臨邊大氣背景光譜輻射特性研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，大氣遙感技術(shù)日益成熟，科學(xué)研究者提出了一種具有高空間覆蓋性和高垂直分辨率優(yōu)點(diǎn)的新型大氣遙感探測方式——臨邊觀測方式。不同的大氣條件、觀測幾何和光譜范圍會(huì)造成臨邊大氣背景表現(xiàn)出不同的光譜輻射特性，研究臨邊大氣背景光譜輻射特性不僅對于大氣廓線與痕量氣體反演、環(huán)境遙感監(jiān)測以及目標(biāo)探測跟蹤等領(lǐng)域意義重大，而且也可為臨邊探測器研制中的性能指標(biāo)和參數(shù)設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù)。
　　近年來，具備臨邊觀測方式的空間探測器陸

2、續(xù)問世，建立適合于臨邊觀測方式的大氣輻射傳輸模型也成為了大氣學(xué)科的前沿和熱點(diǎn)問題。然而，目前國內(nèi)外的臨邊大氣輻射傳輸模型普遍存在計(jì)算光譜窄、計(jì)算速度慢、僅能計(jì)算臨邊大氣散射輻射等不足。因此，為了解決上述問題，實(shí)現(xiàn)對臨邊大氣輻射傳輸?shù)膶捁庾V、快速計(jì)算目的，本文從大氣輻射傳輸基本理論出發(fā)，開展了包括臨邊大氣輻射傳輸關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算模型、臨邊大氣透過率快速計(jì)算模型以及臨邊大氣輻射亮度快速計(jì)算模型等研究工作，最終建立了覆蓋從紫外到遠(yuǎn)紅外（0.2~2

3、0μm）波段的寬廣范圍、具備臨邊大氣散射輻射和臨邊大氣熱輻射計(jì)算能力的快速臨邊大氣輻射傳輸模型FLATRAN（Fast Limb Atmospheric TRANsmission），并基于FLATRAN模型開展了系統(tǒng)全面的臨邊大氣輻射敏感性分析。本文主要的研究工作和創(chuàng)新如下：
　?。?）提出了分層追跡迭代（Layered Tracing Iterative）算法
　　基于分層球面大氣模型，提出了LTI算法計(jì)算臨邊物質(zhì)吸收量；

4、LTI算法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了地球曲率和大氣偏折效應(yīng)的影響，在計(jì)算時(shí)對各層大氣進(jìn)行了細(xì)分層，對臨邊物質(zhì)吸收量的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，并且在計(jì)算臨邊物質(zhì)吸收量的過程中得到了各層大氣邊界處的觀察天頂角；
　?。?）提出了大地坐標(biāo)系中的臨邊角度參數(shù)算法
　　目前未見有對大地坐標(biāo)系中的臨邊大氣輻射傳輸建模研究的相關(guān)報(bào)道，依據(jù)切點(diǎn)和觀察點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高度、日期和UTC時(shí)間，提出了大地坐標(biāo)系中的臨邊角度參數(shù)算法，使得 FLATRAN模型既能夠進(jìn)

5、行常規(guī)幾何中的臨邊大氣輻射傳輸計(jì)算，也能夠?qū)崿F(xiàn)大地坐標(biāo)系中的臨邊大氣輻射傳輸計(jì)算；
　?。?）提出了臨邊大氣透過率快速算法
　　目前的臨邊大氣輻射傳輸模型都使用了非常耗時(shí)的逐線積分（Line-by-Line）算法計(jì)算臨邊大氣透過率，為此，本文利用最新的HITRAN2008分子光譜數(shù)據(jù)庫計(jì)算建立了0.2~20μm波段的大氣分子帶模式（Band Model）數(shù)據(jù)庫，基于BM算法提出了臨邊大氣透過率快速算法，與LBL算法的計(jì)算結(jié)果

6、的相對差異小于1.99％，并且計(jì)算速度快約6倍；
　?。?）提出了半球輻射累加（Hemisphere Radiation Adding）算法
　　目前的臨邊大氣輻射傳輸模型不僅計(jì)算速度慢，而且僅能計(jì)算臨邊大氣散射輻射，為此，本文基于分層球面大氣模型、臨邊大氣輻射亮度構(gòu)成分析和臨邊觀測的幾何特征，提出了 HRA算法解算臨邊大氣輻射傳輸方程，HRA算法的優(yōu)點(diǎn)是針對任意一個(gè)切向高度，只需進(jìn)行一次計(jì)算便可以模擬兩種臨邊觀測方式下的計(jì)

7、算結(jié)果；并且利用了輻射流近似方法計(jì)算臨邊大氣多次散射輻射；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)LATRAN模型的計(jì)算速度是CDIPI模型的約12倍、SASKTRAN模型的約105倍以及SIRO模型的約936倍，并且FLATRAN模型具備臨邊大氣散射輻射和臨邊大氣熱輻射計(jì)算能力；
　?。?）開發(fā)了臨邊大氣背景光譜輻射特性計(jì)算軟件
　　目前的臨邊大氣輻射傳輸計(jì)算軟件是基于Fortran語言編寫，需要安裝相關(guān)的函數(shù)庫且參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，本文基于VC++平

8、臺(tái)開發(fā)了臨邊大氣背景光譜輻射特性計(jì)算軟件V1.0版本，該軟件界面簡潔方便，直觀友好，軟件可依據(jù)用戶設(shè)置的大氣模式、地表類型、氣溶膠模式、云模式、臨邊幾何和光譜范圍，計(jì)算并輸出臨邊光譜輻射特性圖像、平均透過率、臨邊積分亮度和單波長計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間，并且能夠保存計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖像。
　　綜上所述，本論文建立的FLATRAN模型在計(jì)算光譜范圍、計(jì)算速度和計(jì)算臨邊大氣輻射種類上具有很大的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對臨邊大氣輻射傳輸?shù)膶捁庾V、快速計(jì)算的目標(biāo)