含典型氣溶膠粒子的大氣輻射傳輸與反演.pdf

1、氣溶膠是大氣輻射平衡的主要影響因素之一,可以對地氣輻射平衡系統(tǒng)產(chǎn)生直接和間接的效應(yīng)。在過去的100多年時間里,大氣中二氧化碳含量因人類活動增加了25％,地球表面溫度在全球范圍內(nèi)增加了1K左右。在全球范圍內(nèi),由氣溶膠引起的溫度降低可部分地抵消由溫室氣體引起的大氣溫度上升。而氣溶膠成因的復(fù)雜性,及其在大氣中較為短暫的存在周期,會導(dǎo)致其性質(zhì)隨時間和空間明顯變化,進(jìn)而對其系統(tǒng)觀測產(chǎn)生較大影響。因此目前尚缺乏足夠數(shù)據(jù),對氣溶膠的種類、分布變化所導(dǎo)

2、致的全球或局部氣候系統(tǒng)變化進(jìn)行準(zhǔn)確分析。
　　因此,研究大氣氣溶膠的幾何特性(粒徑,濃度,分布)、輻射特性及其在大氣中的輻射傳輸,建立氣溶膠粒子的種類識別機制及典型氣溶膠粒子的特征信息,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
　　本文構(gòu)建了基于SPSO算法的氣溶膠物性反演模型;發(fā)展了求解一維介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸?shù)娜我怆A球諧函數(shù)法,在此基礎(chǔ)上建立了多層各向異性散射性介質(zhì)中的輻射換熱模型;結(jié)合HITRAN數(shù)據(jù)庫中計算獲得的標(biāo)準(zhǔn)大氣物性參數(shù),建

3、立了一維大氣輻射計算模型;使用AERONET觀測數(shù)據(jù),研究了典型的氣溶膠現(xiàn)象,分析了不同種類氣溶膠的輻射強迫作用。為氣溶膠特性獲取、種類識別機制的研究,提供了理論依據(jù)、求解思路及技術(shù)支撐。
　　主要研究內(nèi)容包括以下四個方面。
　　(1)基于隨機微粒群(SPSO)算法,建立氣溶膠粒子粒徑分布反演模型,通過加入測量誤差等分析了反演模型的魯棒性、單值性。比較了幾種粒徑分布函數(shù)的反演效率,利用AERONET上獲得的氣溶膠光譜光學(xué)厚度

4、,對典型地區(qū)的氣溶膠粒徑分布進(jìn)行了反演,結(jié)果表明:當(dāng)氣溶膠物性參數(shù)選擇合理時,可以較為準(zhǔn)確的獲得該地區(qū)氣溶膠粒子粒徑分布。
　　(2)針對不同界面光學(xué)特性(不透明界面、半透明界面)、非均勻介質(zhì)、變折射率介質(zhì),發(fā)展了具有任意階展開精度的一維球諧函數(shù)法。通過與理論解、數(shù)值方法(MCM、RTNAM等)的比較,驗證了本文所建立的任意階PN近似法的計算精度。結(jié)果表明,所建立的PN近似法在光學(xué)薄的情況下也具有很高精度,克服了以往低階近似的缺陷

5、;對強非線性各向異性散射介質(zhì),當(dāng)展開階數(shù)大于散射相函數(shù)階數(shù)時,PN近似法可以獲得理想結(jié)果。使用該方法考察了一維半透明各向異性散射介質(zhì)模型中的介質(zhì)內(nèi)溫度場、輻射熱流密度場以及壁面輻射特性等。
　　(3)建立了上界面半透明、下界面不透明的一維大氣輻射傳輸模型,計算分析了上下界面特性、大氣濕度、氣溶膠種類等對大氣輻射傳輸?shù)挠绊?。結(jié)果表明:太陽入射發(fā)生變化時,對整個大氣溫度場影響較大;大氣濕度降低時,逃逸至太空的地面輻射能增加,而濕度增加

6、時,大氣吸收能力的增強并不明顯;沙塵、海洋、水溶性氣溶膠粒子等對大氣吸收為負(fù)影響,而煤煙粒子則可增加大氣的吸收。
　　(4)使用建立的氣溶膠粒子反演模型及大氣輻射傳輸模型,通過對AERONET上氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)的分析,對火山噴發(fā)、沙塵天氣、煤煙粒子及海洋性氣溶膠的輻射強迫進(jìn)行了計算分析。提出了相對光學(xué)厚度的概念,結(jié)合有效介質(zhì)理論,對火山噴發(fā)、沙塵天氣、冬季城市取暖等不同成分、或混合型的氣溶膠粒子進(jìn)行了有效識別,建立了氣溶膠粒子粒