泡沫覆盖的随机粗糙海面的双站散射和热辐射

从双尺度随机粗糙面的散射理论和矢量辐射传输理论出发，将具有白帽泡沫覆盖的风驱海面模拟成一层离散球形粒子下垫双尺度随机粗糙界面的复合模型．利用Ｐｉｅｒｓｏｎ的半经验海洋波高谱和修正的Ｃｏｘ和Ｍｕｎｋ的坡度分布函数，推导了强风驱使下白帽泡沫覆盖的随机起伏海面的双站散射系数和热发射率，得到了极化的双站散射和热发射与海面各物理参数之间定量的函数关系．数值计算的结果与已有的海洋遥感实验数据进行了比较和讨论．     

海浪破碎统计及其在海-气通量估计中的应用Ⅰ. 理论模型

以5阶Stokes波作为破碎统计模型的原始波场, 重新导出了破碎水体体积和白冠覆盖率等统计量. 基于海浪破碎是海-气强交换过程中的重要控制机制这一观测事实, 主要开展了破碎过程对海-气热通量和水汽通量交换的影响研究, 导出了气泡在海面平均体积通量和浪花水滴海面谱分布的理论表达式, 建立了破碎气泡和浪花水滴热通量和水汽通量交换的物理模型, 为进一步深入研究海-气通量交换模式奠定了基础.     

有效介质近似理论在海浪破碎遥感中的应用

利用有效介质近似理论, 在Pandey和Kakar的经验模式基础上提出了一个改进的研究强风驱动下白冠覆盖的海面有效发射率模式. 该模式讨论了白冠层中球形气泡、水滴、海-气温差对海面发射率的影响, 研究表明海面发射率随着海气温差的增加而增大. 同时, 通过引入白冠层的有效介电常数, 该模式考虑了白冠层的有效粒子的气泡结构、泡沫层厚度等物理参量对海面发射率的影响. 模式经Rose等人在完全泡沫情况下的实测数据验证, 得到了很好的一致性结果.     

利用尾波包络线反演方法研究2003年大姚地震震中区下方地壳的非均匀结构

以单次散射模型、球形辐射源、一维线性速度模型为基础计算理论包络线,通过尾波归一化方法把理论与观测包络线结合起来形成非线性方程组,用迭代最小二乘方法反演大姚震区的散射系数空间分布.结果显示,MS6.2和MS6.1地震序列的主震和余震基本都分布在高散射系数区内.MS6.2地震序列震源深度在研究区中部向下弯曲绕过低散射系数区,在深度剖面上呈弧形分布;震源深度较浅的MS6.1地震序列向北西、南东方向的扩展终止于两端的低散射系数区.大姚强震区10km深度上的高散射系数条带沿震源断层分布,暗示了震区下方断层破碎带的存在.     

大气中冰水两相粒子的电磁散射特性研究

为了研究大气中冰水两种相态共同存在时粒子的电磁散射特性,本文从Aden-Kerker散射理论出发,分别计算了外包水膜冰球和外包冰膜水球在S波段、C波段和X波段的电磁散射特性,讨论外层覆膜相态和厚度对粒子散射特性的影响;并在MP粒子谱分布和Gamma粒子谱分布的基础上,讨论了融化冰球和冻雨群粒子在S波段、C波段和X波段的衰减、散射、吸收和后向散射特性.结果表明,粒子的衰减截面和后向散射截面并不随外包膜厚度的增大呈现单调变化的趋势,而是与粒子的尺度参数有关,且在不同波段呈现不同的变化特征;融化冰球和过冷却雨的衰减系数、散射系数、吸收系数和后向散射系数与频率和降水强度呈正相关关系,其中MP分布的传播系数要比Gamma分布的传播系数大.此结论对于研究冰水两相粒子对电磁波的散射机制、提高天气雷达探测精度、改善冰水两相粒子的探测效果等具有重要意义.     

