Том 34, номер 03, статья № 6

Аннотация:

Представлено решение задачи рассеяния света на гексагональных атмосферных пластинках и столбиках, а также частицах неправильной формы размерами от 10 до 100 мкм. Решение представлено в виде банка данных матриц обратного рассеяния света и предназначено для интерпретации данных наземных и космических лидаров. Решение получено для наиболее часто используемых в задачах лазерного зондирования длин волн: 0,355; 0,532; 1,064 мкм; а также для длин волн ближнего ИК-диапазона: 1,55; 2 и 2,15 мкм; в рамках метода физической оптики. На основании рассчитанных матриц обратного рассеяния света получены значения спектрального и линейного деполяризационного отношений.

Ключевые слова:

рассеяние света, поглощение, ледяные частицы, перистые облака, лазерное зондирование, лидар

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Um J., McFarquhar G.M., Hong Y.P., Lee S.-S., Jung C.H., Lawson R.P., Mo Q. Dimensions and aspect ratios of natural ice crystals // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 3933–3956.
2. Baran A.J., Watts P.D., Foot J.S. Potential retrieval of dominating crystal habit and size using radiance data from a dual-view and multiwavelength instrument: A tropical cirrus anvil case // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 6075–6082.
3. Sun W.B., Loeb N.G., Yang P. On the retrieval of ice cloud particle shapes from POLDER measurements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2006. V. 101. P. 435–447.
4. Noel V., Sassen K. Study of planar ice crystal orientations in ice clouds from scanning polarization lidar observations // J. Appl. Meteorol. 2005. V. 44. P. 653–664.
5. Okamoto H., Sato K., Hagihara Y. Global analysis of ice microphysics from Cloud Sat and CALIPSO: Incorporation of specular reflection in lidar signals // J. Geophys. Res. D. 2010. V. 115. P. D22209.
6. Intergovernmental Panel // Climate Change 2007. The Physical Science Basis. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.
7. Liou K.N. Influence of cirrus clouds on the weather and climate process: A global perspective // Mon. Weather Rev. 1986. V. 114. P. 1167–1199.
8. Cai Q., Liou K.N. Polarized light scattering by hexagonal ice crystals: Theory // Appl. Opt. 1982. V. 21. P. 3569–3580.
9. Macke A. Scattering of light by polyhedral ice crystals // Appl. Opt. 1993. V. 32. P. 2780–2788.
10. Yang P., Liou K.N. Light scattering by hexagonal ice crystals: Comparison of finite-difference time domain and geometric optics models // J. Opt. Soc. Am. A. 1995. V. 12. P. 162–176.
11. Bi L., Yang P., Kattawar G.W., Hu Y., Baum B.A. Scattering and absorption of light by ice particles: Solution by a new physical-geometric optics hybrid method // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 1492–1508.
12. Yang P., Bi L., Baum B.A., Liou K.-N., Kattawar G.W., Mishchenko M.I., Cole B. Spectrally consistent scattering, absorption, and polarization properties of atmospheric ice crystals at wavelengths from 0.2 to 100 mm // J. Atmos. Sci. 2013. V. 70, N 1. P. 330–347.
13. Cole B.H., Yang P., Baum B.A., Riedi J., Labonnote L.C., Thieuleux F., Platnick S. Comparison of PARASOL observations with polarized reflectances simulated using different ice habit mixtures // J. Appl. Meteorol. Climatol. 2013. V. 52, N 1. P. 186–196.
14. Wang Z., Shishko V., Kustova N., Konoshonkin A., Timofeev D., Xie C., Liu D., Borovoi A. Radar-lidar ratio for ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2021 (in press). DOI: 10.1364/OE.410942.
15. Konoshonkin A., Borovoi A., Kustova N., Reichardt J. Power laws for backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2017. V. 25, N 19. P. 22341–22346.
16. 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. 2016. V. 182. P. 12–23.
17. Bi L., Yang P. Physical-geometric optics hybrid methods for computing the scattering and absorption properties of ice crystals and dust aerosols // Light Scattering Rev. 8. Chichester: Springer-Praxis, 2013. P. 69–114.
18. Yang P., Liou K.N. Geometric-optics–integral-equation method for light scattering by nonspherical ice crystals // Appl. Opt. 1996. V. 35. P. 6568–6584.
19. 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; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.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.
20. Bi L., Yang P. Modeling of light scattering by biconcave and deformed red blood cells with the invariant imbedding T-matrix method // J. Biomed. Opt. 2013. V. 18, N 5. DOI: 10.1117/1.JBO.18.5.055001.
21. Liu C., Bi L., Panetta R.L., Yang P., Yurkin M.A. Comparison between the pseudo-spectral time domain method and the discrete dipole approximation for light scattering simulations // Opt. Express. 2012. V. 20, N 15. P. 16763–16776.
22. Liu C., Panetta R.L., Yang P. The effective equivalence of geometric irregularity and surface roughness in determining particle single-scattering properties // Opt. Express. 2014. V. 22. P. 23620–23627.
23. Shishko V.A., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Timofeev D.N., Borovoi A.G. Coherent and incoherent backscattering by a single large particle of irregular shape // Opt. Express. 2019. V. 27, N 23. P. 32984–32993.
