[發明專利]適用于云微物理特性連續變化的輻射傳輸計算方法

有效

• 申請號: 201710831636.4
• 申請日: 2017-09-14
• 公開（公告）號: CN107748733B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 張峰;顏佳任;吳琨;石怡寧;楊全
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;G01N21/47
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮;吳揚帆

本發明涉及適用于云微物理特性連續變化的輻射傳輸計算方法，基于二流近似方案,該方法包括以下步驟：步驟1）將云微物理特性連續變化的輻射通量表示為常數項與擾動項的和；步驟2）根據傳統的二流輻射傳輸方程計算得出的第一輻射通量，并設定第一輻射通量為所述常數項；步驟3）通過微擾法將不對稱因子g和單散射反照率ω參數化的形式代入傳統的二流輻射傳輸強度方程中形成非均勻性引起擾動項方程組，并通過對所述非均勻性引起擾動項方程組求解得到兩個微擾動因子和表示的第二輻射通量；步驟4）對第一輻射通量與第二輻射通量進行求和完成所述云微物理特性連續變化的輻射通量的求解。該方法有效解決氣候模式中云內部光學性質的垂直不均勻問題，從而提高輻射計算精度。

技術領域

本發明屬于云輻射傳輸領域，尤其涉及一種適用于云微物理特性連續變化的輻射傳輸計算方法。

背景技術

云覆蓋了地球面積的50％左右，是地氣系統輻射收支的重要調配者，云在輻射傳輸中扮演十分重要的作用，云大約反射了50W/m²的輻射能量。在氣候模式中，對云輻射傳輸過程的精確計算將在很大程度上影響氣候模擬和預測的結果。IPCC第三次報告^[3]指出當前氣候模式水平發展的關鍵制約因素之一就是云輻射參數化方案，這也是模式不確定性的最主要原因。因此精確計算氣候模式中云的輻射傳輸參數化過程，對準確模擬氣候系統中云-輻射相互作用、改進模式預報都有非常重要的意義。當前的數值模式解決不了云微物理性質在垂直方向上的非均勻問題。云在垂直方向上的變化通常是非常快的，一個云團可能在幾百米內就發生消亡，或是光學性質變化劇烈。然而在現有模式中，模式通常分為若干個均勻模式層，每個模式層內的光學性質都是固定的，這顯然忽略了層結內光學性質的變化。當然，如果模式中的層結數量足夠多，垂直分辨率足夠精細，可以忽略垂直方向非均勻性帶來的輻射傳輸計算誤差。然而現有氣候模式的層數一般在30-100之間^[4]，這顯然還不足以忽略垂直方向上的非均勻問題，增加模式的垂直分別率又會使模式的運算時間大大增加，運算效率大大降低。云微物理特性連續變化的問題，蒙特卡羅方法(Monte Carlo method)能直接模擬這種連續變化的輻射效應，而且可以處理任意介質內的復雜輻射傳輸過程。這種方法可以獲得很高的計算精度，但是需要大量的獨立光子實驗，無疑這樣做是非常耗時的，因此不能直接應用于模式中。

發明內容

本發明目的在于當現有工程項目在執行過程中遇到問題時，提供一種適用于云微物理特性連續變化的輻射傳輸計算方法，具體由以下技術方案實現：

所述適用于云微物理特性連續變化的輻射傳輸計算方法，基于二流近似方案，包括以下步驟：

步驟1)將云微物理特性連續變化的輻射通量表示為常數項與擾動項的和；

步驟2)根據傳統的二流輻射傳輸方程計算得出的第一輻射通量，并設定第一輻射通量為所述常數項；

步驟3)通過微擾法將不對稱因子g和單散射反照率ω參數化的形式代入傳統的二流輻射傳輸強度方程中形成由非均勻性引起的擾動項方程組，并通過對所述非均勻性引起的擾動項方程組求解得到兩個微擾動因子ε_ω和ε_g表示的第二輻射通量；

步驟4)對第一輻射通量與第二輻射通量進行求和完成所述云微物理特性連續變化的輻射通量的求解。

所述適用于云微物理特性連續變化的輻射傳輸計算方法的進一步設計在于，當該方法基于太陽短波輻射時，所述步驟1中的云微物理特性連續變化的輻射通量的表現形式如式(1)：

其中，F_i^±(i＝1,2)為擾動項，為常數項。