基于lowtran的大气透过率计算

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L7/凸，穴 r V

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7, 6 o T A在微机上的初步应用/7, L W R N6刘庚山 王炳忠(国气象科学研究院 )中提要

4

L OWTR AN 6是计算大气透过率及本底辐射的 F rrn语言程序。本文简要介绍了该 o ta

程序的基本假设、功能和结构，重点讨论了移植到 3 6档强机 ( 2位字长)应用的初步情况。 8 3上

自那之后，国人又陆续推出了L美 OW T—一

,

引

言

RA N[ 46】。

、

L OW TR AN【和 L 5。 OW T RAN

L OW TR AN ( OW表示低分辨率， L

它的每一新版本的问世均较前一版本

TRAN是透过率的英文缩写 )是一个计算大气透过率和大气、地球在波数 3 0c 5 m~4, O m ( . 5 m~ 2 . m)范围内的 0O O c 0 2 85

有所前进和完善。 L OW TR AN以 L 5是 OW TR AN计 5的算机程序为基础，加了以下几项构成的增一次散射的太阳或月亮的辐射、面折射光路、球 改进的水汽连续吸收模式、显含风速的海面气溶胶模式，垂直结构的气溶胶模式和卷云模式、模式]雨。这些完善，计算结果与前使几个版本相比更接近实际情况，更有实用价值。

射出辐射亮度的计算程序。运算出的结果是在 2 m间隔上的平均值，属低分辨率范 0c酶。

L OWTRAN是一个系统的、逐步完善

l实用程序，是 7的它 0年代初，当时的由AFC RL,现在的美国空军地球物理实验室

( GL在 Mc ac e AF ) Clth y的大气光学性质的基础上研制出来的。从 17 9 2年起 .以Sel by, J E. .

不管 L OW T RAN的哪一版本，均需要在大机器上运行，而这是不方便的。 18 9 8年我们有机会得到了 L OW TRAN 5的磁带。限于条件，我们无法经常到大机器上运行，微机的条件则很方便，虑到目而考 前国内各单位微机的条件也都比较有保障，于是我们便着手进行将 L OWTRAN 5移植到微机上来的工作。

A

.

和

Mc a c e R. A.为 Clth y

首的一批科技工作者，逐步改进、完善，续陆推出了 L OW TRAN 、L 2【 OW T RAN, 3

L OWTRAN 3B。中国科学院大气物 】

理研究所的科研人员在 17 9 8年曾利用L OWTR AN序，算了 4种大气共 8类 2程计

情况的水平和垂直透过率，并分 3册印刷出版(可见光和红外辐射在大气中的透过率 )供国内用户使用。限于当时的 L OW T RAN 2程序只能如此 .而不能由用户根据自己

鉴于 L OWTRAN 5的最低要求是计算 机要有 3 2位的字长，因此移植工作只能在3 6档次的微机上进行。 8 二、L OW TRAN的基本假设

所需要的特定情况下的条件自行计算出来，从而大大地限制了应用。当时大气物理所的

为了在计算机上进行可行性的数值计算，程序的编写者对辐射计算等作了如下几个基本假定： 1 .程序在计算大气透过率时，虑了如考下 4种吸收成份子吸收、汽连续吸收，分水—一

同志刚得到 Sly E A. eb .J .等人在 17 9 5年编制的 L OW TR AN 3和 1 7 9 6年的 L OWT-RAN 它们正在调试之中，而没来得及 3B,因给出它们的计算结果。

7】一

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藉及溶消作。中子以气肢光用其分吸收又由 4部分组成，即水汽、臭氧、氨氧化物和均匀混合气体。 L OW T AN R 3将 2 2 .~3 4微米水汽吸收带， 3 5 4 2米和 8 . .~ .微~

同时对透过率函数也作了修改，将原来的形 式部分地修改成 0 99在 .9≤≤ 1时 .=1 —

0 ,于水和均匀混合气体= (∞ )对

0 0 8=0 8}对于臭氧 0=0 0 5 . 8、b .1 . 5,b1. 3。 0

1微米窗区的水汽连续吸收及气溶胶资料作 4了修正和更新§第 3版较前两版更加灵活，且 可以把无线电探空资料不经任何换算处理， 直接输入计算机，加程序运行，参这样方便了计算不同地区不同季节的大气透过率。 2 .对某一给定光路，气透过

