[发明专利]基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法及系统

说明书

本发明提供一种基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法及系统，其中的方法是把光子传输过程分解为发射、吸收、散射和反射等一系列子过程，通过建立每个子过程的概率模型，将其转化为随机问题来求解。通过本发明能够较为准确地对大气气溶胶多次散射过程进行模拟，从而有助于进一步提高在高颗粒物浓度条件下的大气辐射传输计算精度。

技术领域

本发明涉及卫星大气遥感技术领域，更为具体地，涉及一种基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法及系统。

背景技术

随着我国工业的快速发展，污染物排放和城市悬浮物的大量增加使得部分地区发生灰霾天气的频率迅速增加，这种高气溶胶颗粒物浓度的大气不仅影响了空气质量、能见度以及人体健康，还加剧了大气的多次散射效应。因此，准确模拟气溶胶的多次散射过程是计算大气辐射传输精度的前提保证。

大气辐射传输是一门涵盖天文物理、应用光学和物理、行星空间科学与大气科学的既古老又获得蓬勃发展的综合学科。现有的计算大气辐射传输的方法有逐次散射法、球谐函数方法、离散纵坐标法、倍加-累加法、二通量法、四通量法、四流近似解等。

离散纵坐标法，是将辐射强度在空间方向上的变化进行离散，并且假设空间某一立体角内辐射强度是一个定值，从而将涉及角度离散的复杂积分形式或者积分-微分形式的辐射传输方程简化为简单的微分或者偏微分形式的线性微分方程。离散纵坐标法可以很好地使辐射传输方程与其它输运方程进行耦合求解、以及可以很方便的处理各向异性散射等。

倍加-累加法，是已知两个介质层的反射和透射性质，根据两层总的反射和透射性质通过两层之间的连续反射过程得到大气辐射传输方程。对于一个厚的均匀层，可以将其划分为2n个完全形同的薄层，通过倍加法可以迅速的获得整层的反射和透射性质。

球谐函数方法与离散纵坐标法类似，其是将辐射传输方程离散化，不同点在于该方法将辐射强度展开成球谐函数。球谐函数的二流形式即为Eddington近似。

逐次散射法，是通过迭代的方式求解辐射传输问题。理论上，逐次散射法不仅可以用于平行大气，而且也可用于各种不均匀结构。

多通量理论可导出简洁准确的公式，计算简单并保证精度，常用于求解输运问题。在四通量理论中用前向和反向流动的准直射束以及前向和反向流动的扩散通量共四个量来代表强度流。

虽然上述计算大气辐射传输的算法都各有优点，但在解决一些复杂几何形状的辐射传输问题方面还是存在一定的局限性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法及系统，以解决一些复杂几何形状的大气辐射传输问题。

根据本发明的一个方面，提供一种基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，包括：

初始化光子权重、光子在大气顶层的随机位置和发射方向；

抽样获取光子在发生下一次碰撞前在大气中的传输距离；

根据所获取的传输距离和气溶胶散射参数库中的消光系数获取光子在物理空间中的传输距离，并根据所获取的光子在物理空间中的传输距离确定光子是否发生碰撞，气溶胶散射参数库中的参数包含每种气溶胶组分的散射相函数、单次散射反照率和消光系数；其中，

在光子发生碰撞时，根据光子的碰撞类型确定经过碰撞后的光子的新权重；其中，光子的碰撞类型包括散射碰撞和地表反射碰撞；

将光子的新权重与预设阈值进行比较；其中，

在光子的新权重不小于预设阈值时，计算光子发生碰撞后的新的传输方向，并重新抽样获取光子在发生下一次碰撞前在大气中的传输距离；

在光子的新权重小于预设阈值或者光子未发生碰撞时，将追踪的光子个数与预设的光子个数进行比较；其中，