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MODTRAN輻射傳輸模型使用筆記

2020-09-21 16:00:28

目錄

MODTRAN輻射傳輸模型使用筆記

第一篇博文就寫寫最近一段時間MODTRAN輻射傳輸模型的學習心得。版本為MODTRAN5.2.1和MODTRAN5.2.2。

先來一段簡短的介紹：
MODTRAN是由美國光譜科技公司、空間物理實驗室聯合開發，利用FORTRAN編寫、適用計算0.2 μ \mu μm — ∞ \infin ∞ (0 ~ 50000 cm − 1 ^{-1} −1）區間內的大氣輻射傳輸模式。目前它的光譜解析度達到0.1cm − 1 ^{-1} −1。詳細見MODTRAN官方網站link.

CARD1主要控制引數設定:

  1. 適用於MODTRAN band model以及LOWTRAN band model，二者區別主要在於光譜解析度，以及計算所需要的時間.
  2. 大氣模型可以選擇系統預設的6種（熱帶、中緯度夏季、中緯度冬季、亞北極區夏季、亞北極區冬季、1976年美國標準大氣），或者選擇使用者提供的大氣資料（MODEL=7/8），其中也包括計算水平路徑的單層大氣資料（MODEL=0）。注意：MODEL = 7 時 CARD2 裡面的GNDALT自動設為大氣廓線第一層的高度。

這裡主要介紹TIGR大氣廓線資料
歐洲TIGR是法國動力氣象實驗室建立的一個大氣廓線資料庫，主要用於作為大氣廓線反演室的初估值，包括大氣溫度和溼度廓線，這些廓線是利用拓撲學方法從不同時期、全球範圍內大量大氣樣本中精選出來的，均屬於探空觀測，詳情見官方網站link.共有2311條大氣廓線，分佈在全球各地。

AirmassAtmosphere
Tropical1-827
Mid-lat1873-1260
Mid-lat21261-1614
Polar11615-1718
Polar21719-2311

這些大氣廓線分類，分別對應MODTRAN裡面MODEL=1、2、3、4、5。
目前，有兩個版本的TIGR資料庫：
atm4atigr2000_v1.2_43lev.dsf
tigr_atmosphere_profile

  1. 大氣路徑型別ITYPE
    ITYPE = 1: 水平路徑
    ITYPE = 2: 兩個海拔高度間的垂直或傾斜路徑
    ITYPE = 3: 從某一海拔高度到空間的垂直或傾斜路徑（一般衛星觀測模式）

  2. 程式執行模式IEMSCT
    IEMSCT = 0，程式僅計算路徑的透過率
    IEMSCT = 1，計算路徑的透過率和輻亮度
    IEMSCT = 2，計算大氣輻亮度和太陽/月亮散射輻亮度
    （當IMULT = 0，僅包括太陽輻亮度單次散射）
    IEMSCT = 3，計算太陽/月亮直射輻照度

  3. 多次散射IMULT
    IMULT = 0，不考慮多次散射
    IMULT = 1，考慮多次散射，大氣內部的應用通常推薦此設定
    多次散射MS，太陽的幾何位置參考H1
    IMULT = -1，考慮多次散射，衛星感測器高度處的模擬
    多次散射MS，太陽的幾何位置參考H2

  4. 其他包括一些分子的剖面、邊界溫度(K)、地表反照率(可以考慮朗伯和非朗伯的情況)

  5. MODTRAN較LOWTRAN的又一大特點，就是改進了瑞利散射和復折射指數的計算精度，增加了DISORT(離散座標法)計算太陽散射貢獻的方位角相關選項。只有在考慮了多次散射的情況下，DISORT才會被啟用，否則即使設定引數，也會成為預設值Fasle。LOWTRAN在處理多次散射問題時，採用的時改進的累加法，自海平面開始向上直至大氣的上界，全面考慮整層大氣和地表、雲層的反射貢獻，逐層確定大氣分層每一介面上的綜合透過率、吸收率和反射率和輻射通量。

