[发明专利]一种内混合气溶胶光散射特性的计算方法

说明书

本发明涉及一种内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)内混合气溶胶单次散射特性计算：根据内混合气溶胶模型，计算各类型气溶胶粒子单次散射特性；2)光子状态初始化：确定光子首次发生散射的位置P₁点的坐标；3)光子位置和光能量传输跟踪；4)光子接收判断；5)计算内混合气溶胶的各次散射特性。本发明的内混合气溶胶光散射特性的计算方法，可根据不同成分气溶胶组成的不同内混合模型，应用蒙特卡洛法对光在内混合气溶胶中的传输过程进行模拟仿真，并进一步考虑了内混合气溶胶粒子对光的散射和吸收作用，即可得到不同成分混合比例下组成的内混合气溶胶的各次光散射特性。

技术领域

本发明涉及大气光学和激光传输领域的气溶胶光散射特性计算方法，特别是一种内混合气溶胶光散射特性的计算方法。

背景技术

随着中国雾霾天气的越来越多，尤其是在我国北方供暖期，雾霾天气较为严重。雾霾主要是由矿物燃料和化石燃料的燃烧引起的，由此而产生的主要气溶胶成分是硫酸盐和黑碳。大量的研究指出，硫酸盐气溶胶是吸湿性粒子，其往往与大气中的水结合形成均匀混合的内混合粒子；而黑碳气溶胶是非吸湿性的粒子，但是随着时间慢慢老化，往往会作为核心部分与硫酸盐等水溶性气溶胶形成分层球形的内混合粒子。此时黑碳与硫酸盐气溶胶粒子的散射性质就会发生改变，气溶胶粒子的散射特性是影响光传输的关键因子。当光在大气中传输时，会受到上述内混合气溶胶粒子散射特性的影响，尤其是当大气中气溶胶粒子密度较大时，内混合气溶胶粒子的多次散射特性不可忽略，多次散射特性也是影响光传输的关键因子。

近年来，国内外相关学者从不同的角度采用不同的方法对气溶胶多次散射特性进行了研究。对于多次散射特性，人们已经提出很多研究方法，如逐次迭代方法，以及建立于辐射传输方程的离散坐标法、球谐函数法、倍加累加法和蒙特卡洛法等。蒙特卡洛法作为处理光传输问题的常用方法，被广泛应用于光在多种介质的传输问题中，只要光子选取的足够多，便能够准确地模拟光子的多次散射问题。目前应用蒙特卡洛法研究内混合气溶胶多次散射特性时，为了方便起见，常假定其为单一均匀的粒子，不区分内混合的模型，就会产生较大的误差。

因此，本发明结合实际大气中气溶胶内混合的模型，考虑单个内混合气溶胶粒子的散射特性，应用蒙特卡洛法对光在内混合气溶胶中的传输过程进行模拟仿真，即可得到内混合气溶胶的光散射特性，该方法将方便所有研究内混合气溶胶散射特性的学者进行应用，并对研究大气传输特性具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在考虑单个内混合气溶胶粒子散射特性基础上，计算内混合气溶胶光散射特性的方法，该方法将方便研究光在内混合气溶胶中的传输特性。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

1)内混合气溶胶单次散射特性计算：

根据内混合气溶胶模型，计算各类型气溶胶粒子单次散射特性：内混合气溶胶模型包括均匀混合模型及分层球混合模型，对于均匀混合模型，先计算粒子混合后等效折射率，再应用均匀球米散射理论计算其散射特性；对于分层球混合模型应用分层球米散射理论计算该内混合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：