Atmosfäriska strålningsöverföringskoder

En atmosfärisk strålningsöverföringsmodell, kod eller simulator beräknar strålningsöverföring av elektromagnetisk strålning genom en planetarisk atmosfär .

Metoder

Kärnan i en strålningsöverföringsmodell ligger den strålningsöverföringsekvation som löses numeriskt med hjälp av en lösare som en diskret ordinatmetod eller en Monte Carlo-metod . Strålningsöverföringsekvationen är en monokromatisk ekvation för att beräkna strålning i ett enda lager av jordens atmosfär. För att beräkna strålningen för ett spektralområde med en ändlig bredd (t.ex. för att uppskatta jordens energibudget eller simulera ett instrumentsvar), måste man integrera detta över ett band av frekvenser (eller våglängder). Det mest exakta sättet att göra detta är att gå igenom de intressanta frekvenserna och för varje frekvens, beräkna strålningen vid denna frekvens. För detta behöver man beräkna bidraget från varje spektrallinje för alla molekyler i atmosfärsskiktet; detta kallas en rad-för-rad- beräkning. För ett instrumentsvar viks detta sedan ihop med instrumentets spektrala svar. En snabbare men mer ungefärlig metod är en bandöverföring . Här kännetecknas överföringen i en region i ett band av en uppsättning förberäknade koefficienter (beroende på temperatur och andra parametrar). Dessutom kan modeller överväga spridning från molekyler eller partiklar, såväl som polarisering ; dock gör inte alla modeller det.

Ansökningar

Strålningsöverföringskoder används i många olika tillämpningar. De används vanligtvis som framåtmodeller för hämtning av geofysiska parametrar (som temperatur eller fuktighet ). Radiativa överföringsmodeller används också för att optimera solcellssystem för förnybar energiproduktion . Ett annat vanligt användningsområde är en väder- eller klimatmodell , där strålkraften beräknas för växthusgaser , aerosoler eller moln . I sådana applikationer kallas strålningsöverföringskoder ofta för strålningsparameterisering . I dessa applikationer används strålningsöverföringskoderna i framåtriktad mening, dvs på basis av kända egenskaper hos atmosfären, beräknar man uppvärmningshastigheter, strålningsflöden och strålningar.

Det finns ansträngningar för att jämföra strålningskoder. Ett sådant projekt var ICRCCM (Intercomparison of Radiation Codes in Climate Models) insatser som sträckte sig över slutet av 1980-talet - början av 2000-talet. Det mer aktuella (2011) projektet, Continual Intercomparison of Radiation Codes, betonar också att använda observationer för att definiera interjämförelsefall.