星载微波ERS-1和多通道SSM/I观测海洋的相关性和随机粗糙面复合模型的数值模拟

欧洲遥感卫星（ERS）和美国防卫气象卫星计划（DMSP）空对地微波遥感是当今研究全球大气地表微波散射辐射和反演地球物理与水文参数的主要数据来源．本文研究了ERS－1散射计和SSM／I多通道辐射计在中国海域观测到的后向散射和热辐射数据,论证了同一地区同一时间段内ERS主动散射计和SSM／I被动辐射计观测数据的相关性．用海域主、被动遥感数据的比较,阐述了主、被动联合多通道分析方法有利于监视和分析复杂地表和海面在时间和空间尺度上的变化．用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向散射和热发射,用以数值模拟ERS和SSM／I数据．并讨论了后向散射与热辐射数值模拟结果的相关性,以及与星载微波遥感器实际观测结果的比较．     

起伏海面对反射地震偏移成像结果的影响

实际海面受风浪的影响是个随机起伏的复杂曲面.一个随机起伏的自由表面对地震波形成相当复杂的散射,进而影响波场在靶区的二次照明与成像结果;此外,起伏海面具有小尺度随机起伏的特性,难以用贴体网格等处理大尺度起伏地表的常规方法和技术对其进行逼近和处理.鉴于此,利用不等距有限差分法实现小尺度起伏海面的波场自由表面边界条件,以此进行正演、波场照明分析;利用逆时偏移（Reverse Time Migration,RTM）进行起伏海面下的成像并对成像结果进行分析.不同模型的试算结果表明：起伏海面引起的复杂散射使靶区地下照明不均匀、成像界面发生弯曲和畸变,从而降低成像结果的分辨率和信噪比.     

含破碎海浪海面起伏统计的理论模型

在常动量通量海面风漂流层内, 基于所导出的海浪能量和涡度变化首次积分与破碎的运动学判据和数学合理性判据, 推演出一致的破碎海面起伏表示和海浪破碎发生条件, 从而用Heaviside函数组合的方法给出破碎海浪海面起伏的函数表达式. 基于所导出的破碎海浪海面起伏函数表达式和海浪总是小波陡的事实, 提出一种包括基底海浪、弱非线性海浪和破碎海浪的海浪海面起伏三重复合函数表示. 海浪的三重复合函数表示和基底海浪的正态分布律的总合, 就是所提出的海浪海面起伏统计数学物理模型.     

大功率高频电波加热电离层中人工沿场不均匀体散射特性的理论与数值模拟研究

大功率高频电波与电离层的相互作用会引起电子密度扰动,进而产生人工沿场不均匀体,其对无线电波特别是超短波信号有强的定向散射能力,可形成一种新型的超短波通信方式.基于各向异性介质的散射理论,首先通过求解电子密度扰动产生的附加极化势获得电子密度扰动散射方程,然后对电子密度扰动进行高斯自相关处理,并结合入射波/散射波与地磁场方向的空间几何关系,获得电子密度扰动的波数谱表达式,建立了人工沿场不均匀体的散射系数理论模型.利用模型对Platteville站实验中产生的人工不均匀体散射截面积进行了数值模拟,并通过与实测值对比验证了模型的正确性.根据人工沿场散射原理给出了利用其进行无线电信号传输的约束条件.重点仿真分析了人工沿场不均匀体的散射系数和散射覆盖区范围,结果表明：同等条件下,相对于高纬度地区,低纬度地区人工沿场不均匀体的散射系数小5~10 dB,但其散射覆盖区的地面范围大,东西向可达3000 km,南北向可达1500 km,完全可用于超短波信号的超远距离传输.本文结果为中低纬度地区开展相关实验研究提供了理论指导,对利用人工沿场不均匀体进行无线信号的超远距离传输应用研究具有重要意义.     

时变海面与其上方导体平板的复合电磁散射研究

应用当前的数值方法求解动态海面与目标的复合电磁散射,由于海面的变化,在不同时刻需要对阻抗矩阵各元素及海面表面电流重新求解,因而要耗费大量内存和运算量.为了克服这一问题,本文应用物理光学(PO)近似求解了导体海面表面电流及导体平板的一阶散射场,应用基尔霍夫近似给出了海面的后向散射场,同时借助互易性定理降低了求解平板和海面之间二次耦合散射场的难度,讨论了平板尺寸、风速等对后向复合散射场的影响.另外,本文还推导出了耦合散射场多普勒谱频移的理论公式,详细分析了复合后向散射场的Doppler 频谱特性.     

