适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法技术

本发明专利技术涉及适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，基于二流近似方案,该方法包括以下步骤：步骤1）将云微物理特性连续变化的辐射通量表示为常数项与扰动项的和；步骤2）根据传统的二流辐射传输方程计算得出的第一辐射通量，并设定第一辐射通量为所述常数项；步骤3）通过微扰法将不对称因子g和单散射反照率ω参数化的形式代入传统的二流辐射传输强度方程中形成非均匀性引起扰动项方程组，并通过对所述非均匀性引起扰动项方程组求解得到两个微扰动因子

A method of radiative transmission calculation for continuous change of cloud microphysical characteristics

The present invention relates to a method for calculating the radiative transfer on cloud microphysical properties of continuous change, the second approximation scheme based on the method comprises the following steps: 1) radiation flux will cloud microphysical characteristics of continuous change is represented as a constant with the disturbance and; step 2) the first radiation flux according to the traditional second radiative transfer equation the calculated, and set the first radiation flux is constant; step 3) by using the perturbation method the second radiative transfer equation of asymmetric strength factor G and single scattering albedo parameterization into the form of Omega in the traditional form non uniformity caused by the perturbation equations, based on the non uniformity by perturbation equations are two perturbation factor

【技术实现步骤摘要】
适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法
本专利技术属于云辐射传输领域，尤其涉及一种适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法。
技术介绍
云覆盖了地球面积的50％左右，是地气系统辐射收支的重要调配者，云在辐射传输中扮演十分重要的作用，云大约反射了50W/m2的辐射能量。在气候模式中，对云辐射传输过程的精确计算将在很大程度上影响气候模拟和预测的结果。IPCC第三次报告[3]指出当前气候模式水平发展的关键制约因素之一就是云辐射参数化方案，这也是模式不确定性的最主要原因。因此精确计算气候模式中云的辐射传输参数化过程，对准确模拟气候系统中云-辐射相互作用、改进模式预报都有非常重要的意义。当前的数值模式解决不了云微物理性质在垂直方向上的非均匀问题。云在垂直方向上的变化通常是非常快的，一个云团可能在几百米内就发生消亡，或是光学性质变化剧烈。然而在现有模式中，模式通常分为若干个均匀模式层，每个模式层内的光学性质都是固定的，这显然忽略了层结内光学性质的变化。当然，如果模式中的层结数量足够多，垂直分辨率足够精细，可以忽略垂直方向非均匀性带来的辐射传输计算误差。然而现有气候模式的层数一般在30-100之间[4]，这显然还不足以忽略垂直方向上的非均匀问题，增加模式的垂直分别率又会使模式的运算时间大大增加，运算效率大大降低。云微物理特性连续变化的问题，蒙特卡罗方法(MonteCarlomethod)能直接模拟这种连续变化的辐射效应，而且可以处理任意介质内的复杂辐射传输过程。这种方法可以获得很高的计算精度，但是需要大量的独立光子实验，无疑这样做是非常耗时的，因此不能直接应用于模式中。
技术实现思路
本专利技术目的在于当现有工程项目在执行过程中遇到问题时，提供一种适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，具体由以下技术方案实现：所述适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，基于二流近似方案，包括以下步骤：步骤1)将云微物理特性连续变化的辐射通量表示为常数项与扰动项的和；步骤2)根据传统的二流辐射传输方程计算得出的第一辐射通量，并设定第一辐射通量为所述常数项；步骤3)通过微扰法将不对称因子g和单散射反照率ω参数化的形式代入传统的二流辐射传输强度方程中形成由非均匀性引起的扰动项方程组，并通过对所述非均匀性引起的扰动项方程组求解得到两个微扰动因子εω和εg表示的第二辐射通量；步骤4)对第一辐射通量与第二辐射通量进行求和完成所述云微物理特性连续变化的辐射通量的求解。