MODTRAN辐射传输模型使用笔记

第一篇博文就写写最近一段时间MODTRAN辐射传输模型的学习心得。版本为MODTRAN5.2.1和MODTRAN5.2.2。

先来一段简短的介绍：
MODTRAN是由美国光谱科技公司、空间物理实验室联合开发，利用FORTRAN编写、适用计算0.2μ\muμm — ∞\infin∞ (0 ~ 50000 cm−1^{-1}−1）区间内的大气辐射传输模式。目前它的光谱分辨率达到0.1cm−1^{-1}−1。详细见MODTRAN官方网站link.

CARD1主要控制参数设置:

适用于MODTRAN band model以及LOWTRAN band model，二者区别主要在于光谱分辨率，以及计算所需要的时间.
大气模型可以选择系统默认的6种（热带、中纬度夏季、中纬度冬季、亚北极区夏季、亚北极区冬季、1976年美国标准大气），不同的大气模型主要体现在温度、水汽和氧气的含量上，温度一般在50km左右会存在第二个峰值；水汽在10km左右存在空白区域；臭氧在42km左右存在空白区域，或者选择用户提供的大气数（MODEL=7/8），其中也包括计算水平路径的单层大气数据（MODEL=0）。注意：MODEL = 7 时 CARD2 里面的GNDALT自动设为大气廓线第一层的高度。

这里主要介绍TIGR大气廓线数据
欧洲TIGR是法国动力气象实验室建立的一个大气廓线数据库，主要用于作为大气廓线反演室的初估值，包括大气温度和湿度廓线，这些廓线是利用拓扑学方法从不同时期、全球范围内大量大气样本中精选出来的，均属于探空观测，详情见官方网站link.共有2311条大气廓线，分布在全球各地。

Airmass	Atmosphere
Tropical	1-827
Mid-lat1	873-1260
Mid-lat2	1261-1614
Polar1	1615-1718
Polar2	1719-2311

这些大气廓线分类，分别对应MODTRAN里面MODEL=1、2、3、4、5。
目前，有两个版本的TIGR数据库：
atm4atigr2000_v1.2_43lev.dsf
tigr_atmosphere_profile

大气路径类型ITYPE
ITYPE = 1: 水平路径
ITYPE = 2: 两个海拔高度间的垂直或倾斜路径
ITYPE = 3: 从某一海拔高度到空间的垂直或倾斜路径（一般卫星观测模式）
程序运行模式IEMSCT
IEMSCT = 0，程序仅计算路径的透过率
IEMSCT = 1，计算路径的透过率和辐亮度
IEMSCT = 2，计算大气辐亮度和太阳/月亮散射辐亮度
（当IMULT = 0，仅包括太阳辐亮度单次散射）
IEMSCT = 3，计算太阳/月亮直射辐照度
多次散射IMULT
IMULT = 0，不考虑多次散射
IMULT = 1，考虑多次散射，大气内部的应用通常推荐此设置
多次散射MS，太阳的几何位置参考H1
IMULT = -1，考虑多次散射，卫星传感器高度处的模拟
多次散射MS，太阳的几何位置参考H2
其他包括一些分子的剖面、边界温度(K)、地表反照率(可以考虑朗伯和非朗伯的情况)
MODTRAN较LOWTRAN的又一大特点，就是改进了瑞利散射和复折射指数的计算精度，增加了DISORT(离散坐标法)计算太阳散射贡献的方位角相关选项。只有在考虑了多次散射的情况下，DISORT才会被激活，否则即使设置参数，也会成为默认值Fasle。LOWTRAN在处理多次散射问题时，采用的时改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率和反射率和辐射通量。

