含典型气溶胶粒子的大气辐射传输与反演
气溶胶是大气辐射平衡的主要影响因素之一,可以对地气辐射平衡系统产生直接和间接的效应。在过去的100多年时间里,大气中二氧化碳含量因人类活动增加了25％,地球表面温度在全球范围内增加了1K左右。在全球范围内,由气溶胶引起的温度降低可部分地抵消由温室气体引起的大气温度上升。而气溶胶成因的复杂性,及其在大气中较为短暂的存在周期,会导致其性质随时间和空间明显变化,进而对其系统观测产生较大影响。因此目前尚缺乏足够数据,对气溶胶的种类、分布变化所导致的全球或局部气候系统变化进行准确分析。 因此,研究大气气溶胶的几何特性(粒径,浓度,分布)、辐射特性及其在大气中的辐射传输,建立气溶胶粒子的种类识别机制及典型气溶胶粒子的特征信息,具有重要的理论意义和应用价值。 本文构建了基于SPSO算法的气溶胶物性反演模型;发展了求解一维介质内辐射传输的任意阶球谐函数法,在此基础上建立了多层各向异性散射性介质中的辐射换热模型;结合HITRAN数据库中计算获得的标准大气物性参数,建立了一维大气辐射计算模型;使用AERONET观测数据,研究了典型的气溶胶现象,分析了不同种类气溶胶的辐射强迫作用。为气溶胶特性获取、种类识别机制的研究,提供了理论依据、求解思路及技术支撑。 主要研究内容包括以下四个方面。 (1)基于随机微粒群(SPSO)算法,建立气溶胶粒子粒径分布反演模型,通过加入测量误差等分析了反演模型的鲁棒性、单值性。比较了几种粒径分布函数的反演效率,利用AERONET上获得的气溶胶光谱光学厚度,对典型地区的气溶胶粒径分布进行了反演,结果表明:当气溶胶物性参数选择合理时,可以较为准确的获得该地区气溶胶粒子粒径分布。 (2)针对不同界面光学特性(不透明界面、半透明界面)、非均匀介质、变折射率介质,发展了具有任意阶展开精度的一维球谐函数法。通过与理论解、数值方法(MCM、RTNAM等)的比较,验证了本文所建立的任意阶PN近似法的计算精度。结果表明,所建立的PN近似法在光学薄的情况下也具有很高精度,克服了以往低阶近似的缺陷;对强非线性各向异性散射介质,当展开阶数大于散射相函数阶数时,PN近似法可以获得理想结果。使用该方法考察了一维半透明各向异性散射介质模型中的介质内温度场、辐射热流密度场以及壁面辐射特性等。 (3)建立了上界面半透明、下界面不透明的一维大气辐射传输模型,计算分析了上下界面特性、大气湿度、气溶胶种类等对大气辐射传输的影响。结果表明:太阳入射发生变化时,对整个大气温度场影响较大;大气湿度降低时,逃逸至太空的地面辐射能增加,而湿度增加时,大气吸收能力的增强并不明显;沙尘、海洋、水溶性气溶胶粒子等对大气吸收为负影响,而煤烟粒子则可增加大气的吸收。 (4)使用建立的气溶胶粒子反演模型及大气辐射传输模型,通过对AERONET上气溶胶光学厚度数据的分析,对火山喷发、沙尘天气、煤烟粒子及海洋性气溶胶的辐射强迫进行了计算分析。提出了相对光学厚度的概念,结合有效介质理论,对火山喷发、沙尘天气、冬季城市取暖等不同成分、或混合型的气溶胶粒子进行了有效识别,建立了气溶胶粒子粒径分布的识别机制及典型气溶胶粒子的信息特征。
含典型气溶胶粒子;大气辐射传输;识别机制;计算模型
哈尔滨工业大学
博士
工程热物理
谈和平
2012
中文
TK121;TK124
33
2012-12-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）