率和射出大辐射依赖于光路上吸收物质和散射物质的含量以及它们沿光路的分布情况。为了求得这些物质的含量，整层大气从海平面直到 1 0把 0公里分成 3 2个薄层，其中从海平面到 2 5公里， 1公里厚度为一层， 2每从 5公里到 5 O公里， 5里厚度为一层， 5公里到 7每公从 0 0公里以及 7 0到 1 0公里备为一层。 0每一层的边界对应一定的高度、压、温度和吸收物质气 (体或气溶胶 )密度。在薄层边界之间，气的 温度呈线性变化，气压和密度则呈指数形式变化，而每一层的内部都处于热力学平衡状态。L OW T RAN前版增添了两个新子 4比程序 ( ATH和 HNOa, P )前者是确定光路穿过大气的每一个分层的吸收物质的累积量；

5气溶胶的模式假定为~ 2里，~ . 0公 2l O公里， 0 3 1￣ 0公里和 3￣ 1 0公里 4个高 0 0

度段，每殷又分别有不同的分布类型。从

L OW T AN的第 3版起，序用两种气溶胶 R程模式 (水平能见度 2 3公里的“朗”气和水晴大平能见度 5公里的“雾”气 )代替前版的霾大经验函数，并且对水平能见度小于 2公里的情形给出警告信息(因为太低的水平能见度， 用内插和外推的方法会低估红外部分的衰减和过高估计紫外部分的衰减 ) L。 OW T RAN 6增添了两种新的气溶胶模式，一种是依赖于风速的海上气溶胶模式 ( v M aii Na y r me tAe o o Mo e)其风速参数可由用户输 rsl d 1,

入，当它空缺时，值由不同模式大气依规定其数值代替；另一种叫垂直结构的气溶胶模式( my Ve t a tu t r g rt m )用 Ar ri lS r cu e Alo i c h,

于计算有低云时，公里以下的气溶胶廓线 . 2又分 4种情况讨论：第一种情况是地面有云或雾，且从云或雾的底部到其上部消光作用随高度增加 (见度低于 0 5公里 )能 .;第二种

后者是确定在不同波长上的 H NO的吸收系 s数。

情况是地面有霾雾或轻雾，消光作用随高度增加

一直到云底 (见度在 05和 l里之能 . 0公间 )第三种情况无云幕，但是有辐射雾或逆 ;温层或边界层 ( o n ay,光作用随高度 b u dr)捎减少直到雾或层的顶；第四种情形无云幕也无逆温层，消光作用不随高度变化。三、L 0W TRAN 6的功能

3 .程序考虑了大气的折射效应，在薄层的边界之间，折射指数随高度的变化也呈指数型。 4 OW TR .L AN计算透过率，用了单采参数的带模式，一， , i (∞ ) i为透过率，是依赖于波数的吸收系数， 沿光路的∞是

吸收物质的含量，被定义成 t它, D,、 , — _ 1

。=‘△{子吸收线常数

’1}经常 ,验 是(v i be a al l moeua l e a lc lr i n

1 .程序提供了六种有代表性的地理模式大气 ( e g a hc lmo e amo p ee, g o r p ia d l t sh r )

数，是吸收物质的含量函数形式，和经△验常数靠从实验室得到的透过率数据和分 c ntns隶得。 OW T o sa t) L RAN发展到第 4版，

用户只需输入相应参数，就可得到所需地点 (同纬度 )所需季节、 .5 2 .微米范围不、 0 2￣ 8 5内任一波长范围的大气透过率和射出辐射亮度等。也可以通过选取控制参数，由用户定

新增了计算地球和大气的辐射亮度的功能；

义大气类型或直接输入探空资料，以形成符

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台用户要求的大气类型，从而便, _

于计算不同地点不同时期的大气透过率和射出辐射亮度等。 2由于 L . 0w T RAN富 6丰

,

/

了气溶胶模式，因此对不同气溶胶各种能见度情况下的辐射计算

更准确，尤其是对 2公里高度的近地面层的处理，更接近实际情况，适于应用。 3 .程序增加了卷云模式和雨模式。前人的观测和有关卷云光学透过率模式的研究表明。卷…

\

\

云的衰减系数在近紫外，可见和红外光谱段变化激烈。本模式就 是建立在此特征的基础上的，它采用最新的权威的 NOA

A和 AF GL的实际测量数据，立模建型和统计公式，因此对卷云的处

(:/ \/图 l几何光路图。( )水平路径 ( AN 4 R GE为水平距离){ )侦斟路径{高度和。间) b在之 { )蓟空间的倾斜路径 (,( ) HM I c d) e是 N<日： < .的向下看的可能路径{左边是短光路，右边是长光路 )日是现涮点高度，。路径终止。 是高度

