大气粒子多角度散射特性包括散射函数及散射相 矩阵 (也称“Müeller矩阵"), 两者不仅是辐射传输模拟的基本输入参数, 同时也是大气粒子微物理性质的载体。由于其基础性地位, 大气粒子多角度散射特性测量技术一直是大气科学领域的研究热点。对大气粒子散射函数及 Müeller 矩阵测量技术的研究现状进行了综述, 主要内容包括以下四个方面: (1) 从大气粒子微物理特征的不确定性、数值计算方法的局限性和复杂性出发, 分析了大气粒子光散射研究中存在的困难, 指出发展大气粒子散射函数及Müeller矩阵测量技术的必要性; (2) 概述了可见近红外波段的多角度散射观测技术研究现状, 将可见近红外波段测量仪器分平面旋转接收型、固定接收型和镜面反射型三类, 重点讨论了不同设计方案的优缺 点; (3) 介绍了基于微波比拟技术测量单粒子散射特性的研究现状及其优势和劣势; (4) 总结了多角度散射特性测量技术研究中存在的问题, 并展望了多角度散射测量技术的发展方向。本工作可为后续的大气粒子光散射测量技术研究提供一定参考。

为提高地基红外测云系统全天空云检测的准确性,通过辐射传输模式SBDART模拟大气向下红外辐射与云光学厚度之间的对应关系,发现利用云的光学厚度拟合曲线反演云的光学厚度具有可行性,然后在此基础上提出了一种利用红外和激光联合反演云光学厚度的方法。通过建立更精确的适用于特定地区和特定季节的大气廓线和水汽含量,利用激光消光廓线较精确地反演气溶胶和云底高,并将以上获取的大气参数代入辐射传输模式SBDART,模拟得到了云的光学厚度反演曲线,从而反演出全天空云的光学厚度分布。实验结果表明,通过单层云和两层云的光学厚度反演曲线反演得到的全天空光学厚度分布与全天空辐射分布保持一致,能够较清晰地分辨全天空不同高度云层的光学厚度。

近些年, 飞秒激光成丝诸多非线性效应及其潜在应用逐渐成为超短脉冲激光领域研究的重要方向之一。飞秒激光成丝诱导水汽凝结、降雪和破碎冰晶二次增长等方面的探索研究, 为人类寻找主动控制天气的新技术指明了方向, 具有重要的科学意义和应用前景。首先, 重点分析梳理了飞秒激光成丝诱导形成水凝物的观测和机理研究进展; 然后, 讨论了飞秒激光诱导水凝物形成机理研究中尚待解决的关键科学问题, 以及对该领域未来发展方向做了展望。

在基于红外高光谱辐射数据进行大气遥感方面的研究中, 准确模拟红外高光谱数据是很重要的一步。 分析了红外高光谱辐射仪的测量原理, 建立了基于Atmospheric Radiation Transfer Simulator(ARTS）的考虑仪器干涉图截断与离散化处理过程的正向模型。 在该正向模型中, 首先采用高光谱辐射传输模式ARTS模拟得到离散化理想光谱, 通过逆傅里叶变换将理想光谱转化为干涉图, 对干涉图加窗截断处理, 模拟仪器响应函数对干涉图的影响, 最后采用傅里叶变换得到仪器测量光谱。 在这一过程中, 窗口函数的选择取决于仪器的干涉图截断方式。 未经过切趾处理的仪器, 其对应的窗口函数为矩形窗口; 经过切趾函数处理, 可以减少干涉图截断造成的能量泄露现象。 逆傅里叶变换与傅里叶变换过程中必须满足Nyquist采样定律。 基于已建立的正向模型, 模拟了Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI)在Southern Great Plains (SGP)站点的108组晴空辐射数据, 并与AERI的实测结果进行比较分析, 结果发现理想光谱与AERI实测光谱在吸收线上差异较大, 最大残差达到35 mW·sr-1·m-2·(cm-1)-1（简称RU）以上, 增加干涉图截断过程后, 模拟光谱与实测光谱的最大残差减小到10 RU以内。 截断过程的增加对模拟光谱的精度有明显提高, 尤其在吸收线上, 模拟光谱明显被平滑, 模拟精度显著提高。 进一步分析六种常用窗口函数截断处理的结果与AERI实测数据的残差, 结果发现, 模拟过程中选择窗口函数为矩形窗口时, 模拟光谱与AERI实测数据残差最小, 基本可以约束在5 RU以内, 确定了AERI的干涉图截断方式可以近似看作矩形截断。 另外, 在理想光谱转换为干涉图的过程中, 理想光谱分辨率的选择决定了干涉图信息的采样率以及ARTS的计算效率, 因此综合考虑模型计算精度和模型计算效率, 确定最佳的理想光谱分辨率对于提高模型计算效能是非常必要的; 基于此, 本文模拟了不同理想光谱分辨率下的仪器测量光谱, 对比分析了模拟光谱与AERI实测光谱的残差分布, 并讨论了光谱分辨率对模型计算耗时的影响。 结果表明, 对于AERI, 在对应的正向模型中设置理想光谱分辨率为0.241 1 cm-1时, 可在保证模型准确度的前提下, 最大化模型计算效率。

