一种快速高效的逐线积分大气吸收计算方法.pdfVIP

第 24 卷 第 1 期 大　　气　　科　　学 V o l24, N o 1 2000 年 1 月 Ch in e se Jou rn a l o f A tm o sp h er ic Scien ce s J an 　　2000 一种快速高效的逐线积分大气 吸收计算方法 张　华　　石广玉 ( 中国科学院大气物理研究所, 北京 　100029) 摘　要　　本文发展了一种新的计算大气气体吸收系数以及冷却率的快速数值方法, 并对 影响逐线积分精度和计算时间的各种因子进行了详细研究。以大气主要吸收气体 CO 2 15 m 带的 500～ 800 cm - 1波段为例, 将新方法计算的吸收系数、大气透过率和冷却率结果与经典 的逐线积分方法进行了比较。对从地面到 100 km 范围的整层大气, 大气透过率的误差不超 过 0 0004; 对 70 以下的大气, 大气冷却率的误差不超过 0 004 , 而计算时间却节省 km K d 1～ 2 个数量级左右。 关键词: 大气吸收; 逐线积分; 线翼截断 1　引言 ( ) [ 1 ] 计算大气分子吸收的逐线积分方法 LBL 已广泛地用于模拟气体辐射传输问题 、 大气遥感、大气探测以及生态监测等各个领域中。由于带模式方法无法用于同时存在吸 [2 ] 收和散射即散射大气的辐射传输问题, 进入 90 年代, k 分布方法 逐渐取代带模式而广 泛用于中尺度数值模拟和气候模拟中, 逐线积分方法作为计算 分布和相关 分布函数 k k 的基础以及作为检验 分布方法和相关 分布方法的参考标准, 直接和间接地用在气候 k k 和其他气象领域的研究中。即使带模式方法 目前也是先用LBL 方法得到精确的透过率, [3 ] 然后通过某种 “最佳”拟合求得带参数 。 为了用较高的光谱分辨率模拟通过大气的辐射传输, 以逐线积分为基础来评价热发 射和辐射吸收的贡献是十分必要的。大气辐射计算的核心问题实际上是大气透过率的计 算, 而在大气透过率的计算中最耗时的莫过于吸收系数的计算。 虽然 目前可用的计算机已达到很高的计算速度, 使得用逐线积分方法计算某一吸收 气体很宽波段的吸收系数成为可能, 但仍然是相当费时的, 尤其在红外波段。这是因为, 第一, 在此波段, 几十万条振动和转动跃迁谱线都对吸收有贡献; 第二, 每一跃迁都定 义一条谱线, 该谱线在很宽的频率范围内都对吸收有贡献; 第三, 吸收系数取样点的选 取必须以能分辨最小的谱线半宽度为准则。例如, 在平流层中, D opp ler 加宽起主要作用, 其半宽度的典型量级为 000 1 cm - 1 , 要在某一具体的频率空间分辨这些谱线,