所述适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法的进一步设计在于，当该方法基于太阳短波辐射时，所述步骤1中的云微物理特性连续变化的辐射通量的表现形式如式(1)：其中，Fi±(i＝1,2)为扰动项，为常数项。所述适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中，非均匀性引起的效应的微扰动项的方程组Fi±(i＝1,2)如式(2)其中,Fs表示入射太阳通量，τ是光学厚度，τ0表示云顶到云底的光学厚度，分别表示是光学厚度为时ω、g对应的值，μ0为太阳高度角的余弦值；根据式(2)求解得到垂直非均匀层结引起的扰动项Fi+和Fi-表达式如式(3)：其中，k满足另外，Xi、αi、Pi±、以及均为过度参数，其中，Ai和Bi由边界条件决定，Ai和Bi分别表示为：其中，表示漫射反射率；Ai和Bi对应的边界条件为：所述适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中，所述传统的二流辐射传输方程如式(4)：式(4)中对应的边界条件为所述适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法的进一步设计在于，当该方法基于地表长波辐射时,所述步骤1中的云微物理特性连续变化的辐射通量的表现形式如式(5)：其中，为扰动项，为常数项。所述适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中，所述传统的二流辐射传输方程如式(6)：式(6)中，B(τ)＝a1+b1τ，a1和b1是常数，式(6)的边界条件为：I-(τ＝0)＝0,I+(τ＝τ0)＝(1-εs)I-(τ＝τ0)+εsπBs(Ts)，Ts表示地表温度，Bs表示普朗克黑体发射；根据式(6)求得如式(7)：其中，其中，K和H是由边界条件决定的量、εs地表发射率、a1和b1表示常数。所述适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中，非均匀性引起的效应的微扰动项的方程组的方程组如式(8)：其中，ω(τ)表示单层散射反照率，τ是光学厚度，τ0表示云顶到云底的光学厚度，分别光学厚度为时ω、g对应的值，μ0为太阳高度角的余弦值，根据式(8)求解得到垂直非均匀层结引起的扰动项和表达式如式(9)：其中，其中，R表示地表反射率，Ai和Bi对应的边界条件为：本专利技术的优点如下：(1)本文提出的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法可有效解决气候模式中云内部光学性质的垂直不均匀问题，从而提高辐射计算精度。无论对于短波还是长波，该方法在计算非均匀的云时，比传统的二流辐射传输算法有更高的计算精度，尤其是对于短波辐射传输，计算精度提高的更为明显，这可用来解释大气中云的吸收误差达到7％的吸收异常。(2)该方法如应用到气候模式中，只需要在气候模式的辐射模块中加一个参数化的程序，操作简单且并不会影响计算效率。(3)由于云微物理特性变化的幅度越大，那么当作均匀大气计算得到的误差越高，该方法对计算精度的提高越是明显，所以该方法对增长较快的云的计算效果会更明显。(4)该方法不仅仅适用于云微物理特性连续变化的辐射计算，也能显著提高雪微物理特性连续变化的辐射计算。其实此方法适合一切包含不对称因子和单散射反照率连续变化的不均匀介质的辐射传输计算。具体实施方式下面对本专利技术的技术方案进一步说明。本实施例的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，基于二流近似方案，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1)将云微物理特性连续变化的辐射通量表示为常数项与扰动项的和；步骤2)根据传统的二流辐射传输方程计算得出的第一辐射通量，并设定第一辐射通量为所述常数项；步骤3)通过微扰法将不对称因子g和单散射反照率ω参数化的形式代入传统的二流辐射传输强度方程中形成非均匀性引起扰动项方程组，并通过对所述非均匀性引起扰动项方程组求解得到两个微扰动因子εω和εg表示的第二辐射通量；步骤4)对第一辐射通量与第二辐射通量进行求和完成所述云微物理特性连续变化的辐射通量的求解。本实施例的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法针对云辐射的波长分别提供了针对长波和短波的二流辐射传输参数化方程的推倒方法，如下：(1)适用于云微物理特性连续变化的短波二流辐射传输方程平均方位角的太阳辐射传输基本方程可以写为：上式中，I(τ,μ)表示太阳辐射强度，μ为太阳高度角的余弦值，τ是光学厚度，ω(τ)表示单层散射反照率，Fs表示入射太阳通量，P(τ,μ,μ')表示相函数，对于爱丁顿近似而言，相函数可以表示为P(τ,μ,μ')＝1+3g(τ)μμ‘，(-1≤μ≤1)，其中，g(τ)为不对称因子。对于散射大气，向上和向下的太阳通量密度如下：考虑的不对称因子g(τ)和单层散射反照率ω(τ)都是随着光学厚度连续变化的，这比较符合真实介质的情本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，基于二流近似方案，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1)将云微物理特性连续变化的辐射通量表示为常数项与扰动项的和；步骤2)根据传统的二流辐射传输方程计算得出的第一辐射通量，并设定第一辐射通量为所述常数项；步骤3)通过微扰法将不对称因子g和单散射反照率ω参数化的形式代入传统的二流辐射传输强度方程中形成由非均匀性引起的扰动项方程组，并通过对所述非均匀性引起的扰动项方程组求解得到两个微扰动因子εω和εg表示的第二辐射通量；步骤4)对第一辐射通量与第二辐射通量进行求和完成所述云微物理特性连续变化的辐射通量的求解。