针对自主研制的降水微物理特征测量仪存在的成像质量问题,重点考虑与光源相关的散焦模糊,提出了基于点扩散函数的雨滴图像复原方法, 利用圆盘函数对雨滴图像进行复原,消除噪声和模糊,得到具有清晰轮廓的雨滴图像。利用与雨滴光学性质相近的玻璃球进行了定标实验, 确定了成像系统散焦模糊的半径和图像二值化的阈值。外场实测结果表明,图像复原可以有效修正雨滴尺度及其谱分布, 测量得到的雨滴谱和降雨强度与激光雨滴谱仪的结果具有很好的一致性。该方法应用于降水微物理特征测量仪,可以显著提高雨滴谱及其他微物理特征的测量性能。

非球形气溶胶穆勒散射矩阵的不确定性是影响偏振遥感精度的重要因素。在自主研制的时域多分辨率(MRTD)气溶胶散射模型中,穆勒散射矩阵的计算需要以远场电场值为基础,因此近远场外推过程成为制约其模拟精度的重要环节。为确定适用于MRTD散射模型的最佳近远场外推方案,在球形和非球形粒子情形下,系统地对比分析了基于惠更斯原理的表面积分方案以及基于电介质亥姆霍兹方程的体积积分方案所对应的穆勒散射矩阵的模拟精度。结果表明,虽然两种近远场外推方案均可有效准确地实现近远场外推,但从穆勒矩阵的计算误差分布上看,基于体积积分原理的近远场外推方案性能更优。

太赫兹波是理论上遥感卷云微物理参数的最佳波段，但星载太赫兹波被动遥感的结果易受到非卷云因素(地表反射率、大气廓线、中低层水云等)的影响.利用辐射传输模式分别模拟计算了地表反射率、大气廓线、中低层水云对大气层顶太赫兹辐射光谱的影响，并基于多重查找表法定量分析了这些因素的变化所造成的反演误差.结果表明：地表反射率对太赫兹辐射光谱的影响主要集中在300 GHz以下，对反演所选取的波段没有影响；实际大气廓线中水汽廓线和温度廓线的改变对反演结果产生影响，当温度廓线的变化在±2 K范围以内，或水汽廓线变化±20%时，对于粒子尺度大于50 μm、冰水路径大于10 g/m2的卷云，反演误差均保持在±20%以内；低云(云底高小于2 km)对所选通道的辐射没有影响，中云所产生的误差随着光学厚度和云底高度的增加而增大.

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性, 利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏, 并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现, 当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时, 光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小, 光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时, 发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响, 当相位屏数量较多时, 均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果, 且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。

为解决串行时域多分辨率(MRTD)散射模型运行时间长和内存消耗大的问题, 基于消息传递接口(MPI)技术设计了一种非球形气溶胶散射并行计算模型。介绍了MRTD散射模型的基本框架和2种并行数据通信方案, 并基于MPI重复非阻塞通信技术实现了MRTD散射模型的并行化设计; 搭建了网络并行计算平台, 实现了模型的并行化计算。将MRTD散射模型与Mie散射模型、T矩阵法进行了对比, 验证了并行MRTD散射模型的计算准确性。结果表明, MRTD模型可较准确地模拟非球形粒子散射特性, 并行计算技术可显著提高计算效率; 电磁场分量同时交换的并行设计方案的计算效率略高于仅交换磁场分量的方案; 通过增加中央处理器核数, 程序的并行加速比随之增大, 但单核运行效率却略有降低。随着粒子尺度参数的增大, 单核计算效率随之增加, 复折射率的改变并不会显著影响并行计算效率。

为定量评估非球形气溶胶对偏振辐射传输的影响, 基于T矩阵模型及自主开发的矢量辐射传输模式MACAR_VSPART, 讨论了漫射光辐亮度及偏振辐亮度对粒子形状的敏感性, 分析了气溶胶球形假设造成的漫射光模拟偏差.结果表明, 不同方向漫射光的辐亮度及偏振辐亮度对形状的敏感性不一致, 且其形状敏感强度的空间分布呈现特定的特征, 该特征可为气溶胶遥感过程中有效观测数据的选取提供依据.等效球形假设可造成较大的漫射光模拟偏差, 其中偏振辐亮度尤为显著; 天顶上行漫射光对粒子形状的敏感性远强于地面下行漫射光.