一种随机粗糙海面电磁散射的极化核函数

从磁场的积分方程出发,应用迭代方法推导了二次迭代条件下粗糙海面的近似电磁散射极化核函数,并对其进行了分析.这种函数的表示是在光学近似即KA近似的基础上的一种扩展形式,因而可称为扩展KA近似(EKA).Elfouhaily采用了与Holliday类似的方法分析了双站配置条件下散射的极化核函数,试图保留所有的高次项,但是由于处理的复杂性他只给出了斜率项在散射项中的表示形式,并称之为KA近似的"补充项".本文在此基础上进一步考虑了Elfouhaily近似的形式,给出了表示双站散射极化核函数的完整表达形式,并以此为基础推算了后向散射条件下极化核函数的理论结果,并与Elfouhaily的结果进行了对比,说明了极化核函数完整表达形式的合理性.近似散射极化核函数的分析对于深入理解粗糙表面(特别是海面)电磁散射特性以及散射近似模型的建立等问题的研究具有重要意义.     

太湖水体散射特性及其空间分异

利用Wetlabs公司研制的AC-S和BB9于2006年10月24目至11月2目对太湖水体的散射系数和后向散射系数进行了测量,在此基础上建立了太湖水体散射系数与后向散射系数之间的关系模型。用2种曲线函数模拟,即在蓝光波段使用S形曲线模型,在绿光和红光波段使用逆函数模型,各模型的MAPE和RMSE变化范围分别为0.027-0.156m^-1、0.005-0.050m^-1,模型整体预测精度都较高。研究发现后向散射系数与散射系数的空间分异现象明显,北部梅梁湾、湖心区、西部及西南部水域散射较强,而东太湖、胥口湾等东部水域的散射相对较弱。     

多层球体对电磁场散射响应的求解方法

为建立多层球体对电磁场散射响应的求解方法,将球外入射电磁场分为TM和TE极化波两部分,通过求解Debye位方程可得到多层球体各层中两种极化场的通解形式,利用边界条件建立了TM波（或TE波）球面波阻抗（或导纳）的递推关系,借助于阻抗（或寻纳）导出了球体对TM波（或TE波）所产生散射场的一般表达式．文中具体求解了球体对平面波径向和横向偶极子场的散射响应．     

太湖水体的后向散射概率

假设2004年10月太湖水体的吸收系数和遥感反射比的测量误差为0,利用生物光学模型,通过优化算法,在光学深水区模拟获得水体的后向散射系数,然后通过后向散射概率和颗粒物后向散射系数之间的定量关系,获得水体中可能真实的颗粒物后向散射概率结果表明,太湖水体的颗粒物后向散射概率不是一个定值,可以表示为波长的二次函数,在442、488、532、589、676和852nm处分别为0.017、0.017、0.027、0.033、0.054和0.094,均值为0.041,标准偏差为0.030。     

地震波散射:理论与应用

传统的球面对称(或层状构造)地球模型正经历着一场革命。地球被揭示从地壳、地幔到地核到处都呈现多尺度的横向非均匀性。这些具有不同尺度的非均匀体对地震波具有不同的效应。速度和密度的非均匀体能改变波形,引起走时和振幅的起伏以及产生直达波的视衰减。地球岩石层的非均匀体还能产生P尾波、S尾波和Lg尾波等。核-幔边界附近的非均匀体能产生对PKP波的散射而成为PKIKP的前驱波,PKKP波的散射波可成为主震相自己的前驱波。近源和近台站的复杂构造可通过共振、散射来改变地震波形。粗糙地形或粗糙界面能造成体波和面波的耦合。地壳内规则排列的裂隙可产生有效各向异性而使S波分裂。由三维非均匀体所引起的地震波的变化,在广义上被称为地震波散射。近十多年来,由于高质量的高频数字地震资料的逐渐增多,对地震波散射的研究在急速发展并引起了越来越多的地震学家、工程学家和勘探地球物理学家的兴趣。本文综述了地震波散射的基本理论和在这一领域各方面的最新进展。其内容大致为:一、地球横向非均匀性的谱及各种散射态式二、地震波散射的研究方法1.理论研究(1)不连续非均匀介质的边界匹配方法(2)弱散射的微扰法(3)高频近似法(4)随机方法和非均匀体的统计特性2.数值模拟和物理模型试验3.野外观测三、弹性波散射的基本特征和标量波近似1.弹性波瑞雷散射2.弹性波瑞雷-甘斯散射3.随机介质的弹性波散射四.地震波散射的表现和应用1.透射起伏2.尾波产生及包络消减3.散射衰减4.核-幔边界附近的散射5.地表地形、近地表结构和深部构造引起的散射6.裂缝散射和有效各向异性7.散射和非线性。     

