Том 38, номер 08, статья № 10

Аннотация:

Важной задачей современной атмосферной оптики является точное описание взаимодействия света с частицами льда перистых облаков, что необходимо для интерпретации данных дистанционного зондирования, особенно при использовании поляризационных лидаров. В настоящей статье представлен уникальный банк данных (БД) матриц обратного рассеяния света для всех типичных форм кристаллов льда перистых облаков, включая агрегат из восьми гексагональных столбиков – модель, которая часто используется в исследованиях. Рассмотрен случай хаотической ориентации частицы в пространстве. Решение получено для диапазона размеров частиц от 10 до 1000 мкм для трех наиболее часто используемых длин волн излучения лидаров: 0,355; 0,532 и 1,064 мкм. Такой БД крайне важен для разработки алгоритмов интерпретации результатов лазерного поляризационного зондирования перистых облаков с использованием как наземных, так и космических лидаров. Он находится в открытом доступе в простом текстовом формате.

Ключевые слова:

банк данных, матрица обратного рассеяния света, метод физической оптики, атмосферные ледяные кристаллы, агрегаты, перистые облака, хаотическая ориентация

Иллюстрации:

Список литературы:

1. 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. DOI: 10.1175/1520-0493(1986)114%3C1167:IOCCOW%3E2.0.CO;2.
2. Krämer M., Schiller C., Afchine A., Bauer R., Gensch I., Mangold A., Schlicht S., Spelten N., Sitnikov N., Borrmann S., de Reus M., Spichtinger P. Ice supersaturations and cirrus cloud crystal numbers // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9, N 11. P. 3505–3522. DOI: 10.5194/acp-9-3505-2009.
3. Nazaryan H., McCormick M.P., Menzel W.P. Global characterization of cirrus clouds using CALIPSO data // J. Geophys. Res. 2008. V. D16211. P. 113. DOI: 10.1029/2007JD009481.
4. Schnaiter M., Büttner S., Möhler O., Skrotzki J., Vragel M., Wagner R. Influence of particle size and shape on the backscattering linear depolarisation ratio of small ice crystals – cloud chamber measurements in the context of contrail and cirrus microphysics // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 21. P. 10465. DOI: 10.5194/acp-12-10465-2012.
5. Liou K.-N., Yang P. Light Scattering by Ice Crystals: Fundamentals and Applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2016. 460 p.
6. 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. DOI: 10.1175/JAS-D-12-039.1.
7. Bi L., Yang P. Improved ice particle optical property simulations in the ultraviolet to far-infrared regime // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 189. P. 228–237. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2016.12.007.
8. Platnick S., Meyer K.G., King M.D., Wind G., Amarasinghe N., Marchant B., Arnold G.T., Zhang Z., Hubanks P.A., Holz R.E., Yang P., Ridgway W.L., Riedi J. The MODIS cloud optical and microphysical products: Collection 6 updates and examples from Terra and Aqua // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2017. V. 55, N 1. P. 502–525. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2610522.
9. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 11995–12003. DOI: 10.1364/OE.23.011995.
10. 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.
11. Mitchell D.L., Mishra S., Lawson R.P. Planet Earth 2011 – Global warming challenges and opportunities for policy and practice. Cirrus clouds and climate engineering: New findings on ice nucleation and theoretical basis // InTechOpen. 2011. P. 257–288. DOI: 10.5772/24664.
12. ScIce: Database for optical properties of realistic ice particles of cirrus clouds [Электронный ресурс]. URL: http://scice.konoshonkin.com (last access: 19.03.2025).
13. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2009.02.026.
14. Timofeev D., Kustova N., Shishko V., Konoshonkin A. Light-scattering properties for aggregates of atmospheric ice crystals within the physical optics approximation // Atmosphere. 2023. V. 14, N 6. P. 933. DOI: 10.3390/atmos14060933.
