Том 35, номер 08, статья № 10

Аннотация:

В настоящей работе решена задача рассеяния на ледяных кристаллах, характерных для перистых облаков, излучения гигагерцового радара (94 ГГц; длина волны 3189 мкм) и лидара (длина волны 0,355 мкм); показатели преломления льда 1,7864 + 0,0032 × i и 1,3249 + 0 × i соответственно. Матрицы рассеяния рассчитаны в рамках приближения физической оптики и приближения дискретных диполей для случая хаотически ориентированных частиц размерами от 4 до 1000 мкм. Рассчитано отношение сигналов обратного рассеяния радара и лидара в направлении назад, так называемое радар-лидарное отношение, для широкого диапазона размеров частиц для типичных форм ледяных кристаллов перистого облака. Показано, что такое отношение может быть использовано для оценивания размеров ледяных кристаллов перистых облаков.

Ключевые слова:

рассеяние света, лидар, радар, физическая оптика, приближение дискретных диполей, атмосферные ледяные кристаллы, перистые облака

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Baker B.M. Cloud microphysics and climate // Science. 1997. V. 276. P. 1072–1078.
2. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor, H.L. Miller (eds.). New York, USA; Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press, 2007. 996 p.
3. Wendling P., Wendling R., Weickmann H.K. Scattering of solar radiation by hexagonal ice crystals // Appl. Opt. 1979. V. 18. P. 2663–2671.
4. 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.
5. Takano Y., Liou K.N. Radiative transfer in cirrus clouds. Part III: Light scattering by irregular ice crystals // J. Atmos. Sci. 1995. V. 52, N 7. P. 818–837.
6. 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.
7. 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. P. 332–341.
8. 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.
9. Hobbs P.V., Chang S., Locatelli J.D. The dimensions and aggregation of ice crystals in natural clouds // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 2199–2206.
10. Um J., McFarquhar G.M. Formation of atmospheric halos and applicability of geometric optics for calculating single-scattering properties of hexagonal ice crystals: Impacts of aspect ratio and ice crystal size // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 165. P. 134–152.
11. Baker B.A., Lawson R.P. In situ observations of the microphysical properties of wave, cirrus, and anvil clouds. Part I: Wave clouds // J. Atmos. Sci. 2006. V. 63. P. 3160–3185.
12. 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.
13. Moshary F., Han Z., Wu Y., Gross B., Wesloh D., Hoff R.M., Delgado R., Su J., Lei L., Lee R.B., McCormick M.P., Diaz J., Cruz C., Parsiani H. New results from the NOAA CREST Lidar Network (CLN) observations in the US eastcoast // EPJ Web of Conf. 2016. V. 119. P. 19005.
14. Veselovskii I., Goloub P., Podvin T., Tanre D., Ansmann A., Korenskiy M., Borovoi A., Hu Q., Whiteman D.N. Spectral dependence of backscattering coefficient of mixed phase clouds over West Africa measured with two-wavelength Raman polarization lidar: Features attributed to ice-crystals corner reflection // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 202. P. 74–80.
15. Balin Y.S., Samoilova S.V., Krekova M.M., Winker D.M. Retrieval of cloud optical parameters from space-based backscatter lidar data // Appl. Opt. 1999. V. 38, N 30. P. 6365–6373.
16. Kokhanenko G.P., Balin Yu.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 clouds of upper layers // Atmos. Meas. Tech. 2020. V. 13, N 3. P. 1113–1127.
17. Okamoto H., Macke A., Quante M., Raschke E. Modeling of backscattering by nonspherical ice particles for the interpretation of cloud radar signals at 94 GHz. An error analysis // Beitr. Phys. Atmos. 1995. V. 68. P. 319–334.
18. Liu C.-L., Illingworth A.J. Toward more accurate retrievals of ice water content from radar measurements of clouds // J. Appl. Meteorol. 2000. V. 39, N 7. P. 1130–1146.
19. Zabukovec A., Ancellet G., Penner I.E., Arshinov M., Kozlov V., Pelon J., Paris J.-D., Kokhanenko G., Balin Y.S., Chernov D., Belan B.D. Characterization of aerosol sources and optical properties in Siberia using airborne and spaceborne observations // Atmosphere. 2021. V. 12(2). Art. N 244.
20. Winker D.M., Couch R.H., McCormick M.P. An overview of LITE: NASA's Lidar-in-space Technology Experiment // Proc. IEEE. 1996. V. 84. P. 164–180.
21. Winker D.M., Pelon J., McCormick M.P. The CALIPSO mission: Spaceborne lidar for observation of aerosols and clouds // Proc. SPIE. 2002. V. 4893.
22. Балин Ю.С., Тихомиров А.А. История создания и работы в составе орбитальной станции «Мир» первого российского космического лидара БАЛКАН // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 12. С. 1078–1087.
23. Sassen K., Wang Z., Liu D. Global distribution of cirrus clouds from CloudSat/Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) measurements // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. (D00A12).
