一種污染性沙塵顆粒輻射特性的模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，該方法包括步驟：1）利用已有的透射電子顯微鏡分析結(jié)果，根據(jù)粒子形態(tài)結(jié)構(gòu)和混合組分的差異，將污染性沙塵顆粒分為三組進(jìn)行建模；2）將T矩陣算法與Maxwell-Garnett等效介質(zhì)理論結(jié)合，計(jì)算具有包覆層的沙塵單粒子的輻射特性參數(shù)；3）利用GMM算法計(jì)算沙塵粒子與其他成分粒子組成的雙粒子體的輻射特性參數(shù)；4）將GMM算法與擴(kuò)散限制凝聚模型結(jié)合，計(jì)算有黑碳團(tuán)簇附著的沙塵粒子（第三組污染性沙塵顆粒）的輻射特性參數(shù)；5）將步驟2）至4）的輻射特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整合，建立污染性沙塵顆粒輻射特性參數(shù)庫(kù)。本發(fā)明的方法較能夠?yàn)闇?zhǔn)確地對(duì)非球形非均質(zhì)的污染性沙塵粒子輻射特性進(jìn)行模擬。
【專利說(shuō)明】一種污染性沙塵顆粒輻射特性的模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣溶膠粒子散射特性模擬領(lǐng)域，尤其涉及一種污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]沙塵氣溶膠是區(qū)域和全球大氣氣溶膠的重要組成部分，年排放量達(dá)1000?3000Tg(1012g)，大約占對(duì)流層氣溶膠總量的一半。沙塵氣溶膠不僅對(duì)沙塵源區(qū)以及下風(fēng)向地區(qū)的大氣能見(jiàn)度、空氣質(zhì)量、人類健康等產(chǎn)生影響，而且可通過(guò)沙塵的遠(yuǎn)距離傳輸和沉降給海洋生態(tài)系統(tǒng)輸送大量的營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素，一些元素甚至成為某些海洋區(qū)域初級(jí)生產(chǎn)力的限制因素。我國(guó)北、西北部的干旱、半干旱地區(qū)是亞洲沙塵的主要源區(qū)，每年冬、春季節(jié)在強(qiáng)勁西北風(fēng)的作用下向下風(fēng)向地區(qū)輸送大量礦物氣溶膠。同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，尤其是快速城市化和機(jī)動(dòng)車(chē)化，我國(guó)人為排放污染物的排放量急劇上升，其大氣中污染物的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。沙塵氣溶膠與人為排放污染物之間的相互混合、相互作用對(duì)污染物的空間分布以及環(huán)境效應(yīng)造成巨大影響。
[0003]沙塵暴攜帶大量的細(xì)顆粒礦物氣溶膠，提供了積聚(經(jīng)由吸附、表面絡(luò)合、自由基光化學(xué)反應(yīng)、復(fù)相反應(yīng))污染物的極好場(chǎng)所，從而形成污染性沙塵。污染性沙塵顆粒通常是非球形非均質(zhì)的，其結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的變化均會(huì)改變?cè)忌硥m粒子的輻射特性，這使得對(duì)沙塵粒子輻射強(qiáng)迫效應(yīng)估算有極大的不確定性。因此，沙塵在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分變化及其可能的輻射及環(huán)境效應(yīng)，己成為大氣科學(xué)家共同關(guān)注的焦點(diǎn)和亟待解決的問(wèn)題。
[0004]目前，關(guān)于非球形氣溶膠粒子輻射特性計(jì)算的方法很多，主要有T矩陣算法、FDTD(Finite Difference Time Domain)算法、FEM (Finite Element Method)算法、MSTM(Multiple Sphere T-matrix)和 GMM (Generalized Mult1-particle Mie-solution)算法等。T矩陣算法源自于散射問(wèn)題的面積積分方程表達(dá)式，認(rèn)為粒子的散射場(chǎng)是由粒子表面電流與磁流源激發(fā)的(等效原理)，所有場(chǎng)量均用矢量球諧波函數(shù)展開(kāi)，未知系數(shù)由邊界條件確定。原則上說(shuō)，這是一種精確的有潛力適用于任意形狀的粒子的數(shù)值-解析方法，但目前實(shí)際應(yīng)用中還是局限于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性粒子。T矩陣算法的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于隨機(jī)取向的粒子，可以直接使用粒子關(guān)于所謂的自然坐標(biāo)下計(jì)算的結(jié)果，這使得計(jì)算大為簡(jiǎn)化。
