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根据已有文献描述的对球形闪电的观测和研究结果,总结了球形闪电的观测特征,介绍了目前对球形闪电的实验研究和理论研究现状,对球形闪电的结构模型进行了简单概括。还基于云对地的线状闪电,详述了一种形成球形闪电的等离子体模型。在该模型下,在某特定环境下线状闪电等离子体通道的一个区域坍塌成小的区域,形成球形闪电。指出了未来对球形闪电的研究方向。     

基于恒星观测的静止轨道成像仪指向偏差在轨修正

在建立基于恒星观测的成像仪指向偏差在轨修正模型的基础上 ,提出了模型中若干关键参数(包括最低观测星等、待观测恒星及成像仪凝视观测化置等)的选取方法.同时,开展了数字延迟积分技术,系统点源扩展函数等对指向偏差测量精度的影响分析,提出了指向偏差确定精度达1"的在轨修正方案,并利用GOES-9卫星成像仪实际恒星观测数据进行了部分定量验证.研究成果将为后续风云四号卫星成像仪高精度指向偏差在轨修正的业务模式设计和工程实施,提供重要的技术参考.     

风云四号卫星闪电成像仪虚警滤除方法

风云四号闪电成像仪(LMI)在轨数据分析结果表明,虚假闪电事件包括鬼像噪声、高能粒子轨迹噪声和散粒噪声。为了提高闪电探测性能,在深入分析虚假事件特性的基础上,分别提出了基于空间-能量相关性的鬼像滤除方法、基于Hough直线检测的高能粒子轨迹噪声滤除方法、基于时空相关聚类的散粒噪声剔除方法,并形成闪电虚警滤除处理系统方法。为了验证虚警滤除算法性能,对云南和海南的两次典型雷暴数据进行处理,并与地基网探测结果进行比对,结果表明,所提算法处理后的闪电事件分布特性与地基探测结果基本一致,验证了风云四号闪电成像仪对雷电变化过程的持续跟踪性能。     

基于被动遥感卫星可见至红外通道观测的云特性遥感

云是地球辐射收支、水循环和生物化学循环的主要调节者。自1960年人类第一颗气象卫星(TIROS)的发射起,被动卫星遥感已经发展成为获取云观测资料最高效的手段之一。被动卫星具有观测范围大、时间跨度久的特点,其中利用可见至红外波段(0.40～15μm)的遥感成像仪相对高光谱成像仪、微波成像仪具有时空分辨率更高的观测优势。首先,针对极轨卫星多光谱成像仪、多角度偏振成像仪和新一代静止卫星成像仪三类载荷概述了被动卫星基于可见至红外波段的观测特点。然后,介绍了包括云检测、云相态、云顶参数、云光学和微物理参数的观测原理和应用方法。最后,通过总结和展望为被动卫星可见至红外资料的云特性遥感研究提供一些思考。     

球形闪电及其形成的一种等离子体模型

根据已有文献描述的对球形闪电的观测和研究结果,总结了球形闪电的观测特征,介绍了目前对球形闪电的实验研究和理论研究现状,对球形闪电的结构模型进行了简单概括。还基于云对地的线状闪电,详述了一种形成球形闪电的等离子体模型。在该模型下,在某特定环境下线状闪电等离子体通道的一个区域坍塌成小的区域,形成球形闪电。指出了未来对球形闪电的研究方向。     

基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究

卷云中冰晶粒子的单次光散射计算是卷云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础。近年,利用高观测频率的静止气象卫星数据来反演水云和卷云的光学和微物理参数,进而计算地表光通量的研究倍受重视。然而,很多研究中卷云的冰晶用球形模型来模拟。由于不同形状和尺度大小的冰晶对电磁波的散射特征的不同,导致不同冰晶模型计算的卷云环境下卫星观测的辐射值及地表光通量的不同。利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据,结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了卷云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响。结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射,地表向下辐射通量明显不同。波长在0.4～1.0 μm之间的大气窗口部分的光谱辐射通量的差距最大。总辐射通量受云粒子形状的影响显著。研究证实了正确选择冰晶模型对卫星反演卷云微物理和光学参数的反演及计算地表光通量的重要性。该结果对于云微物理参数的反演及地表向下辐射通量的模拟具有参考价值。     

