SBDART辐射传输模式的输入

关于平面平行辐射传输模式（SBDART）的文件输入（2012年夏发布）

此文件向SBDART（平面平行辐射传输模式）提供文件输入参数。SBDART是一种软件工具，用来计算地球大气和表面在无云和多云条件下的平面平行辐射传输。对于该程序的一般性描述和评论请参阅Ricchiazzi在1998年的说明。（美国气象学会公告，1998年10月）。 SBDART的主要输入文件称为INPUT。此文件包含一个单独的NAMELIST输入区也称为INPUT。NAMELIST输入的一大显著优势就是不是所有元素的输入数据块都需要被用户指定。由于大部分代码的输入被初始化为合理默认值，新用户可以先指定一些相关程度较高的输入参数。输入参数的默认状态可以通过从当前工作目录中移出的INPUT来确定。当SBDART检测到没有INPUT文件输入时，它将打印所有输入的默认设置参数。该输出可以被重新定向到一个文件中进行编辑。 INPUT的默认配置如下：

===================================================================== &INPUT

idatm = 4 , amix = 0.0 , isat = 0 , wlinf = 0.550 , wlsup = 0.550 , wlinc = 0.0 , sza = 0.0 , csza = -1.0 , solfac = 1.0 , nf = 2 , iday = 0 , time = 16.0 , alat = -64.7670 , alon = -64.0670 , zpres = -1.0 , pbar = -1.0 , sclh2o = -1.0 , uw = -1.0 , uo3 = -1.0 , o3trp = -1.0 , ztrp = 0.0 , xrsc = 1.0 , xn2 = -1.0 , xo2 = -1.0 , xco2 = -1.0 , xch4 = -1.0 , xn2o = -1.0 , xco = -1.0 , xno2 = -1.0 , xso2 = -1.0 , xnh3 = -1.0 , xno = -1.0 , xhno3 = -1.0 , xo4 = 1.0 , isalb = 0 , albcon = 0.0 , sc = 1.0,3*0.0 , zcloud = 5*0.0 , tcloud = 5*0.0 , lwp = 5*0.0 , nre = 5*8.0 , rhcld = -1.0 , krhclr = 0 , jaer = 5*0 , zaer = 5*0.0 , taerst = 5*0.0 , iaer = 0 , vis = 23.0 , rhaer = -1.0 , wlbaer = 47*0.0 , tbaer = 47*0.0 , abaer = -1.0 , wbaer = 47*0.950 , gbaer = 47*0.70 , pmaer = 940*0.0 , zbaer = 50*-1.0 , dbaer = 50*-1.0 , nothrm = -1 , nosct = 0 , kdist = 3 , zgrid1 = 0.0 , zgrid2 = 30.0 , ngrid = 50 , zout = 0.0,100.0 , iout = 10 , deltam = t , lamber = t , ibcnd = 0 , saza = 180.0 , prnt = 7*f , ipth = 1 , fisot = 0.0 , temis = 0.0 , nstr = 4 , nzen = 0 , uzen = 20*-1.0 , vzen = 20*90 , nphi = 0 , phi = 20*-1.0 , imomc = 3 , imoma = 3 , ttemp = -1.0 , btemp = -1.0 , spowder = f ,

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idb = 20*0 /

说明：令人失望的是，许多fortran编译器在应对不正确的NAMELIST输入文件时，会产生

相当潜在的错误信息。以下是三种常见的的NAMELIST错误信息及其含义： 1.错误信息：在NAMELIST输入的参考变量无效 含义：你拼错了一个NAMELIST中的变量名 2.错误信息：NAMELIST变量的值过多 含义：你为一个变量所指定的值太多，最有可能是因为你使用了超过一个逗号来隔

开变量

3.错误信息：在程序读取过程中或在名单区INPUT未找到前中止文件 含义：有两种可能：

A）你没有写进NAMELIST区的分类符（INPUT,DINPUT或者END）或是你

拼错了它；或者

B）你使用了错误的字符来表示一个名单区的名称。FORTRAN90要求名单区

开始于&,结束于/，但是大部分FORTRAN77编译器惯用$，$END。

SBDART有时需要使用的其它一些输入文件：

atms.dat – 大气廓线（用于获取输入量IDATM）

aerosol.dat – 气溶胶信息（用于获取输入量IAER） albedo.dat – 地表反照率（用于获取输入量ISALB） filter.dat – 传感器滤波函数（用于获取输入量ISAT） solar.dat – 太阳光谱（用于获取输入量NE）

usrcld.dat – 云垂直廓线（用于获取输入量TCLOUD）

SBDART通常会直接向标准输出设备列出计算结果（即，终端，如果交互运行的话）。然而， 一些警告信息会不被写入名为SBDART_WARNING的文件中。其中，问号显示出警告消息的数 量。当运行SBDART进行过多次的输入操作时，SBDART_WARNING文件将只在进行第一次迭代产生警告条件时创建一次。 警告文件中包括一个警告信息和触发警告的输入文件的副本。

