[發明專利]一種模擬冰晶粒子的光散射特性的方法

有效

• 申請號: 201910711207.2
• 申請日: 2019-08-01
• 公開（公告）號: CN110455689B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 胡斯勒圖;偉樂斯;尚華哲;馬潤
• 申請（專利權）人: 中國科學院遙感與數字地球研究所
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/06;G01B11/06;G01N21/47
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 馬驥;南霆

本申請公開了一種模擬冰晶粒子的光散射特性的方法，解決了現有技術不考慮冰晶粒子內氣泡和雜質導致反演精度不夠的問題。構建冰晶粒子模型；在模型中隨機添加氣泡和或雜質模型、調節氣泡和雜質模型的電導率及折射率；用幾何光學近似方法散射程序計算出散射向函數及散射矩陣；用RSTAR輻射傳輸模式計算衛星傳感器的吸收通道和非吸收通道輻射值，云光學厚度和冰云粒子有效半徑；將吸收通道和非吸收通道的輻射值、云光學厚度、冰云粒子有效半徑、水云粒子有效半徑構建查找表；用衛星觀測的輻射值通過查找表計算出云光學厚度和云粒子有效半徑。本申請方法顯著提高了云粒子有效半徑和云光學厚度的反演精度。

技術領域

本申請涉及大氣遙感領域，尤其涉及一種模擬冰晶粒子的光散射特性的方法。

背景技術

冰云覆蓋著地球表面的30％-40％，是研究大氣輻射收支和云-氣候反饋的重要觀測因素。氣候模型模擬和衛星遙感反演技術對于闡明氣候系統中冰云的輻射和光學特性是非常有效的一種方法。第一個基于航天器的國際衛星云-氣候學項目(ISCCP)的區域實驗(FIRE)和國際卷云實驗(ICE)已經證明冰云主要由非球形冰晶組成。它們不同于，由球形顆粒組成的溫水云滴。洛倫茲-米理論明確地描述了球形粒子在暖水云中的單散射特性。利用傳感器數據、球形粒子的單次散射特性和輻射傳輸程序可反演云的光學特性和微物理特性如，光學深度、有效粒子尺度等。與球形粒子不同，非球形冰晶的單次散射特性是由幾個復雜的數值光散射算法決定的。

常用于計算冰晶粒子單次散射特性的方法有幾何光學近似法(GOA)、改進的幾何光學方法IGOM、限差分時域(FDTD)方法、邊界元法與T矩陣法等。在大氣測量、環境檢測等諸多領域要求對微粒子的形狀、濃度、光學特性及尺寸分析進行快速準確的測量。作為微粒子光散射研究中的一種近似算法，幾何光學近似方法(geomertical-optics approximation，簡稱GOA)具有快速，程序結構簡單等優點，在計算大尺寸和非均勻粒子的散射強度時尤為明顯。但現有技術中使用幾何光學近似法不考慮冰晶粒子中有氣泡和雜質的情況，導致云粒子有效半徑和云光學厚度的反演精度不夠。

發明內容

本申請實施例提供一種模擬冰晶粒子的光散射特性的方法，解決了現有技術不考慮冰晶粒子內氣泡和雜質導致反演精度不夠的問題。

本申請提出一種模擬冰晶粒子的光散射特性的方法，包括以下步驟：

構建冰晶粒子模型；

在冰晶粒子模型中隨機添加氣泡和或雜質模型、調節氣泡和雜質模型的電導率及折射率；

所述添加氣泡和或雜質模型，是將氣泡和雜質模型當做冰晶粒子，修改其電導率和折射率，所述氣泡模型的電導率和折射率設置為空氣的電導率和折射率，所述雜質模型的電導率設置為冰晶粒子模型電導率的2-5倍，折射率設置為0；

用幾何光學近似方法散射程序計算出散射向函數及散射矩陣；

所述幾何光學近似方法的參數為冰晶粒子模型參數，所述冰晶粒子模型參數包括：有效粒子半徑、尺度參數和長寬比例參數；

用RSTAR輻射傳輸模式計算衛星傳感器的吸收通道和非吸收通道輻射值，云光學厚度和冰云粒子有效半徑；

將吸收通道和非吸收通道的輻射值、云光學厚度、冰云粒子有效半徑、水云粒子有效半徑構建查找表；

用衛星觀測的輻射值通過查找表計算出云光學厚度和云粒子有效半徑。

進一步地，所述不同形狀的冰晶粒子包含：實心柱狀粒子(Solid cloumn)、板狀粒子(plates)、回轉體粒子(spheroid)、子彈玫瑰花粒子(Bullet Rosette)和球狀粒子(sphere)等。

進一步地，所述氣泡和雜質模型的大小小于冰晶粒子。

優選地，所述氣泡和或雜質模型的數目分別為隨機1-10個。