基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法EI北大核心CSCD

为了满足多类型光学载荷在轨空间辐射基准传递的需求,减小角度差异对辐射定标频次和精度的影响,开展基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法研究。利用高精度长时序卫星的多角度、高光谱表观反射率数据,构建地球稳定目标利比亚4的大气层顶表观反射率模型。通过区域匹配、时间匹配和云剔除后,利用该模型对2019—2020年风云三号D星中分辨率成像仪和AQUA/MODIS的可见-短波红外波段开展了205次交叉定标应用,并与同步星下点观测的交叉定标方法进行了26次比对。结果表明,两种方法的平均相对偏差优于2.1%,验证了该方法的适用性和准确性。该方法可以解决对人工测量定标场地表多角度数据的依赖,适用于观测天顶角差异0°~60°、观测波段400~2400 nm以内的多光谱、多角度载荷的交叉定标,减小交叉定标中角度匹配误差,显著提高多类型卫星的定标频次,为空间辐射基准传递和多载荷数据融合应用提供基础技术支撑。     

无云情况下L波段微波辐射计快速大气校正方法

利用数值天气预报模式输出的大气温湿廓线数据与大气辐射传输模型计算了无云情况下全球海面大气在L波段的上行、下行辐射亮温及透射率, 建立三个参数与大气水汽含量及海表气压的回归关系模型——辐射-水汽模型, 利用该模型可快速计算大气辐射参数, 对L波段微波辐射计进行大气校正. 为了验证模型的实用性和可靠性, 利用SSM/I卫星水汽含量数据和数值模式地表气压数据通过模型计算大气辐射参数, 并与Aquarius卫星实测L波段微波辐射数据进行对比分析. 结果表明: 模型计算的辐射亮温比卫星观测数据偏低约0.335 K, 但改正系统性偏差后的均方根误差仅0.086 K, 且模型计算的大气透射率与卫星观测数据基本一致, 说明利用该模型对L波段微波辐射计进行大气校正具有较高的可靠性, 相比于传统利用大气辐射传输模型进行大气校正, 该模型更为简单快速, 输入参数更易获取, 更适于工程应用.     

叶绿素浓度垂直不均一分布对于分层水体表观光学特性的影响

以往大部分海洋光学和海色研究都是以海洋光学有效成分及固有光学特性垂直均一分布的假设为基础进行的,然而海洋观测表明海水成分的垂直不均一性大量存在。文章通过Hydrolight辐射传输模拟研究了叶绿素浓度垂直不均一分布对海水表观光学特性的影响。叶绿素浓度垂直不均一分布由高斯模型来近似模拟,选择成熟的一类水体生物光学模型,利用Hydrolight辐射传输代码模拟表观光学特性,将垂直不均一廓线情况下模拟的表观光学特性值与具有本底值的均一廓线情况所模拟的相应值进行了比较。结果表明,水表面以下的叶绿素浓度最大值增加了蓝光波段的遥感反射率,减小了绿光波段的遥感反射率,而且改变了水体中辐射的方向分布,在叶绿素浓度最大值处,下行辐射漫衰减系数和平均余弦廓线分别出现峰值和谷值。     

