沙尘气溶胶光学特性数值模拟中非球形问题的研究

As a fundamental element of atmospheric radiative transfer, the optical properties of aerosol directly influence Earth’s energy budget, and play an essential role on weather and climate. However, significant problems related to aerosol optical properties haven’t been solved yet, especially ones caused by their complicated non-spherical geometries. It is really difficult to develop numerical models for light scattering by non-spherical particles. Aerosol particles normally exist with really complex geometries, whereas optical properties simulated based on spherical model show clear differences from those observations. Meanwhile, it is difficult to represent those irregular particles using non-spherical geometries, and, for applications, numerical simulations are really time-consuming. Considering the problems caused by the aerosol non-sphericity and the experiences of the applier, this project is proposed to systematically improve the pseudo spectral time domain method, and, by a combination with methods such as the discrete dipole-approximation and geometric-optics methods, to calculate the optical properties of non-spherical aerosols accurately and efficiently. This proposal will take dust aerosol as an example: build a non-spherical model for dust aerosol and validate the model, and study the effects of mixing on their optical properties. Finally, we would build an aerosol optical properties database with wavelength ranging from 0.2 to 100 μm. This database will not only improve our understanding of dust optical properties, but also be used for calculations related to radiative transfer, retrieval and energy budget of the Earth.

气溶胶的光学特性作为大气辐射传输的基础，直接影响着地球能量收支，是天气和气候系统的重要因素。然而，气溶胶光学特性数值模拟中的一些关键问题还没有得到解决，特别是由其非球形形状带来的问题：非球形粒子散射算法本身开发困难；实际气溶胶粒子形状复杂，基于球形模拟的光学特性与观测差别明显，而现有非球形模型在表征这些不规则形状光学特性上效果有限；实际应用中数值模拟计算量过大。本项目结合气溶胶光学特性数值模拟中非球形带来的问题和申请人的前期研究，提出对时域伪谱法的优化，并结合离散偶极子法及几何光学等散射算法，高效、准确地模拟非球形气溶胶的光学特性。以大气中最典型的沙尘气溶胶为例，建立并验证非球形沙尘模型，研究混合、增湿对其光学特性的影响。同时，建立一个覆盖波长范围0.2到100微米的沙尘光学特性数据库。本研究既有助于对气溶胶光学特性的了解，也为相关辐射传输、气溶胶反演、地球能量收支平衡等领域提供基础。

气溶胶的光学特性作为大气辐射传输的基础，直接影响着地球能量收支，是天气和气候系统的重要因素，更是气溶胶特性遥感的基础。本项目针对气溶胶光学特性数值模拟中气溶胶粒子非球形、不规则形状带来的问题，结合已有的公开观测结果，开展模型优化和数值模拟研究。项目开展过程中，完成了对时域伪谱法和离散偶极子法等算法的优化，结合几何光学等粒子散射算法，高效、准确地模拟非球形气溶胶的光学特性。项目中特别以大气中典型的沙尘气溶胶以及具有独特光学特性的黑碳气溶胶为例，建立并验证非球形沙尘和黑碳气溶胶模型，研究混合、增湿对其光学特性以及辐射强迫的影响。结合已有观测，本项目确定了多个可以更加准确表征其光学特性的非球形气溶胶模型，我们的研究进一步表明，使用基于球形模型的近似计算，至少为气溶胶光学特性模拟带来20%的误差。最后，为了解决非球形粒子光学特性模拟对计算资源和算法的高要求，本项目研发了覆盖完整波长和粒子尺度范围的沙尘和黑碳气溶胶光学特性数据库各一个，该数据库已经公开发表，可在网上方便获得，便于相关应用的广泛推广。本项目的开展既有助于对气溶胶光学特性的了解，也为相关辐射传输、气溶胶反演、地球能量收支平衡等领域提供理论基础。项目已发表SCI论文11篇，其中第一或通讯作者论文10篇，另有2篇论文完成待投，并受邀完成1章英文书刊章节。其中多项研究成果已经受到国内外同行的关注和认可，关于气溶胶在大气中颜色的论文单篇SCI引用12次，黑碳气溶胶光学特性的系列文章被累计SCI引用30余次，于2018年发表于ACP的论文目前已被引用近10次。受资助期间，项目负责人先后荣获国际学术组织和中国气象学会评选的青年人才奖3项，江苏省人才项目多项，培养博士1名，硕士4名，圆满甚至超额完成了项目计划任务书的研究内容，达到了预期目标。