Журнал «Оптика атмосферы и океана»

Том 37, номер 12, статья № 10

Коношонкин А. В., Кустова Н. В., Шишко В. А., Тимофеев Д. Н., Бабинович А. Е. Рассеяние света в направлении назад на горизонтально ориентированных ледяных частицах перистых облаков вида «пластинка», «столбик» и «полый столбик». // Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. № 12. С. 1061–1068. DOI: 10.15372/AOO20241210.
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Перистые облака играют важную роль в формировании климата нашей планеты, поскольку влияют на ее радиационный баланс. Для их исследования необходимо решение задачи интерпретации данных лазерного зондирования атмосферы, которое по-разному осуществляется для облаков, состоящих из хаотически ориентированных ледяных кристаллов, и облаков, содержащих слои горизонтально ориентированных кристаллов. В рамках метода физической оптики проведено численное моделирование характеристик обратного рассеяния света на горизонтально ориентированных ледяных частиц перистых облаков вида «пластинка», «столбик» и «полый столбик». Моделирование проводилось для частиц размером от 10 до 316 мкм, длины волн 0,532 и 1,064 мкм; комплексный показатель преломления льда 1,3116+i1,48×10^-9 и 1,3004+i1,9×10^-6 соответственно. Решение получено для типичных значений углов отклонения оси лидара от вертикали: 0; 0,3; 3 и 5°. Результаты представляют интерес для построения оптической модели перистых облаков в задачах интерпретации данных лазерного зондирования атмосферы при наличии облаков, содержащих ледяные кристаллы рассмотренных форм.

Ключевые слова:

рассеяние света, метод физической оптики, атмосферные ледяные кристаллы, перистые облака, горизонтальная ориентация