【技术特征摘要】
1.一种适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，基于二流近似方案，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1)将云微物理特性连续变化的辐射通量表示为常数项与扰动项的和；步骤2)根据传统的二流辐射传输方程计算得出的第一辐射通量，并设定第一辐射通量为所述常数项；步骤3)通过微扰法将不对称因子g和单散射反照率ω参数化的形式代入传统的二流辐射传输强度方程中形成由非均匀性引起的扰动项方程组，并通过对所述非均匀性引起的扰动项方程组求解得到两个微扰动因子εω和εg表示的第二辐射通量；步骤4)对第一辐射通量与第二辐射通量进行求和完成所述云微物理特性连续变化的辐射通量的求解。2.根据权利要求1所述的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，其特征在于当该方法基于太阳短波辐射时，所述步骤1中的云微物理特性连续变化的辐射通量的表现形式如式(1)：其中，Fi±(i＝1,2)为扰动项，为常数项。3.根据权利要求2所述的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，其特征在于所述步骤3)中，非均匀性引起的效应的微扰动项的方程组Fi±(i＝1,2)如式(2)其中,Fs表示入射太阳通量，τ是光学厚度，τ0表示云顶到云底的光学厚度，分别表示是光学厚度为时ω、g对应的值，μ0为太阳高度角的余弦值；根据式(2)求解得到垂直非均匀层结引起的扰动项Fi+和Fi-表达式如式(3)：其中，k满足另外，Xi、αi、Pi+、Pi-、以及均为过度参数，其中，Ai和Bi由边界条件决定，Ai和Bi分别表示为：其中，Rdif表示漫射反射率；Ai和Bi对应的边界条件为：Fi-(τ＝0)＝0,Fi+(τ＝τ0)＝RdifFi-(τ＝τ0)。4.根据权利要求3所述的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，其特征在于所述步骤3)中，所述传统的二流辐射传输方程如式(4)：式(4)中对应的边界条件为5.根据权利要求1所述的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，其特征在于当该方法基于地表长波辐射时,所述步骤1中的云微物理特性连续变化的辐射通量的表现形式如式(5)：其中，为扰动项，为常数项。6.根据权利要求5所述的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，其特征在于所述步骤3)中，所述传统的二流辐射传输方程如式(6)：式(6)中，B(τ)＝a1+b1τ，a1和b1是常数，式(6)的边界条件为：I-(τ＝0)＝0,I+(τ＝τ0)＝(1-εs)I-(τ＝τ0)+εsπBs(Ts)，Ts表示地表温度，Bs表示普朗克黑体发射；根据式(6)求得如式(7)：其中，其中，K和H是由边界条件决定的量、εs地表发射率、a1、b1表示常数。7.根据权利要求6所述的适用于云微物理特性连续变化的辐射传输计算方法，其特征在于所述步骤3)中，非均匀性引起的效应的微扰动项的方程组的方程组如式(8)：

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，颜佳任，吴琨，石怡宁，杨全，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32