卷云多角度偏振特性研究

由各种形状冰晶粒子组成的卷云,对全球辐射平衡和气候变化有重要的影响,其影响程度取决于卷云本身的微物理特性和光学特性,如冰晶粒子形状、卷云光学厚度和云顶压强等.在对0.865μm波长处卷云光学特性研究的基础上,采用矢量辐射传输方程模拟分析了含卷云层的总反射率和偏振反射率,并利用卫星观测数据验证了模拟结果.分析研究了卷云微物理特征、光学特征和地表反照率对总反射率和偏振反射率的影响.分析表明,可以综合利用多角度偏振遥感信息反演各种卷云参数.这为利用多角度偏振遥感数据反演卷云各参数提供了理论基础. 关键词： 卷云微物理特征 卷云光学特性 多角度偏振辐射 矢量辐射传输方程     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

热辐射输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法

惯性约束聚变研究中,热辐射光子在介质中的输运以及热辐射光子与介质的相互作用是重要研究课题,蒙特卡罗方法是该类问题的重要研究手段之一.隐式蒙特卡罗方法虽然能正确地模拟热辐射在介质中的输运过程,但当模拟重介质(材料的吸收系数大)问题时,该方法花费的计算时间将变得很长,导致模拟效率很低.本文以离散扩散蒙特卡罗方法为基础,开发了"离散扩散蒙特卡罗方法辐射输运模拟程序",可以较好地解决重介质区的计算效率问题,但是离散扩散蒙卡罗方法在模拟轻介质区时精度不够高.辐射输运问题中通常既有轻介质也有重介质,为了能同时解决蒙特卡罗方法模拟的效率和精度问题,本文研究了离散扩散蒙特卡罗方法与隐式蒙特卡罗方法相结合的模拟方法,并提出了新的扩散区与输运区界面处理方法,研制了混合蒙特卡罗方法的辐射输运模拟程序.典型辐射输运问题模拟显示:在模拟重介质问题时,该程序能大幅缩短模拟时间,且能取得与隐式蒙特卡罗方法一致的结果;在模拟轻重介质均存在的问题时,与隐式蒙特卡罗方法相比,混合蒙特卡罗方法的模拟精度与其相当且计算效率同样能够得到显著提升.     

星载多波段红外光学系统的杂散辐射分析

引入反向蒙特卡罗法与双向蒙特卡罗法对红外光学系统的杂散辐射进行分析,基于光谱辐射传递因子导出了焦平面辐射能流计算式.以某星载多波段红外光学系统为例,在检验计算可靠性的基础上,模拟了各波段辐射能从地球背景和光机内壁面到焦平面的传播过程,分析了壁面吸收率与温度的影响.结果表明,采用双向蒙特卡罗法可有效地模拟辐射能从地球向星载光学系统焦平面的传播过程,采用反向蒙特卡罗法可容易地分析光机内部热辐射的影响;光机内壁面吸收率对视场外杂散辐射的传播有很大影响,温度高于250 K的光机内壁面热辐射成为主要的杂散光源.     

Radiation symmetry test and uncertainty analysis of Monte Carlo method based on radiative exchange factor

Using Monte Carlo method, the paper investigates the radiative heat transfer in participating media. Based on the radiative exchange factor, an uncertainty analysis of Monte Carlo method is undertaken and the corresponding mathematical expressions are deduced to predict its accuracy. Furthermore, randomness properties of pseudorandom number generators are investigated, and a model to test radiation symmetry is adopted to validate the performance of some generators. The paper studies the effects of energy bundle numbers, discretization schemes, emission location, optical thicknesses, wall emissivity and CPU time on the numerical accuracy. In addition, the simulation results are proved to give a reference for using Monte Carlo method, which is applicable for calculation of the radiative exchange factor.     

Microwave radiative transfer intercomparison study for 3-D dichroic media

Three different numerical methods capable of solving the radiative transfer of microwave radiation within 3-D dichroic media are compared. A case study, represented by an intense rain shaft populated by perfectly oriented oblate raindrops, is analysed in detail, including a discussion of the behaviour of all four Stokes components.Results demonstrate an acceptable agreement between all Monte Carlo methods. The method based on a discrete ordinates scheme agrees only qualitatively with the Monte Carlo outputs. Because of its lower computational cost the backward Monte Carlo technique based on importance sampling represents the most efficient way to face passive microwave radiative transfer problems related to optically thick 3-D structured clouds including non-spherical preferentially oriented hydrometeors.     