通用选项(NAMELIST &INPUT):

=====================================

波长范围，滤波器的功能规范

================================================

NF：太阳光谱选择器

-2= 当kidist=-1时，用TOA太阳辐照度从CKTAU文件中读取。当kidist不为-1时，NF=-2不是一个有效的输入。

-1= 从文件solar.dat中读取（由用户提供）

数据文件solar.dat是从当前的工作目录读取。这种ASCII文件的读取是通过以下自由格式的阅读声明完成的：

read(13,*,end=100) (wlsun(i),sun(i),i=1,5000) 100 continue

where, wlsun wavelength sample points (microns)

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sun direct normal solar irradiance at the top of the atmosphere (W/m2/micron)

从solar.dat中读取的波长样本点的数目应该小于等于5000 旧版本的SBDART使用了不同的格式光谱输入文件albedo.dat，filter.dat 和solar.dat。

一种perl代码“newform”可以从ftp::/ftp.icess.ucsb.edu/pub/esrg/sbdart将旧的数据文件转换为新的格式。

0=光谱均匀

1=5s 太阳光谱

0.005微米的分辨率，0.25微米至4微米 2=LOWTRAN_7太阳光谱（缺省） 20cm-1的分辨率，0.到28780cm-1

10cm-1的分辨率，28780.到57490cm-1 3=MODTRAN_3太阳光谱

20cm-1的分辨率，100-49960cm-1

滤波函数类型

-4 高斯滤波器，WLINF-2*WLSUP到WLINF+2*WLSUP -3 三角形滤波器，WLINF-WLSUP to WLINF+WLSUP -2 平坦滤波器，WLINF-.5*WLSUP to WLINF+.5*WLSUP -1 用户自定义，从filter.dat中读取

0 滤波函数=1，从WLINF到WLSUP（缺省）

说明：如果ISAT=0并且KDIST=-1，那么WLINF和WLSUP的值只有一种影响效果，就是如果它们与默认值有差别，那么WLINF等于WLSUP。否则，波长样本点的值与CKTAU文件保持一致。

1 METEO

2 GOES(EAST) 3 GOES(WEST) 4 AVHRR1(NOAA8) 5 AVHRR2(NOAA8) 6 AVHRR1(NOAA9) 7 AVHRR2(NOAA9) 8 AVHRR1(NOAA10) 9 AVHRR2(NOAA10) 10 AVHRR1(NOAA11) 11 AVHRR2(NOAA11) 12 GTR-100 ch1 13 GTR-100 ch2

14 GTR-100 410nm channel 15 GTR-100 936nm channel 16 MFRSR 415nm channel

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17 MFRSR 500nm channel 18 MFRSR 610nm channel 19 MFRSR 665nm channel 20 MFRSR 862nm channel 21 MFRSR 940nm channel 22 AVHRR3 (nominal) 23 AVHRR4 (nominal) 24 AVHRR5 (nominal)

25 Biological action spectra for DNA damage by UVB radiation 26 AIRS1 380-460nm 27 AIRS2 520-700nm 28 AIRS3 670-975nm 29 AIRS4 415-1110nm

说明：如果ISAT=-1，由用户提供的数据文件“filter.dat”从当前工作目录中读取。这

里ASCII文件的读取是只读的自由格式（数字可能会用空格，逗号或回车分隔）；

read(13,*,end=100) (wlfilt(i),filt(i),i=1,huge(0)) 100 continue

where, wlfilt wavelength sample points (microns)

filt filter response value (unitless)

从filter.dat中读取的波长样本点的数目应该小于等于1000

这种文件格式是新的。以前版本的SBDART使用不同格式的光谱输入文件albedo.dat，filter.dat和solar.dat。一种perl代码“newform”可以从

ftp::/ftp.icess.ucsb.edu/pub/esrg/sbdart将旧的数据文件转换为新的格式。

WLINF: 当ISAT=0时有较低的波长限制（WLINF>.250微米）

当ISAT=-2，-3，-4时为中心波长

WLSUP: 当ISAT=0时有较高的波长限制（WLINF<100.0微米）

当ISAT=-2，-3，-4时等效宽度

说明：

如果ISAT等于-2，使用矩形滤波器（恒定波长）当中心波长位于WLINF和WLSUP等效宽度（全宽=WLSUP）

如果ISAT等于-3，使用三角形滤波器当中心波长位于WLINF和WLSUP等效宽度（全宽=2*WLSUP）（滤波函数在结束点为0，在WLSUP为1）

如果ISAT=-4，使用高斯滤波器当中心波长位于WLINF和WLSUP等效宽度（全宽=4*WLSUP）

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如果要求在单一波长输出，那么设置WLINF=WLSUP和ISAT=0.在这种情况下，SADART需要设置WLINC=1（用户指定的WLINC值被忽略），并且辐照度的输出单位是（W/m2/um），辐射的输出单位是(W/m2/um/sr)。