DISORT的基本思路是：将平面平行大气分为一个个成分比例均匀层，对于均匀层，可以将散射相函数和辐射强度用方位角余弦级数展开（勒让德多项式展开、傅里叶级数展开等），从而辐射传输方程转化为一系列与方位角无关的形式，每一个与方位角无关的辐射传输方程中对天顶角的积分用同阶次高斯求和展开代替，从而无需对均匀层光学厚度数值积分，便获得在高斯点上的显式解，总之就是用数值方法求解特征方程。方法的精度取决于勒让德多项式展开的次数，次数越多，精确性约高，也越复杂。在MODTRAN里面，如果需要精确计算，推荐NSTR = 8，即八流近似，一般情况四流近似也可以满足。

太阳光谱数据Band Model，自带有三种光谱分辨率的太阳辐照度文件：“P1”代表0.1cm−1^{-1}−1；“01”代表1cm−1^{-1}−1；“05”代表5cm−1^{-1}−1；SFWHM，三角扫描函数的半波宽用于TOA太阳辐照度的平滑处理。card4的参数设置需要参考此处。
CO2MX，默认值为330ppmv，1997年推荐值为360，1999年推荐值为365，2019年全球CO2含量415ppmv（可参考）。
C_PROF，这一项控制大气廓线数据的自定义输入，不同的参数代表不同组合的大气输入。
LFLTNM和FLTNAM主要用于控制仪器光谱响应函数的输入。光谱响应函数文件具有固定的格式，第一个字符一般代表了波长的单位。

注意: "NOPRNT"参数会影响到自带光谱响应函数的.chn文件的输出。

CARD2主要控制参数设置：

APLUS，CNOVAM和ARUSS是用户提供气溶胶光谱性质。
IHAZE = 0表示无气溶胶消光，但可能包括云消光。
ICLD用于控制云和雨的模式。例如，ICLD=18时，CARD2A，可以用来输入云厚度、云底高度和云在550nm的消光系数。
VIS小于0的时候，其绝对值代表550nm波段的气溶胶光学厚度，也可选用能见度来表示气溶胶的特性，存在相互转换的公式。
当MODEL = 7，I_RD2C = 1，时CARD2C和CARD2C1被启动用于大气廓线数据的输入。ML代表自定义大气廓线的层数。
大气廓线按层输入的格式举例如下，依此代表：层边界海拔高度、层边界气压、层边界温度、水汽、CO₂，O₃以及各参量的单位控制。
2.113E-03 1.013E+03 2.969E+02 1.382E+01 0.0000000 7.348E-05AAC1C111111111
在此，如要输入探空数据，TIGR数据需要统一好数据的单位，在生成 tap5文件时，一定要注意格式，注意格式，注意格式！！！
GNDALT，代表地表的海拔，可以为负数，但不能大于6km，如果选择自定义大气廓线，这个值将被默认为第一次大气廓线的海拔高度。

CARD3主要控制参数设置：

本部分主要关于观测几何，真的是超级复杂！先做好“前方高能”的心里准备。

H1代表观测位置的海拔、H2代表目标位置的海拔、ANGLE代表在H1处观测的天顶角，就是下图中的OBSZEN，RANGE代表H1到H2的路径长度，当LENN为0的时候代表短路径，当LENN为1的时候代表长路径。
PHI，不要被这个单词迷惑，其实它代表的是BCKZEN，即卫星遥感中定义的观测天顶角；更有甚者，MODTRAN里的观测几何输入有几个if语句，如果PHI>0，就会选择case3c！
IPARM=0，1，2 是以观测位置为基准，IPARM=10，11，12 是以目标位置为基准。
在考虑太阳和月亮的情况下，需要定义太阳/月亮的位置，可以选择经纬度也可以根据儒略日，月亮需要考虑月相角度。
下图为涉及到MODTRAN的观测几何，我觉得还是非常有用的！

CARD4主要控制参数设置：

主要设置起始的波长，可以是波数、微米、纳米为单位，还有半波宽。
DLIMIT设置为一个8字符的名字，用于区分不同情况的输出。

以上只是我近期MODTRAN学习的一点点心得体会，第一次写博文，后期会有不断更新，欢迎关注。
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