Tabell över modeller

namn	Hemsida	Referenser	UV	Synlig	Nära IR	Termisk IR	mm/sub-mm	Mikrovågsugn	rad för rad /band	Spridning	Polariserad	Geometri	Licens	Anteckningar
4A/OP	[2]	Scott och Chédin (1981)	Nej	Nej	Ja	Ja	Nej	Nej	band eller rad för rad	Ja	Ja		gratisprogram
6S/6SV1	[3]	Kotchenova et al. (1997)	Nej	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej	band	?	Ja			icke-lambertiansk yta
KONST	[4]	Eriksson et al. (2011) Buehler et al. (2018)	Nej	Nej	Nej	Ja	Ja	Ja	rad för rad	Ja	Ja	sfärisk 1D, 2D, 3D	GPL
BTRAM	[5]	Chapman et al. (2009)	Nej	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	rad för rad	Nej	Nej	1D, planparallell	proprietär kommersiell
COART	[6]	Jin et al. (2006)	Ja	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej		Ja	Nej	planparallell	fri
CRM	[7]		Nej	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	band	Ja	Nej		fritt tillgänglig	Del av NCAR Community Climate Model
CRTM	[8]		Nej	Ja	Ja	Ja	Nej	Ja	band	Ja	?
DART strålningsöverföringsmodell	[9]	Gastellu-Etchegorry et al. (1996)	Nej	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	band	Ja	?	sfärisk 1D, 2D, 3D	gratis för forskning med licens	icke-Lambertiansk yta, landskapsskapande och import
DISORTERA	[10]	Stamnes et al. (1988) Lin et al. (2015)	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	radar		Ja	Nej	planparallell eller pseudo-sfärisk (v4.0)	gratis med restriktioner	diskret ordinata, som används av andra
Utrota	[11]		Nej	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej	band eller rad för rad	Ja	Nej	planparallell, sfärisk	LGPL	Ytsimulering i 3D
GÅRDAR	[12]	Xie et al. (2016)	λ>0,2 µm	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej	band	Ja	Nej	planparallell	fri	Snabb simulering av solstrålning i downwell vid markytan för solenergi och klimatforskning
Fu-Liou	[13]	Fu och Liou (1993)	Nej	Ja	Ja	?	Nej	Nej		Ja	?	planparallell	användning online, källkod tillgänglig	webbgränssnitt online på
FUTBOLIN		Martin-Torres (2005)	λ>0,3 µm	Ja	Ja	Ja	λ<1000 µm	Nej	rad för rad	Ja	?	sfärisk eller planparallell		hanterar linjeblandning, kontinuumabsorption och NLTE
GENLN2	[14]	Edwards (1992)	?	?	?	Ja	?	?	rad för rad	?	?
KARINE	[15]	Eymet (2005)	Nej	Nej	Ja		Nej	Nej		?	?	planparallell	GPL
KCARTA	[16]		?	?	Ja	Ja	?	?	rad för rad	Ja	?	planparallell	fritt tillgänglig	AIRS referensmodell
KOPRA	[17]		Nej	Nej	Nej	Ja	Nej	Nej		?	?
LBLRTM	[18]	Clough et al. (2005)	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	rad för rad	?	?
LEEDR	[19]	Fiorino et al. (2014)	λ>0,2 µm	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	band eller rad för rad	Ja	?	sfärisk	Programvara för amerikanska myndigheter	utökade sol- och månkällor; enkel och multipel spridning
LinePak	[20]	Gordley et al. (1994)	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	rad för rad	Nej	Nej	sfärisk (Jorden och Mars), planparallell	fritt tillgänglig med restriktioner	webbgränssnitt, SpectralCalc
libRadtran	[21]	Mayer och Kylling (2005)	Ja	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	band eller rad för rad	Ja	Ja	planparallell eller pseudo-sfärisk	GPL
MATISSE	[22]	Caillault et al. (2007)	Nej	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	band	Ja	?		proprietärt gratisprogram
MCARaTS													GPL	3D Monte Carlo
MODTRAN	[23]	Berk et al. (1998)	ṽ <50 000 cm −1 (ekv. till λ>0,2 µm)	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	band eller rad för rad	Ja	?		proprietär kommersiell	sol- och månkälla, använder DISORT
MOSART	[24]	Cornette (2006)	λ>0,2 µm	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	band	Ja	Nej		fritt tillgänglig
MSCART	[25]	Wang et al. (2017) Wang et al. (2019)	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej		Ja	Ja	1D, 2D, 3D	på begäran
PICASO	[26] länk	Batalha et al. (2019) Mukherjee et al. (2022)	λ>0,3 μm	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	band eller korrelerad-k	Ja	Nej	planparallell, 1D, 3D	GPL Github	exoplanet, brun dvärg, klimatmodellering, fasberoende
PUMAS	[27]		Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	Rad för rad och korrelerad-k	Ja	Ja	planparallell och pseudo-sfärisk	Gratis/online-verktyg
RADIS	[28]	Pannier (2018)	Nej	Nej	Ja		Nej	Nej		Nej	Nej	1D	GPL
RFM	[29]		Nej	Nej	Nej	Ja	Nej	Nej	rad för rad	Nej	?		på begäran	MIPAS referensmodell baserad på GENLN2
RRTM/RRTMG	[30]	Mlawer, et al. (1997)	ṽ <50 000 cm −1 (ekv. till λ>0,2 µm)	Ja	Ja	Ja	Ja	ṽ >10 cm −1		?	?		gratis	använder DISORT
RTMOM	[31]		λ>0,25 µm	Ja	Ja	λ<15 µm	Nej	Nej	rad för rad	Ja	?	planparallell	gratisprogram
RTTOV	[32]	Saunders et al. (1999)	λ>0,4 µm	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	band	Ja	?		på begäran
SASKTRAN		Bourassa et al. (2008) Zawada et al. (2015)	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej	rad för rad	Ja	Ja	sfärisk 1D, 2D, 3D, planparallell	på begäran	diskreta och Monte Carlo-alternativ
SBDART	[33]	Ricchiazzi et al. (1998)	Ja	Ja	Ja	?	Nej	Nej		Ja	?	planparallell		använder DISORT
SCIATRAN	[34]	Rozanov et al. (2005) , Rozanov et al. (2014)	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej	band eller rad för rad	Ja	Ja	planparallell eller pseudo-sfärisk eller sfärisk
SHARM		Lyapustin (2002)	Nej	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej		Ja	?
SHDOM	[35]	Evans (2006)	?	?	Ja	Ja	?	?		Ja	?
σ-IASI	[36]	Amato et al. (2002) Liuzzi et al. (2017)	Nej	Nej	Ja	Ja	Ja	Nej	band	Ja	Nej	planparallell	På begäran	Semianalytiska jakobianer.
SMART-G	[37]	Ramon et al. (2019)	Ja	Ja	Ja	Nej	Nej	Nej	band eller rad för rad	Ja	Ja	planparallell eller sfärisk	gratis för icke-kommersiella ändamål	Monte-Carlo-kod parallelliserad av GPU (CUDA). Atmosfär eller/och havet alternativ
Streamer, Fluxnet	[38]	Key och Schweiger (1998)	Nej	Nej	λ>0,6 mm	λ<15 mm	Nej	Nej	band	Ja	?	planparallell		Fluxnet är en snabb version av STREAMER som använder neurala nät
XRTM	[39]		Ja	Ja	Ja	Ja	Ja	Ja		Ja	Ja	planparallell och pseudo-sfärisk	GPL
VLIDORT/LIDORT	[40]	Spurr och Christi (2019)	Ja	Ja	Ja	Ja	?	?	rad för rad	Ja	Ja endast VLIDORT	planparallell		Används i SMART och VSTAR strålningsöverföring
namn	Hemsida	Referenser	UV	VIS	Nära IR	Termisk IR	Mikrovågsugn	mm/sub-mm	rad för rad/band	Spridning	Polariserad	Geometri	Licens	Anteckningar

