[发明专利]一种污染性沙尘颗粒辐射特性的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及气溶胶粒子散射特性模拟领域，尤其涉及一种污染性沙尘颗粒散射特性的模拟方法。

背景技术

沙尘气溶胶是区域和全球大气气溶胶的重要组成部分，年排放量达1000～3000Tg(10¹²g)，大约占对流层气溶胶总量的一半。沙尘气溶胶不仅对沙尘源区以及下风向地区的大气能见度、空气质量、人类健康等产生影响，而且可通过沙尘的远距离传输和沉降给海洋生态系统输送大量的营养元素和微量元素，一些元素甚至成为某些海洋区域初级生产力的限制因素。我国北、西北部的干旱、半干旱地区是亚洲沙尘的主要源区，每年冬、春季节在强劲西北风的作用下向下风向地区输送大量矿物气溶胶。同时，由于经济的持续高速发展，尤其是快速城市化和机动车化，我国人为排放污染物的排放量急剧上升，其大气中污染物的浓度远远高于西方发达国家。沙尘气溶胶与人为排放污染物之间的相互混合、相互作用对污染物的空间分布以及环境效应造成巨大影响。

沙尘暴携带大量的细颗粒矿物气溶胶，提供了积聚(经由吸附、表面络合、自由基光化学反应、复相反应)污染物的极好场所，从而形成污染性沙尘。污染性沙尘颗粒通常是非球形非均质的，其结构和化学组分的变化均会改变原始沙尘粒子的辐射特性，这使得对沙尘粒子辐射强迫效应估算有极大的不确定性。因此，沙尘在长距离传输过程中的形态结构、化学组分变化及其可能的辐射及环境效应，己成为大气科学家共同关注的焦点和亟待解决的问题。

目前，关于非球形气溶胶粒子辐射特性计算的方法很多，主要有T矩阵算法、FDTD（Finite Difference Time Domain）算法、FEM（Finite Element Method）算法、MSTM（Multiple Sphere T-matrix）和GMM（Generalized Multi-particle Mie-solution）算法等。T矩阵算法源自于散射问题的面积积分方程表达式，认为粒子的散射场是由粒子表面电流与磁流源激发的（等效原理），所有场量均用矢量球谐波函数展开，未知系数由边界条件确定。原则上说，这是一种精确的有潜力适用于任意形状的粒子的数值-解析方法，但目前实际应用中还是局限于旋转对称性粒子。T矩阵算法的一个突出优点是，对于随机取向的粒子，可以直接使用粒子关于所谓的自然坐标下计算的结果，这使得计算大为简化。

FDTD算法一种纯粹的利用差分取代微分的离散化方法，直接寻求差分形式的Maxwell方程的数值解。从数学上讲，Maxwell方程的频域是椭圆型的，入射波的散射问题是一个边值问题。而在时域，Maxwell方程是双曲型的，散射过程则是一个由相对简单的初值问题所描述。该算法直到“完美匹配层吸收边界条件”提出后才得到广泛应用。

FEM算法是一种基于Maxwell方程的积分形式解的数值方法。在FEM算法中，对控制微分方程总是乘以任意的权重或试验函数，并在整个体积上进行积分。散射体则根据所要求的精度及其集合特征离散成许多有确定大小和形状的计算小单元。在计算小单元内，总场根据形状函数由其端点与边缘处的量进行插值。时域的FEM算法可以利用一种简洁有效的前向积分方案，以降低计算机内存的需求。

GMM算法是在Mie理论和矢量球形波函数加法定理的基础上，将聚集体中第j个球的入射场看作由两部分组成，一部分是原始的入射场，另一部分则是由聚集粒子中其他邻近粒子的散射波投射到该粒子上而形成的入射场。在计算过程中，首先将初始的入射场展开为矢量球形波函数形式，对于其他粒子散射到j球上的散射波，则需要应用矢量加法定理将其转化为以j球为中心的入射波；得到j球的两部分入射场后，根据电磁理论可得到聚集粒子的散射场、入射场，继而进一步求得关于聚集粒子的衰减截面、散射截面、吸收截面等辐射特性。其中，研究相互作用的球形聚集粒子散射特性的关键是确定每个单元球粒子的散射相互作用系数，这与计算单个球粒子的Mie理论很相似，即将Mie理论同时应用到聚集粒子中所有的组份球会产生一组关于相互作用系数的方程，采用渐进迭代法求解这些相互作用系数，继而对相互作用的散射因子再次应用加法定理，从而得出聚集粒子的总散射场。GMM方法的优点是可以计算任意尺寸大小的聚集粒子，本质上属Mie理论向多粒子散射的推广，同时收敛速度较快。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种污染性沙尘颗粒散射特性的模拟方法，该模拟方法可较为准确地对非球形非均质的污染性沙尘粒子辐射特性进行模拟。

为实现上述目的，本发明一种污染性沙尘颗粒散射特性的模拟方法，具体为：