15. 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. DOI: 10.1016/j.atmosres.2012.04.010.
16. 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. DOI: 10.1175/1520-0469(1994)051<0817:AMPTEO>2.0.CO;2.
17. 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. DOI: 10.1175/1520-0469(1970)027<0919:TDOICI>2.0.CO;2.
18. Um J., McFarquhar G.M. Single-scattering properties of aggregates of bullet rosettes in cirrus // J. Appl. Meteor. Climatol. 2007. V. 46, N 6. P. 757–775. DOI: 10.1175/JAM2501.1.
19. Yang P., Baum B.A., Heymsfield A.J., Hu Y.X., Huang H.-L., Tsay S.-C., Ackerman S. Single-scattering properties of droxtals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2003. V. 79–80. P. 1159–1169. DOI: 10.1016/S0022-4073(02)00347-3.
20. Шишко В.А., Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В., Коношонкин А.В. Оптические характеристики ледяных атмосферных кристаллов произвольной формы с разным количеством граней для задач лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 10. С. 868–873. DOI: 10.15372/AOO20241009; Shishko V.A., Tkachev I.V., Timofeev D.N., Kustova N.V., Konoshonkin A.V. Optical properties of atmospheric ice crystals of arbitrary shape with different number of facets for problems of laser sensing // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N 1. P. 90–95.
21. 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. DOI: 10.5194/acp-15-3933-2015.
22. Saito M., Yang P. Generalization of atmospheric nonspherical particle size: Interconversions of size distributions and optical equivalence // J. Atmos. Sci. 2022. V. 79, N 12. P. 3333–3349. DOI: 10.1175/JAS-D-22-0086.1.
23. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // J. Geophys. Res. 2008. V. D14220. P. 113. DOI: 10.1029/2007JD009744.
24. Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Боровой А.Г. Оценка влияния поглощения на рассеяние света на атмосферных ледяных частицах для длин волн, характерных для задач лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 5. С. 381–385. DOI: 10.15372/AOO20190507; Timofeev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Borovoi A.G. Estimation of the absorption effect on light scattering by atmospheric ice crystals for wavelengths typical for problems of laser sounding of the atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 5. P. 564–568. DOI: 10.1134/S1024856019050178.
25. 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.
26. Vouk V. Projected area of convex bodies // Nature. 1948. V. 162. P. 330–331. DOI: 10.1038/162330a0.
27. Saito M., Yang P. Quantifying the impact of the surface roughness of hexagonal ice crystals on backscattering properties for lidar-based remote sensing applications // J. Geophys. Res. Letters. 2023. V. 50. P. e2023GL104175. DOI: 10.1029/2023GL104175.
28. Bi L., Yang P. Accurate simulation of the optical properties of atmospheric ice crystals with the invariant imbedding T-matrix method // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 138. P. 17–35. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.01.013.
29. Yang P., Liou K.N. Geometric-optics-integral-equation method for light scattering by nonspherical ice crystals // Appl. Opt. 1996. V. 35, N 33. P. 6568–6584. DOI: 10.1364/ao.35.006568.
30. Shishko V., Konoshonkin A., Kustova N., Timofeev D., Borovoi A. Coherent and incoherent backscattering by a single large particle of irregular shape // Opt. Express. 2019. V. 27, N 23. P. 32984–32993. DOI: 10.1364/oe.27.032984.
31. Zhu X., Wang Z., Liu D., Cai H. The first global insight of cirrus clouds characterized by hollow ice crystals from space-borne lidar // J. Geophys. Res. Letters. 2024. V. 51. P. e2024GL109852. DOI: 10.1029/2024GL109852.
32. Sato K., Okamoto H., Nishizawa T., Jin Y., Nakajima T.Y., Wang M., Satoh M., Roh W., Ishimoto H., Kudo R. JAXA Level 2 cloud and precipitation microphysics retrievals based on EarthCARE radar, lidar, and imager: The CPR_CLP, AC_CLP, and ACM_CLP products // Atmos. Meas. Tech. 2025. V. 18, N 5. P. 1325–1338. DOI: 10.5194/amt-18-1325-2025.