理比较客观和实用，可用来计算卷云的透过率。雨模式中的两个重要量是降雨强度 (米/时 )毫小 和雨滴大小的分布类型，程序主要用 M- P分布 ( rh l— a— Ma s al P l

me)当然也可以通过参数选 t,择不同的分布型，用以计算雨的透过率。

4 .程序计算的辐射量，仅包不括大气本身的辐射，而且还包含散射的太阳或月亮辐射以及下垫面的反射辐射。 5 .光路是可调的，以是水平可的，也可以是倾斜的 (括垂直 )包，还可以是切线光路 (图 1中的 ( )如 b ()e )整个几何光路图的情况 c ()。如图 1所示。 6 .LOW T RAN以依输人 6可图 2 LOW TRAN 6程序结构，折线的方框 ( ) 1是计算非标准撰盎大气子程序模块， ( )是计算 2大气质量子程序模块， ( )是计算单次数射几何 3光路的子程序模块， ( )是计算透过率子程序 4模块

参数的不同，进行以下 4种运算：

①只计算大气透过率②计算大气辐射亮度 (t sh re rda c)③计算大气和 amop ei a in e;单次散射的太阳或月亮的辐射亮度}计算④直接透射的太阳辐射。73

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四、L OW T RAN 8的结构 程序的结构见图 2主程序 L T的功。 w能主要是：分配通道，输入控制参数，给一些量赋初值以及结果部分输出。此外，它还调用 l个子程序，它们分别是 0

五、微机上初步应用情况从美国买回的磁带中的 L OW T RAN 6是用 F rr n 7 o ta 7编辑软件在 CDC 6 0 6 0大型机 (长 6字 0位 )上开发的。为使 ANS标 I准 F rr n 6 o ta

6和 F rr n 7 o ta 7两者尽可能兼

MARI NE:为海上气溶胶模式确定气溶胶的消光系数和吸收系数。 CI R:产生卷云密度廓线。 R USVS 垂直结构算法计算大气气溶胶 A用的消光系数和低能见度或有低云时的相对湿

容，及使 L以 OW TRAN在 3 6能 2位字长的计算机上以单精度运行，原编写人员已做了很大的努力，这给我们今 I的移植工作提供 t了极好的基础。 首先，将原来的 L OW T RAN 6源程序

’

度。 NS MDL:用户定义自己的模式大气或气溶胶廓线。 S S UB OL:根据所给 I期及时间，计算 t太阳星下点的赤经和赤纬。 S TDMDL:置大气衰减成份的密度廓设线。 GE计算沿倾斜光路的衰减成份的总 O量。包括把几何输入参数转换成标准形式的日/ ANGL、/、 E和 LE的子程序块和确定 N穿过所有薄层的折射路径和吸收物质总量的子程序块。

的大约 2 1 0个语句分割成 1子模块 (, 0 0个这个数字不是固定的 )并将对程序运行计算没，有实际意义的 F OCK和 F CL DAT调用删 E除。用 F rrn 7 ota 7的编译系统作语法检查扫描，到不符合该系统的源程序语句位置，得 之后将该处语句作语法修改，主要将 F r即 o一 ta 6标准的 Holrt数据改成 F r— rn 6 lei h型 ot rn 7 a 7的 CHARAC R型数据 (部是针 TE大对数据块子程序 TI L T E进行修改 )对分。配通道的语句等，将其对磁带的操作修改为对磁盘的相应操作。调试时，点是几个常数的选择，程序重源

S GE计算光路上的散射点与地球外 S O:

代码中的注释语句给出了对应于 3 2位字长

的辐射源之闾衰减成份的总量。包括 ()算 1计直接太阳或月亮光线与光路光线之间的相对方位角子程序； ()在沿光路的任一点上返 2回散射角的子程序，等 5子程序。个 E XABI把对应于所选模式和相对湿 N:度的气溶胶消光系数和吸收系数装填进来。 T RANS计算大气透过率、辐射亮度和

太阳或月亮的散射辐射亮度包含有：对于所要求的波数内插气溶胶的衰减系数子程序；算对于臭氧、匀混合气体和水汽的透计均过率子程序 I利用降水强度和路径作为变元计算雨的透过率的子程序；以及逐层求散射辐射亮度和的子程序等 1子程序。 9个 L OW T RAN有 4 6共 9个子例行子程序和若干函数子程序，加 l个数据块子程序。外 4

