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算光譜窄、計算速度慢、僅能計算臨邊大氣散射輻射等不足。因此，為了解決上述問題，實現(xiàn)對臨邊大氣輻射傳輸?shù)膶捁庾V、快速計算目的，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)計算模型、臨邊大氣透過率快速計算模型以及臨邊大氣輻射亮度快速計算模型等研究工作，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算法計算臨邊物質(zhì)吸收量；

4、LTI算法的優(yōu)點是考慮了地球曲率和大氣偏折效應(yīng)的影響，在計算時對各層大氣進(jìn)行了細(xì)分層，對臨邊物質(zhì)吸收量的計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，并且在計算臨邊物質(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)報道，依據(jù)切點和觀察點的經(jīng)度、緯度和高度、日期和UTC時間，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算；
　　（3）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的逐線積分（Line-by-Line）算法計算臨邊大氣透過率，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算法的計算結(jié)果

6、的相對差異小于1.99％，并且計算速度快約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算速度慢，而且僅能計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)點是針對任意一個切向高度，只需進(jìn)行一次計算便可以模擬兩種臨邊觀測方式下的計

7、算結(jié)果；并且利用了輻射流近似方法計算臨邊大氣多次散射輻射；實驗結(jié)果表明，F(xiàn)LATRAN模型的計算速度是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算能力；
　?。?）開發(fā)了臨邊大氣背景光譜輻射特性計算軟件
　　目前的臨邊大氣輻射傳輸計算軟件是基于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、臺開發(fā)了臨邊大氣背景光譜輻射特性計算軟件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算耗費時間，并且能夠保存計算結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖像。
　　綜上所述，本論文建立的FLATRAN模型在計算光譜范圍、計算速度和計算臨邊大氣輻射種類上具有很大的優(yōu)勢，實現(xiàn)了對臨邊大氣輻射傳輸?shù)膶捁庾V、快速計算的目標(biāo)