Том 29, номер 12, статья № 8

Аннотация:

Приводятся результаты расчетов сигналов сканирующего лидара для случая монодисперсного облака гексагональных пластинок и столбиков размером 100 мкм. Расчет проводился в приближении однократного рассеяния. Результаты расчетов показали, что сканирующие лидары являются эффективным инструментом для восстановления эффективного угла наклона частиц в облаке (флаттера). Показано, что по сравнению с традиционно измеряемыми лидарными характеристиками: коэффициентом обратного рассеяния, лидарным и линейным деполяризационным отношениями, элемент m₄₄ матрицы рассеяния является более информативным и при этом требует сканирования до углов меньше 45°.

Ключевые слова:

сканирующий лидар, квазигоризонтальная ориентация, 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. Wea. Rev. 1986. V. 114, N 6. P. 1167–1199.
2. Stephens G.L., Tsay S.-C., Stackhouse Jr.P.W., 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. 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 // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2011. Т. 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: Cambridge University Press, 2002. 364 p.
9. Baran A.J. A review of the light scattering properties of cirrus // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 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. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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. D00H32. DOI: 10.1029/2009JD012334.
18. 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. L20805. DOI: 10.1029/2012GL053116.
19. 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.
20. 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.
21. 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.
22. 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.
23. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Ориентация частиц в кристаллических облаках Ci: Часть 2. Азимутальная ориентация // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 1. С. 44–46.
24. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Расчет сигналов поляризационного сканирующего лидара от преимущественно ориентированных ледяных пластинок // Изв. вузов. Физ. 2012. Т. 55, № 9/2. С. 143–144.
25. ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами / Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1961. 536 с.
26. 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., Shishkо V.А., Bоrоvоi А.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.
27. 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. (В печати).
28. Галилейский В.П., Елизаров А.И., Кокарев Д.В., Морозов А.М. Краткий анализ годовых наблюдений неба на панорамно-оптической станции «TomSky» // Оптика атмосф. и океана. Физика атмосферы: Материалы XXII Междунар. симп. [Электронный ресурс]. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2016.
29. 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. Физ. 2013. Т. 56, № 8/3. С. 281–283.
30. Heymsfield A.J., Miloshevich L.M. Parameterizations for the cross-sectional area and extinction of cirrus and stratiform ice cloud particles // J. Atmos. Sci. 2003. V. 60, N 7. P. 936–956.
31. 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.
32. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Особенности в деполяризационном отношении лидарных сигналов для хаотически ориентированных ледяных кристаллов перистых облаков // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 5. С. 385–387.
33. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. The physical-optics approximation and its application to light backscattering by hexagonal ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 181–189.
34. 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.
35. 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., 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.
36. 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; Konoshonkin A.V., Kustova 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.
37. 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.
38. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering reciprocity for large particles // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 9. P. 1485–1487.
39. 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.
40. 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 me-
thods // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 182. P. 12–23.
41. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Граница применимости приближения геометрической оптики для решения задачи обратного рассеяния света на квазигоризонтально ориентированных гексагональных ледяных пластинках // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 8. С. 705–712; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Bоrоvоi А.G. Limits of applicability of geometrical optics approximation to light backscattering by quasihorizontally oriented hexagonal ice plates // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 1. P. 74–81.
42. Коношонкин А.В., Боровой А.Г. Зеркальное рассеяние света на ледяных кристаллах облаков и взволнованной поверхности воды // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 1. С. 64–69; Konoshonkin A.V., Borovoi A.G. Specular scattering of light by cloud ice crystals and wavy water surfaces // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 5. P. 438–443.
43. Кауль Б.В. Симметрии матриц обратного рассеяния света в связи с ориентацией несферических аэрозольных частиц // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13, № 10. С. 895–900.