[0005]FDTD算法一種純粹的利用差分取代微分的離散化方法，直接尋求差分形式的Maxwell方程的數(shù)值解。從數(shù)學(xué)上講，Maxwell方程的頻域是橢圓型的，入射波的散射問(wèn)題是一個(gè)邊值問(wèn)題。而在時(shí)域，Maxwell方程是雙曲型的，散射過(guò)程則是一個(gè)由相對(duì)簡(jiǎn)單的初值問(wèn)題所描述。該算法直到“完美匹配層吸收邊界條件”提出后才得到廣泛應(yīng)用。
[0006]FEM算法是一種基于Maxwell方程的積分形式解的數(shù)值方法。在FEM算法中，對(duì)控制微分方程總是乘以任意的權(quán)重或試驗(yàn)函數(shù)，并在整個(gè)體積上進(jìn)行積分。散射體則根據(jù)所要求的精度及其集合特征離散成許多有確定大小和形狀的計(jì)算小單元。在計(jì)算小單元內(nèi)，總場(chǎng)根據(jù)形狀函數(shù)由其端點(diǎn)與邊緣處的量進(jìn)行插值。時(shí)域的FEM算法可以利用一種簡(jiǎn)潔有效的前向積分方案，以降低計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求。
[0007]GMM算法是在Mie理論和矢量球形波函數(shù)加法定理的基礎(chǔ)上，將聚集體中第j個(gè)球的入射場(chǎng)看作由兩部分組成，一部分是原始的入射場(chǎng)，另一部分則是由聚集粒子中其他鄰近粒子的散射波投射到該粒子上而形成的入射場(chǎng)。在計(jì)算過(guò)程中，首先將初始的入射場(chǎng)展開(kāi)為矢量球形波函數(shù)形式，對(duì)于其他粒子散射到j(luò)球上的散射波，則需要應(yīng)用矢量加法定理將其轉(zhuǎn)化為以j球?yàn)橹行牡娜肷洳?；得到j(luò)球的兩部分入射場(chǎng)后，根據(jù)電磁理論可得到聚集粒子的散射場(chǎng)、入射場(chǎng)，繼而進(jìn)一步求得關(guān)于聚集粒子的衰減截面、散射截面、吸收截面等輻射特性。其中，研究相互作用的球形聚集粒子散射特性的關(guān)鍵是確定每個(gè)單元球粒子的散射相互作用系數(shù)，這與計(jì)算單個(gè)球粒子的Mie理論很相似，即將Mie理論同時(shí)應(yīng)用到聚集粒子中所有的組份球會(huì)產(chǎn)生一組關(guān)于相互作用系數(shù)的方程，采用漸進(jìn)迭代法求解這些相互作用系數(shù)，繼而對(duì)相互作用的散射因子再次應(yīng)用加法定理，從而得出聚集粒子的總散射場(chǎng)。GMM方法的優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算任意尺寸大小的聚集粒子，本質(zhì)上屬M(fèi)ie理論向多粒子散射的推廣，同時(shí)收斂速度較快。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，該模擬方法可較為準(zhǔn)確地對(duì)非球形非均質(zhì)的污染性沙塵粒子輻射特性進(jìn)行模擬。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，具體為:
[0010]I)利用透射電子顯微鏡檢查分析污染性沙塵顆粒，根據(jù)污染性粒子形態(tài)結(jié)構(gòu)和混合組分的差異，將其分為三組:具有包覆層的沙塵單粒子、沙塵粒子與其他成分粒子組成的雙粒子體、有黑碳團(tuán)簇附著的沙塵粒子；
[0011]2)將T矩 陣算法與Maxwell-Garnett等效介質(zhì)理論結(jié)合,計(jì)算具有包覆層的沙塵單粒子的輻射特性參數(shù)；
[0012]3)利用GMM算法計(jì)算沙塵粒子與其他成分粒子組成的雙粒子體的輻射特性參數(shù)；
[0013]4)將GMM算法與擴(kuò)散限制凝聚模型結(jié)合，計(jì)算有黑碳團(tuán)簇附著的沙塵粒子的輻射特性參數(shù)；
