非球形冰晶粒子光散射和甲烷高光谱卫星遥感反演的研究

The scattering property study of nonspherical individual ice crystal particles is a fundamental subject in cirrus atmospheric radiative transfer and remote sensing retrieval research. In this study, (1) The single scattering properties of nonspherical ice crystal particles are studied from a composite method that is based on a combination of the finite difference time domain technique(FDTD), the Amsterdam discrete dipole approximation(ADDA), the T-matrix method, and an improved geometrical optics method(IGOM). The particle size distribution and habit distribution fractional percentage of each ice particle are analyzed, the mean extinction efficiency, mean absorption efficiency, and mean asymmetry factor as functions of effective particle size are computed, respectively. The theory and method of various ice particle scattering is established.(2) The radiative transfer simulation SCIATRAN will be used out to perform the sensitivity analysis of cirrus optical property and the earth surface parameters. (3) New scattering computation methods are studied for the scattering properties of cirrus cloud, and the method for the hyperspectral satellite remote sensing retrieval of atmospheric CH4 column densities from SCIAMACHY data is studied.

非球形冰晶粒子的光散射研究是卷云大气辐射传输和卫星遥感反演应用研究的基础性课题。本研究包括：（1）基于时域有限差分方法（FDTD）、Amsterdam离散偶极子近似（ADDA）、T-matrix方法和改进的几何光学（IGOM）等方法的混合计算，研究各种尺度和形状的非球形冰晶粒子单次散射特性；分析卷云冰晶粒子的谱分布和卷云中各种冰晶粒子的形状分布百分比，计算卷云的平均光散射特性参数，研究适合于各种尺度参数和形状的冰晶粒子散射统一理论；（2）利用辐射传输模型SCIATRAN进行正演模拟计算，开展卷云光特性和地表参数的敏感性分析；（3）开展有卷云情况下卫星遥感甲烷的新反演方法研究，并利用SCIAMACHY、GOSAT数据对算法进行反演试验和验证。探索和研究卷云光散射特性的新计算方法和甲烷高光谱卫星遥感反演技术。

研究卷云短波红外的散射相关的软件有: TMD.lp,FDTD,IGOM,ADDA, OPAC它们的优势各有不同。 其中OPAC可以计算从0.28-40微米之间 67个离散波长的三种模型描述卷云的光学特性的物理量，这些物理量包括消光系数、散射系数、吸收系数、单次散射反照率、不对称因子和光学厚度。. 按照美国Wisconsin大学空间科学和工程中心谱模型数据的分析，对卷云的单次散射特性分三种情形来实现。1）考虑严重粗糙的实柱状冰晶（SC）；2）考虑严重粗糙的混合冰晶(GHM)；3）考虑严重粗糙的实柱状混合冰晶(ASC)。. 在辐射传输软件及其应用方面，利用逐线积分辐射传输模式(LBLRTM)，计算并分析光谱段5800cm-1—6500cm-1 H2O,CO2和CH4分别对大气光谱透过率的影响。 应用sciatran计算并分析CH4吸收带不同冰云光学厚度下大气顶的辐亮度随波长变化。. 辐射传输正演的深入研究中，考虑地点：日本Tsukuba的经纬度（36.1N, 140.1E），时间：2009年9月11日和2010年2月14日，GOSAT对应的TANSO-FTS 短波红外谱与应用sciatran计算的模拟谱进行了比较，得到了有益的结果，但更精准的对比需考虑下垫面的双向反射。. 在考虑了有关辐射传输软件（MODTRAN 和SCIATRAN）中的双向反射分布函数的基础上，对这些函数在正演中的应用作了较详细的陈述并分析了他们对辐亮度计算结果的影响，最后还讨论了上述函数对CO2和CH4反演的修正。