[发明专利]一种处理长波区间太阳辐射能量的辐射传输计算方法

说明书

技术领域

本发明设计一种处理长波区间太阳辐射能量的辐射传输计算方法，特别是一种适用于数值模式的包含长波区间太阳辐射能量的长波辐射计算方法。

背景技术

超过90％的太阳能量集中在波长较短的短波区间，其峰值在0.5μm附近(Liou 2002)，故也将太阳辐射称为短波辐射。地表与大气发出的热红外辐射其最大能量集中在波长10μm附近(Liou 2002)，故红外辐射也被称为长波辐射。通常在数值模式中，太阳光谱和红外光谱以波长短于或长于4μm这一标准分为两个谱区，然而他们之间是存在重叠的。有约1％的太阳辐射能量位于长波谱区。根据MODTRAN3.7方案中提出的结果(Anderson 1995)可得到，大气层顶入射的太阳辐射在4-100μm的长波区间约有11.78W m^-2的能量。Li和Barker(2005)的文章中指出，约有12W m^-2的太阳辐射能量在4-1000μm的红外光谱区。

对于短波辐射而言，分子、云滴和气溶胶颗粒的散射作用十分重要；但对于长波区间的大气辐射而言，其散射作用较弱，气体吸收则是一个很重要的物理过程。通常采用相关K分布的方法(Fu and Liou1992；Chou and Suarez 1999；Li and Barker 2005；Zhang et al.2003)来处理气体吸收过程。由于长波区间的强吸收作用，长波区间的太阳辐散能量大多会被大气中的吸收气体(如水汽、二氧化碳和臭氧等)和地表吸收。

以往在模式中，对于长波区间的太阳辐射能量有两种处理方法：一种是直接忽略这部分的太阳辐射；另一种是将长波区间的太阳辐射能量按照短波区间的太阳辐射能量分布等比例的分配到短波区间，但这种方法将导致这一部分能量的气体吸收作用减少，从而增大计算误差。因此，不论是采用哪种处理方法，都会对数值模式中的辐射平衡造成影响。Li(2010)提出了一种简单的方法来处理长波区间的太阳能量，但这种方法忽略了长波区间的散射作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种处理长波区间太阳辐射能量的辐射传输计算方法，减小长波区间的太阳辐射能量计算的误差。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种处理长波区间太阳辐射能量的辐射传输计算方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：分别求解短波和红外辐射传输方程，求得每层大气直射的反射和透射函数以及红外辐射强度函数；并求解散射辐射传输方程，求得每层大气散射的反射和透射函数；

步骤二：由步骤一求得的直射的反射和透射函数、红外辐射强度函数以及散射的反射和透射函数，分别运用短波和红外累加方法，求取多层大气的联合向上/向下辐射函数；

步骤三：由步骤二求得的联合向上/向下辐射函数，分别求得多层大气的长波区间太阳辐射通量和热红外辐射通量，再将两者相加，即可求得长波区间多层大气的辐射通量，进而由通量求得加热率。

进一步地，所述步骤一中，为了求解辐射传输方程，辐射强度可被分为两个部分：

I(τ,μ)＝I^sol(τ,μ)+I^IR(τ,μ)

其中I^sol(τ,μ)为太阳辐射部分的辐射强度；I^IR(τ,μ)为热红外辐射部分的辐射强度；

由此，包含长波区间太阳辐射能量的长波辐射传输方程可分为I^sol(τ,μ)满足的方程

和I^ir(τ,μ)满足的方程其中，I(τ,μ)是辐射强度，τ为介质的光学厚度，μ为天顶角的方向余弦，ω为单次散射反照率，P(μ,μ')是方位角平均的散射相函数，F₀为大气顶垂直于太阳光方向的辐射通量，μ₀为太阳入射角的方向余弦，B(τ)为热源的普朗克函数。

进一步地，求解短波辐射传输方程，求取该部分每层大气直射的反射和透射函数，利用高斯求积简化短波辐射传输方程，取[-1,1]区间的4点高斯求积，解得方程的解析解为