DISORT的基本思路是：將平面平行大氣分為一個個成分比例均勻層，對於均勻層，可以將散射相函數和輻射強度用方位角餘弦級數展開（勒讓德多項式展開、傅立葉級數展開等），從而輻射傳輸方程轉化為一系列與方位角無關的形式，每一個與方位角無關的輻射傳輸方程中對天頂角的積分用同階次高斯求和展開代替，從而無需對均勻層光學厚度數值積分，便獲得在高斯點上的顯式解，總之就是用數值方法求解特徵方程。方法的精度取決於勒讓德多項式展開的次數，次數越多，精確性約高，也越複雜。在MODTRAN裡面，如果需要精確計算，推薦NSTR = 8，即八流近似，一般情況四流近似也可以滿足。

  1. 太陽光譜資料Band Model，自帶有三種光譜解析度的太陽輻照度檔案：「P1」代表0.1cm − 1 ^{-1} −1；「01」代表1cm − 1 ^{-1} −1；「05」代表5cm − 1 ^{-1} −1；SFWHM，三角掃描函數的半波寬用於TOA太陽輻照度的平滑處理。
  2. CO2MX，預設值為330ppmv，1997年推薦值為360，1999年推薦值為365，2019年全球CO2含量415ppmv（可參考）。
  3. C_PROF，這一項控制大氣廓線資料的自定義輸入，不同的引數代表不同組合的大氣輸入。
  4. LFLTNM和FLTNAM主要用於控制儀器光譜響應函數的輸入。光譜響應函數檔案具有固定的格式，第一個字元一般代表了波長的單位。

CARD2主要控制引數設定：

  1. APLUS，CNOVAM和ARUSS是使用者提供氣溶膠光譜性質。

  2. IHAZE = 0表示無氣溶膠消光，但可能包括雲消光。

  3. ICLD用於控制雲和雨的模式。例如，ICLD=18時，CARD2A，可以用來輸入雲厚度、雲底高度和雲在550nm的消光係數。

  4. VIS小於0的時候，其絕對值代表550nm波段的氣溶膠光學厚度，也可選用能見度來表示氣溶膠的特性，存在相互轉換的公式。

  5. 當MODEL = 7，I_RD2C = 1，時CARD2C和CARD2C1被啟動用於大氣廓線資料的輸入。ML代表自定義大氣廓線的層數。
    大氣廓線按層輸入的格式舉例如下，依此代表：層邊界海拔高度、層邊界氣壓、層邊界溫度、水汽、CO2，O3以及各參量的單位控制。
    2.113E-03 1.013E+03 2.969E+02 1.382E+01 0.0000000 7.348E-05AAC1C111111111
    在此，如要輸入探空資料，TIGR資料需要統一好資料的單位，在生成 tap5檔案時，一定要注意格式，注意格式，注意格式！！！

  6. GNDALT，代表地表的海拔，可以為負數，但不能大於6km，如果選擇自定義大氣廓線，這個值將被預設為第一次大氣廓線的海拔高度。

CARD3主要控制引數設定：

本部分主要關於觀測幾何，真的是超級複雜！先做好「前方高能」的心裡準備。

  1. H1代表觀測位置的海拔、H2代表目標位置的海拔、ANGLE代表在H1處觀測的天頂角，就是下圖中的OBSZEN，RANGE代表H1到H2的路徑長度，當LENN為0的時候代表短路徑，當LENN為1的時候代表長路徑。
  2. PHI，不要被這個單詞迷惑， 其實它代表的是BCKZEN，即衛星遙感中定義的觀測天頂角；更有甚者，MODTRAN裡的觀測幾何輸入有幾個if語句，如果PHI>0，就會選擇case3c！
  3. IPARM=0，1，2 是以觀測位置為基準，IPARM=10，11，12 是以目標位置為基準。
  4. 在考慮太陽和月亮的情況下，需要定義太陽/月亮的位置，可以選擇經緯度也可以根據儒略日，月亮需要考慮月相角度。
    下圖為涉及到MODTRAN的觀測幾何，我覺得還是非常有用的！
    MODTRAN的觀測幾何示意圖
    在這裡插入圖片描述

CARD4主要控制引數設定：

  1. 主要設定起始的波長，可以是波數、微米、納米為單位，還有半波寬。
  2. DLIMIT設定為一個8字元的名字，用於區分不同情況的輸出。

以上只是我近期MODTRAN學習的一點點心得體會，第一次寫博文，後期會有不斷更新，歡迎關注。
如有興趣可以來信進行有償、無償的諮詢和資源交換，非常歡迎與各位同仁進行探討，郵箱：chengfjane@163.com，備註CSDN。