合物,过冷水滴,板状)的单次散射特性,得到了完整的单次散射数据库。每种粒子对应一个数据库文件。每个文件包括65个特征波长(从0.2到99微米),45个尺度范围(从5到9500微米)处的消光效率因子,单次散射反照率,不对称因子, 0°- 180°内498个离散角度处的相函数的值。 (5)精确计算了有效尺度从10微米到180微米,波长从0.4微米到2.2微米的冰云的单次散射特性,也形成了对应的散射数据库。 (6)利用冰水含量和有效尺度,将波长从0.4微米到5微米分成了56个波段,提出了冰云辐射特性参数化公式。并且给出了每个特征波长处的拟合系数的值。 (7)通过对传统的勒让德多项式展开,Delta-M法,δ-fit法三种方法的比较,说明δ-fit法是辐射传输计算中最好的处理相函数的方法。


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