24. The Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) [Electronic resource]. URL: https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/The_Living_Planet_Programme/Earth_Explorers/EarthCARE/ESA_s_cloud_aerosol_and_radiation_mission (last access: 20.01.2021).
25. Okamoto H., Sato K., Borovoi A., Ishimoto H., Masuda K., Konoshonkin A., Kustova N. Wavelength dependence of ice cloud backscatter properties for space-borne polarization lidar applications // Opt. Express. 2020. V. 28, N 20. DOI: 10.1364/oe.400510.
26. Okamoto H., Sato K., Borovoi A., Ishimoto H., Masuda K., Konoshonkin A., Kustova N. Interpretation of lidar ratio and depolarization ratio of ice clouds using spaceborne high-spectral-resolution polarization lidar // Opt. Express. 2019. V. 27, N 25. DOI: 10.1364/oe.27.036587.
27. Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В., Кустова Н.В. Алгоритм Modified beam-splitting 1 (MBS-1) для решения задачи рассеяния света на невыпуклых ледяных атмосферных частицах // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 6. С. 473–480. DOI: 10.15372/AOO20180609; Timofeev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V. Modified beam-splitting 1 (MBS-1) algorithm for solving the problem of light scattering by nonconvex atmospheric ice particles // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 6. P. 642–649.
28. Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. 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.
29. Mishchenko M.I., Hovenier J.W., Travis L.D. Light Scattering by Nonspherical Particles: Theory, Measurements, and Geophysical Applications. San Diego: Academic Press, 1999. 690 p.
30. Балин Ю.С., Кауль Б.В., Коханенко Г.П. Наблюдение зеркально отражающих частиц и слоев в кристаллических облаках // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 25, № 4. С. 293–299.
31. Самохвалов И.В., Кауль Б.В., Насонов С.В., Животенюк И.В., Брюханов И.Д. Матрица обратного рассеяния света зеркально отражающих слоев облаков верхнего яруса, образованных кристаллическими частицами, преимущественно ориентированными в горизонтальной плоскости // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 5. С. 403–411.
32. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Физические факторы, определяющие пространственную ориентацию частиц кристаллических облаков // Оптика атмосф. и океана. 2008. Т. 21, № 1. С. 27–34.
33. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Ориентация частиц кристаллических облаков Ci: Часть 1. Ориентация при падении // Оптика атмосф. и океана. 2005. Т. 18, № 11. С. 963–967.
34. Del Guasta M., Vallar E., Riviere O., Castagnoli F., Venturi V., Morandi M. Use of polarimetric lidar for the study of oriented ice plates in clouds // Appl. Opt. 2006. V. 45. P. 4878–4887.
35. 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; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Borovoi A.G. The technique for solving 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.
36. Esselborn M., Wirth M., Fix A., Weinzierl B., Rasp K., Tesche M., Petzold A. Spatial distribution and optical properties of Saharan dust observed by airborne high spectral resolution lidar during SAMUM 2006 // Tellus B. 2009. V. 61, N 1. P. 131–143. DOI: 10.1111/j.1600-0889.2008.00394.x.
37. Ansmann A., Petzold A., Kandler K., Tegen I., Wendisch M., Müller D., Weinzierl B., Müller T., Heintzenberg J. Saharan Mineral Dust Experiments SAMUM-1 and SAMUM-2: What have we learned? // Tellus B. 2011. V. 63, N 4. P. 403–429. DOI: 10.1111/j.1600-0889.2011.00555.x.
38. Tsekeri A., Freudenthaler V., Doxastakis G., Gasteiger J., Louridas A., Georgoussis G., Binietoglou I., Georgiou T., Ulanowski Z., Amiridis V. Polarization lidar for detecting dust orientation // EPJ Web Conf. 2020. V. 237. DOI: 10.1051/epjconf/202023702028.
39. Wiegner M., Groß S., Freudenthaler V., Toledano C., Tesche M., Kandler K. Modelling lidar-relevant optical properties of complex mineral dust aerosols // Tellus B. 2011. V. 63, N 4. P. 725–741.
40. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1961. 537 с.
41. Кустова Н.В. Методы геометрической и физической оптики в задаче рассеяния света атмосферными ледяными кристаллами // под ред. А.Г. Борового. Томск: Издательский дом Том. гос. ун-та, 2020. 138 с.
42. Коношонкин А.В., Боровой А.Г., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н. Рассеяние света на атмосферных ледяных кристаллах в приближении физической оптики. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2020. 219 с.
43. Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // J. Atmos. Sci. 1970. V. 29. P. 311–317.
44. 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. P. 817–832.
45. Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G., Okamoto H. Coherent and incoherent additions of light beams at solutions of the light scattering problem by use the beam tracing method within the framework of physical optics // Proc. SPIE. 2015. V. 9680. DOI: 10.1117/12.2204879.
46. Tao Z., McCormick M.P., Wu D., Liu Z., Vaughan M.A. Measurements of cirrus cloud backscatter color ratio with a two-wavelength lidar // Appl. Opt. 2008. V. 47, N 10. P. 1478. DOI: 10.1364/ao.47.001478.
47. Vaughan M.A., McGill M.J., Liu Z., Hu Y., Kuehn R.E., Rodier S.D. Backscatter color ratios of cirrus clouds measured by the Cloud Physics Lidar // Proc. 15th Int. Conf. on Clouds and Precipitation, Cancun, Mexico. 2008. P. 13–16.