利用MODTRAN3计算我国太阳直接辐射和散射辐射精选.doc

 2001 年 3 月 Jo u rn a l o f N an jin g In st itu te o f M e teo ro lo gy M a r. 2001 文章编号: 100022022 ( 2001) 0120051208 利用M OD TRA N 3 计算我国太阳直接辐射和散射辐射 傅炳珊1 , 陈渭民1 , 丽2 , 马 ( 南京气象学院 1) 电子信息与应用物理系; 2) 计算机科学与技术系, 南京 210044) 摘要: 根据光的多次散射理论—— 离散纵标法, 利用我国国家一级辐射测站的大气廓 线, 计算出晴空大气观测波段不同高度上的太阳直接辐射和向下散射辐射。将模式输 出的地面辐射值与地面辐射观测资料进行比较, 对不同高度的太阳直接辐射和向下 散射辐射以及日变化进行了讨论。 最终目的是直接由M OD T RA N 3 计算我国辐射 空白站的地面辐射值, 以弥补我国辐射站稀少, 时空分布短缺的不足。 关 键 词: M OD T RA N 3; 太阳直接辐射; 太阳向下散射辐射; 时空分布 中图分类号: P 422 文献标识码: A 近年来, 与大气辐射传输有关的应用需求增长极快, 使大气辐射传输的过程研究, 包括理 论研究、实验室测量、野外观测和验证试验等与定量化算法研究获得蓬勃发展, 发展了不少理 论 和 方 法。 当 前 国 际 国 内 已 有 多 种 大 气 辐 射 传 输 的 模 式 与 算 法, 就 低 分 辨 率 ( 分 辨 率 ≥ 20 cm - 1 ) 大气辐射传输模式 (L OW T RA N ) 而言, 美国空军地球物理实验室 (A F GL ) 主编的低 分辨率透过率计算模式 (L OW T RA N ) 程序是公认的有效而方便的算法。L OW T RA N 从一开 始就是为应用而建, 在 20 多年的发展过程中不断扩充和修订基础资料, 改进算法, 增加可计算 的辐射传输结果, 从原意义上的“低分辨率大气透过率计算模式”扩展到目前能导出复杂天气 条件下多种辐射传输量的“低分辨率大气辐射传输计算模式”, 提供了许多新的应用可能性, 已 被国际上许多应用专家广泛应用于各自的实际问题。 它的主要用途是为了军事和遥感的工程 应用, 以 20 cm - 1 的光谱分辨率的单参数带模式计算 0～ 50 000 cm - 1 的大气透过率、大气背景 辐射、单次散射的阳光和月光辐射亮度。 中光谱分辨率大气辐射传输模式 (M OD T RA N ) 较之 L OW T RA N 不但提高了光谱分辨率, 而且还包括了多次散射辐射传输精确算法—— 离散纵 标法, 对有散射大气的辐射传输如太阳短波辐射, 比 L OW T RA N 中的二流近似算法有更高的 精度和更大的灵活性。近年来, S tam n e s 等1 发展的离散纵标法计算程序包——D ISO R T 对传 统的基于 C h an d ra sek h a r 公式的计算方法作了改进, 用标准矩阵解法直接由齐次微分方程组 求特征值, 提高了计算效率。 许多研究对这一程序包进行了广泛的试验并将之与标准算法对 比, 认为它是较精确的计算程序包2 。本文在其他研究的基础上, 利用M OD T RA N 3 中分辨率 大气辐射传输模式计算我国夏、秋季晴空条件下各高度上的太阳辐射, 以弥补我国辐射站稀少 及太阳辐射资料时空分布匮乏的不足。 收稿日期: 2000206219; 修订日期: 2000211230 作者简介: 傅炳珊, 女, 1967 年 4 月生, 硕士, 工程师, 现在河北省石家庄市气象局工作 ? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ki.n 1 辐射传输及离散纵标法 1. 1 辐射在大气中的基本衰减过程—— 吸收和散射 计算太阳直接辐射和散射辐射的关键问题是确定大气中诸物质的光学厚度、吸收率、透过 率等辐射计算参数。 晴空大气中, 吸收太阳辐射的主要物质是臭氧和水汽, 其次是氧和二氧化 碳, 气溶胶也有较小吸收。 在 Κ 0. 3 Λm 谱段, 氧、臭氧和氮是高层大气吸收太阳辐射的主要 物质, 臭氧主要分布在 10～ 50 km 高度层, 极大值在 20～ 25 km 高度层; 在 0. 3～ 0. 7 Λm 谱 段, 几乎很少有吸收气体, 仅有弱的臭氧吸收, 为大气可见光窗区; 在 Κ 0. 7 Λm 谱段, 主要吸 收气体是水汽, 且主要集中在对流层的下部, 另外还有氧和二氧化碳等混合气体的弱吸收。 在 晴空大气中, 对太阳辐射的散射主要是分子