大氣粒子(如氣溶膠和冰晶等)的散射特性是大氣輻射傳輸模擬的基本輸入參數,無論是軍事目標識別、氣候數值模擬還是大氣海洋遙感領域,均需要準確的大氣粒子散射參數作為基礎數據集。由于真實大氣粒子形狀不規(guī)則、尺度參數范圍寬、且存在非均質混合的現象,其散射過程模擬仍存在一定不確定性,目前已成為制約輻射傳輸模擬精度的重要因素。因此,非球形大氣粒子散射參數的準確計算已成為大氣輻射學急需解決的問題之一。目前對于尺度參數(x=2πr/λ,r是粒徑,λ是入射光波長)遠小于或遠大于1的非球形粒子,其散射過程可通過Rayleigh近似和幾何光學近似的方法有效模擬;對于尺度參數在0.1~100之間粒子,由于其尺度與入射光波長相當,需要數值求解Maxwell方程或亥姆霍茲方程獲得粒子散射特性,但受求解邊界、計算復雜度和計算穩(wěn)定性等因素的限制,目前尚存在較大困難。目前較成熟的大氣非球形粒子散射模型,如T矩陣法、離散偶極子近似(DDA)和時域有限差分(FDTD)等在適用的尺度參數范圍、粒子形狀及計算復雜度等方面均無法完全滿足實際應用需求。針對這一問題,本文開展了以下五方面的工作:一、改進并自主研制了基于時域偽譜法(PSTD)的大氣非球形粒子散射并行計算模型。推導了針對PSTD模型的ADE-PML吸收邊界,建立了適用于三維PSTD模型的加權總場/散射場技術;針對大氣輻射學需求,推導了粒子散射參數計算模型;基于OpenMP技術實現了模型的并行化設計。經驗證,在復折射率不大的情形下,PSTD散射模型可有效計算寬尺度參數范圍、非球形、非均質大氣粒子的散射特性;加權總場/散射場法可實現入射波的準確、高效引入;ADE-PML邊界的吸收性能優(yōu)于傳統(tǒng)BPML吸收邊界,6層ADE-PML吸收層就能有效抑制電磁波反射現象。PSTD模型具備在粗網格條件下高精度模擬粒子散射過程的能力,但對于復折射率實部偏大的粒子,則需適當提高空間分辨率來保證模型計算精度。經過并行化設計,PSTD模型計算效率得到顯著提高;相比于純散射場技術,加權總場/散射場技術具有更高的計算效率。受限于自身原理,PSTD無法有效模擬大復折射率虛部粒子的散射特性。二、建立了基于時域多分辨技術(MRTD)的光散射并行計算模型。為彌補PSTD散射模型的缺陷,將計算電磁學領域的時域多分辨技術引入至粒子近場電磁場計算,建立了自主的MRTD光散射計算模型。在模型中,推導了適用于MRTD模型的CPML吸收邊界,設計了基于體積積分原理的近遠場外推方案,采用MPI重復非阻塞通信技術實現了模型的并行化設計。結果表明:MRTD散射模型與Lorenz-Mie理論、T矩陣法及DDA等模型的計算結果具有較好一致性;與PSTD模型相比,MRTD模型可有效模擬大復折射率虛部粒子的散射參數。體積積分近遠場外推方案優(yōu)于表面積分方案,更適用于MRTD散射模型。MPI并行計算方案可顯著提高模型計算效率,縮減程序運行時間。三、提出了多尺度粒子的散射參數同步模擬方案。為提高MRTD散射模型計算效率,將信號與系統(tǒng)理論中的傳遞函數思想引入至散射計算過程,提出了多尺度粒子散射參數同步模擬方案(MSCS),在一次模擬過程中實現了多個半徑粒子散射特性的同時計算。在該方案中,入射光設置為寬光譜的脈沖波,不同半徑粒子的散射特性計算被轉化為特定大小粒子在不同波段的散射過程模擬。系統(tǒng)推導并給出了空間網格、時間迭代步長及脈沖波寬度等模型輸入參數的設計方法;驗證了MSCS方案的可行性,分析了空間分辨率對模型計算精度的影響,討論了模型的計算效率。計算結果表明:MSCS方案可在一次計算過程中實現多個尺度粒子散射特性的同步、準確模擬;小粒子散射參數的模擬精度高于大粒子;隨著網格尺寸的減小,粒子散射參數的模擬精度隨之提升,且對于大粒子,其效果更為顯著;MSCS方案可顯著提高MRTD散射模型計算效率。四、自主編寫了不變嵌入T矩陣模型。MRTD和PSTD模型無法高效計算隨機取向粒子的散射特性,相比而言,不變嵌入T矩陣模型(簡稱“IIM-T矩陣模型”)則能在一次得到T矩陣的基礎上,既模擬任意入射光及粒子取向情形下的粒子單散射參數,又解析計算隨機取向粒子的散射特性。該模型最早由Johnson(1988)提出,近年由Yang P.和Bi L.改進并重新編寫,但由于Yang P.主要為美國NASA和軍方開展相關研究,相關代碼是作為核心技術不公開的。基于此,自主編寫了不變嵌入迭代技術與Lorenz-Mie理論、拓展邊界法(EBCM)相結合的T矩陣散射模型;并從T矩陣出發(fā),推導并實現了隨機取向、非旋轉對稱粒子的散射參數解析計算方案。為驗證模型準確性,對比分析了IIM-T矩陣模型的計算精度,并討論了積分離散方式、積分點密度等因素對模型計算精度的影響。結果表明:IIM-T矩陣模型與傳統(tǒng)T矩陣法和DDA模型的計算結果一致性較高;相同積分點條件下,高斯積分離散方式計算精度高于均勻離散方式;當粒子尺度參數、復折射率較大及形狀較極端時,應該適當增加積分點數量來保證模型計算精度。IIM-T矩陣模型可有效計算隨機取向、非旋轉對稱粒子散射特性,且經過隨機取向平均后,粒子散射參數的模擬精度得到了較大提高。五、模擬了典型冰晶粒子的散射特性。介紹了典型冰晶形狀的構建方法,采用MRTD模型和IIM-T矩陣法模擬了冰晶的單粒子散射特性和隨機取向粒子的散射特性,并檢驗了兩模型結果一致性。結果表明:MRTD和IIM-T矩陣法的模擬結果具有較高的一致性;不同形狀冰晶粒子的散射特性存在較大差異,空間取向對冰晶粒子的后向散射特性影響顯著;隨著粒子尺度參數的增加,前向散射峰迅速變尖銳,散射相矩陣曲線的振蕩特征迅速增強。經過隨機取向平均,粒子的散射相矩陣曲線得到平滑,其中對于散射相函數,其平滑效果尤為顯著。
【學位單位】：國防科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P40
【部分圖文】：

