基于辐射函数的辐射传输算法的性能研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Melanzpl1
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大气辐射研究中,以多次散射为特征的大气短波辐射传输是最为困难的问题。辐射函数(RF)算法是一种新的求解短波辐射传输方程的算法,它对传统的逐次散射(SOS)算法进行了改进,通过利用辐射函数的解析递推公式来处理SOS算法多次散射光强度递推公式中涉及的对光学厚度的积分,以求提高计算效率。本文比较系统地对辐射函数算法进行了深入的研究,围绕RF算法的性能这一中心,做了以下几方面的研究工作:   (1)针对在利用解析递推公式计算辐射函数的过程可能存在计算不稳定的情况,对RF算法中的解析递推公式的适用条件进行了分析,利用数值模拟的方法模拟和计算出RF算法中所需要的阈值,保证了计算结果的稳定和准确。   (2)结合二流近似的情况对RF算法的计算过程进行了优化,设计出了针对不同类型公式的算法流程,利用矩阵运算的方法,使得第n阶的辐射函数的计算可以充分利用第n-1阶已有的计算结果,避免重复计算,提高了计算效率。   (3)在二流近似情况下,对RF算法求解短波辐射传输问题进行了探讨。一方面,利用离散坐标法的计算结果作为标准值,检验了RF算法的计算精度。在给定的不同收敛精度要求下,RF算法的相对误差在大部分情况下要小于1%甚至更小,验证了RF算法是可行的。另一方面,通过RF算法与传统的SOS算法在相同计算平台下的计算结果对比,分析了RF算法的计算精度和计算效率,对RF算法的性能进行了评价。在光学厚度τs=0.5-5范围内,利用delta-M方法,RF算法和传统的SOS算法的计算精度上效果相当,而计算效率上相比传统的SOS算法有大幅的提高,且相函数的不对称因子越大或介质的吸收性越强,RF算法的优势越明显。   (4)讨论了SOS算法中相邻两次散射光强度的比值In/In-1的收敛性质,并推导出了其中隐含的一些函数关系式。通过对加速强度解收敛的半经验模型的改进,可以充分发掘出RF算法在计算效率上的优势,拓展RF算法的适用范围,比较好地解决光学厚度值大于5的厚光学介质中的辐射传输计算问题。   (5)对RF算法的计算程序进行了完善,形成了由Matlab和Fortran编写的软件包,为RF算法的进一步研究和应用打下基础。
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