[0014]5)將步驟2)、步驟3)、步驟4)中三組的輻射特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整合，建立污染性沙塵顆粒輻射特性參數(shù)庫(kù)，來(lái)對(duì)污染性沙塵顆粒散射特性進(jìn)行模擬。
[0015]進(jìn)一步，所述步驟2)具體為:
[0016]A)由沙塵及其包覆層的復(fù)折射指數(shù)分別計(jì)算得到二者的復(fù)介電常數(shù):ε = m2，其中，m為復(fù)折射指數(shù)，ε為復(fù)介電常數(shù)；
[0017]B)利用步驟Α)中計(jì)算得到的沙塵及其包覆層的復(fù)介電常數(shù)，通過(guò)MG等效介質(zhì)理論計(jì)算，得到第一組污染性沙塵顆粒的等效復(fù)介電常數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，其特征在于，該模擬方法具體為: 1)利用透射電子顯微鏡檢查分析污染性沙塵顆粒，根據(jù)污染性粒子形態(tài)結(jié)構(gòu)和混合組分的差異，將其分為三組:具有包覆層的沙塵單粒子、沙塵粒子與其他成分粒子組成的雙粒子體、有黑碳團(tuán)簇附著的沙塵粒子； 2)將T矩陣算法與Maxwell-Garnett等效介質(zhì)理論結(jié)合,計(jì)算具有包覆層的沙塵單粒子的輻射特性參數(shù)； 3)利用GMM算法計(jì)算沙塵粒子與其他成分粒子組成的雙粒子體的輻射特性參數(shù)； 4)將GMM算法與擴(kuò)散限制凝聚模型結(jié)合，計(jì)算有黑碳團(tuán)簇附著的沙塵粒子的輻射特性參數(shù)； 5)將步驟2)、步驟3)、步驟4)中三組的輻射特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整合，建立污染性沙塵顆粒輻射特性參數(shù)庫(kù)，來(lái)對(duì)污染性沙塵顆粒散射特性進(jìn)行模擬。
2.如權(quán)利要求1所述的污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，其特征在于，所述步驟2)具體為: A)由沙塵及其包覆層的復(fù)折射指數(shù)分別計(jì)算得到二者的復(fù)介電常數(shù):ε= m2，其中，m為復(fù)折射指數(shù)，ε為復(fù)介電常數(shù)； B)利用步驟Α)中計(jì)算得到的沙塵及其包覆層的復(fù)介電常數(shù)，通過(guò)MG等效介質(zhì)理論計(jì)算，得到第一組污染性沙塵顆粒的等效復(fù)介電常數(shù):
3.如權(quán)利要求1所述的污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，其特征在于，所述步驟3)中的雙粒子體為形狀和大小均相等的兩個(gè)粒子組成。
4.如權(quán)利要求1所述的污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，其特征在于，所述步驟4)具體為: Α)利用擴(kuò)散限制凝聚模型模擬黑碳團(tuán)簇的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其中，黑碳團(tuán)簇生成規(guī)則如下:
5.如權(quán)利要求1所述的污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，其特征在于，所述步驟5)中以分組和半徑作為索引，建立污染性沙塵顆粒輻射特性參數(shù)庫(kù)。
6.如權(quán)利要求1所述的污染性沙塵顆粒散射特性的模擬方法，其特征在于，所述透射電子顯微鏡的分析結(jié)果為經(jīng)過(guò)透射電子顯微鏡分析得到的氣溶膠粒子形態(tài)結(jié)構(gòu)圖、組分信息和粒子譜分布數(shù)據(jù)，所述輻射特性參數(shù)為散射相函數(shù)、消光截面、吸收截面、散射截面、單次散射反照率、不對(duì)稱因子的參數(shù)`的總稱。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103617363SQ201310648732
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】范萌, 陳良富, 陶金花, 蘇林, 李莘莘, 鄒銘敏, 張瑩, 王子峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所