逐阶优化的快速蒙特卡罗三维云大气辐射传输模式研究

Due to the numerical inefficiency in Monte Carlo radiative transfer in 3D cloudy atmosphere, this project intends to carry out the research in the successive-order scattering optimization methods for fast simulation by theoretical inference and numerical simulation. Firstly we will deduce the mathematical expression of the optimized truncated phase functions and calculate the parameters varying with the particles to optimize the high-order scattering simulation in accordance with the principles of the phase function truncation approximations, then reveal the occurrence laws of the huge variance of local estimation in the low-order scattering simulations using numerical simulation tests and verify the assumptions that the huge variance is produced by the low-order scattering events where the scattering directions near detector directions, thereby develop the successive-order optimized detector directional importance sampling methods using the rare event important sampling theory to avoid producing the huge variance of the local estimation and then improve numerical efficiency. Lastly the project will develop one fast and efficient Monte Carlo radiative transfer model for the highly accurate radiance estimate in realistic and complex cloudy atmosphere over various surfaces to provide the fast and accurate forward modeling supports for 3D cloudy atmospheric microphysical parameters retrieval.

针对蒙特卡罗三维云大气辐射传输模式在遥感反演应用中的数值计算效率瓶颈，本项目拟采用理论推导和数值模拟方法，开展逐阶优化的快速模拟方法的研究。首先由相函数截断基本原则推求最优截断相函数数学表达式及其随粒子变化的参数，优化中高阶散射的数值模拟过程，继而通过数值模拟试验揭示中低阶散射局部估计量巨大方差的形成机制，验证接近探测器方向的低阶后向散射引起局部估计量巨大方差的假设，由此利用稀有事件重点抽样理论建立逐阶优化的探测器方向重点抽样方法，自适应地避免中低阶散射大局部估计量的出现，进而提高数值效率。最终建立一个快速有效的蒙特卡罗三维云大气辐射传输模式，准确模拟各种真实而复杂的云大气和地表条件下的辐射场分布，为遥感反演三维云大气微物理特性提供快速准确的正演模式支持。

随着当今仪器时空分辨率不断提高，遥感研究人员迫切需要快速准确的三维云大气辐射传输模式来解译各种三维云辐射效应，提高云微物理参数反演探测能力。然而，云粒子散射相函数存在巨大前向衍射峰，致使蒙特卡罗辐射传输模式数值效率极其低下，难以广泛应用。为此，本项目通过数学理论推导重建逐阶相函数截断的积分辐射传输核，提出了一种随机阶数匹配抽样算法，突破了当前国际上采用截断方法后无法直接比对各阶辐射量的理论限制，首次实现了逐阶相函数/相矩阵截断方法与探测器方向重点抽样方法的耦合，通过大量云场各阶辐射量数值模拟实验，成功揭示了相函数逐阶截断方法对各阶估计量偏差和方差的影响规律，验证了中低阶散射数值效率低下的假设，进而在此基础上建立了逐阶优化的参数化方案，显著提高了蒙特卡罗的数值模拟效率。本研究还建立了逐阶积分辐射传输理论框架，统一了前向和后向蒙特卡罗辐射传输数值实现算法，同时将逐阶优化算法应用拓广到不同地表和大气介质、辐射源和探测器的模拟场合，利用Fortran 2003 面向对象语言完成了整个蒙特卡罗模式MSCART代码编写工作。通过参与国际IPRT三维云大气偏振辐射传输数值比对实验，成功验证和展示了MSCART的数值模拟偏振辐亮度的准确性和高效性；通过检验模拟雷达多次散射和退偏信号之间的数学关系，初步验证了雷达多次散射退偏信号模拟功能。总之，本项目实现了快速准确模拟三维云大气环境下主被动探测器观测偏振辐亮度信号的目标，开发的MSCART模式也将成为我国未来主被动偏振遥感云大气微物理参数的重要研究工具。