一种模拟冰云成长过程的方法及系统

摘要

本申请公开了一种模拟冰云成长过程的方法及系统，包括：构建冰云粒子谱分布数据库和非球形冰云粒子散射数据库，冰云粒子谱分布数据库包含冰云粒子观测数据，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云粒子散射特性参数；根据所述冰云粒子谱分布数据库和所述非球形冰云粒子散射数据库，计算冰云光学特性参数与冰云宏观物理量的拟合关系，并确定拟合系数，所述冰云光学特性参数包括冰云消光效率、冰云不对称因子和冰云单次散射反照率，所述冰云宏观物理量包括冰云冰水含量和冰云平均有效半径；将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。本申请提升了现有气候模式中冰云光学特性表达的准确性，能够有效反演全球尺度的冰云微物理参数。

权利要求

1.一种模拟冰云成长过程的方法，其特征在于，包含以下步骤：构建冰云粒子谱分布数据库和非球形冰云粒子散射数据库，所述冰云粒子谱分布数据库包含冰云粒子观测数据，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云粒子散射特性参数；

根据所述冰云粒子谱分布数据库和所述非球形冰云粒子散射数据库，计算冰云光学特性参数与冰云宏观物理量之间的拟合关系，并确定覆盖紫外到远红外光谱范围内的拟合系数，所述冰云光学特性参数包括冰云消光效率、冰云不对称因子和冰云单次散射反照率，所述冰云宏观物理量包括冰云冰水含量和冰云平均有效半径；所述冰云消光效率计算步骤为：所述冰云粒子消光效率与所述粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云单次散射反照率计算步骤为：所述冰云粒子散射效率与所述粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云不对称因子计算步骤为：所述冰云粒子不对称因子乘以散射截面乘以所述粒子谱分布函数，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云冰水含量计算步骤为：冰云粒子体积大小乘以冰云粒子密度乘以所述粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云平均有效半径计算步骤为：所述冰云粒子体积大小与所述粒子谱分布函数之积除以冰云粒子几何截面与所述粒子谱分布函数之积，并在粒子最大直径范围内积分；

将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冰云粒子观测数据为低纬度到中纬度地区的观测数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冰云粒子散射特性参数为紫外到远红外波段光谱范围内不同粒子尺度大小的冰云粒子散射特性参数。

4.如权利要求1或3任一所述的方法，其特征在于，所述冰云粒子散射特性参数包括冰云粒子消光效率、冰云粒子散射效率、冰云粒子吸收效率、冰云粒子不对称因子和冰云粒子相矩阵元素。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射传输模型为CIESM气候模式中的模块RRTMG辐射传输模型。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冰云粒子观测数据选择温度小于‑40℃时的观测数据。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述冰云粒子散射特性参数包含紫外到远红外光谱范围N个波段间隔的散射特性参数，所述粒子尺度大小范围为A至B，其中，N为大于0的整数，A和B为大于0的任意值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冰云粒子散射特性参数包含紫外到远红外光谱范围101个波段间隔的散射特性参数，所述粒子尺度大小范围为0.25至21428。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述冰云粒子散射特性参数包含的紫外到远红外光谱范围为0.21～13.5um。

10.一种模拟冰云成长过程的系统，用于实现权利要求1‑9任一项所述的方法，其特征在于，包括：

第一模块，用于构建冰云粒子谱分布数据库和非球形冰云粒子散射数据库，所述冰云粒子谱分布数据库包含冰云粒子观测数据，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云粒子散射特性参数；

第二模块，用于根据所述冰云粒子谱分布数据库和所述非球形冰云粒子散射数据库，计算冰云光学特性参数与冰云宏观物理量的所述拟合系数，所述冰云光学特性参数包括冰云消光效率、冰云不对称因子和冰云单次散射反照率，所述冰云宏观物理量包括冰云冰水含量和冰云平均有效半径；

