六棱柱和三棱锥冰晶的散射相矩阵——一种矢量射线追踪方法

本文发展了作者过去的工作(Cai-Liou),利用改进后的数值模式对六角柱冰晶(匀谱和非匀谱)的散射相矩阵进行了计算,所需计算量比Cai-Liou的约小二个量级,且本文的数值模式的结果误差较小。同时,对三棱锥冰晶的散射相矩阵,本文也进行了计算,并与六角冰晶的结果进行了比较。     

光吸收对冰晶粒子散射相函数的影响

本文利用射线跟踪法对冰晶粒子散射、吸收进行了研究。从理论上对一些常见的近似处理方法进行了讨论，计算了长为300μm，半径为30μm的六棱柱状冰晶粒子在不同波段的光散射相函数以及在波长2.2μm时，五种不同大小冰晶粒子的单次散射反照率。结果表明，即使在有吸收情况下，Snell公式和Lambert公式仍是近似成立的，而吸收效应对散射相函数有明显影响。     

水平取向对冰云辐射传输的影响

本文用分离坐标法求解辐射通过卷云的传输,该卷云由在水平面内随机取向的非球形冰晶所组成,即“二维卷云模式”。文中用零阶和二阶Legendre多项式的展开式来近似表示由于冰粒子水平取向所引起的散射参数随入射角的变化。散射相函数由解析的Henyey-Greenstein函数表示,其不对称因子也与入射天顶角有关。文中用这种模式计算了太阳短波以及地球红外热辐射通过卷云时的辐射通量传输性质以及方位平均强度的分布。将上述二维模式的计算结果与通常的三维模式(即假定冰粒子在三维空间随机分布)相比较,表明冰晶的优先取向对卷云的反照率有重要影响,两种模式的反照率可以相差8％。另一方面,对于红外辐射而言,两个模式的向上辐射强度有显著的差别,但是冰晶的取向状况对红外辐射通量影响较小。上述结果表明,冰晶的优势取向可能是决定卷云反照率的一个重要因子,同时它对于利用红外辐射探测卷云的组成和结构来说有重要的影响。     

卷云中粒子的密度变化对可见光波段能量传输的影响

本文讨论了卷云冰晶粒子的密度随其尺度大小的变化。及其对折射指数的影响。对该变化所导致的粒子的光散射参数的变化进行了计算。采用Monte Carlo模式，根据观测到的冰晶粒子的数密度，使用不同的粒子密度分布，计算了卷云对0.55 μm波长的入射光的反射和透射率。结果表明，不同的粒子密度假设会导致一定的差别，但卷云中粒子的密度变化对可见光波段能量传输的影响非常小，可忽略不计。     

非球形冰晶粒子毫米波IWC-Z关系的研究

冰水含量在气候以及天气变化、人工影响天气等方面的研究中具有重要影响。毫米波雷达在探测卷云时由于气流运动等因素的影响使得电磁波照射体积内粒子自身发生旋转运动,这为精确计算粒子散射截面以及利用其散射特性反演云中冰水含量造成困难。首先给出六种常见的非球形冰晶粒子模型,利用HFSS软件讨论特定尺寸下非球形粒子及其等效球形粒子的辐射方向图差异,利用矩量法（针对非球形粒子）以及洛伦兹-米理论（针对球形粒子）计算并拟合上述冰晶粒子在静止、水平旋转以及随机旋转三种取向下最大尺寸与后向散射截面之间的双指数关系式,假定卷云冰晶粒子混合模型满足B-H模型,云粒子的谱分布服从NASA在2007年实测的指数分布,计算出实际的冰水含量,讨论了三种取向下非球形粒子及等体积球粒子群的雷达反射率因子Z,将其代入常用的IWC-Z关系式,结果表明利用雷达反射率因子反演冰水含量时必须考虑高空风产生的粒子取向问题,等效球理论方法得到的冰水含量比实际值偏小,该结论对于毫米波雷达精确反演卷云的微观物理参数具有重要意义。     

双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力

首先给出小椭球粒子侧向和后向散射截面的表达式,将其中相关参数用双基地雷达坐标系中的量表示,在定义小椭球粒子侧向散射能力后,分别推导出发射水平与垂直偏振波条件下估算侧向散射能力的算式,并通过仿真计算,获得各高度上的侧向散射能力和分布情况.得出的主要结果为:(1)发射水平偏振波时,在低高度的等高面上,当离开基线垂直向上或向下距离增加时,侧向散射能力先逐渐变小到最小值后,再逐渐增大.在基线左、右的延线上也基本呈这种分布,仅在主站与子站的垂直方向上存在侧向散射能力的最低区域.随着等高面高度升高,侧向散射能力分布情况基本相似,仅子站上下的弱侧向散射值有所提高.(2)发射垂直偏振波时,在低高度水平面上无论被探测的扁旋转椭球粒子处在该平面上(除主站与子站张培昌等:双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力.     