Molekylära absorptionsdatabaser

För en linje-för-linje-beräkning behöver man egenskaper hos spektrallinjerna, såsom linjecentrum, intensiteten, energin i lägre tillstånd, linjebredden och formen.

namn	Författare	Beskrivning
HITRAN	Rothman et al. (1987, 1992, 1998, 2003, 2005, 2009, 2013, 2017)	HITRAN är en sammanställning av molekylära spektroskopiska parametrar som en mängd olika datorkoder använder för att förutsäga och simulera överföring och emission av ljus i atmosfären. Originalversionen skapades vid Air Force Cambridge Research Laboratories (1960-talet). Databasen underhålls och utvecklas vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge MA, USA.
GEISA	Jacquinet-Husson et al. (1999, 2005, 2008)	GEISA (Gestion et Etude des Informations Spectroscopiques Atmosphériques: Management and Study of Spectroscopic Information) är en datortillgänglig spektroskopisk databas, designad för att underlätta exakta beräkningar av strålningsöverföring framåt med en linje-för-linje och lager-för-lager-metod. Det startades 1974 på Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL) i Frankrike. GEISA underhålls av ARA-gruppen vid LMD (Ecole Polytechnique) för sin vetenskapliga del och av ETHER-gruppen (CNRS Centre National de la Recherche Scientifique-France) vid IPSL (Institut Pierre Simon Laplace) för sin tekniska del. För närvarande är GEISA involverad i aktiviteter relaterade till bedömningen av kapaciteten hos IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ombord på METOP European Satellite) genom GEISA/IASI-databasen härledd från GEISA.

Se även

• Diskreta dipolapproximationskoder
• Koder för elektromagnetisk spridning av cylindrar
• Koder för elektromagnetisk spridning av sfärer
• Optiska egenskaper hos vatten och is

Fotnoter

Allmänt

•   Bohren, Craig F. och Eugene E. Clothiaux, Fundamentals of atmospheric radiation: an introduction with 400 problems, Weinheim: Wiley-VCH, 2006, 472 s., ISBN 3-527-40503-8 .
•   Goody, RM och YL Yung, Atmosfärisk strålning: teoretisk grund. Oxford University Press, 1996 (andra upplagan), 534 sidor, ISBN 978-0-19-510291-8 .
•   Liou, Kuo-Nan, En introduktion till atmosfärisk strålning, Amsterdam; Boston : Academic Press, 2002, 583 s., International geophysics series, v.84, ISBN 0-12-451451-0 .
•   Mobley, Curtis D., Ljus och vatten: strålningsöverföring i naturliga vatten; delvis baserat på samarbeten med Rudolph W. Preisendorfer, San Diego, Academic Press, 1994, 592 s., ISBN 0-12-502750-8
•   Petty, Grant W, A first course in atmospheric radiation (2nd Ed.), Madison, Wisconsin : Sundog Pub., 2006, 472 s., ISBN 0-9729033-1-3
• Preisendorfer, Rudolph W., Hydrologic optics, Honolulu, Hawaii: USA:s handelsdepartement, National Oceanic & Atmospheric Administration, Environmental Research Laboratories, Pacific Marine Environmental Laboratory, 1976, 6 volymer.
•   Stephens, Graeme L., Remote sensing of the lower atmosphere: an introduction, New York, Oxford University Press, 1994, 523 s. ISBN 0-19-508188-9 .
•   Thomas, Gary E. och Knut Stamnes, Radiativ överföring i atmosfären och havet, Cambridge, New York, Cambridge University Press, 1999, 517 s., ISBN 0-521-40124-0 .
•   Zdunkowski, W., T. Trautmann, A. Bott, Strålning i atmosfären. Cambridge University Press, 2007, 496 sidor, ISBN 978-0-521-87107-5

externa länkar

• ITWC för strålningsöverföring