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大气中离散随机介质的波传播和散射特性研究

孙贤明  
【摘要】: 本文基于大气辐射传输理论,研究了大气中离散随机介质的波传播和散射特性,主要工作和成果如下: 1.基于洛伦茨-米理论研究了服从一定尺寸分布的球形和多层球形粒子的单次散射特性,计算了各种不同类型云层的消光系数、散射系数、单次散射反照率、单次散射相函数以及不对称因子;利用几何光学方法计算了球形、非球形粒子的单次散射特性;利用T矩阵方法计算了非球形气溶胶的单次散射相矩阵。 2.利用标量辐射传输理论,计算了云层对光波的反射与透射,给出了云层的平面反照率和双向反射函数;讨论了大气云层不同的类型、厚度及液态含水量对阳光散射强度的影响。研究了利用Henyey-Greenstein相函数代替水云相函数,以及利用等效球模型代替冰晶粒子计算云层多次散射的误差问题。利用双层球形粒子模型研究了冰水混合云的反射特性,并讨论了云的异常吸收问题。 3.通过求解矢量辐射传输方程,利用累加法研究了太阳光在云层中传输的极化特性。讨论了云层的光学厚度和有效半径对极化光散射的影响;研究了光波在冰水混合云中传输的极化特性。计算结果表明,在近红外的某些波段上,反射光的极化比强度对云层的微观特性更敏感,因此更有利于遥感,为利用近红外光的极化特性遥感云层的微观特性提供了理论依据。 4.根据降雨融化层的物理特性分析建立了三层球形粒子模型,并用其代替融化的冰雪粒子。根据洛伦茨-米理论计算了降雨融化层的雷达反射率、特征衰减和特征相移。与文献结果比较表明,本文提出的模型是可靠且切合实际的。由于降雨融化层中的粒子为冰、水和空气的结合体,而且从零度层开始粒子的相态是由冰到水逐步变化的,因此其微观特性在垂直方向是连续变化的,本文利用蒙特卡罗方法考虑了电磁波在云层中传输的多次散射问题,并计算了整个融化层的反射率。 5.提出了一种计算光学厚层渐近公式中的函数和常数的新方法。首先利用迭代法求解了Ambartsumian非线性积分方程,得到了光学半无界粒子层的反射函数;利用半无界粒子层的反射函数,求解了逃逸函数、漫射指数、漫射强度等参数,该方法不需要求解粒子层内部的强度,因此具有计算效率高、精确性好的优点。讨论了利用光学厚层渐近公式计算云层散射的精确性。 6.给出了利用观测的多个波长的反射太阳光强来反演云层的光学厚度和有效半径的方法,并详细讨论了其可行性。基于电磁波的极化特性,通过求解矢量辐射传输方程,利用λ=0.7μm(可见光)和λ=3.3μm(近红外)两个波长分别讨论了单独利用观测的反射光强、单独利用观测的反射极化以及结合利用强度与极化反演水凝物气溶胶的光学厚度和有效半径的可行性。结果表明无论是单独利用反射的强度还是极化都无法同时反演出光学厚度和有效半径,但是利用两者的结合可以很好地得到精确解。


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