一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，包括如下步骤：首先利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型，然后利用爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算三维云层基础辐射场；考虑邻云辐射效应对水平传输方向上的三维云层基础辐射场的影响，将其分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化；将水平辐射通量密度变化映射回高斯方向，再将三维云层基础辐射场与变化辐射强度结合得到更新后三维云层辐射强度，并由其计算多次散射源函数；结合由初始条件计算的单次散射源函数与热源函数，得到三维云层辐射源函数。

A calculation method of three-dimensional cloud radiation based on radiation flux density

【技术实现步骤摘要】
一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法
本专利技术涉及大气辐射计算领域，尤其是一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法。
技术介绍
云是自然界中十分复杂的物理现象之一，在大气辐射传输过程中产生着较大的影响。由于云在三维空间内的分布的不均匀性，使得三维云层场景的辐射传输问题成为大气辐射传输领域中的难题。为了研究有云大气中的辐射传输问题，需要充分考虑云的三维结构和辐射特性。三维大气辐射传输的精确计算，相对应的是成本的大幅度提高。其中，三维空间内多次散射的精确计算很大程度上影响着最终计算成本。通常可以通过多次迭代方法求解多次散射源函数，复杂的多次迭代过程势必会导致较高的成本和较慢的运算速度。因此，合理地简化多次散射源函数的计算过程来降低所需成本并提高运算速度，成为大气辐射传输领域亟需研究讨论的问题。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
中的问题，本专利技术旨在提供一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，能够在保持较高计算精度的前提下，加快计算三维云层辐射源函数，降低计算成本，并且可以很好地应用于三维多云场景。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，包括如下步骤：(1)利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型；(2)利用爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算三维云层基础辐射场；(3)考虑邻云辐射效应对水平传输方向上的三维云层基础辐射场的影响，将其分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化；(4)将水平辐射通量密度变化映射回高斯方向，再将三维云层基础辐射场与变化辐射强度结合得到更新后三维云层辐射强度，并由其计算多次散射源函数；(5)结合由初始条件计算的单次散射源函数与热源函数，得到三维云层辐射源函数。优选的，步骤(1)中，利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型，具体步骤如下：(1)将三维云层场景分为所需大小尺度的网格单元，每个单元都有其相邻的四个单元(如图2)，利用大气属性文件，将大气属性根据空间位置存储在每个单元内；(2)基于离散坐标下的高斯积分，将三维云层辐射场离散到已设置个数的高斯方向上，且同一方位角的高斯方向总和构成一个“三棱柱”空间(如图3)；(3)将高斯方向上的三维云层辐射场映射到水平辐射传输方向上。优选的，步骤(3)中，考虑邻云辐射效应对水平传输方向上的三维云层基础辐射场的影响，将其分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，具体步骤如下：(1)基于高斯方向上的由爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算得到的三维云层基础辐射场，将高斯方向上的辐射强度映射到水平辐射通量密度传输方向上；(2)将邻云辐射效应分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱即I+(τ；Ω′ts)和I-(τ；Ω′ts)，得到水平辐射通量密度的增强值或减弱值；(3)考虑太阳天顶角变化导致的辐射误差，对水平辐射通量密度的增强值和减弱值进行修正。优选的，步骤(3)中，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化，具体步骤如下：(1)选择三维云层场景内第一个单元A，再搜索与其水平方向相邻的四个单元B1、B2、B3和B4；(2)将基础辐射场映射到水平传输方向，计算映射系数ψts；ψts＝cos(Δφts)sin(θts)其中θts高斯方向的天顶角；Δφts高斯方向在XY平面上的投影与其所处ts空间内水平坐标轴方向的平面夹角，Δφts的取值范围是-45°＜Δφts＜45°。(3)计算水平辐射通量密度在单元A与其水平相邻单元B之间的反射比例，即反照率R；其中，τ为光学厚度，ω为单次散射反照率，g为不对称因子。(4)计算单元A的水平辐射通量密度受邻云辐射影响的变化I+(τ；Ω′ts)和I-(τ；Ω′ts)；其中I+(τ；Ω′t1)是Ω′t1方向水平辐射通量密度的增加值；I-(τ；Ω′t1)是Ω′t1方向水平辐射通量密度的减弱值；Ω′t2方向是与Ω′t1相同高斯方向相反方位的方向(如图3)；R1是水平辐射通量密度在A与B1的交界处发生反射的比例；R2是水平辐射通量密度在A与B2的交界处发生反射的比例。(5)计算单元A由于邻云辐射效应影响所产生的辐射射通量密度变化ICE(τ；Ω′ts)，计算修正系数ACE；ACE＝exp(sinθ0-sinθE)-1ICE(τ；Ω′ts)＝(1+ACE)I+(τ；Ω′ts)-(1-ACE)I-(τ；Ω′ts)其中θ0为太阳天顶角；θE为二流近似法计算辐射通量所使用的高斯方向天顶角；ICE(τ；Ω′ts)代表某一单元处Ω′ts方向由邻云辐射效应所产生的水平辐射通量密度变化值，I+(τ；Ω′ts)为Ω′ts方向水平辐射通量密度的增加值，I-(τ；Ω′ts)为Ω′ts方向水平辐射通量密度的减弱值，ACE为弥补太阳方向变化对模型带来误差的修正系数。(6)重复步骤1-5，直到选则到三维云层场景内最后一个单元A，并且单元A的ICE(τ；Ω′ts)都计算完成为止。优选的，步骤(4)中，将水平辐射通量密度变化映射回高斯方向，再将三维云层基础辐射场与变化辐射强度结合得到更新后三维云层辐射强度，并由其计算多次散射源函数，具体步骤如下：(1)在三维云层场景内选取第一个单元A；(2)计算从水平通量密度方向到高斯方向的分配权重P(Ω′ts；Ωs)和高斯积分权重Ats(Ω′ts)，并由此计算高斯方向变化辐射强度I'CE(τ；Ω′)：ICE'(τ；Ω′)＝P(Ω′ts；Ωs)Ats(Ω′ts)ICE(τ；Ω′)(3)利用爱丁顿近似法计算和严格单次散射计算式计算得到单元A的三维云层基础辐射场，结合变化辐射强度得到更新后三维云层辐射强度：其中IEMS(τ；Ω′)为由爱丁顿近似计算得到三维云层近似多次散射强度，ISS(τ；Ω′)为由严格单次散射计算式计算得到的三维云层单次散射强度，I”(τ；Ω′)为以三维云层基础辐射场I′(τ；Ω′)作为输入计算得到的更新后三维云层辐射强度；(4)利用更新后三维云层辐射亮度计算单元A处的多次散射源函数；(5)重复步骤1-4，直到选取了三维云层场景内最后一个单元作为A点，且该处的多次散射源函数项计算完成为止。本专利技术的有益效果为：本专利技术可在保持较高计算精度的前提下，加快计算三维云层辐射源函数，降低计算成本，并且可以很好地应用于三维多云场景。附图说明图1为本专利技术的方法流程示意图；图2为本专利技术的水平方向单元划分示意图；图3为本专利技术的高斯方向构成的三棱柱空间示意图；图4为本专利技术的应用于所设云场景1随太阳天顶角变化的改进辐射源函数计算法和爱丁顿近似法与真实辐射值的相对误差结果图；图5为本专利技术的应用于所设云场景2随太阳天顶角变化的改进辐射源函数计算法和爱丁顿近似法与真实辐射值的相对误差结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型；/n2)利用爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算三维云层基础辐射场；/n3)将所述三维云层基础辐射场分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化；/n4)将水平辐射通量密度变化映射回高斯方向，再将三维云层基础辐射场与变化辐射强度结合得到更新后三维云层辐射强度，并由其计算多次散射源函数；/n5)结合由初始条件计算的单次散射源函数与热源函数，得到三维云层辐射源函数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型；
2)利用爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算三维云层基础辐射场；
3)将所述三维云层基础辐射场分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化；
4)将水平辐射通量密度变化映射回高斯方向，再将三维云层基础辐射场与变化辐射强度结合得到更新后三维云层辐射强度，并由其计算多次散射源函数；
5)结合由初始条件计算的单次散射源函数与热源函数，得到三维云层辐射源函数。