第三模块，用于将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。

说明书

一种模拟冰云成长过程的方法及系统

技术领域

[0001] 本申请涉及气候模式领域，尤其涉及一种模拟冰云成长过程的方法及系统。

背景技术

[0002] 冰云作为热量和水汽传输的重要介质，在地表辐射平衡和地球能量平衡中发挥重要作用。研究冰云成长的过程，对全球气候变化的模拟和气象灾害预警等具有重要意义。目
前在气候模式中，往往利用单一形状粒子的参数化方案或多形状粒子的参数化方案描述冰
云的光学特性和辐射特性。单一形状冰云粒子的参数化方案通常利用规则形状的冰云粒
子，难以代表大多数的冰云光学特性；多形状粒子参数化方案的思路是使用多种规则形状
的冰云粒子(如椭球状、平板状、柱状，子弹花瓣状等)，并根据每种形状冰云的给定占比制
作散射数据库。已有众多研究表明冰云粒子的形状、表面粗糙度、尺寸大小等微物理参数，
对于冰云光学特性和辐射特性具有不容忽视的影响。同时，大量飞机观测数据表明冰云中
不规则形状冰云粒子占有重要的比例。因此，现有模型的局限性难以满足冰云光学特性描
述的要求。

发明内容

[0003] 本申请提出了一种模拟冰云成长过程的方法及系统，所述方法及系统基于新的冰云模型，克服了现有的基于高度简化冰云模型的冰云参数化方案在描述冰云光学特性方面
的局限性，为气候模式中的冰云光学特性的描述与冰云成长过程的模拟提供技术支持。

[0004] 本申请实施例提供一种模拟冰云成长过程的方法，用于本申请任一系统实施例，包括：

[0005] 构建冰云粒子谱分布数据库和非球形冰云粒子散射数据库，所述冰云粒子谱分布数据库包含冰云粒子观测数据，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云粒子散射特性参
数；

[0006] 根据所述冰云粒子谱分布数据库和所述非球形冰云粒子散射数据库，计算冰云光学特性参数与冰云宏观物理量的拟合系数，所述冰云光学特性参数包括冰云消光效率、冰
云不对称因子和冰云单次散射反照率，所述冰云宏观物理量包括冰云冰水含量和冰云平均
有效半径；

[0007] 将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。

[0008] 优选地，所述冰云粒子观测数据为低纬度到中纬度地区的观测数据。进一步优选地，所述冰云粒子散射特性参数为紫外到远红外波段光谱范围内不同尺度大小冰云粒子的
散射特性参数。

[0009] 本申请实施例还提供一种模拟冰云成长过程的系统，包括：

[0010] 第一模块，用于构建冰云粒子谱分布数据库和非球形冰云粒子散射数据库，所述冰云粒子谱分布数据库包含冰云粒子观测数据，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云
粒子散射特性参数；

[0011] 第二模块，用于根据所述冰云粒子谱分布数据库和所述非球形冰云粒子散射数据库，计算冰云光学特性参数与冰云宏观物理量的所述拟合系数，所述冰云光学特性参数包
括冰云消光效率、冰云不对称因子和冰云单次散射反照率，所述冰云宏观物理量包括冰云
冰水含量和冰云平均有效半径；

[0012] 第三模块，用于将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。

[0013] 优选地，所述冰云粒子观测数据为低纬度到中纬度地区的观测数据。进一步优选地，所述冰云粒子散射特性参数为紫外到远红外波段光谱范围内不同尺度大小冰云粒子的
散射特性参数。

[0014] 本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：提升了现有气候模式中冰云光学特性表达的准确性，能够有效反演全球尺度的冰云微物理参数。

附图说明

[0015] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

[0016] 图1为本发明实施例提供的一种模拟冰云成长过程方法的步骤示意图；

[0017] 图2为本发明实施例提供的一种模拟冰云成长过程系统的示意图。

具体实施方式

[0018] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一
部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做
出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0019] 以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

[0020] 图1为本发明实施例提供的一种模拟冰云成长过程方法的步骤示意图，所述方法包括以下步骤：

[0021] 步骤101：构建冰云粒子谱分布数据库和非球形冰云粒子散射数据库，所述冰云粒子谱分布数据库包含冰云粒子观测数据，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云粒子散
射特性参数。

[0022] 在步骤101中，构建所述冰云粒子谱分布数据库，可以通过飞机观测获取所述冰云粒子观测数据，利用gamma函数确定冰云粒子谱分布函数。所述冰云粒子观测数据为低纬度
到中纬度地区的观测数据。优选地，选择温度小于‑40℃的所述冰云粒子观测数据。

[0023] 在步骤101中，构建所述非球形冰云粒子散射数据库，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云粒子散射特性参数，所述冰云粒子散射特性参数为紫外到远红外波段光谱范
围内不同粒子尺度大小的冰云粒子散射特性参数。

