一类混合T矩阵算法的研制用于研究多成分气溶胶的光学特性

Primarily due to human activities and industry development, atmospheric aerosols often have complex physical properties in terms of their morphologies, sizes, and chemical compositions. Efficient and accurate computation of the scattering and absorption properties of mixed aerosols has long been recognized as a challenging research task in relevant atmospheric remote sensing and aerosol radiative effect studies. The goal of this proposal is to develop a new hybrid T-matrix technique in order to circumvent the shortcomings of available numerical techniques to compute the single-scattering properties of mixed aerosols, and investigate the complex relationship between the optical properties of aerosols and the characteristics of the particles including their sizes, morphologies and refractive indices. One major task of this proposed research will be using the new technique to compute the backscattering optical properties of mixed aerosols in order to support active Lidar remote sensing of atmospheric aerosols. The orther task is to develop optimal mixed aerosol models for use in atmospheric radiative transfer models to study the aerosol radiative effect. We will focus on examining the uncertainties and the applicability of the spherical approximation, the coated sphere approximation, and the effective medium theory.

由于人类活动和工业发展对大气环境的影响，大气气溶胶具有复杂的物理化学特征（形状、大小和化学成分)。 快速并准确地计算混合气溶胶的光散射和吸收特性，仍然是相关大气遥感和气溶胶辐射效应研究中所面临的重要难题之一。本课题将发展一类新的混合T矩阵电磁散射技术，有效结合不变嵌入原理和场叠加原理，克服传统数值技术中的缺陷，从而实现多成分气溶胶颗粒光学特性的快速和准确计算，揭示出光学特性与颗粒物形状、大小和化学成分之间的复杂函数关系。本课题的一个侧重点是计算气溶胶背向散射特性，为大气激光雷达探测技术的发展提供理论基础分析和数值模拟；另外一个侧重点是在新散射技术的基础上，建立优化的多种混合气溶胶模型，用于大气辐射传输模式中研究气溶胶的微观物理属性的表征对辐射强迫计算的影响，并检验均匀球模型、层状球模型和传统半经验数值方法（特别是有效折射指数方法）的合理性。

大气辐射传输、环境遥感和气溶胶的气候效应均需要深入研究气溶胶光学特性。然而，大气气溶胶复杂的物理化学特征给准确研究其光学特性带来了很大困难。首先，非球形和多成分混合气溶胶的光散射特性计算需要快速准确的电磁散射数值技术。其次，准确的气溶胶光学模式还需要发展先进的气溶胶物理建模方法。本项目在以上两个方面均取得了进展。项目一方面提升了T矩阵电磁散射技术的模拟能力，实现了多种成分气溶胶光散射特性的快速准确计算。另一方面，项目发展了基于超椭球的气溶胶建模方法，建立了典型的气溶胶物理模型（沙尘模型，沙尘-黑碳混合模型和非均匀海盐模型)，并系统地研究了粒子长宽比、圆滑度和混合状态对光学特性的影响。通过理论模拟和实验室测量数据，以及地基和卫星观测资料的对比，项目验证了所建气溶胶模型的合理性及其在主被动遥感和辐射传输中的应用价值。例如，在主动遥感方面，通过理论模拟厘清了沙尘和黑碳气溶胶的混合状态对激光雷达观测量的影响，气溶胶混合导致退偏比减小，雷达比增大。在被动遥感方面，项目系统分析了沙尘天气对大气层顶偏振辐亮度的影响因素，确定了最优的沙尘形貌特征参数。在红外遥感方面，项目发展了新参数化方案，拟补了欧洲数值预报中心快速辐射传输模式RTTOV不能模拟方解石和高龄石吸收特征的缺陷。基于CESM气候模式，项目进一步研究了沙尘和海盐气溶胶的气候效应。研究发现，沙尘气溶胶的短波吸收效应会影响西风急流强弱，从而进一步影响梅雨带的对流性降水量；海盐气溶胶的非均匀性对辐射强迫的影响在近海岸带表现地更加明显。以上研究成果提升了对气溶胶光学特性的认知，有助于理解气溶胶对大气辐射传输的影响及其气候效应。发展的参数集有助于提升遥感精度并纠正大气辐射传输模拟偏差，该数据集已被应用于国家气象局ARMS快速辐射传输模式。