文档介绍：国内图书分类号:TK123
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工学博士学位论文
含典型气溶胶粒子的大气辐射传输与反演
博士研究生: 袁远
导师: 谈和平教授
副导师: 易红亮副教授
申请学位级别: 工学博士
学科、专业: 工程热物理
所在单位: 能源科学与工程学院
答辩日期: 2012 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:TK123
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
ATMOSPHERIC RADIATIVE TRANSFER
AND RETRIEVAL FOR TYPICAL AEROSOL
PARTICLES
Candidate: Yuan Yuan
Supervisor: Prof. Tan He-Ping
Associate Supervisor: Associate Prof. Yi Hong-Liang
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Engineering Thermophysics
Affiliation: School of Energy Science and Engineering
Date of Defence: June, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
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 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 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
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
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