三維雲場中光散射特徵及其動態變化規律

《三維雲場中光散射特徵及其動態變化規律》是依託南京大學，由韓永擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：三維雲場中光散射特徵及其動態變化規律
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：韓永
• 依託單位：南京大學

項目摘要

雲是懸浮在空氣中的液滴和冰晶的聚集體，在大氣輻射傳輸和全球水循環中扮演著重要角色。雲中輻射傳輸過程、雲體內部物理光學特性的分布以及三維雲場中的光散射特徵及其路徑動態變化是迄今仍然沒有解決的科學難題。針對上述問題，本項目擬採用較為先進的室內（水槽數值仿真）和外場（地基和空基雷達）觀測相結合的探測手段，依據現有雲物理學、雲光學、小粒子光散射、輻射傳輸和隨機介質中波的傳播理論和實驗結果，研究雲的類型、相態、內部垂直分層結構和分解模式以及三維雲輻射傳輸模式；定量刻畫雲體內部的輻射傳輸過程與雲體垂直剖面場物理光學特性演化之間的關係；進而分析雲包對輻射傳輸的影響；力圖構造以雲輻射為中心概念的光子路徑分布，獲取三維雲場中光散射特徵的時/空變化規律。深入闡釋光、雲場（雲粒子）之間耦合過程與動態變化機理，為雲場中的輻射傳輸理論的發展作出貢獻，同時也為空中目標識別提供科學依據。

結題摘要

雲是懸浮在空氣中的液滴和冰晶的聚集體，在大氣輻射傳輸和全球水循環中扮演著重要角色。雲對地氣系統的輻射場將起兩種完全相反的作用。一方面，它們反射很大部分的入射太陽通量；而另一方面，它們又捕獲雲下的大氣和地表發射的出射熱紅外輻射。雲的太陽反射率效應和紅外溫室效應之間的競爭決定了地球表面將是冷卻還是增暖。雲中輻射傳輸、雲體內部物理光學特性的分布以及三維雲場中的光散射特徵及其路徑動態變化是迄今仍然沒有解決的科學難題。針對上述問題，擬採用較為先進的室內（水槽數值仿真）和外場（雷射雷達）觀測相結合的探測手段，依據現有雲物理學、雲光學、小粒子光散射、輻射傳輸和隨機介質中波的傳播理論，研究雲的類型、相態、內部垂直分層結構和分解模式以及三維雲輻射傳輸模式；定量刻畫雲體內部的輻射傳輸過程與雲垂直剖面物理光學特性演化之間的關係；力圖構造以雲輻射為中心概念的光子路徑分布，獲取雲的光散射特徵的時/空變化規律。本項目完成了室內水槽試驗和外場大氣光學參數探測實驗；獲得了30G左右的觀測數據，在此基礎上針對雲光散射的特徵及輻射傳輸機制進行研究。繪出了實驗觀測期間，水雲、冰云云體及氣溶膠的光學特性剖面圖時間演化圖譜，建立了雲體內部的多次散射雷射雷達傳輸方程，並對不同種類的氣溶膠的光學特性進行數值仿真，還計算得到了層雲（清潔型、污染型、海洋型）和積雲（陸地和海洋型）等5種相態雲類型的雲粒子光學特性隨波長的變化特徵，具體包括雲的光學厚度、散射係數、消光係數、吸收係數、單次散射反照率、雷達比、不對稱因子和散射相函式等。根據水槽模擬實驗，獲取了雷射照射條件下粒子濃度分布光學影像，看到了粒子濃度變化對光波強度的影響特徵。本項工作將為深入理解輻射-雲-氣溶膠之間相互作用的過程與機理、目標識別及其在氣候和環境效應中所扮演的角色提供重要的科學參考。