题目：非球状粒子的毫米波散射特性及其对大气辐射传输影响的研究

毫米波/亚毫米波遥感是天气和气候研究的重要组成部分，在探测云层结构方面具有红外和可见光遥感不可替代的优点：一方面，毫米波亚毫米波的波长更接近冰云中小粒子的尺寸，对冰云层中的粒子非常敏感；另一方面，毫米波/亚毫米波可以穿透云层，而红外遥感和可见光遥感无法穿透云层，一般只能探测云层顶部。本论文主要研究了在毫米波/亚毫米波波段冰粒子的散射特性及其对大气辐射传输的影响，探讨用毫米波/亚毫米波探测冰粒子物理参数的潜力，这不仅能用于改善反演冰粒子物理参数的算法，还将为我国正在研制的新型毫米波亚毫米波辐射计的参数设计和通道选择提供理论基础。冰粒子生长环境的温度和湿度差异导致云中冰粒子形状,结构和指向各不同。论文中建立了不同形状，不同结构和不同指向的冰粒子在毫米波/亚毫米波波段的散射特性数据库，并且展示了89 GHz冰云中几种较为常见的非球形粒子的散射特性，与同体积球形冰粒子的散射特性进行了比较，并分析了利用离散偶极子方法计算非球形小粒子散射特性的精度。为了进一步验证理论计算小粒子散射特性的精度，用实验测量的方法测试了89 GHz金属球形粒子和介质球形粒子的散射电场，并根据实际测试情景分析了测试过程中产生的误差对球形粒子散射电场的影响，为改善测试精度提供了理论依据。冰介电常数实部和虚部的不确定性导致冰粒子的散射特性以及大气辐射传输亮温有偏差。论文研究了在三个常用微波频率89 GHz，150 GHz和183 GHz冰介电常数的不确定度对辐射亮温的影响。结果表明，冰介电常数的不确定度将导致亮温的误差高达1 K，这已经可以为现有的微波辐射计探测到。考虑到大气对云层中冰粒子的力学作用，云中冰粒子可能具有特定指向。具有特定指向的冰粒子具有分光特性，导致了垂直极化和水平极化两个通道接收到的亮温存在差别，即产生所谓的亮温极化差。论文中运用矢量辐射传输模型，针对不同形状和不同指向冰粒子对星载毫米波/亚毫米波辐射计接收的亮温以及亮温极化差的影响进行了仿真计算，分析了有特定指向冰粒子对大气辐射传输的影响。由于云中冰粒子对大气辐射传输的重要影响，为进一步探讨新型微波辐射计通道以及通道极化的选择，从而为毫米波/亚毫米波辐射计的参数设计提供重要理论依据，论文分析了通道频率和通道极化选择的基本依据。根据通道频率为150 GHz双极化辐射计地基降雪测量数据，重点分析了由于有特定指向雪粒子的存在而导致150 GHz极化通道接收到-10 K亮温极化差的产生。论文研究了极化探测对分离降雪过程中小粒子的散射特性及液态水辐射对亮温的贡献，结论表明，极化通道的加入可以改善小粒子物理参数反演算法，进一步提高其物理参数反演精度。为了更精确探测冰云物理参数，建议提高毫米波亚毫米波辐射计精度并携带极化通道。