Том 37, номер 09, статья № 9

Аннотация:

Отсутствие в настоящее время адекватной оптической модели перистых облаков значительно затрудняет интерпретацию данных наземных и космических лидаров и, как следствие, создает недостаток актуальной информации для задач моделирования климата и ежедневного прогноза погоды. Существующие оптические модели, как правило, разработаны в предположении, что ледяные кристаллы в перистых облаках имеют идеальную форму, но это в большинстве случаев не соответствует действительности. В настоящей статье предложена оптическая модель облака, состоящего из наиболее распространенных частиц неправильной формы – полых гексагональных столбиков. Модель построена для реального распределения частиц в облаке по глубине полости и размерам. Также рассмотрен случай смеси в облаке идеальных и полых гексагональных столбиков, что существенно улучшает достоверность модели. Полученная оптическая модель имеет важное прикладное значение для задач лазерного зондирования атмосферы.

Ключевые слова:

рассеяние света, метод физической оптики, атмосферные ледяные кристаллы, перистые облака, оптическая модель, полый столбики

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Liou K.N. Influence of cirrus clouds on weather and climate processes – a global perspective // Mon. Weather Rev. 1986. V. 114. P. 1167–1199. DOI: 10.1175/1520-0493(1986)114<1167:IOCCOW>2.0.CO;2.
2. Zubko E., Shmirko K., Pavlov A., Sun W.B., Schuster G.L., Hu Y.X., Stamnes S., Omar A., Baize R.R., McCormick M.P., Loughman R., Arnold J.A., Videen G. Active remote sensing of atmospheric dust using relationships between their depolarization ratios and reflectivity // Opt. Lett. 2021. V. 46. P. 2352–2355. DOI: 10.1364/OL.426584.
3. 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. DOI: 10.1364/AO.42.000332.
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. DOI: 10.1175/JAM2223.1.
5. 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. P. 8111–8131. DOI: 10.1364/AO.51.008111.
6. 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.
7. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Ткачев И.В., Бакуте Е., Бабинович А.Е., Zhu X., Wang Zhenzhu. Характеристики обратного рассеяния света на полых ледяных гексагональных столбиках для построения оптической модели перистых облаков // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 12. С. 1013–1019. DOI: 10.15372/AOO20231208.
8. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2011.02.015.
9. 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. DOI: 10.1364/AO.35.006568.
10. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.04.030.
11. 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. DOI: 10.1364/OE.20.028222.
12. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering by hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2013. V. 38. P. 2881–2884. DOI: 10.1364/OL.38.002881.
13. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering by hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 15. P. 2881–1884. DOI: 10.1364/OL.38.002881.
14. 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. P. 36587–36600. DOI: 10.1364/OE.27.036587.
15. 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. P. 29178–29191. DOI: 10.1364/OE.400510.
16. Masuda K., Ishimoto H., Mano Y. Efficient method of computing a geometric optics integral for light scattering by nonspherical particles // Pap. Meteorol. Geophys. 2012. V. 63. P. 15–19. DOI: 10.2467/mripapers.63.15.
17. Lawson R.P., Woods S., Jensen E., Erfani E., Gurganus C., Gallagher M., Connolly P., Whiteway J., Baran A.J., May P., Heymsfield A., Schmitt C.G., McFarquhar G., Um J., Protat A., Bailey M., Lance S., Muehlbauer A., Stith J., Korolev A., Toon O.B., Kramer M. A review of ice particle shapes in cirrus formed in situ and in anvils // J. Geophys. Res.: Atmos. 2019. V. 124. P. 10049–10090. DOI: 10.1029/2018JD030122.
18. Borovoi A., Kustova N., Konoshonkin A. Interference phenomena at backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Exp. 2015. V. 23. P. 24557–24571. DOI: 10.1364/OE.23.024557.
19. 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. V. 29. P. 4464–4474. DOI: 10.1364/OE.410942.
20. 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. P. 32984–32993. DOI: 10.1364/OE.27.032984.
21. Lin W., Bi L., Weng F., Li Z., Dubovik O. Capability of superspheroids for modeling PARASOL observations under dusty-sky conditions // J. Geophys. Res.: Atmos. 2021. V. 126, N 1. P. 10049–10090. DOI: 10.1029/2020JD033310.
22. Sun L.H., Bi L., Yi B.Q. The Use of Superspheroids as surrogates for modeling electromagnetic wave scattering by ice crystals // Remote Sens. 2021. V. 13, N 9. P. 1733. DOI: 10.3390/rs13091733.
23. 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.
24. Borovoi A.G. Light scattering by large particles: Physical optics and the shadow-forming field // Light Scattering Reviews. V. 8 / A.A. Kokhanovsky (ed.). Berlin: Springer-Praxis, 2013. P. 115–138.
25. Konoshonkin A., Borovoi A., Kustova N., Reichardt J. Power laws for backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2017. V. 25. P. 22341–22346. DOI: 10.1364/OE.25.022341.
26. Bailey M., Hallett J. Growth rates and habits of ice crystals between -20 degrees and -70 degrees C // J. Atmos. Sci. 2004. V. 61. P. 514–544. DOI: 10.1175/1520-0469(2004)061<0514:GRAHOI>2.0.CO;2.
27. Gil-Díaz C., Sicard M., Comerón A., dos Santos Oliveira D.C.F., Muñoz-Porcar C., Rodríguez-Gómez A., Lewis J.R., Welton E.J., Lolli S. Geometrical and optical properties of cirrus clouds in Barcelona, Spain: Analysis with the two-way transmittance method of 5 years of lidar measurements // Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2023. V. 2023. P. 1–31. DOI: 10.5194/amt-17-1197-2024.
28. Heymsfield A.J., Krämer M., Luebke A., Brown P., Cziczo D.J., Franklin C., Lawson P., Lohmann U., McFarquhar G., Ulanowski Z., Van Tricht K. Cirrus Clouds // Meteorol. Monographs. 2017. V. 58. P. 2.1–2.26.
29. Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // J. Atmos. Sci. 1970. V. 29. P. 311–317. DOI: 10.1175/1520-0469(1970)027<0919:TDOICI>2.0.CO;2.
30. Heymsfield A.J. 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. Heymsfield A.J., Schmitt C., Bansemer A. Ice cloud particle size distributions and pressure-dependent terminal velocities from in situ observations at temperatures from 0 to -86°C // J. Atmos. Sci. 2013. V. 70, N 12. P. 4123–4154. DOI: 10.1175/JAS-D-12-0124.1.
32. Saito M., Yang P. Generalization of atmospheric nonspherical particle size: Interconversions of size distributions and optical equivalence // J. Atmos. Sci. 2022. V. 79. P. 3333–3349. DOI: 10.1175/JAS-D-22-0086.1.