[0024] 在步骤101中，构建所述非球形冰云粒子散射数据库，所述非球形冰云粒子散射数据库包含紫外到远红外光谱范围N个波段间隔的所述冰云粒子散射特性参数，所述粒子尺
度大小范围为A至B，将所述非球形冰云粒子散射数据库描述的冰云粒子散射特性参数与球
形和其他非球形冰云粒子散射特性进行对比，其中，N为大于0的整数，A和B为大于0的任意
值。

[0025] 优选地，所述非球形冰云粒子散射数据库包含紫外到远红外光谱范围101个波段间隔的所述冰云粒子散射特性参数。进一步优选的，所述冰云粒子尺寸参数范围为0.25至
21428。

[0026] 例如，在构建所述非球形冰云粒子散射数据库时，可以选择光谱范围为0.21～13.5um共计101个波段，粒子尺寸参数范围为0.25至21428共计26种，在此范围内计算所述
冰云粒子散射特性参数。

[0027] 所述冰云粒子散射特性参数包括冰云粒子消光效率、冰云粒子散射效率、冰云粒子吸收效率、冰云粒子不对称因子和冰云粒子相矩阵元素。

[0028] 步骤102：根据所述冰云粒子谱分布数据库和所述非球形冰云粒子散射数据库，计算冰云光学特性参数与冰云宏观物理量的拟合系数，所述冰云光学特性参数包括冰云消光
效率、冰云不对称因子和冰云单次散射反照率，所述冰云宏观物理量包括冰云冰水含量和
冰云平均有效半径。

[0029] 在步骤102中，计算所述冰云光学特性参数和所述宏观平均物理量，计算所述冰云光学特性参数与所述宏观平均物理量之间的拟合关系，并确定覆盖紫外到远红外光谱范围
内的拟合系数。

[0030] 其中，计算所述冰云光学特性参数包括计算所述冰云消光效率、计算所述冰云不对称因子和计算所述冰云单次散射反照率。所述冰云消光效率计算步骤为：所述冰云粒子
消光效率与所述粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云单次散射
反照率计算步骤为：所述冰云粒子散射效率与所述粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直
径范围内积分；所述冰云不对称因子计算步骤为：所述冰云粒子不对称因子乘以散射截面
乘以所述粒子谱分布函数，并在粒子最大直径范围内积分。

[0031] 计算所述宏观平均物理量包括计算所述冰云冰水含量和计算所述冰云平均有效半径，其中所述冰云冰水含量计算步骤为：冰云粒子体积大小乘以冰云粒子密度乘以所述
粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云平均有效半径计算步骤为：
所述冰云粒子体积大小与所述粒子谱分布函数之积除以冰云粒子几何截面与所述粒子谱
分布函数之积，并在粒子最大直径范围内积分。

[0032] 在步骤102中，获取所述冰云光学特性参数与所述宏观平均物理量之间的拟合关系，并确定覆盖紫外到远红外光谱范围内的拟合系数。

[0033] 在紫外到远红外光谱范围内，计算所述冰云消光效率与所述冰云冰水含量之比，然后计算所述冰云平均有效半径的倒数同所述冰云消光效率与所述冰云冰水含量之比的
拟合系数；计算所述冰云平均有效半径与所述冰云单次散射反照率的拟合系数；计算所述
冰云平均有效半径与所述冰云不对称因子的拟合系数。

[0034] 步骤103：将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。

[0035] 在步骤103中，将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。所述辐射传输模型为CIESM气候模式中的模块RRTMG辐射传输模型。

[0036] 将所述拟合系数应用于CIESM气候模式中，通过改变模式中温湿度参数的设置，模拟所述冰云的位置和高度变化，监测所述冰云的发展过程及其对于气候变化造成的定量和
定性影响。

[0037] 图2为本发明实施例提供的一种模拟冰云成长过程系统的示意图，所述系统包括第一模块201、第二模块202和第三模块203，其中，

[0038] 所述第一模块201，用于构建冰云粒子谱分布数据库和非球形冰云粒子散射数据库，所述冰云粒子谱分布数据库包含冰云粒子观测数据，所述非球形冰云粒子散射数据库
包含冰云粒子散射特性参数。

[0039] 构建所述冰云粒子谱分布数据库，可以通过飞机观测获取所述冰云粒子观测数据，利用gamma函数确定冰云粒子谱分布函数。所述冰云粒子观测数据为低纬度到中纬度地
区的观测数据。优选地，选择温度小于‑40℃的所述冰云粒子观测数据。