WLINC: 此参数指定了SBDART运行时的光谱分辨率。虽然被计算限制的光谱范围通常通过

波长数据来输入，光谱步长可以由波长、log(波长)[与log(波数)的恒定增量相同]或波数的增量来指定。选取哪一个决定于你最想将最大分辨率置于哪个光谱通道。

由于SBDART是基于LOWTRAN7自带模型，其中产生的光谱分辨率为20cm-1，这将是

过度允许极端谱步长小于1cm-1。另一方面，光谱分辨率高于1微米也没什么用。因此，WLINC方式的解读取决于它是否小于1，在0和1之间或大于1。

*WLINC=0（缺省）=>波长的增量等于0.005微米或是波长范围的1/10，取两者中较

小的。如果WLINF=WLSUP，那么WLINC=0.001。

*WLINC<0=>波长增量是当前波长的恒定分量。WLINC被解释为增量的指定值Δ(λ)/

λ,并且波长的步长被调整以使波长的步长近似由当前波长和WLINC产生。

当波长范围延伸到超过过去十年波长时，将波长增量指定为步长的分量会变得有用。

例如，如果波长范围为0.5到20.0，指定波长增量为恒定的0.01微米就可能导致保留短波，消除长波。设置WLIINC=-.01将导致代码在可见光范围取用约为0.005微米的波长增量，在热红外波段取用约为0.2微米的波长增量，这是对分辨率和电脑运行时间的折中解决。

*1>=WLINC>0=>WLINC相当于波长步长尺度（微米）

如果WLINC>1，那么WLINC是与厘米大小成反比的步长尺度。如果要求最大保真度

并且气体吸收是对输出的主要影响因素，那么WLINC需要设置为20，也就是LOWTRAN自带模型的波数分辨率。

波长步长的总数，nw1，通过以下方式给出 nw1=1+ln(wlsup/wlinf)/|wlinc| wlinc<0 nw1=1+(wlsup-wlinf)/wlinc 1>=wlinc>0 nw1=1+10000*(1/wlinf-1/wlsup)/wlinc wlinc>1

太阳几何学

==========

SZA： 太阳高度角（度）（默认值=0。）

太阳能值的输入可通过设置sza>90关闭 SZA在SCZA非负或IDAY非零时可忽略 CSZA： 太阳高度角的余弦值。

如果CSZA>0，太阳高度角被设置为acos(CSZA) (默认值=-1。) SAZA： 太阳方位角（度）（默认值=0）

SAZA在IDAY非零时刻忽略。设置SAZA=180将导致前向散射峰附近出现φ= 0（见下

文）。

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XO4： 由氧碰撞复合物控制的吸收强度的灵敏度因子（默认值=1，参见子程序o4cont的说 明）

PBAR: 以毫巴为单位的表面压力。

PBAR>0要求每个压力值需乘以因子（PBAR/P0）,其中P0是原始大气的表面压力。由

混合气体产生的吸收将受到影响，但是由臭氧和水汽产生的吸收不受影响（它们分 别受UW和UO3控制）。瑞利散射的光学厚度与因子PBAR/P0成正比。

PBAR=0时不产生瑞利散射和任何大气吸收（包括水汽和臭氧）。由气溶胶和云产

生的散射不受影响。

PBAR<0，要求使用原始压力配置文件。（这是默认情况）

说明：PBAR对于CKTAU的光学厚度没有影响。

ZPRES： 以千米为单位的表面海拔。

此参数仅仅是设置表面压力的另一种方式并且在PBAR被指定时不能使用。当设置

ZPRES时，PBAR是通过对当前模式的大气压力和海拔高度阵列进行插值得到的。改变ZPRES不会以任何形式使模式大气中的其他参数改变。请注意，给ZPRES设置一个较大的值可能会推动对流层顶（其中dT/dz）到一个不切实际的高海拔高度。

SCLH2O: 以千米为单位的水汽标高。

如果SCLH2O大于0，那么水汽的垂直分布为exp(-z/SCLH2O)

