[發明專利]一種基于輻射通量密度的三維云層輻射計算方法

在審

• 申請號: 202010129747.2
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111291318A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 張寅;顏灝;閆鈞華;馬俊
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/15
• 分類號: G06F17/15
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種基于輻射通量密度的三維云層輻射計算方法，包括如下步驟：首先利用高斯方向和大氣屬性構建水平輻射通量密度傳輸模型，然后利用愛丁頓近似法和嚴格單次散射計算式計算三維云層基礎輻射場；考慮鄰云輻射效應對水平傳輸方向上的三維云層基礎輻射場的影響，將其分為鄰云影響輻射增強和鄰云影響輻射減弱，計算由鄰云輻射效應影響所產生的水平輻射通量密度變化；將水平輻射通量密度變化映射回高斯方向，再將三維云層基礎輻射場與變化輻射強度結合得到更新后三維云層輻射強度，并由其計算多次散射源函數；結合由初始條件計算的單次散射源函數與熱源函數，得到三維云層輻射源函數。

技術領域

本發明涉及大氣輻射計算領域，尤其是一種基于輻射通量密度的三維云層輻射計算方法。

背景技術

云是自然界中十分復雜的物理現象之一，在大氣輻射傳輸過程中產生著較大的影響。由于云在三維空間內的分布的不均勻性，使得三維云層場景的輻射傳輸問題成為大氣輻射傳輸領域中的難題。為了研究有云大氣中的輻射傳輸問題，需要充分考慮云的三維結構和輻射特性。

三維大氣輻射傳輸的精確計算，相對應的是成本的大幅度提高。其中，三維空間內多次散射的精確計算很大程度上影響著最終計算成本。通常可以通過多次迭代方法求解多次散射源函數，復雜的多次迭代過程勢必會導致較高的成本和較慢的運算速度。因此，合理地簡化多次散射源函數的計算過程來降低所需成本并提高運算速度，成為大氣輻射傳輸領域亟需研究討論的問題。

發明內容

為了解決上述背景技術中的問題，本發明旨在提供一種基于輻射通量密度的三維云層輻射計算方法，能夠在保持較高計算精度的前提下，加快計算三維云層輻射源函數，降低計算成本，并且可以很好地應用于三維多云場景。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于輻射通量密度的三維云層輻射計算方法，包括如下步驟：

(1)利用高斯方向和大氣屬性構建水平輻射通量密度傳輸模型；

(2)利用愛丁頓近似法和嚴格單次散射計算式計算三維云層基礎輻射場；

(3)考慮鄰云輻射效應對水平傳輸方向上的三維云層基礎輻射場的影響，將其分為鄰云影響輻射增強和鄰云影響輻射減弱，計算由鄰云輻射效應影響所產生的水平輻射通量密度變化；

(4)將水平輻射通量密度變化映射回高斯方向，再將三維云層基礎輻射場與變化輻射強度結合得到更新后三維云層輻射強度，并由其計算多次散射源函數；

(5)結合由初始條件計算的單次散射源函數與熱源函數，得到三維云層輻射源函數。

優選的，步驟(1)中，利用高斯方向和大氣屬性構建水平輻射通量密度傳輸模型，具體步驟如下：

(1)將三維云層場景分為所需大小尺度的網格單元，每個單元都有其相鄰的四個單元(如圖2)，利用大氣屬性文件，將大氣屬性根據空間位置存儲在每個單元內；

(2)基于離散坐標下的高斯積分，將三維云層輻射場離散到已設置個數的高斯方向上，且同一方位角的高斯方向總和構成一個“三棱柱”空間(如圖3)；

(3)將高斯方向上的三維云層輻射場映射到水平輻射傳輸方向上。

優選的，步驟(3)中，考慮鄰云輻射效應對水平傳輸方向上的三維云層基礎輻射場的影響，將其分為鄰云影響輻射增強和鄰云影響輻射減弱，具體步驟如下：

(1)基于高斯方向上的由愛丁頓近似法和嚴格單次散射計算式計算得到的三維云層基礎輻射場，將高斯方向上的輻射強度映射到水平輻射通量密度傳輸方向上；

(2)將鄰云輻射效應分為鄰云影響輻射增強和鄰云影響輻射減弱即I⁺(τ；Ω′_ts)和I^-(τ；Ω′_ts)，得到水平輻射通量密度的增強值或減弱值；