氣溶膠粒子光學(xué)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究及輻射傳輸?shù)臄?shù)值模擬.pdf

1、氣溶膠粒子廣泛存在于自然界中,如塵埃、煙粒、微生物、植物的孢子和花粉等,氣溶膠粒子不僅影響人類的健康,還可以導(dǎo)致天氣和氣候的變化。氣溶膠粒子對來自太陽短波輻射和地球的長波輻射產(chǎn)生吸收和散射作用,從而影響地-氣系統(tǒng)的輻射能量平衡。因此,氣溶膠粒子輻射問題的研究對大氣光學(xué)、大氣輻射學(xué)、氣候?qū)W、環(huán)境醫(yī)學(xué)及生態(tài)學(xué)等學(xué)科來說,都有重要意義。在此背景下,本文開展了含氣溶膠粒子介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸理論及數(shù)值求解方法的研究;探討了準(zhǔn)直光入射和漫射光入射時(shí)氣溶

2、膠粒子系的紅外光譜透射特性;并在此基礎(chǔ)上建立了氣溶膠粒子光學(xué)常數(shù)反演模型,即通過實(shí)驗(yàn)測量得到氣溶膠粒子系的紅外透射率,然后結(jié)合Mie理論和K-K關(guān)系式反演得到氣溶膠粒子的等效光學(xué)常數(shù);最后,針對典型的氣溶膠粒子系—云層計(jì)算了其紅外輻射特性。
　　首先,建立了求解二維線性各向異性散射參與性介質(zhì)內(nèi)輻射換熱問題的積分方程有限元法模型。模擬了各向異性散射介質(zhì)在規(guī)則形狀和非規(guī)則形狀幾何體的輻射傳輸,考察了散射相函數(shù)、反照率和壁面發(fā)射率對邊界

3、出射輻射強(qiáng)度及熱流的影響。對于復(fù)雜的各向異性散射問題,在詳細(xì)分析二維球諧函數(shù)法(1P和3P近似)的基礎(chǔ)上,建立了基于1P和3P近似的球諧函數(shù)有限差分模型。在進(jìn)一步的研究中,將1P與有限元法結(jié)合發(fā)展了球諧函數(shù)有限元法,并將球諧函數(shù)有限元法推廣應(yīng)用于求解二維非規(guī)則參與性介質(zhì)的輻射換熱問題。
　　其次,基于完整的輻射傳輸方程建立了準(zhǔn)直光入射和漫射光入射時(shí)氣溶膠粒子系紅外透射特性的計(jì)算模型。在1P近似基礎(chǔ)上發(fā)展了求解氣溶膠粒子系紅外透射特

4、性計(jì)算的MDA法,并對氣溶膠粒子系紅外透射特性的影響因素(如粒子粒徑、粒子形狀、粒子濃度、粒子層厚度,探測角度)進(jìn)行研究。通過研究獲得了探測波段為3-5μm和8-12μm時(shí)水霧粒子紅外隱身的最佳粒徑。
　　基于以上分析,建立反演氣溶膠粒子光學(xué)常數(shù)的透射法模型,即實(shí)驗(yàn)測量氣溶膠粒子粒子系的紅外透射率,然后結(jié)合Mie理論和K-K關(guān)系式反演氣溶膠粒子的光學(xué)常數(shù)。實(shí)驗(yàn)測得多種粒子按不同體積百分比混合而成的混合粒子系的紅外光譜透射率,然后將

5、所測得的紅外光譜透射率帶入到反演模型中得到混合粒子的等效光學(xué)常數(shù),結(jié)果表明混合粒子的等效光學(xué)常數(shù)介于各組分的光學(xué)常數(shù)之間。將有效介質(zhì)理論計(jì)算結(jié)果與反演結(jié)果進(jìn)行比較,有效介質(zhì)理論的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)反演結(jié)果之間有一定的偏差,該偏差與各組分的體積比及混合方式有關(guān)。此外,對哈爾濱地區(qū)收集得到的氣溶膠粒子,開展了等效光學(xué)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明哈爾濱地區(qū)氣溶膠粒子的等效光學(xué)常數(shù)實(shí)部在1.45和1.7之間,而虛部在0和0.3之間。
　　針對典型

6、的氣溶膠粒子系-云層,依據(jù)第四章和第五章的計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果分別計(jì)算了含有不同類型氣溶膠粒子的五種水云的輻射特性和紅外透射特性,上述的五種水云分別為潔凈水云、含有鄉(xiāng)村型氣溶膠粒子的水云、含有城市型氣溶膠粒子的水云、含有哈爾濱地區(qū)氣溶膠粒子的水云和沙塵暴天氣時(shí)含有哈爾濱地區(qū)氣溶膠粒子的水云。計(jì)算波長范圍分別為3-5μm和8-12μm。
　　通過本文的研究,豐富和發(fā)展了輻射傳輸?shù)臄?shù)值計(jì)算方法;同時(shí)對氣溶膠粒子系的紅外輻射特性和透射特性