如果SCLH2O小于等于0，那么使用原始垂直配置文件。改变SCLH2O对于整体水汽总

量。

云参数

======

ZCLOUD:云层高度（公里）（最多5个值），云层可通过两种方式指定。为了指定不同的云

层，设置ZCLOUD为一个高度单调递增的序列。以光学厚度CLOUD(j)表示的云层从最高计算水平开始，其中z(i)小于等于ZCLOUD(j)+0.001，并且将延伸到下一个更高水平z(i+1)。

为了指定由云填充的海拔高度范围，用减号来标记范围的第二个元素。在这种情况

下，与ZCLOUD的负性元素相对应的TCLOUD元素将指定光学深度的梯度。将TCLOUD的这一元素设置为1，会导致一个在云层上限和下限之间的均匀不透明度。请参阅TCLOUD输入文件的描述。考虑，

zcloud=1,-3,10,-15 tcloud=4, 1, 8, 1

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nre=6,6,10,20

在这个例子中，两个连续的云层被定义，较低的一层从1公里延伸到3公里，并具有

总值为4的光学厚度和6um的有效半径。较高的一层从10公里延伸到15公里，具有总值为8的光学厚度和从云底部10um开始和在15公里处升高到20um的滑动的有效半径。斜坡函数为对数形式，即，

nre(12km)=10*(20/10)**((12-10)/(15-10)).

注意，云层的实际位置是由分辨率和SBDART中垂直网格点的位置共同决定的，如

下面所述。

SBDART将第i个云层放在最高的垂直网格点，k，如下 z(k) .le. abs(ZCLOUD(I)+.001)

说明：在标称高度的云等价于计算层高度的其中之一，Z(k)，实际上从Z(K)延伸到

下一个更高的格点。例如，在Z(K)的云层不会影响在Z(k+1)的直接束流（1层以上）但是会强烈影响在Z(k)的直接束流。（你可以通过设置IOUT=10和ZCLOUD=1来自我检验，并且可以通过打乱顺序来获得高于或低于云的输出结果）。

假设你的计算网格的底部形式如下 k z(k) ? ? 6 2.5 5 2.0 4 1.5 3 1.0 2 0.5 1 0.0

考虑下面的输入，

ZCLOUD=1.0，-6.0，4.0，-9.0 TCLOUD=50，1.0，10，1.0 NRE =8,8，20，20.

这里的两个重叠的云层是被指定的，一个是从1公里延伸到6公里，具有总值为50

的光学厚度，另一个是从4公里到9公里，具有总值为10的厚度。因为总的云的光学厚度分布在整个高度范围内，则较低云层为每公里10光学深度，第2层为每公里2光学深度。代码在两个云层都增加了影响。散射参数（例如，单次射反照率）在重叠区域的值是由米散射中适合每个云层的有效半径加权平均而得到，并且通过每个云层的不透明度来衡量。

云的光学厚度 不透明性（km-1） 散射参数 6-9km 6 2 mie(20)

4-6km 24 12 [mie(10)*10+mie(20)*2]/12 1-4km 30 10 mie(10)

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total 60

如果对于代码将云放置的位置有任何疑问，设置IDB(5)=1（如下）来检验输出的云

光学厚度。

说明：不要试图将冰云（NRE<0）放置在包含水云（2≤NRE≤128）的云层范围。

换句话说，这种规范不起作用：

ZCLOUD=1,-4 TCLOUD=1,1 NRE =8,-1

TCLOUD: 云层的光学厚度（最多5个值）

TCLOUD指定在0.55um波长处的云的光学厚度。在其他波长段，云的光学厚度由关

系式 tau=TCLOUD*Q(0.55um)，其中Q是消光效率，是以有效半径和波长为参数的函数（参看LWP中关于Q的定义的讨论）。该代码包含一个可以用来查找Q值的表，它覆盖了从2到128um范围的水云的有效半径和106um的冰云的单一有效半径。水云的波长范围为0.29到333.33um，冰云为0.29到20um。

当为一系列网格水平指定光学厚度时，对应于云顶高度第二个TCLOUD记录通常被

设置为1。这将在海拔高度范围内产生一个均匀分布的不透明区域。

例如，

ZCLOUD= 1 ,-5,0,0,0 # uniformly distributed opacity

TCLOUD= 10, 1,0,0,0 # for a cloud of extent 4 km NRE = 10,20 # 2.5 optical depths per km