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Боровой А.Г., Новоселов М.М. Исследования ориентации кристаллических частиц в ледяных облаках сканирующим лидаром // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 4. С. 319–325. DOI: 10.15372/AOO20220412; Kokhanenko G.P., Balin Yu.S., Borovoi A.G., Novoselov M.M. Studies of the orientation of crystalline particles in ice clouds by a scanning lidar // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 5. P. 509–516.
2. Балин Ю.С., Кауль Б.В., Коханенко Г.П. Наблюдения зеркально отражающих частиц и слоев в кристаллических облаках // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 4. С. 293–299.
3. Самохвалов И.В., Брюханова В.В., Брюханов И.Д., Дорошкевич А.А., Животенюк И.В., Волков С.Н., Кириллов Н.С., Ни Е.В., Стыкон А.П., Локтюшин О.Ю. Обнаружение в облаках верхнего яруса матричным поляризационным лидаром локальных областей горизонтально ориентированных ледяных частиц и исследование их характеристик // Актуальные проблемы радиофизики: 10-я Международная научно-практическая конференция, 26–29 сентября 2023 г., г. Томск: сб. трудов конференции. Томск: Изд. дом Том. гос. ун-та, 2023. С. 201–203.
4. Веселовский И.А., Коренский М.Ю., Барчунов Б.В., Касьяник Н.И., Худяков Д.В., Колготин А.В., Корнеев Д.С. Исследование атмосферного аэрозоля лидарными методами спектроскопии комбинационного рассеяния и лазерно-индуцированной флуоресценции // Лазерно-информационные технологии: труды XXX Международной научной конференции 12–17 сентября 2022 г., Новороссийск: НФ ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», 2022. С. 153–154.
5. Sassen K., Zhu J., Benson S. Midlatitude cirrus cloud climatology from the facility for atmospheric remote sensing. IV. Optical displays // Appl. Opt. 2003. V. 42, N 3. P. 332–341. DOI: 10.1364/AO.42.000332.
6. Noel V., Sassen K. Study of planar ice crystal orientations in ice clouds from scanning polarization lidar observations // J. Appl. Meteorol. Climatol. 2005. V. 44. P. 653–664. DOI: 10.1175/JAM2223.1.
7. Hayman M., Spuler S., Morley B. Polarization lidar observations of backscatter phase matrices from oriented ice crystals and rain // Opt. Express. 2014. V. 22, N 14. P. 16976–16990. DOI: 10.1364/OE.22.016976.
8. Hayman M., Thayer J.P. General description of polarization in lidar using Stokes vectors and polar decomposition of Mueller matrices // J. Opt. Soc. Am. A. 2012. V. 29, N 4. P. 400–409. DOI: 10.1364/JOSAA.29.000400.
9. Reichardt J., Wandinger U., Klein V., Mattis I., Hilber B., Begbie R. RAMSES: German Meteorological Service autonomous Raman lidar for water vapor, temperature, aerosol, and cloud measurements // Appl. Opt. 2012. V. 51, N 34. P. 8111–8131. DOI: 10.1364/AO.51.008111.
10. Reichardt J., Reichardt S., Lin R.-F., Hess M., McGee T.J., Starr D.O. Optical-microphysical cirrus model // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, D22201. DOI: 10.1029/2008JD010071.
11. Tinel C., Testud J., Pelon J., Hogan R.J., Protat A., Delanoë J., Bouniol D. The retrieval of ice-cloud properties from cloud radar and lidar synergy // J. Appl. Meteorol. Climatol. 2005. V. 44, N 6. P. 860–875. DOI: 10.1175/JAM2229.1.
12. Haeffelin M., Barthès L., Bock O., Boitel C., Bony S., Bouniol D., Chepfer H., Chiriaco M., Cuesta J., Delanoë J., Drobinski P., Dufresne J.-L., Flamant C., Grall M., Hodzic A., Hourdin F., Lapouge F., Lemaître Y., Mathieu A., Noël V., O'Hirok W., Pelon J., Pietras C., Protat A., Romand B., Scialom G., Vautard R. SIRTA, a ground-based atmospheric observatory for cloud and aerosol research // Ann. Geophys. 2005. V. 23, N 2. P. 253–275. DOI: 10.5194/angeo-23-253-2005.
13. Wang Z., Liu D., Xie C., Zhou J. An iterative algorithm to estimate LIDAR ratio for thin cirrus cloud over aerosol layer // J. Opt. Soc. Korea. 2011. V. 15, N 3. P. 209–215. DOI: 10.3807/JOSK.2011.15.3.209.
14. Wehr T., Kubota T., Tzeremes G., Wallace K., Nakatsuka H., Ohno Y., Koopman R., Rusli S., Kikuchi M., Eisinger M., Tanaka T., Taga M., Deghaye P., Tomita E., Bernaerts D. The EarthCARE mission – science and system overview // Atmos. Meas. Tech. 2023. V. 16, N 15. P. 3581–3608. DOI: 10.5194/amt-16-3581-2023.
15. Winker D.M., Pelon J., McCormick M.P. The CALIPSO mission: Spaceborne lidar for observation of aerosols and clouds // Proc. SPIE. 2003. V. 4893. DOI: 10.1117/12.466539.
16. Baum B.A., Yang P., Heymsfield A.J., Bansemer A., Cole B.H., Merrelli A., Schmitt C., Wang C. Ice cloud single-scattering property models with the full phase matrix at wavelengths from 0.2 to 100 mm // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 123–139. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.02.029.
17. Baum B.A., Yang P., Heymsfield A.J., Schmitt C.G., Xie Y., Bansemer A., Hu Y.-X., Zhang Z. Improvements in shortwave bulk scattering and absorption models for the remote sensing of ice clouds // J. Appl. Meteor. Climatol. 2011. V. 50, N 5. P. 1037–1056. DOI: 10.1175/2010JAMC2608.1.
18. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23, N 9. P. 11995–12003. DOI: 10.1364/OE.23.011995.
19. Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В., Коношонкин А.В. Банк данных матриц обратного рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах размерами 10–100 мкм для интерпретации данных лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 3. С. 199–206. DOI: 10.15372/AOO20210306.
20. Yang P., Hioki S., Saito M., Kuo C.-P., Baum B., Liou K.-N. A Review of ice cloud optical property models for passive satellite remote sensing // Atmosphere. 2018. V. 9, N 12. P. 499. DOI: 10.3390/atmos9120499.
21. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Кан Н., Ткачев И.В., Боровой А.Г., Коханенко Г.П., Балин Ю.С. Расчет сигнала сканирующего лидара при зондировании перистых облаков, содержащих преимущественно горизонтально ориентированные кристаллы // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 2. С. 116–121. DOI: 10.15372/AOO20230206.
22. 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. DOI: 10.1364/OE.22.024566.
23. 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.
24. Kokhanenko G.P., Balin Y.S., Klemasheva M.G., Nasonov S.V., Novoselov M.M., Penner I.E., Samoilova S.V. Scanning polarization lidar LOSA-M3: Opportunity for research of crystalline particle orientation in the ice clouds // Atmos. Meas. Tech. 2020. V. 13, N 3. P. 1113–1127. DOI: 10.5194/amt-13-1113-2020.
25. Kokhanenko G.P., Balin Y.S., Klemasheva M.G., Nasonov S.V., Novoselov M.M., Penner I.E., Samoilova S.V. Study of crystalline particles with a pronounced horizontal orientation using a scanning lidar LOSA-M3 // Proc. SPIE. 2019. V. 11208. P. 112084 DOI: 10.1117/ 12.2540780.
26. Kustova N., Konoshonkin A., Kokhanenko G., Wang Z., Shishko V., Timofeev D., Borovoi A. Lidar backscatter simulation for angular scanning of cirrus clouds with quasi-horizontally oriented ice crystals // Opt. Lett. 2022. V. 47, N 15. P. 3648–3651. DOI: 10.1364/OL.463282.
27. Zhu X., Wang Z., Konoshonkin A., Kustova N., Shishko V., Timofeev D., Tkachev I., Liu D. Backscattering properties of randomly oriented hexagonal hollow columns for lidar application // Opt. Express. 2023. V. 31, N 21. P. 35257–35271. DOI: 10.1364/OE.502185.
28. Балин Ю.С., Кауль Б.В., Коханенко Г.П. Наблюдение зеркально отражающих частиц и слоев в кристаллических облаках // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 4. С. 293–299.
29. Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27. P. 919–926. DOI: 10.1175/1520-0469(1970)027<0919:TDOICI>2.0.CO;2.
30. Heymsfield A. Ice crystal terminal velocities // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. P. 1348–1357. DOI: 10.1175/1520-0469(1972)029<1348:ICTV>2.0.CO;2.
31. Schmitt C.G., Heymsfield A.J. On the occurrence of hollow bullet rosette- and column-shaped ice crystals in midlatitude cirrus // J. Atmos. Sci. 2007. V. 64. P. 4514–4519. DOI: 10.1175/2007JAS2317.1.
32. 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. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2022. 384 с.