计算机的常数的大致取值，以此为参照，我们选取了几组在给定参照值附近摆动的值，进行测试，计算结果与实验及文献[1][7] [8]数据进行多方位反复比照，确定出最的优的常数。另一个重点是替换在卷云模式中产生随机数的函数子程序 ( RANF),我们选取了文献[9]中的针对 3机器字长的随 2位机数发生器程序，该程序符合甚至从某一方面讲要优于卷云模式对这类程序的要求。 在调试 GE子程序时，出现的问题较 O大。在注解 GEO 6 5到 GE 7 0处，这段 8 O 3内的 DO循环无法运转，步跟踪结果显示；初 循环变量终止值是零 (M AXP=0;进一 J I )步对这一变量进行分析，认定它是一个垒新的局部变量，即在 GE子程序中只出现且 O仅有一次 (现在注解为 GE 6 5的程序行出 O 8

一

74—

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中 )用搜索字符串方法，查找所有 LOW—。 TRAN 6的子程序 (包括数据块子程序 ),均未发现有此变量；另外分析本子程序中与这一

定义语句来增加精度的作法也不会带来什么实际的效果，以在移植过程中，们也并未所我作这方面的修改。

段 DO循环相关的联系部分，确认这是一

另外，对源程序我们添加了一些示踪语句，一方面是为了调试程序的方便 f部属这大于调试技巧方面的问题 )一方面 .当程序 另调通后，当删掉大部分示踪语句，留少数适保关键的示踪语句，能使用户在微机上运行程

处错误(此变量 J即 MAXP是一个误写的变 I

量名 )对整个 GEO子程序进行流程分析表。明；此 DO循

环本该是对从底向上的光路可

逆方向进行检测的，循环变量的终止值一定●

该是给定问题的光路穿过的大气层数， DO且 循环块上面的注解为 GE 1 O 6 0程序行恰好是对 J MAX赋值的语句，赋值意义正好是其给出光路的穿过层次。因此，最后将其改成J MAX,量的测试运行结果表明。一修正大这是正确合理的。

序时，楚地了解程序的执行情况，到心中清做有数。

装入 LOW T RAN执行程序大约需 6的要 5 K的内存，行它需大约 4 K内存， O运 7一般的 3 6微机均有至少 1M的内存空间，即 8

使再装入别的软件，操作系统等，余的内如剥存空问也足以运行它。同时，一般的 3 6微 8

因这一问题来的比较蹊跷，这里多说几

句。我们认为： OW T L RAN源程序代码 6的绝不会出现这样的错误。由于没有直接从磁

机运行它的时间也不长。 我们计算了 6种大气模式不同气溶胶组。。合的从大气层顶到地面的垂直透过率，部分 m

带 (自美国国家气候中心 )印出源程序清购打单，因而不清楚是买回的磁带上就存在这一

结果见图 3。计算时选的波长范围及不同范围内步长的选取参考了中科院大气物理所编印的见光和红外辐射在大气中的透过率可 (册内部发行的书 )兰

问题？还是在从磁带转拷到磁盘过程中产生的？一般来讲，在传递过程中产生这种错误的可能性是很小的}是由于种种原因，加 但再上传递这么大量的源代码，因而也不能排除这种可能。

对于气溶胶 4个高度的廓线，我们用文献[7]中给的 6个例子，行测算：进发现输出结果与文献[7]的输出稍有不同，我们分中析了 AE R子程序，并参照气溶胶廓线数据块子程序 ( LOCK B DATA P F A)合 R DT,理地解决了这一问题，在此不再赘述。由于相同的驱动文件 (一个给定问题即

的输入文件),用有 1数字精度的 CDC 4位 60 6算机 ( 0btp rwo d mahn ) 0计 a 6 i— e— r c ie运算

出的结果，与用有 7位数字精度的计算机(般 3一 2位机器字长的微机 )产生的计算值， 4位数字内是完垒相同的，个精度远在这高于 LOWTRAN模式的精度，因此，会不圉 3中纬度夏季大气布同能见度的透过率， S VI表示气象能见度

其次，我们计算了热带大气与中纬度夏季大气从空问向下看的大气辐射亮度，两种模式大气均选择水平能见度 2 3公里，垫面下 (处为海面 )度使用模式大气零公里边界此温上的温度值。利用 NI US 3号卫星飞经 MB一