# effective radius ramps from # 10 to 20 between 1 and 5km

一个线性变化的不透明度的分布可以通过以下方式得到，将第二个TCLOUD考虑进

一个因子内，该因子是代表高层相对于低层的不透明度的比例

例如，

ZCLOUD= 1 ,-5,0,0,0 # linearly distributed opacity

TCLOUD= 10, 4,0,0,0 # for a cloud of extent 4 km

# between tau(1-2km)=1 # between tau(2-3km)=2 # between tau(3-4km)=3 # between tau(4-5km)=4 #

# tau(total)=10

# tau(4-5km)/tau(1-2km)=4

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说明：如果r是从顶部到底部的变化率并且t是每级的平均不透明度，那么，

tau(top_level)=t*2r/(1+r) tau(bot_level)=t*2/(1+r)

说明：以线性增加的不透明度，在云底从0开始，是通过以下方式设置，

r=1 + 2*zdiff/dz

其中dz是网格间距，zdiff是云可以延伸的总的高度范围。此公式假定在云底

高度范围内网格间距是恒定的。因此，如果dz=1那么ZCLOUD=1,-5而且TCLOUD=10,7 获取参数从0开始线性增加。

NRE： 云滴有效半径（微米）。（最多5个值） NRE的默认值=8。

NRE的绝对值应该是一个浮点数，范围在2.0到128.0。 NRE<0 为冰粒选择米散射参数 NRE>0 为水滴选择米散射参数

液滴尺寸分布假定服从gamma分布： (p-1) (-r/Ro)

N(r) = C * (r/Ro) e

其中C是归一化常数[C=1./(Ro*gamma(p))]，p=7，Ro=NRE/(p+2)

因子(p+2)将Ro和NRE通过以下NRE的定义式联系起来：

3 2

NRE = < r N(r) > / < r N(r) >，

其中尖括号表示所有液滴半径的整合。

另一种常用的描述尺寸分布的参数是模式半径，Rm，它被定义为N(r)被最大化时的半径。对于我们研究的液滴尺寸分布Rm=(p-1)*Ro。利用Ro和NRE的关系，我们可以发现，Rm=(p-1)*NRE/(p+2)

说明：如果NRE的第一个元素是0，那么TCLOUD，ZCLOUD，LWP和NRE的值都可忽略，并且云的规范记录从文件usrcld.dat读取。此文件中的第一条记录对应于大气中的最低层，也就是表面到最小区边界的高度。每一个接下来的记录都为模式大气的下一个更高大气层设置了数值。usrcld.dat由下面的fortran语句读取：

do i=1,nz-1

read(13,*,end=100) lwp(i),re(i),fwp(i),rei(i),cldfrac(i) end do 100 continue

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其中

lwp 第i层的液态水的路径。（默认值=0） （g/m2）

re 第i层液态水的有效半径。（默认值=8um） （um）

fwp 第i层冰冻水的路径。 （g/m2）

如果fwp<0，那么散射参数是从ccm3卷云模型中得到的（参见子程序

icepar），如果fwp>0，那么散射参数是从有效半径在2到128um范围内的覆盖整个冰区的内部米散射数据库得到的。（默认值=0）

rei 第i层冰冻水的有效半径。当fwp非负时才有效。如果fwp小于0并且rei小

于0，那么冰的有效半径是从ccm3卷云模式中得到的（参见子程序icepar）（默认值=-1）

cldfrac 第i层的云量。此参数按照因子cldfrac**1.5减少云层光学厚度（默认值=1）

对于在最高云之上的云层没有必要提供输入记录。此外，正斜杠可以终止记录中对

于数据值的解释。例如，下面usrcld.dat文件中的记录指定了从2公里延展到4公里的云（假定idatm>0并且不需重新定义网格）：

/ # no cloud between 0-1 km

/ # no cloud between 1-2 km

30 / # lwp=30, re=10 between 2-3 km

60 20 5 30 .2 / # lwp=60, re=20 fwp=5 reice=30 cldfrac=.2

# between 3-4 km

任何没有指定的输入量都将保持它们的默认值，即lwp=0，reff=8，fwp=0，reice=-1，

cldfrac=1. 冰的辐射特性是从CCM3模式计算得到（参见子程序ICEPAR）。

IMOMC：控制用于云层的相函数： 1 各向同性散射 2 瑞利散射相函数

3 henyey_greenstein [不对称因子的函数，g(re)] 4 由garcia/siewert指定的雾霾 L 5 由garcia/siewert指定的云 c.l

（默认值=3）

LWP： 云的液态水路径（或nre小于等于0时的冰冻水路径）被指定单位为g/m2.这是指定

云的光学厚度的另一种方式。

一个线性变化的不透明度的分布可以通过以下方式得到，将第二个LWP考虑进一个

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cmk.html