Том 30, номер 07, статья № 1

Аннотация:

Исследование перистых облаков, оказывающих значительное влияние на климат, проводится с использованием лидаров. Интерпретация лидарных данных опирается на решение прямой задачи рассеяния на ледяных кристаллических частицах облаков. Рассчитанные ранее оптические характеристики идеальных ледяных гексагональных столбиков плохо согласуются с результатами лидарных наблюдений. В статье представлены результаты расчетов оптических характеристик деформированных гексагональных ледяных столбиков, которые дают хорошее согласие с экспериментальными результатами. Проведены расчеты для частиц с деформированным двугранным углом 90°. Показано, что логарифм матрицы рассеяния может быть с хорошей точностью аппроксимирован линейной функцией логарифма размера частицы, что позволяет значительно ускорить получение оптических характеристик облака. Установлено, что уже при углах деформации в несколько градусов оптические характеристики хорошо согласуются с результатами лидарных наблюдений во всем диапазоне рассчитанных размеров.

Ключевые слова:

деформированный ледяной столбик, перистые облака, физическая оптика, рассеяние света, ледяные кристаллы

Список литературы:

1. Liou K.N. Influence of cirrus clouds on weather and climate processes: A global perspective // Mon. Weather Rev. 1986. V. 114, N 6. P. 1167–1199.
2. Stephens G.L., Tsay S.-C., Stackhouse P.W., Jr., Flatau P.J. The relevance of the microphysical and radiative properties of cirrus clouds to climate and climatic feedback // J. Atmos. Sci. 1990. V. 47, N 14. P. 1742–1754.
3. Baran A.J. From the single-scattering properties of ice crystals to climate prediction: A way forward // Atmos. Res. 2012. V. 112. P. 45–69.
4. Wendling P., Wendling R., Weickmann H.K. Scattering of solar radiation by hexagonal ice crystals // Appl. Opt. 1979. V. 18, N 15. P. 2663–2671.
5. Sassen K., Benson S. A midlatitude cirrus cloud climatology from the Facility for Atmospheric Remote Sensing: II. Microphysical properties derived from lidar depolarization // J. Atmos. Sci. 2001. V. 58, N 15. P. 2103–2112.
6. Кузьмин В.А., Дикинис А.В. Комплексное использование данных дистанционного зондирования, наземных наблюдений и численных прогнозов погоды при автоматизированном прогнозировании стока // Учен. зап. Рос. гос. гидрометеорол. ун-та. 2011. Т. 22, № 22. С. 16–27.
7. Cолдатенко С.А., Тертышников А.В., Ширшов Н.В. Оценка влияния спутниковой информации на качество численных прогнозов погоды // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 4. С. 38–47.
8. Kalnay E. Atmospheric modeling, data assimilation and predictability. Cambridge University Press, 2002. 364 p.
9. Baran A.J. A review of the light scattering properties of cirrus // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110, N 14–16. P. 1239–1260.
10. Takano Y., Liou K.N. Solar radiative transfer in cirrus clouds. Part I. Single scattering and optical properties of hexagonal ice crystals // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46, N 1. P. 3–19.
11. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscatter ratios for arbitrary oriented hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2014. V. 39, N 19. P. 5788–5791.
12. Samokhvalov I.V., Bryukhanov I.D., Nasonov S.V., Zhivotenyuk I.V., Stykon A.P. Investigation of the optical characteristics of cirrus clouds with anomalous backscatterring // Rus. Phys. J. 2013. V. 55, N 8. P. 925–929.
13. Sassen K., Kayetha V. K., Zhu J. Ice cloud depolarization for nadir and off-nadir CALIPSO measurements // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39, N 20. P. L20805. DOI: 10.1029/2012GL053116.
14. Самохвалов И.В., Бобровников С.М., Гейко П.П., Ельников А.В., Кауль Б.В. Развитие высотного лидара Томского государственного университета как уникального комплекса для мониторинга атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 11. С. 995–999.
15. Кауль Б.В. Оптико-локационный метод поляризационных исследований анизотропных аэрозольных сред: Дис. … д-ра физ.-мат. наук. Томск, 2004. 219 с.
16. Кауль Б.В., Волков С.Н., Самохвалов И.В. Результаты исследований кристаллических облаков посредством лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16, № 4. С. 354–361.
17. Ромашов Д.Н., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Банк данных для интерпретации результатов поляризационного зондирования кристаллических облаков // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13, № 9. С. 854–861.
18. Самохвалов И.В., Насонов С.В., Брюханов И.Д., Боровой А.Г., Кауль Б.В., Кустова Н.В., Коношонкин А.В. Анализ матрицы обратного рассеяния перистых облаков с аномальным обратным рассеянием // Изв. вузов. Физика. 2013. Т. 56, № 8/3. С. 281–283.
19. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Осипов В.А., Боровой А.Г., Masuda K., Ishimoto H., Okamoto H. Метод физической оптики для решения задачи рассеяния света на кристаллических ледяных частицах: сравнение дифракционных формул // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 9. С. 830–843.
20. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. The physics-optics approximation and its application to light backscattering by hexagonal ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146 . P. 181–189.
21. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 1. Теоретические основы алгоритма // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 4. С. 324–330; Kоnоshоnkin А.V., Kustоvа N.V., Bоrоvоi А.G. Beam splitting algorithm for the problem of light scattering by atmospheric ice crystals. Part 1. Theoretical foundations of the algorithm // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 5. P. 441–447.
22. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 2. Сравнение с алгоритмом трассировки лучей // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 4. С. 331–337; Kоnоshоnkin А.V., Kustоvа N.V., Bоrоvоi А.G. Beam splitting algorithm for the problem of light scattering by atmospheric ice crystals. Part 2. Comparison with the ray tracing algorithm // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 5. P. 448–454.
23. Konoshonkin A., Kustova N., Borovoi A. Beam-splitting code for light scattering by ice crystal particles within geometric-optics approximation // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 164. P. 175–183.
24. Borovoi A., Balin Y., Kokhanenko G., Penner I., Konoshonkin A., Kustova N. Layers of quasi-horizontally oriented ice crystals in cirrus clouds observed by a two-wavelength polarization lidar // Opt. Express. 2014. V. 22, N 20. P. 24566–24573.
25. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N., Okamoto H. Backscattering Mueller matrix for quasihorizontally oriented ice plates of cirrus clouds: Application to CALIPSO signals // Opt. Express. 2012. V. 20, N 27. P. 28222–28233.
26. Коношонкин А.В. Моделирование сигнала сканирующего лидара от монодисперсного облака квазигоризонтально ориентированных частиц // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 12. С. 1053–1060.
27. Borovoi A., Kustova N., Konoshonkin A. Interference phenomena at backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2015. V. 23, N 19. P. 24557–24571.
28. Cho H.M., Yang P., Kattawar G.W., Nasiri S.L., Hu Y., Minnis P., Trepte C., Winker D. Depolarization ratio and attenuated backscatter for nine cloud types: Analyses based on collocated CALIPSO lidar and MODIS measurements // Opt. Express. 2014. V. 16, N 6. P. 3931–3948.
29. Yoshida R., Okamoto H., Hagihara Y., Ishimoto H. Global analysis of cloud phase and ice crystal orientation from Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO) data using attenuated backscattering and depolarization ratio // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. P. D00H32. DOI: 10.1029/2009JD012334.
30. Mitchell D.L., Arnott W.P. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part II: Dependence of absorption and extinction on ice crystal morphology // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51, N 6. P. 817–832.
31. Wolf V., Reichardt J., Görsdorf U., Reigert A., Leinweber R., Lehmann V. Synergy between ground-based remote sensing systems in microphysical analysis of cirrus clouds // Proc. SPIE. 2014. V. 9246. P. 92460K. DOI: 10.1117/12.2065674.
32. Волковицкий О.А., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 197 с.
33. Панорамно-оптическая станция «TomSky». URL: http://sky.iao.ru/
34. Морозов А.М., Галилейский В.П., Елизаров А.И., Кокарев Д.В. Наблюдение зеркального отражения освещенной подстилающей поверхности облачным слоем из ледяных пластинок // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 1. С. 88–92.
35. Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G., Grynko Y., Förstner J. Light scattering by ice crystals of cirrus clouds: Comparison of the physical optics methods // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 182. P. 12–23.
36. Konoshonkin A.V., Borovoi A.G., Kustova N.V., Okamoto H., Ishimoto H., Grynko Y., Förstner J. Light scattering by ice crystals of cirrus clouds: From exact numerical methods to physical-optics approximation // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2016.12.024.
37. Мардиа К. Статистический анализ угловых наблюдений / Пер. с англ. Э.В. Хмаладзе. М.: Наука, 1978. 240 с.
38. Mitchell D.L. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part 1. Microphysics // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51, N 6. P. 797– 816.
39. Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27, N 6. P. 919–926.
40. Sato K., Okamoto H. Characterization of Ze and LDR of non-spherical and inhomogeneous ice particles for 95-GHz cloud radar: Its application to microphysical retrievals // J. Geophys. Res. D. 2006. V. 111. P. 22213.
41. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Боровой А.Г. Методика решения задачи рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков в направлении рассеяния назад методом физической оптики для лидара с зенитным сканированием // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 40–50; Kоnоshоnkin А.V., Kustоvа N.V., Shishko V.A., Bоrоvоi А.G. The technique for salving the problem of light backscattering by ice crystals of cirrus clouds by the physical optics method for a lidar with zenith scanning // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 3. P. 252–262.
42. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering reciprocity for large particles // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 9. P. 1485–1487.
43. Wang Z., Borovoi A., Liu D., Tao Z., Ji C., Xie C., Wang B., Zhong Z., Wang Y. Properties of cirrus cloud by a three wavelength Raman Mie Polarization lidar: Observation and model match // Proc. SPIE. 2016. V. 10035. P. 100352V.