三维云场中光散射特征及其动态变化规律

云是悬浮在空气中的液滴和冰晶的聚集体，在大气辐射传输和全球水循环中扮演着重要角色。云中辐射传输过程、云体内部物理光学特性的分布以及三维云场中的光散射特征及其路径动态变化是迄今仍然没有解决的科学难题。针对上述问题，本项目拟采用较为先进的室内（水槽数值仿真）和外场（地基和空基雷达）观测相结合的探测手段，依据现有云物理学、云光学、小粒子光散射、辐射传输和随机介质中波的传播理论和实验结果，研究云的类型、相态、内部垂直分层结构和分解模式以及三维云辐射传输模式；定量刻画云体内部的辐射传输过程与云体垂直剖面场物理光学特性演化之间的关系；进而分析云包对辐射传输的影响；力图构造以云辐射为中心概念的光子路径分布，获取三维云场中光散射特征的时/空变化规律。深入阐释光、云场（云粒子）之间耦合过程与动态变化机理，为云场中的辐射传输理论的发展作出贡献，同时也为空中目标识别提供科学依据。

云是悬浮在空气中的液滴和冰晶的聚集体，在大气辐射传输和全球水循环中扮演着重要角色。云对地气系统的辐射场将起两种完全相反的作用。一方面，它们反射很大部分的入射太阳通量；而另一方面，它们又捕获云下的大气和地表发射的出射热红外辐射。云的太阳反射率效应和红外温室效应之间的竞争决定了地球表面将是冷却还是增暖。云中辐射传输、云体内部物理光学特性的分布以及三维云场中的光散射特征及其路径动态变化是迄今仍然没有解决的科学难题。针对上述问题，拟采用较为先进的室内（水槽数值仿真）和外场（激光雷达）观测相结合的探测手段，依据现有云物理学、云光学、小粒子光散射、辐射传输和随机介质中波的传播理论，研究云的类型、相态、内部垂直分层结构和分解模式以及三维云辐射传输模式；定量刻画云体内部的辐射传输过程与云垂直剖面物理光学特性演化之间的关系；力图构造以云辐射为中心概念的光子路径分布，获取云的光散射特征的时/空变化规律。本项目完成了室内水槽试验和外场大气光学参数探测实验；获得了30G左右的观测数据，在此基础上针对云光散射的特征及辐射传输机制进行研究。绘出了实验观测期间，水云、冰云云体及气溶胶的光学特性剖面图时间演化图谱，建立了云体内部的多次散射激光雷达传输方程，并对不同种类的气溶胶的光学特性进行数值仿真，还计算得到了层云（清洁型、污染型、海洋型）和积云（陆地和海洋型）等5种相态云类型的云粒子光学特性随波长的变化特征，具体包括云的光学厚度、散射系数、消光系数、吸收系数、单次散射反照率、雷达比、不对称因子和散射相函数等。根据水槽模拟实验，获取了激光照射条件下粒子浓度分布光学影像，看到了粒子浓度变化对光波强度的影响特征。本项工作将为深入理解辐射-云-气溶胶之间相互作用的过程与机理、目标识别及其在气候和环境效应中所扮演的角色提供重要的科学参考。