卷云冰晶水平取向的光雷达观测

在Aberystwyth(52.4°N,4.1°W)利用一个扫描激光雷达系统测量卷云中的后向散射及退偏比。测量表明:卷云最多出现高度接近9km,约50％的云都表明在某些高度存在一些近于水平取向的冰晶。围绕垂直方向的后向散射与角度的关系表明:这些冰晶对水平面的最大倾斜角约为0.3°。     

从紫外到中红外谱区冰的光学常数与温度关系的研究

本文简要地讨论了冰的结构及其光学特性,并应用经典的极化理论研究了冰的光学常数与频谱和温度的关系,计算了从紫外到中红外谱区、在地球大气温度范围内冰的光学常数。对计算结果的分析表明,在高空卷云的散射和辐射传输的理论计算中,温度对云中冰晶光学常数的影响必须考虑。     

冰晶性质对卷云辐射特征影响的模拟研究

介绍了SBDART辐射模式和libRadtran程序包，并利用这两个模式模拟分析了当卷云内冰晶性质如有效半径、冰晶含量以及形状变化时，卷云反照率的变化。模拟分析表明，在相同条件下，不同形状冰晶构成的卷云反照率有所不同，同种冰晶构成的卷云在不同波长的反照率也不同。总的来说，不论是由何种形状冰晶构成的卷云，随着卷云内冰晶含量增大，有效半径减小，卷云反照率增大。这些工作将有助于增进对lib Radtran程序包和卷云性质的了解。     

不同环境温度下冰云粒子的单次散射参量

本文提出了直接Stokes参量变换的射线追踪方案,优化了作者过去建立的求解六角冰晶粒子散射的射线追踪模式.在冰晶有吸收(折射指数为复数)的情况下,新模式采用了有效折射指数处理粒子内的非单色折射波.其次,新模式还引入了有效单次散射参量,消除了来自几何透射线的前向δ散射效应.最后,根据不同环境温度下的冰云中冰晶粒子的粒径谱分布,本文计算了粒径谱积分平均的3D随机取向六角冰晶粒子的单次散射参量.文中给出的冰晶粒子单次散射参量的数值,对研究冰云辐射特性将有一定参考价值.     

分层均匀旋转椭球体对偏振电磁波的散射理论及数值计算

本文在旋转椭球坐标系中求解麦克斯韦方程,得到了二层旋转椭球体对偏振电磁波的散射解,并利用所得公式,给出了扁旋转椭球状表面附水冰粒对雷达波散射的数值计算结果。     

旋转扁椭球水滴散射特性的快速算式研究

利用DDA(Discrete Dipole Approximation)算法产生的旋转扁椭球水滴散射特征数据进行了多项式拟合,以3.2mm波长为例,给出了两种偏振状态下后向散射和衰减效率的快速算式。对比分析了快速算式结果和DDA数据的独立样本,结果表明,快算结果的绝对相对误差在5%以内,而耗时仅用DDA算法产生这些数据所用时间的10-6量级。所得结果可直接用于云降水区含扁椭球形水滴情况下的雷达回波模拟、雷达资料定量处理和毫米波雷达的衰减订正等,此方法还可用于其他波长、形状的水滴和冰晶。     

卷云数值模式和对流性卷云数值模拟

本文建立了两线面对称、滞弹、非静力平衡,包含有水汽、云水、云冰、雪晶和霰五种水元间各种微物理过程的卷云模式。运用该模式对卷云对流胞的典型环境作无切变和有4×10~(-3)s~(-1)的风切变两种情况模拟表明,风切变环境下的对流较弱,但最大上升气流仍达2.71m/s。无风切变环境下卷云对流易于向两边传播,而当存在强风切变作用时,对流向上风方传播。模拟卷云的宏、微观结构及其演变特点与国外飞机穿云、卫星和地面遥感等观测结果十分一致。模拟表明卷云对流的下沉气流及下落冰粒子的蒸发冷却激发出的新的上升气流是卷云多核心结构和对流卷云向层状卷云演变的重要机制;卷云中过饱和度对冰晶核化的依赖和抑制是卷云冰晶浓度远低于FLETCHER浓度的一个主要原因。     