因把 L OW T RAN序移植到 3 6程 2位字长的微机上，而使它的精度降低。基于以上的

情况，程序中用“在 DOUB RE SON” LE P CII

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墨西哥湾上空的观测值进行对比”,卫星上观测用的 II- R S A干涉仪 ( c es n涉计 ) Mih l干 o 观测到的值是 5c m上的平均值 j而

L OWTR AN算出的是在 2 m上的平 6计 Oc均值，比较结果见图 4。

' O 3 C O

6 0 5 0

7 0 0 0

7 0 5 0

8 0 0 0

1 (m‘度 c 1

图 5直接透射太用辐厢度的舟布

后去傲。 参波数 (m c )

考

文

献

[1] M c ac e。R.A。e 1 1 7 ) Op ia P o Clt h y ta.‘ 9 2 tc l r—

圈 4程序计算值与卫星在墨西哥跨的观利值的比较；中标明了五种成舟的吸收带 (图 ROTATI ONAL H为水汽的旋转吸收 ) 0^:【0\。 l _五 f鲁最后，算了标准大气 (9 2计卦 _面f 1 6 .U.., S)乡

p sls0 mop e￣ ( h r iin cRL e t f At s h r T id Edto 1 e AF一7一 O曲 7 A D一 7 3 75. 2, 5 O

[2] S l y E.A. n e a c e,R.A.( 9 8 eb,J。a d M Cl t h y 17 )A t o phe i Tr ns i t nc f o m s rc a m t a e r m 9. t . 25 0 28 S Im Com pu er Co e L0W TRA N A FCRL— t t d 2 TR一 2 O 4 7一

7 5, A D—A 3 2 76 7 1.

村气溶胶型，平能见度为 2水 3公里的直接透射的太阳辐照度，取的波数从 6 0 c到选 0 0m7 0 m ( . 3 1 6 5 0c 1 3~ . 6微米 )的红外 A区的一

[3]

】 y E.A.e l 1 7 ) At s e i z— b。J t a _( 9 5 mo ph r c T a

ns i t ne[ o . 5 t 2 5 Im: om put r o m t a e r m 9 2 o 8。 t C e C -

d LOW TRAN , FCRL— e 3 A TR一 5 O 5, A D 7一 25 A 01 3 77 4.

部}顶距选为 6 I天 0; DAY参数选用 7, 4

[] S l y J A.e l ( 9 6 At s h rc r - e h .E ta 17 ) mo p e i T an m it ne s ta￣ f em 25 o 28 5 m。 r 9. t . Su ppl m e t e n

即一年中的第 7 4天 (年的 3月 1平 5日，年闰的 3月 1 4日)之所以选取以上这些参数，。

LO W TRA N 3 R”。A 0 0I 47 .

A FG L— TR一— 02, 76 58

A D

是因为想与文献 E] T中的结果相比较，算结计果如图 5所示，与文献[ 2中的结论完垒一 7致，绘图方便起见，与这组数据的平均值为将

[5j S l y .E eb。J A.e I(9 8 mop rc T a— ta .1 7 ) At s i r n s ta e/ da c Co u e d L mitn e Ra in￣: mp t Co e OW T r RAN4 A FG L-TR一 8 D 3, 7一 05 A D 0 6 3. A 58 4

[5] Kn t y。 F.X, S l y J ez s e b, .E.A.e a _( 9 0 t l 1 8、

At s h￣ rn mi a e/ a in e o u e mop e i T a s t n e R da c:C mp tr c tC od L O W TRA N 5 JA FG L—TR一 0 00 7, A D A e 8— 6 0 8 5. 9 81

相比其比值小于 1的数据点当零处理， 0因此， 5与文献 E]图 T中的图在辐照度很小的地方有些不同。

[7] Kn t y。F.X ez s a d S l y .E A.e l( 9 3

a e b .J t a 1 8

At s h rcTr n mitn e R da c: mp tr mo p ei a s ta c/ a ia e Co u eCod LOW TRAN ”, F L— e 8 A G TR一 3 Ol 7, D 8一 8 A A 1 7 6. 3 78

目前，由于缺乏对程序的几种新增添模式的深入了解，及对整个 LOW T以 RAN 6的十分详尽的系统分析，只作了以上几部分初步工作，进一步大量的发掘工作还有待于夸

[]王炳忠编著，太用辐射能的测量与标准}科学出版 8 ,社，18 9 8年。

[]谭浩强，敦清编著，e o a 7结构他程序设计》 9田i F rrn 7,高等教育出版社，1 8 9 5年。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t8yj.html