大气粒子的存在形态对其辐射特性的影响研究

地球大气中包含大量质地非均匀、形状不规则的粒子。如何辨识和评价这些大气粒子的存在形态对其辐射特性的影响，是当前国际粒子光散射与大气辐射传输研究中最具挑战性的难题之一，不但具有重要的科学意义，而且在卫星遥感等相关领域也有广泛的应用前景。本项目拟从各类气溶胶和云资料集中分析提炼出有统计意义和代表性的粒子尺度、形态、折射指数等基本特征；阐明粒子边缘效应机理及其吸收贡献，建立完整的以Bridging Technique为核心可计算任意形状粒子光散射特性的算法体系；揭示粒子光学厚度、单次散射比、散射相函数的形态敏感性与依赖性，探索非球形粒子不对称因子的解析算式以及尺度谱分布的反演技术；研究气溶胶光学性质的分类和参数化方案，改进并优化辐射过程中天顶角积分与散射相函数展开等算法，发展基于解析源函数-统一四流近似的新一代大气辐射传输模式，从而为准确预估气溶胶和云的辐射气候效应等需求提供快捷可信的计算平台。

地球大气中包含大量质地非均匀、形状不规则的粒子。如何辨识和评价这些大气粒子的存在形态对其辐射特性的影响，是当前国际粒子光散射与大气辐射传输研究中最具挑战性的难题之一，不但具有重要的科学意义，而且在卫星遥感等相关领域也有广泛的应用前景。本项目就以上问题开展了研究，主要的新结果如下：.1） 提出了非球形粒子尺度分布反演的解析变换技术 .我们发现（a）就所考虑的每种非球形粒子(包括椭球，长方体，三角柱体，六角柱体，椭圆柱体)，而言，尺度分布和消光谱之间存在一个ADT变换，这有助于我们理解反问题的物理本质。 ADT变换对将有助于寻找有更复杂的形状粒子的反演解；（b）带吸收的反演问题，可以简化为一个特定的无吸收的反演问题；（c）非球形度和方向性的影响不可分离；（d）由于标度变换关系（分别对于椭球体，三角柱体，椭圆柱体），反演的PSD和真实的PSD一般都属于一个函数族，因此，选择不当反演参数并不会对反演的PSD模态产生影响；（e）在某种给定的反演精度下，实施积分所需的最短应测量波长与最小可反演粒径成正比。.2） 提出了计算不规则形状粒子Fraunhofer衍射的新公式.借助于标量Kirchhoff理论，推导出了关于衍射的3种新的相互等价的1D围线积分形式，直接摆脱了通常2D面积分中繁琐的区域划分的束缚。在此基础上求得了投影截面为任意多角形的粒子的Fraunhofer衍射的解析公式。.3） 提出了处理天顶角积分的漫射因子的一种新的高精度解析公式.基于Bridging Technique，提出了漫射因子的一种新的高精度解析公式,可适用于任意大小的光学厚度，优于之前国际上所有其他方案。对大气活性气体CO2, O3, 与H2O的主要红外光谱区的通量与冷却率的一维辐射计算表明,新方法在计算精度与计算效率二者之间实现了平衡。因此，它可以用来升级辐射传输模式中通常所用的常数漫射因子1.66设置以提高辐射通量计算的精确性。