管内耦合换热的辐射热流特征及抽样模式比较

通过数值模拟,研究了圆管层流入口段辐射与对流祸合换热中的辐射热流分布特征,提出并比较了采用蒙特卡罗法计算辐射换热的两种抽样模式。结果表明,在圆管入口段的耦合换热中,同一截面的径向辐射热流密度与轴向辐射热流密度数量级相当,世分布形态差别很大。用蒙特卡罗方法计算辐射换热时,采取等权能束的抽样模式,可消除因抽样能束的能量不同而造成的计算误差、降低计算量、提高计算精度。     

A diffusion-based approximate model for radiation heat transfer in a solar thermochemical reactor

An approximate numerical method for fast calculations of the radiation heat transfer in a solar thermochemical reactor cavity is formulated based on the separate treatment of the solar and thermal radiative exchange by the diffusion approach. The usual P₁ approximation is generalized by applying an equivalent radiation diffusion coefficient for the optically thin central part of the cavity. The resulting boundary-value problems are solved using the finite element algorithm. The accuracy of the model is assessed by comparing the results to those obtained by a pathlength-based Monte Carlo simulation. The applicability of the proposed model is demonstrated by performing calculations for an example problem, which incorporates a range of parameters typical for a solar chemical reactor and the spectral radiative properties of polydisperse zinc oxide particles.     

基于能量密度分布的辐射源粒子空间抽样方法研究

利用隐式蒙特卡罗方法模拟热辐射光子在物质中的输运过程时,物质辐射源粒子是需要细致处理的物理量.传统的物质辐射源粒子抽样方法是体平均抽样方法,对于大多数问题,这样处理不会带来大的偏差.但是对于一些辐射吸收截面大、单一网格内温差显著的问题,体平均抽样方法的计算结果偏差较大.分析了产生偏差原因,提出一种基于辐射能量密度分布的辐射源粒子空间位置抽样方法,并推导了相应的抽样公式以解决此类问题.数值实验表明,新方法计算结果明显优于原方法且与解析结果基本一致.     

Monte Carlo ray-tracing simulation for radiative heat transfer in turbulent fluctuating media under the optically thin fluctuation approximation

The Monte Carlo ray-tracing method (MCRT) based on the concept of radiation distribution factor is extended to solve radiative heat transfer problem in turbulent fluctuating media under the optically thin fluctuation approximation. A one-dimensional non-scattering turbulent fluctuating media is considered, in which the mean temperature and absorption coefficient distribution are assumed and the shape of probability density function is given. The distribution of the time-averaged volume radiation heat source is solved by MCRT and direct integration method. It is shown that the results of MCRT based on the concept of radiation distribution factor agree with these of integration solution very well, but results of MCRT based on the concept of radiative transfer coefficient do not agree with these of integration solution. The solution of time-averaged radiative transfer equation by the concept of radiative transfer coefficient should be treated with caution.     

求解介质内热辐射传递的双向统计蒙特卡罗法

基于热辐射传输的光路可逆性原理,提出了求解介质内热辐射传递的双向统计蒙特卡罗法(BSMC法)。该方法采用等温等权抽样,利用能束传输路径的可逆关系进行辐射传递的双向统计计算,充分利用了能束跟踪的计算信息。以二维矩形区域内吸收性介质的热辐射传递为例,介绍了BSMC的求解过程,分析了其计算误差。通过数值模拟,从辐射传递因子计算结果的倒易性满足程度与辐射平衡温度场两方面,将BSMC法与传统的蒙特卡罗法(TMC法)进行了比较。结果表明,在相同的计算量下,BSMC法比TMC有更高的模拟精度。