（4）冰晶粒子的形狀特征（5）沙塵粒子測量散射相函數及偏振度與等效球形粒子結果比較圖 1.1 典型大氣非球形粒子形態(tài)及實測沙塵型氣溶膠相函數及散射光偏振度與 Mie 散射模擬結果對比（取至文獻[8]）為彌補 Mie 散射理論在實際應用中的不足，逐步開展了非球形粒子散射特性計算研究，各種散射計算模型不斷涌現，這些模型主要分為兩類：一類是光散射近似計算模型；另一類是光散射精確計算模型。

了對反射和折射能量的直接立體角平均，該方案經證明可顯著提高粒子特性精度（如圖 1.3）。為了在射線追蹤技術中考慮了極化效應和位相干涉，Cai 等次基于偏振矢量發(fā)展了幾何射線追蹤算法。為了加速計算，Wending 等[1]將 G法與蒙特卡羅法聯(lián)合使用，發(fā)展了 Monte Carlo 射線追蹤算法[35]，該方法主于六角形冰柱及盤狀的散射特性計算。

該方法主要用于六角形冰柱及盤狀的散射特性計算。圖 1.2 幾何光學原理示意圖. 左圖（a）為初始光線的入射點；圖（b）為六棱柱冰晶中的射線追蹤過程；圖（c）Bi L.提出的基于面光源的物理-幾何光學混合計算方法.圖1.3 CGOM和IGOM模擬得到的粒子散射參數及其與真實值的對比. 模擬參數包括不對稱度因子、消光效率因子、散射相函數（P11）及 P12/P11和 P22/P11.（取至文獻[2]）

本文編號：2835904