海底冷泉气泡羽流地震波数值模拟

海底冷泉广泛分布于全球大陆边缘海域,是未来能源勘探的重要领域.本文根据海底冷泉羽流特征,设计多个典型2D冷泉气泡散射地球物理模型并观测其数值模拟的地震响应特征.冷泉正演模拟的关键是建立典型地震海底冷泉散射模型,本文首先构建了平稳随机散点模型,设计了符合实际的气泡半径和气泡体积分数的参数模型,通过参数填充和计算得到了等效速度模型.由此建立的模型在适应性和灵活度上凸显出很大优势,极大地提升了地震响应的可靠程度.单炮地震记录显示冷泉羽流区散射能量最强,地震波场散射清晰,散射波场沿冷泉延伸方向具有明显的方向性.复杂冷泉气泡散射模型的正演模拟结果表明地震响应能够准确描述海底冷泉羽流,对冷泉羽流的研究和寻找海洋天然气资源具有重要意义.     

层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎

采用高精度的拟谱方法，数值模拟了层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎过程.在演变过程中，导致内波破碎的PSI不稳定机制在共振相互作用中逐渐占据主导地位，能量从初级波向低频、高波数运动缓慢传递并形成一次级波包，随即破碎发生.破碎后产生的层化湍流引起的强烈混合以及湍流间歇性可从总能量和涡度峰度随时间的变化趋势看出.我们分析了层化湍流的一些统计特性，包括动能和有效位能沿垂向波数ky的功率谱.结果表明，动能和有效位能谱都存在一个谱段满足k-3y律，且分别可表示为01N4k-3y和02N4k-3y(N为Brunt Visl频率)，通常称其为浮力子区.另外，我们分析了Cox数(湍流扩散系数与分子扩散系数之比)，在层化湍流维持在一定强度时，计算结果和由海洋内区观测(远离内波强生成源和复杂地形)所推测的结论较为吻合.     

天水地震区Q值结构

计算了天水地震区人工地震测深两条纵测线时间域里Ｐ波最大振幅随距离的衰减速率的变化，反演出Ｐ波的衰减特征．计算了二维Ｑ值分布，给出了沉积层、上地壳、中地壳、下地壳及低速层中的Ｑ值块状分布图，并对不同的构造单元给出了平均Ｑ值柱状分布图．     

地表下圆形夹塞区出平面散射对地面运动的影响

采用波函数展开方法，提出弹性半空间埋藏的圆形弹性夹塞区对平面ＳＨ波二维散射的封闭级数解答．利用内域型Ｇｒａｆ加法公式，将解答归结为一组无穷代数方程组的求解．通过对无穷方程组的截断计算，得到了解答的数值结果；并通过边值条件的收敛，检验了截断计算的精度．最后给出若干典型算例说明夹塞区产生的散射场对地表运动的复杂影响．     

用波函数展开法求解界面圆孔的SH波散射问题

研究了ＳＨ波绕界面圆孔散射的波函数展开理论。由入射,反射和透射波组成的自由波场与孔的散射场叠加成总波场。将定义于两个半平面的散射场按一定方式延拓到全平面。通过Ｈａｎｋｅｌ－Ｆｏｕｒｉｅｒ型积分来满足界面与孔缘处的边界条件,得到了确定特定系数的封闭代数方程组。给出了具体算例,计算了孔缘处的动应力系数分布。