扁旋转椭球状冰水混合粒子对偏振雷达波的散射

本文借助于旋转椭球矢量波函数和平均场的理论,得到了非均匀扁旋转椭球粒子对偏振电磁波散射的准解析解,并利用所得理论公式给出了雷达气象上极为重要的在平行和垂直入射条件下,非均匀扁旋转椭球状海绵冰粒对雷达波的后向散射截面数值计算结果。在计算中认为海绵冰粒分二层,内核为纯冰扁旋转椭球,外层由冰水混合构成。     

冰云毫米波散射特性研究进展

重点介绍了和散射特性有关的冰晶形状模型、冰晶粒子谱分布及冰晶复折射指数的研究进展,总结了非球形冰晶散射特性的计算方法以及冰晶毫米波散射特性在国内外的研究进展情况,对目前研究中存在的一些问题及发展趋势进行了初步探讨。     

冰—水球形粒子在太阳短波段的吸收与衰减

根据Mie理论以及Aden和Kerker的理论,分别计算了纯水、纯冰和冰—水分层同心球在可见光和近红外波段的吸收、散射与衰减截面。结果表明,对于同样尺度大小的粒子,表面融化冰球或冰外壳包水球的单次散射特征值与纯冰纯水球的相比在整个太阳辐射短波段都相差不大,这是因为在此波段范围内冰和水的复折射指数的实部和虚部都很接近。此结果基本排除了0℃层附近表面融化冰晶粒子在太阳波段可能产生强吸收带,从而可以解释（部分的）云吸收异常现象这一想法。另一方面,在整层云吸收计算中,相对水含量可能较小但尺度较大的冰晶粒子的吸收是     

椭球雨滴和冰雹在5cm波段的散射偏振性质

Stokes散射矩阵是描述电磁波偏振性质的一种有用的方法。本文介绍了用扩展边界条件法计算的5cm微波波段椭球雨滴和冰雹的Stokes散射矩阵的结果。当降水粒子具有对称轴沿铅直方向的优势取向时,对于天线仰角不为零度的一般情况,在散射平面OXZ内矩阵只有四个独立元素(6个不为零),但在OYZ平面内可以有16个不为零的元素。计算结果表明,对于等效直径小于0.2cm的水滴,无论是侧向还是后向,其散射特征都与球形的很相近。对于冰椭球,这一性质可以维持到更大的粒子(例如0.5cm)。随着粒子尺度的变大和椭率的加大,散射波的偏振性质变得明显,天线仰角的影响也表现出来,而且冰椭球与水椭球的偏振性质的差别也更加明显,特别是σ_3和σ_4这两个散射矩阵元素。     

小旋转椭球粒子群的微波散射特性

文中从不同方向线性偏振的入射波对小旋转椭球状降水粒子极化产生的散射出发 ,推导出散射能流密度函数 ,以及降水粒子群旋转轴处于不同状态下的散射截面 ,得出散射截面随降水粒子相态和入射波波长变化的一些曲线 ,其结果可供遥感反演计算使用。     

冰云短波辐射特性参数化

该文对卷云和高层云分别构造了15种冰晶尺度分布，3种云高和云厚，总共30种冰水含量、90种冰水程长模式。对尺度小于与大于30 μm的冰晶粒子的单次散射特性分别用表面积等效冰球Mie理论和射线光学理论进行计算。采用delta-Eddington法计算了在4种不同地面反射率下冰云的多重散射辐射传输特性，提出了冰云辐射特性的参数化公式，指出参数化公式可以用于气候模式或大气环流模式。     

扁椭球形雨滴和冰粒后向散射实验与理论研究

本文介绍了对扁椭球形雨滴和冰（雹）粒散射能力的实验模拟和测量技术，报告了一个系列扁水(冰)椭球后向散射截面的实验测量结果；并用扩张边界条件法(EBCM)计算出相应的理论值，用Mie公式计算出等容积球形后向散射截面。将实验结果与理论计算作了综合对比分析，得到了若干有用的结论。