[发明专利]一种模拟冰晶粒子的光散射特性的方法

说明书

本申请公开了一种模拟冰晶粒子的光散射特性的方法，解决了现有技术不考虑冰晶粒子内气泡和杂质导致反演精度不够的问题。构建冰晶粒子模型；在模型中随机添加气泡和或杂质模型、调节气泡和杂质模型的电导率及折射率；用几何光学近似方法散射程序计算出散射向函数及散射矩阵；用RSTAR辐射传输模式计算卫星传感器的吸收通道和非吸收通道辐射值，云光学厚度和冰云粒子有效半径；将吸收通道和非吸收通道的辐射值、云光学厚度、冰云粒子有效半径、水云粒子有效半径构建查找表；用卫星观测的辐射值通过查找表计算出云光学厚度和云粒子有效半径。本申请方法显著提高了云粒子有效半径和云光学厚度的反演精度。

技术领域

本申请涉及大气遥感领域，尤其涉及一种模拟冰晶粒子的光散射特性的方法。

背景技术

冰云覆盖着地球表面的30％-40％，是研究大气辐射收支和云-气候反馈的重要观测因素。气候模型模拟和卫星遥感反演技术对于阐明气候系统中冰云的辐射和光学特性是非常有效的一种方法。第一个基于航天器的国际卫星云-气候学项目(ISCCP)的区域实验(FIRE)和国际卷云实验(ICE)已经证明冰云主要由非球形冰晶组成。它们不同于，由球形颗粒组成的温水云滴。洛伦兹-米理论明确地描述了球形粒子在暖水云中的单散射特性。利用传感器数据、球形粒子的单次散射特性和辐射传输程序可反演云的光学特性和微物理特性如，光学深度、有效粒子尺度等。与球形粒子不同，非球形冰晶的单次散射特性是由几个复杂的数值光散射算法决定的。

常用于计算冰晶粒子单次散射特性的方法有几何光学近似法(GOA)、改进的几何光学方法IGOM、限差分时域(FDTD)方法、边界元法与T矩阵法等。在大气测量、环境检测等诸多领域要求对微粒子的形状、浓度、光学特性及尺寸分析进行快速准确的测量。作为微粒子光散射研究中的一种近似算法，几何光学近似方法(geomertical-optics approximation，简称GOA)具有快速，程序结构简单等优点，在计算大尺寸和非均匀粒子的散射强度时尤为明显。但现有技术中使用几何光学近似法不考虑冰晶粒子中有气泡和杂质的情况，导致云粒子有效半径和云光学厚度的反演精度不够。

发明内容

本申请实施例提供一种模拟冰晶粒子的光散射特性的方法，解决了现有技术不考虑冰晶粒子内气泡和杂质导致反演精度不够的问题。

本申请提出一种模拟冰晶粒子的光散射特性的方法，包括以下步骤：

构建冰晶粒子模型；

在冰晶粒子模型中随机添加气泡和或杂质模型、调节气泡和杂质模型的电导率及折射率；

所述添加气泡和或杂质模型，是将气泡和杂质模型当做冰晶粒子，修改其电导率和折射率，所述气泡模型的电导率和折射率设置为空气的电导率和折射率，所述杂质模型的电导率设置为冰晶粒子模型电导率的2-5倍，折射率设置为0；

用几何光学近似方法散射程序计算出散射向函数及散射矩阵；

所述几何光学近似方法的参数为冰晶粒子模型参数，所述冰晶粒子模型参数包括：有效粒子半径、尺度参数和长宽比例参数；

用RSTAR辐射传输模式计算卫星传感器的吸收通道和非吸收通道辐射值，云光学厚度和冰云粒子有效半径；

将吸收通道和非吸收通道的辐射值、云光学厚度、冰云粒子有效半径、水云粒子有效半径构建查找表；

用卫星观测的辐射值通过查找表计算出云光学厚度和云粒子有效半径。

进一步地，所述不同形状的冰晶粒子包含：实心柱状粒子(Solid cloumn)、板状粒子(plates)、回转体粒子(spheroid)、子弹玫瑰花粒子(Bullet Rosette)和球状粒子(sphere)等。

进一步地，所述气泡和杂质模型的大小小于冰晶粒子。

优选地，所述气泡和或杂质模型的数目分别为随机1-10个。