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?yún)?shù),無論是軍事目標(biāo)識別、氣候數(shù)值模擬還是大氣海洋遙感領(lǐng)域,均需要準(zhǔn)確的大氣粒子散射參數(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。由于真實大氣粒子形狀不規(guī)則、尺度參數(shù)范圍寬、且存在非均質(zhì)混合的現(xiàn)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(shù)的準(zhǔn)確計算已成為大氣輻射學(xué)急需解決的問題之一。目前對于尺度參數(shù)(x=2πr/λ,r是粒徑,λ是入射光波長)遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)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(xué)近似的方法有效模擬;對于尺度參數(shù)在0.1~100之間粒子,由于其尺度與入射光波長相當(dāng),需要數(shù)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(fù)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(shù)范圍、粒子形狀及計算復(fù)雜度等方面均無法完全滿足實際應(yīng)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(jìn)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(dǎo)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(quán)總場/散射場技術(shù);針對大氣輻射學(xué)需求,推導(dǎo)了粒子散射參數(shù)計算模型;基于OpenMP技術(shù)實現(xiàn)了模型的并行化設(shè)計。經(jīng)驗證,在復(fù)折射率不大的情形下,PSTD散射模型可有效計算寬尺度參數(shù)范圍、非球形、非均質(zhì)大氣粒子的散射特性;加權(quán)總場/散射場法可實現(xiàn)入射波的準(zhǔn)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(xiàn)象。PSTD模型具備在粗網(wǎng)格條件下高精度模擬粒子散射過程的能力,但對于復(fù)折射率實部偏大的粒子,則需適當(dāng)提高空間分辨率來保證模型計算精度。經(jīng)過并行化設(shè)計,PSTD模型計算效率得到顯著提高;相比于純散射場技術(shù),加權(quán)總場/散射場技術(shù)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(fù)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(shù)(MRTD)的光散射并行計算模型。為彌補(bǔ)PSTD散射模型的缺陷,將計算電磁學(xué)領(lǐng)域的時域多分辨技術(shù)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(dǎo)了適用于MRTD模型的CPML吸收邊界,設(shè)計了基于體積積分原理的近遠(yuǎn)場外推方案,采用MPI重復(fù)非阻塞通信技術(shù)實現(xiàn)了模型的并行化設(shè)計。結(jié)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(jié)果具有較好一致性;與PSTD模型相比,MRTD模型可有效模擬大復(fù)折射率虛部粒子的散射參數(shù)。體積積分近遠(yuǎn)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(yùn)行時間。三、提出了多尺度粒子的散射參數(shù)同步模擬方案。為提高M(jìn)RTD散射模型計算效率,將信號與系統(tǒng)理論中的傳遞函數(shù)思想引入至散射計算過程,提出了多尺度粒子散射參數(shù)同步模擬方案(MSCS),在一次模擬過程中實現(xiàn)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(shè)置為寬光譜的脈沖波,不同半徑粒子的散射特性計算被轉(zhuǎn)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(dǎo)并給出了空間網(wǎng)格、時間迭代步長及脈沖波寬度等模型輸入?yún)?shù)的設(shè)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(jié)果表明:MSCS方案可在一次計算過程中實現(xiàn)多個尺度粒子散射特性的同步、準(zhǔn)確模擬;小粒子散射參數(shù)的模擬精度高于大粒子;隨著網(wǎng)格尺寸的減小,粒子散射參數(shù)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M(jìn)RTD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(jī)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(chǔ)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(shù),又解析計算隨機(jī)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(jìn)并重新編寫,但由于Yang P.主要為美國NASA和軍方開展相關(guān)研究,相關(guān)代碼是作為核心技術(shù)不公開的。基于此,自主編寫了不變嵌入迭代技術(shù)與Lorenz-Mie理論、拓展邊界法(EBCM)相結(jié)合的T矩陣散射模型;并從T矩陣出發(fā),推導(dǎo)并實現(xiàn)了隨機(jī)取向、非旋轉(zhuǎn)對稱粒子的散射參數(shù)解析計算方案。為驗證模型準(zhǔn)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(jié)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(jié)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(dāng)粒子尺度參數(shù)、復(fù)折射率較大及形狀較極端時,應(yīng)該適當(dāng)增加積分點數(shù)量來保證模型計算精度。IIM-T矩陣模型可有效計算隨機(jī)取向、非旋轉(zhuǎn)對稱粒子散射特性,且經(jīng)過隨機(jī)取向平均后,粒子散射參數(shù)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(gòu)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(jī)取向粒子的散射特性,并檢驗了兩模型結(jié)果一致性。結(jié)果表明:MRTD和IIM-T矩陣法的模擬結(jié)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?qū)ΡЯＷ拥暮笙蛏⑸涮匦杂绊戯@著;隨著粒子尺度參數(shù)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(qiáng)。經(jīng)過隨機(jī)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(shù),其平滑效果尤為顯著。
【學(xué)位單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(shù)及偏振度與等效球形粒子結(jié)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(shù)及散射光偏振度與 Mie 散射模擬結(jié)果對比（取至文獻(xiàn)[8]）為彌補(bǔ) Mie 散射理論在實際應(yīng)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(xiàn)，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(jīng)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(shù)中考慮了極化效應(yīng)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(xué)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(xué)混合計算方法.圖1.3 CGOM和IGOM模擬得到的粒子散射參數(shù)及其與真實值的對比. 模擬參數(shù)包括不對稱度因子、消光效率因子、散射相函數(shù)（P11）及 P12/P11和 P22/P11.（取至文獻(xiàn)[2]）

本文編號：2835904