非球形冰晶粒子群的毫米波多次散射实验测量研究

High-altitude ice clouds play an important role in climate change and atmospheric structure through radiation effects. However, the dielectric constant of ice clouds is much smaller than that of water clouds, so it’s more difficult to detect ice clouds. The present electromagnetic theory can complete the calculation of scattering properties of cloud particles, however the multiple scattering properties of highly irregular ice particles must be studied by experiment. Therefore, this project intends to study on multiple scattering experiment based on microwave anechoic chamber of non-spherical ice particles at millimeter wavelength. Firstly, the relationship amongst multiple scattering factor, cloud optical thickness, asymmetry factor, phase function and single-scattering albedo would be studied by finite difference time domain, analyzing quantitatively the influence of multiple scattering effect of non-spherical ice particles on asymmetry factor, phase function and polarization parameter. Secondly, the self-made cloud particle scattering measurement device would be used to measure the multiple scattering properties of non-spherical ice particles in microwave anechoic chamber. Finally, the comparison results of theoretical calculation and experimental measurement can establish the relationship amongst polarization parameter, multiple scattering factor and microphysical parameter and can finish the scattering database based on experimental technology, which can provide basis for accurately retrieve the micro-physical parameters of ice clouds .

高空冰云通过辐射效应对气候变化以及大气结构起到重要的作用，但由于冰云的形状相比于水云更加复杂，故冰云的探测难度更大。目前的电磁理论能够完成规则冰晶粒子散射特性的计算，但对于极不规则的复杂冰晶粒子群多次散射特性研究必须通过实验测量手段。因此本项目拟开展非球形冰晶粒子群毫米波多次散射的微波暗室实验测量研究。首先利用时域有限差分法研究非球形冰晶粒子群的多次散射因子与云光学厚度、不对称因子、相函数以及单次散射反照率的关系，定量分析非球形冰晶粒子群的多次散射效应对不对称因子、相函数以及偏振量的影响。然后在微波暗室内利用云粒子散射测量装置完成非球形冰晶粒子群多次散射特性的测量。最后对比理论计算与实验测量结果建立多次散射效应下偏振量、多次散射因子与云粒子群微观物理参数之间的关系式，实验完成大气云粒子群散射数据库，为多次散射效应下冰云微观物理参数的精确反演提供依据。

大气中包含各种形状和成分的粒子，例如雨滴、冰雹、雪花、冰晶和沙尘等粒子。粒子散射特性的分析在气象领域有着广泛的应用，其中气象粒子的电磁和光散射特性研究更是一门对于国民经济和国防建设有着重大意义的研究课题。在气象领域随着散射理论研究的深入和高精度雷达探测需求的提高，复杂形状非球形粒子的散射特性已经成为了目前研究的热点和难点。分析粒子散射特性的多种理论计算方法，包括Mie散射理论、带电球形粒子散射理论，双层球形粒子散射理论以及DDA散射理论、XFDTD软件、T矩阵方法等；针对单个粒子散射特性的研究，利用XFDTD软件、DDA和T矩阵计算了单个非球形冰晶、雨滴、冰雹和沙尘的RCS和双偏振参量（Zdr和Ldr）的大小及变化规律。针对双层球形粒子散射特性的研究，基于Matlab计算了不同双层球粒子的散射特性。利用电磁场理论推导带电粒子的散射公式，计算了不同带电量以及不同尺寸的冰球与水球粒子的散射特性，结果表明当粒子携带一定量的电荷时其散射特性将接近于金属粒子的散射特性。基于DDA与HFSS软件完成了双球系统与双六棱柱冰晶粒子的多次散射特性计算。针对非球形粒子群RCS受多次散射影响的研究，利用XFDTD、GMM和简单相加法分别计算了非球形云、降水、冰雹、沙尘粒子群的RCS，发现多次散射造成的平均差异分别为1.34%、15.23%、2.39%和6.33%。 讨论了降水、冰雹和沙尘粒子群中粒子的排布对非球形粒子群多次散射的影响。发现排布的平均影响分别为9.43dB，2.49dB和5.55dB。利用电磁缩比理论和粒子散射测量装置，测量了球形粒子群和非球形粒子群的RCS，对比结果后认为电磁相似理论能够应用于实验室粒子散射特性的测量。根据介质球、塑料小球粒子群、长方体蜡块粒子群的RCS仿真结果可知，电磁相似理论能够应用于云粒子的缩比测量，利用粒子散射测量系统测量得到的S21值反演得到粒子群的RCS值。本课题的研究为雷达精确反演降水和其物理特性提供了理论依据。