大气粒子(如气溶胶和冰晶等)的散射特性是大气辐射传输模拟的基本输入参数,无论是军事目标识别、气候数值模拟还是大气海洋遥感领域,均需要准确的大气粒子散射参数作为基础数据集。由于真实大气粒子形状不规则、尺度参数范围宽、且存在非均质混合的现象,其散射过程模拟仍存在一定不确定性,目前已成为制约辐射传输模拟精度的重要因素。因此,非球形大气粒子散射参数的准确计算已成为大气辐射学急需解决的问题之一。目前对于尺度参数(x=2πr/λ,r是粒径,λ是入射光波长)远小于或远大于1的非球形粒子,其散射过程可通过Rayleigh近似和几何光学近似的方法有效模拟;对于尺度参数在0.1~100之间粒子,由于其尺度与入射光波长相当,需要数值求解Maxwell方程或亥姆霍兹方程获得粒子散射特性,但受求解边界、计算复杂度和计算稳定性等因素的限制,目前尚存在较大困难。目前较成熟的大气非球形粒子散射模型,如T矩阵法、离散偶极子近似(DDA)和时域有限差分(FDTD)等在适用的尺度参数范围、粒子形状及计算复杂度等方面均无法完全满足实际应用需求。针对这一问题,本文开展了以下五方面的工作:一、改进并自主研制了基于时域伪谱法(PSTD)的大气非球形粒子散射并行计算模型。推导了针对PSTD模型的ADE-PML吸收边界,建立了适用于三维PSTD模型的加权总场/散射场技术;针对大气辐射学需求,推导了粒子散射参数计算模型;基于OpenMP技术实现了模型的并行化设计。经验证,在复折射率不大的情形下,PSTD散射模型可有效计算宽尺度参数范围、非球形、非均质大气粒子的散射特性;加权总场/散射场法可实现入射波的准确、高效引入;ADE-PML边界的吸收性能优于传统BPML吸收边界,6层ADE-PML吸收层就能有效抑制电磁波反射现象。PSTD模型具备在粗网格条件下高精度模拟粒子散射过程的能力,但对于复折射率实部偏大的粒子,则需适当提高空间分辨率来保证模型计算精度。经过并行化设计,PSTD模型计算效率得到显著提高;相比于纯散射场技术,加权总场/散射场技术具有更高的计算效率。受限于自身原理,PSTD无法有效模拟大复折射率虚部粒子的散射特性。二、建立了基于时域多分辨技术(MRTD)的光散射并行计算模型。为弥补PSTD散射模型的缺陷,将计算电磁学领域的时域多分辨技术引入至粒子近场电磁场计算,建立了自主的MRTD光散射计算模型。在模型中,推导了适用于MRTD模型的CPML吸收边界,设计了基于体积积分原理的近远场外推方案,采用MPI重复非阻塞通信技术实现了模型的并行化设计。结果表明:MRTD散射模型与Lorenz-Mie理论、T矩阵法及DDA等模型的计算结果具有较好一致性;与PSTD模型相比,MRTD模型可有效模拟大复折射率虚部粒子的散射参数。体积积分近远场外推方案优于表面积分方案,更适用于MRTD散射模型。MPI并行计算方案可显著提高模型计算效率,缩减程序运行时间。三、提出了多尺度粒子的散射参数同步模拟方案。为提高MRTD散射模型计算效率,将信号与系统理论中的传递函数思想引入至散射计算过程,提出了多尺度粒子散射参数同步模拟方案(MSCS),在一次模拟过程中实现了多个半径粒子散射特性的同时计算。在该方案中,入射光设置为宽光谱的脉冲波,不同半径粒子的散射特性计算被转化为特定大小粒子在不同波段的散射过程模拟。系统推导并给出了空间网格、时间迭代步长及脉冲波宽度等模型输入参数的设计方法;验证了MSCS方案的可行性,分析了空间分辨率对模型计算精度的影响,讨论了模型的计算效率。计算结果表明:MSCS方案可在一次计算过程中实现多个尺度粒子散射特性的同步、准确模拟;小粒子散射参数的模拟精度高于大粒子;随着网格尺寸的减小,粒子散射参数的模拟精度随之提升,且对于大粒子,其效果更为显著;MSCS方案可显著提高MRTD散射模型计算效率。四、自主编写了不变嵌入T矩阵模型。MRTD和PSTD模型无法高效计算随机取向粒子的散射特性,相比而言,不变嵌入T矩阵模型(简称“IIM-T矩阵模型”)则能在一次得到T矩阵的基础上,既模拟任意入射光及粒子取向情形下的粒子单散射参数,又解析计算随机取向粒子的散射特性。该模型最早由Johnson(1988)提出,近年由Yang P.和Bi L.改进并重新编写,但由于Yang P.主要为美国NASA和军方开展相关研究,相关代码是作为核心技术不公开的。基于此,自主编写了不变嵌入迭代技术与Lorenz-Mie理论、拓展边界法(EBCM)相结合的T矩阵散射模型;并从T矩阵出发,推导并实现了随机取向、非旋转对称粒子的散射参数解析计算方案。为验证模型准确性,对比分析了IIM-T矩阵模型的计算精度,并讨论了积分离散方式、积分点密度等因素对模型计算精度的影响。结果表明:IIM-T矩阵模型与传统T矩阵法和DDA模型的计算结果一致性较高;相同积分点条件下,高斯积分离散方式计算精度高于均匀离散方式;当粒子尺度参数、复折射率较大及形状较极端时,应该适当增加积分点数量来保证模型计算精度。IIM-T矩阵模型可有效计算随机取向、非旋转对称粒子散射特性,且经过随机取向平均后,粒子散射参数的模拟精度得到了较大提高。五、模拟了典型冰晶粒子的散射特性。介绍了典型冰晶形状的构建方法,采用MRTD模型和IIM-T矩阵法模拟了冰晶的单粒子散射特性和随机取向粒子的散射特性,并检验了两模型结果一致性。结果表明:MRTD和IIM-T矩阵法的模拟结果具有较高的一致性;不同形状冰晶粒子的散射特性存在较大差异,空间取向对冰晶粒子的后向散射特性影响显著;随着粒子尺度参数的增加,前向散射峰迅速变尖锐,散射相矩阵曲线的振荡特征迅速增强。经过随机取向平均,粒子的散射相矩阵曲线得到平滑,其中对于散射相函数,其平滑效果尤为显著。