[发明专利]一种外混合气溶胶光散射特性的计算方法

权利要求书

1.一种外混合气溶胶光散射特性的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)气溶胶单次散射特性计算：

根据组成外混合模型中各类型气溶胶粒子的半径大小，应用米散射理论计算不同类型气溶胶粒子的单次散射特性；

黑碳气溶胶粒子的半径3μm，硫酸盐气溶胶粒子的半径为5.74μm，分别计算黑碳和硫酸盐气溶胶粒子的非对称因子和单次散射反照率；

2)光子状态初始化：

光子从发射机发出，初始偏转角θ₀在光束发散角2θ₁内均匀发射，cosθ₀在[cosθ₁,1]之间均匀分布，则初始偏转角θ₀可以抽样表示为：

θ₀＝arccos[1-r(1-cosθ₁)] (1)

式中r为[0,1]区间内均匀分布的随机数；

初始方位角在[0,2π]间均匀分布，可以抽样表示为：

光子的初始传输方向D₀由θ₀和决定，可表示为

光子的随机运动步长l_m可根据比尔定律抽样表示为：

式中σ为大气的消光系数，因此光子首次发生散射的位置P₁点的坐标可表示为：

P₁(x₁,y₁,z₁)＝O(0,0,0)+l_mD₀ (5)

3)按粒子个数混合比抽样选择气溶胶类型：

根据两种气溶胶粒子的个数混合比例，按比例抽样选择碰撞的气溶胶类型；黑碳与硫酸盐气溶胶粒子的个数比为1:1；

4)光子位置和光能量传输跟踪：

选取HG散射相函数确定每次碰撞之后的散射角，HG散射相函数的表达式为：

式中g为光子所碰到的外混合气溶胶粒子的非对称因子，我们对散射相函数进行抽样即可得到散射角θ_s的表达式，当g≠0时：

当g＝0时：

θ_s＝arccos(2r-1) (8)

同样方位角在[0,2π]间均匀分布，可抽样表示为：

假设光子第m次碰撞时的坐标位置已知，为P_m(x_m,y_m,z_m)，光子从P_m点散射到P_m+1的方向余弦为：

则光子第m次碰撞后的迁移方向为：

光子在某点与气溶胶粒子碰撞，在其第m次碰撞后的光子位置坐标为：

P_m+1(x_m+1,y_m+1,z_m+1)＝P_m(x_m,y_m,z_m)+lD_m′ (12)

光与气溶胶粒子碰撞之后，有一部分能量被气溶胶吸收，则第m次碰撞后的光能量的改变为：

E_m+1＝wE_m (13)

式中w为光子所碰到气溶胶粒子的单次散射反照率，假设每一个初始光子对光能量的贡献相同都为a，即E₀＝a；

5)光子接收判断：

满足以下两个判断条件，则认为光子被接收：光子恰好到达接收探测圆面，即光子从P_m点散射到P_m+1点，P_m+1点恰好在接收机探测圆面上；或光子的迁移轨迹穿越探测圆面，即光子的迁移轨迹P_mP_m+1与接收机探测截面有交点；

当光子被接收，将停止对该光子的模拟跟踪，进行下一个光子的模拟，直到模拟完所有发射的N个光子；

6)计算各次散射特性：

对接收到的光能量进行统计，得到光在外混合气溶胶中传输时的各次散射光能量占总接收光能量的比值：

直接透射光能量占总接收光能量的比值：

一次散射光能量占总接收光能量的比值：

二次散射光能量占总接收光能量的比值：

三次散射光能量占总接收光能量的比值：

式中I₀为没有与气溶胶粒子发生碰撞的光子对光能量的贡献，即所有直接透射光子的贡献E₀之和；

I₁为与气溶胶粒子碰撞一次的光子对光能量的贡献，即经过一次散射光子的贡献E₁之和；

I₂为与气溶胶粒子碰撞两次的光子对光能量的贡献，即经过两次散射光子的贡献E₂之和；

I₃为与气溶胶粒子碰撞三次的光子对光能量的贡献，即经过三次散射光子的贡献E₃之和；

以此类推，就可以得到外混合气溶胶的各次散射光能量占总接收光能量的比值。