气溶胶表面粗糙对其光学特性影响研究

Surface roughness, a fundamental characteristic for atmospheric particles, is essential for studying atmospheric radiative transfer. The information of surface roughness is also helpful for understanding the microphysical mechanism of atmospheric particles’ growth. So it is quite important to define an appropriate particle morphology model for simulating optical properties of atmospheric particles. This project presents a dynamic stochastic parameterization approach based on discrete differential geometry theory and stochastic partial differential equations to generate particle surface roughness. Our previous results have shown that surface roughness effects on ice particles are significant, smoothening the phase function and weakening the backscattering enhancement. This projects focus on surface roughness impacts on scattering properties of atmospheric aerosols. A comparison will be made between simulation results and laboratory measurements. Furthermore, we propose a new Monte Carlo radiative transfer scheme based on the Metropolis algorithm and discuss its potential applications.

表面粗糙在大气微观粒子中是一种普遍现象，在电磁辐射传输中起到重要作用。 透过研究表面的粗糙信息，有助于扩展我们对大气粒子的形成演化的微物理过程的了解。因此合理的确定粒子形状模型对于模拟微观粒子的光学特性非常重要。本项目应用随机偏微分方程和离散微分几何方法来产气溶胶粒子的几何形态模型，以此为基础研究气溶胶粒子的光学散射特性 。我们应用体积分T矩阵方法求解粒子的光学散射特性。我们的前期研究工作已经表明大气冰晶粒子的粗糙表面对于其散射性质作用明显，例如表面粗糙使散射相函数更平滑并减弱背向散射。本项目计划进一步深入讨论粗糙表面对大气气溶胶粒子的光散射效应。模拟结果还将与已有实验结果进行对照。此外，研究内容还将深入探索基于Metropolis算法的蒙特卡洛方法及其在气溶胶介质多次散射方面的应用。

表面粗糙对于气溶胶光学特性和辐射效应的影响目前研究较少，很多方面尚不十分清楚。气溶胶表面的粗糙信息对于了解大气粒子的形成演化的微物理过程可能具有较大的作用。准确合理的气溶胶几何形态模型对于模拟气溶胶的辐射效应等都具有一定意义。本项目应用离散微分几何的理论和方法对气溶胶粗糙表面的几何形态进行精确建模，并以此为基础研究气溶胶粒子光学散射特性和辐射传输效应。我们应用不变嵌入T矩阵方法以及时域伪谱方法模拟了粗糙表面气溶胶的光学散射特性。同时，我们提出使用压缩感知和球面斐波那契点等方法来提高光学散射模拟算法的计算效率和精度。此外，我们仔细分析了蒙特卡洛辐射传输方法，针对散射相函数的抽样问题进行研究，改进了相函数的抽样方法。基于混合重要性抽样方法，我们还提出一种带导引的蒙特卡洛辐射传输方法，其可用于光厚介质的辐射传输模拟。本项目较为深入地研究粗糙表面对大气气溶胶粒子的单散射和多次散射效应，并改进了相关光学散射和蒙特卡洛辐射传输计算方法。