2.如权利要求1所述的基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，其特征在于，步骤1)中，利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型，具体为：
步骤1.1，将三维云层场景分为所需大小尺度的网格单元，每个单元都有其相邻的四个单元，利用大气属性文件，将大气属性根据空间位置存储在每个单元内；
步骤1.2，基于离散坐标下的高斯积分，将三维云层辐射场离散到已设置个数的高斯方向上，且同一方位角的高斯方向总和构成一个三棱柱空间；
步骤1.3，将高斯方向上的三维云层辐射场映射到水平辐射传输方向上。


3.如权利要求1所述的基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，其特征在于，步骤3)中，将所述三维云层基础辐射场分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱具体为：
步骤3.1，将高斯方向上的辐射强度映射到水平辐射通量密度传输方向上；
步骤3.2，将邻云辐射效应分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱即I+(τ；Ω′ts)和I-(τ；Ω′ts)，得到水平辐射通量密度的增强值或减弱值；
步骤3.3，对水平辐射通量密度的增强值和减弱值进行修正，以消除太阳天顶角变化导致的辐射误差。


4.如权利要求3所述的基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，其特征在于，步骤3)中，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化，具体为：
步骤3.4，选择三维云层场景内任一单元A，再搜索与其水平方向相邻的四个单元B1、B2、B3和B4；
步骤3.5，将基础辐射场映射到水平传输方向，计算映射系数ψts；
步骤3.6，计算水平辐射通量密度在单元A与其水平相邻单元B之间的反射比例，即反照率R；
步骤3.7，计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：张寅，颜灏，闫钧华，马俊，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32