[发明专利]一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法

说明书

本发明公开了一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，包括如下步骤：首先利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型，然后利用爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算三维云层基础辐射场；考虑邻云辐射效应对水平传输方向上的三维云层基础辐射场的影响，将其分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化；将水平辐射通量密度变化映射回高斯方向，再将三维云层基础辐射场与变化辐射强度结合得到更新后三维云层辐射强度，并由其计算多次散射源函数；结合由初始条件计算的单次散射源函数与热源函数，得到三维云层辐射源函数。

技术领域

本发明涉及大气辐射计算领域，尤其是一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法。

背景技术

云是自然界中十分复杂的物理现象之一，在大气辐射传输过程中产生着较大的影响。由于云在三维空间内的分布的不均匀性，使得三维云层场景的辐射传输问题成为大气辐射传输领域中的难题。为了研究有云大气中的辐射传输问题，需要充分考虑云的三维结构和辐射特性。

三维大气辐射传输的精确计算，相对应的是成本的大幅度提高。其中，三维空间内多次散射的精确计算很大程度上影响着最终计算成本。通常可以通过多次迭代方法求解多次散射源函数，复杂的多次迭代过程势必会导致较高的成本和较慢的运算速度。因此，合理地简化多次散射源函数的计算过程来降低所需成本并提高运算速度，成为大气辐射传输领域亟需研究讨论的问题。

发明内容

为了解决上述背景技术中的问题，本发明旨在提供一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，能够在保持较高计算精度的前提下，加快计算三维云层辐射源函数，降低计算成本，并且可以很好地应用于三维多云场景。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于辐射通量密度的三维云层辐射计算方法，包括如下步骤：

(1)利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型；

(2)利用爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算三维云层基础辐射场；

(3)考虑邻云辐射效应对水平传输方向上的三维云层基础辐射场的影响，将其分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，计算由邻云辐射效应影响所产生的水平辐射通量密度变化；

(4)将水平辐射通量密度变化映射回高斯方向，再将三维云层基础辐射场与变化辐射强度结合得到更新后三维云层辐射强度，并由其计算多次散射源函数；

(5)结合由初始条件计算的单次散射源函数与热源函数，得到三维云层辐射源函数。

优选的，步骤(1)中，利用高斯方向和大气属性构建水平辐射通量密度传输模型，具体步骤如下：

(1)将三维云层场景分为所需大小尺度的网格单元，每个单元都有其相邻的四个单元(如图2)，利用大气属性文件，将大气属性根据空间位置存储在每个单元内；

(2)基于离散坐标下的高斯积分，将三维云层辐射场离散到已设置个数的高斯方向上，且同一方位角的高斯方向总和构成一个“三棱柱”空间(如图3)；

(3)将高斯方向上的三维云层辐射场映射到水平辐射传输方向上。

优选的，步骤(3)中，考虑邻云辐射效应对水平传输方向上的三维云层基础辐射场的影响，将其分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱，具体步骤如下：

(1)基于高斯方向上的由爱丁顿近似法和严格单次散射计算式计算得到的三维云层基础辐射场，将高斯方向上的辐射强度映射到水平辐射通量密度传输方向上；

(2)将邻云辐射效应分为邻云影响辐射增强和邻云影响辐射减弱即I⁺(τ；Ω′_ts)和I^-(τ；Ω′_ts)，得到水平辐射通量密度的增强值或减弱值；