24. Garrett K.J., Yang P., Nasiri S.L., Yost C.R., Baum B.A. Influence of cloud top height and geometric thickness on MODIS infrared-based cirrus cloud retrieval // J. Appl. Meteorol. Climatol. 2009. V. 48. P. 818–832.
25. Шишко В.А., Брюханов И.Д., Ни Е.В., Кустова Н.В., Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В. Алгоритм интерпретации матриц обратного рассеяния света перистых облаков для восстановления их микрофизических параметров // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 3. С. 186–192; Shishko V.A., Bryukhanov I.D., Nie E.V., Kustova N.V., Timofeev D.N., Konoshonkin A.V. Algorithm for interpreting light backscattering matrices of cirrus clouds for the retrieval of their microphysical parameters // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 4. P. 393–399.
26. Okamoto H., Iwasaki S., Yasui M., Horie H., Kuroiwa H., Kumagai H. An algorithm for retrieval of cloud microphysics using 95-GHz cloud radar and lidar // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N D7. P. 4226.
27. 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. P. 28222–28233.
28. 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.
29. 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. P. 36587–36600.
30. 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. P. 29178–29191.
31. 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. V. 29, N 3. P. 4464–4474.
32. Intrieri J.M., Stephens G.L., Eberhard W.L., Uttal T. A method for determining cirrus cloud particle sizes using lidar and radar backscatter technique // J. Appl. Meteorol. 1993. V. 32. P. 1074–1082.
33. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen // Ann. Phys. 1908. V. 25. P. 377–445.
34. Wiscombe W.J. Improved Mie scattering algorithms // Appl. Opt. 1980. V. 19. P. 1505–1509.
35. Heymsfield A.J. Ice crystal terminal velocities // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. P. 1348–1357.
36. 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.
37. Borg L.A., Holz R.E., Turner D.D. Investigating cloud radar sensitivity to optically thin cirrus using collocated Raman lidar observations // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. DOI: 10.1029/2010GL046365.
38. Tinel C., Testud J., Pelon J., Hogan R.J., Protat A., Delanoe J., Bouniol D. The retrieval of ice-cloud properties from cloud radar and lidar synergy // J. Appl. Meteorol. 2005. V. 44. P. 860–875.
39. Delanoe J., Hogan R.J. Combined CloudSat-CALIPSO-MODIS retrievals of the properties of ice clouds // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. DOI: 10.1029/2009JD012346.
40. Protat A., Delanoe J., O’Connor E.J., L’Ecuer T.S. The evaluation of CloudSat and CALIPSO ice microphysical products using ground-based cloud radar and lidar observations // J. Atmos. Ocean. Technol. 2010. V. 27. P. 793–810.
41. Illingworth A.J., Barker H.W., Beljaars A., Ceccaldi M., Chepfer H., Clerbaux N., Cole J., Delanoë J., Domenech C., Donovan D.P., Fukuda S., Hirakata M., Hogan R.J., Huenerbein A., Kollias P., Kubota T., Nakajima T., Nakajima T.Y., Nishizawa T., Ohno Y., Okamoto H., Oki R., Sato K., Satoh M., Shephard M.W., Velázquez-Blázquez A., Wandinger U., Wehr T., van Zadelhoff G.-J. The EarthCARE satellite: The next step forward in global measurements of clouds, aerosols, precipitation, and radiation // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2015. V. 96, N 8. P. 1311–1332.
42. 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. P. 400–409.
43. Shishko V.A., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Timofeev D.N. Light scattering by spherical particles for data interpretation of mobile lidars // Opt. Eng. 2020. V. 59, N 8. P. 083103.
44. 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.
45. 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; 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.
46. Penttilä A., Zubko E., Lumme K., Muinonen K., Yurkin M.A., Draine B., Rahola J., Hoekstra A.G., Shkuratov Yu. Comparison between discrete dipole implementations and exact techniques // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2007. V. 106. P. 417–436.
47. Yurkin M.A., Hoekstra A.G. The discrete-dipole-approximation code ADDA: Capabilities and known limitations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 2234–2247.
48. Yang P., Liou K.N. Light scattering and absorption by nonspherical ice crystals // Light Scattering Reviews, v. 1 / A.A. Kokhanovsky (ed.). Chichester: Springer-Praxis, 2006.
49. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Рэлеевское рассеяние в газах и жидкостях // Теоретическая физика. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. Т. VIII. С. 582–583.
50. База данных матриц обратного рассеяния, рассчитанных в рамках физической оптики, [Электронный ресурс]. URL: ftp://ftp.iao.ru/pub/GWDT/Physical_ optics/Backscattering/ (дата обращения: 4.04.2022).
51. 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. P. 28222–28233.
52. Okamoto H., Sato K., Hagihara Y. Global analysis of ice microphysics from CloudSat and CALIPSO: Incorporation of specular reflection in lidar signals // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. (D22209).