[0040] 构建所述非球形冰云粒子散射数据库，所述非球形冰云粒子散射数据库包含冰云粒子散射特性参数，所述冰云粒子散射特性参数为紫外到远红外波段光谱范围内不同粒子
尺度大小的冰云粒子散射特性参数。

[0041] 构建所述非球形冰云粒子散射数据库，所述非球形冰云粒子散射数据库包含紫外到远红外光谱范围N个波段间隔的所述冰云粒子散射特性参数，所述粒子尺度大小范围为A
至B，将所述非球形冰云粒子散射数据库描述的冰云粒子散射特性参数与球形和其他非球
形冰云粒子散射特性进行对比，其中，N为大于0的整数，A和B为大于0的任意值。

[0042] 优选地，所述非球形冰云粒子散射数据库包含紫外到远红外光谱范围101个波段间隔的所述冰云粒子散射特性参数。进一步优选的，所述冰云粒子尺寸参数范围为0.25至
21428。

[0043] 例如，在构建所述非球形冰云粒子散射数据库时，可以选择光谱范围为0.21～13.5um共计101个波段，粒子尺寸参数范围为0.25至21428共计26种，在此范围内计算所述
冰云粒子散射特性参数。

[0044] 所述冰云粒子散射特性参数包括冰云粒子消光效率、冰云粒子散射效率、冰云粒子吸收效率、冰云粒子不对称因子和冰云粒子相矩阵元素。

[0045] 所述第二模块202，用于根据所述冰云粒子谱分布数据库和所述非球形冰云粒子散射数据库，计算冰云光学特性参数与冰云宏观物理量的所述拟合系数，所述冰云光学特
性参数包括冰云消光效率、冰云不对称因子和冰云单次散射反照率，所述冰云宏观物理量
包括冰云冰水含量和冰云平均有效半径。

[0046] 计算所述冰云光学特性参数和所述宏观平均物理量，计算所述冰云光学特性参数与所述宏观平均物理量之间的拟合关系，并确定覆盖紫外到远红外光谱范围内的拟合系
数。

[0047] 其中，计算所述冰云光学特性参数包括计算所述冰云消光效率、计算所述冰云不对称因子和计算所述冰云单次散射反照率。所述冰云消光效率计算步骤为：所述冰云粒子
消光效率与所述粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云单次散射
反照率计算步骤为：所述冰云粒子散射效率与所述粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直
径范围内积分；所述冰云不对称因子计算步骤为：所述冰云粒子不对称因子乘以散射截面
乘以所述粒子谱分布函数，并在粒子最大直径范围内积分。

[0048] 计算所述宏观平均物理量包括计算所述冰云冰水含量和计算所述冰云平均有效半径，其中所述冰云冰水含量计算步骤为：冰云粒子体积大小乘以冰云粒子密度乘以所述
粒子谱分布函数相乘，并在粒子最大直径范围内积分；所述冰云平均有效半径计算步骤为：
所述冰云粒子体积大小与所述粒子谱分布函数之积除以冰云粒子几何截面与所述粒子谱
分布函数之积，并在粒子最大直径范围内积分。

[0049] 获取所述冰云光学特性参数与所述宏观平均物理量之间的拟合关系，并确定覆盖紫外到远红外光谱范围内的拟合系数。

[0050] 在紫外到远红外光谱范围内，计算所述冰云消光效率与所述冰云冰水含量之比，然后计算所述冰云平均有效半径的倒数同所述冰云消光效率与所述冰云冰水含量之比的
拟合系数；计算所述冰云平均有效半径与所述冰云单次散射反照率的拟合系数；计算所述
冰云平均有效半径与所述冰云不对称因子的拟合系数。

[0051] 所述第三模块203，用于将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。

[0052] 将所述拟合系数应用于辐射传输模型，模拟所述冰云成长过程。所述辐射传输模型为CIESM气候模式中的模块RRTMG辐射传输模型。

[0053] 将所述拟合系数应用于CIESM气候模式中，通过改变模式中温湿度参数的设置，模拟所述冰云的位置和高度变化，监测所述冰云的发展过程及其对于气候变化造成的定量和
定性影响。

[0054] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实
施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。

[0055] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0056] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包
括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要
素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要
素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0057] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同
替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。