Том 37, номер 08, статья № 6

Аннотация:

При лазерном дистанционном зондировании кристаллических облаков возникает проблема учета многократного рассеяния излучения, влияющего на достоверность интерпретации результатов измерений. Представлены оценки вклада многократного рассеяния излучения в эхосигнал космического лидара. Решение нестационарной задачи распространения лазерного излучения в сплошной перистой облачности с разделением по кратностям взаимодействия получено методом Монте-Карло при разных значениях оптико-микроструктурных характеристик облаков (оптическая толщина, форма и размер ледяных частиц) и параметров лидара (удаленность от объекта зондирования, расходимость излучения, угол поля зрения приемника). Численные эксперименты проведены с учетом допустимого диапазона значений параметров эксплуатируемых либо перспективных космических лидарных систем. Обсуждаются особенности формирования обратного сигнала при вводе в модель атмосферы аэрозольных и рэлеевских частиц, а также нижележащего облачного слоя. Результаты моделирования свидетельствуют о высокой чувствительности части эхосигнала, обусловленной многократно рассеянным излучением, к варьируемым параметрам, что необходимо учитывать при постановке и решении обратных задач.

Ключевые слова:

космический лидар, дистанционное зондирование, многократное рассеяние, перистые облака, численное моделирование, метод Монте-Карло

Список литературы:

1. 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, N 2. P. 164–180. DOI: 10.1109/5.482227.
2. Зуев В.Е., Балин Ю.С., Тихомиров А.А., Знаменский И.В., Мельников В.Е. Российский лидар космического базирования БАЛКАН // Космическая наука и технология. 1997. Т. 3, № 1. С. 16–25.
3. Chanin M.A., Hauchecorne A., Malique C., Nedeljkovic D., Blamont J.-E., Desbois M., Tulinov G., Melnikov V. First results of the ALISSA lidar on board the MIR platform // Comptes Rendus de l'Académie des Sciences – Series IIA – Earth and Planetary Science. 1999. V. 328, N 6. P. 359–366.
4. Cloud-Aerosol Transport System (CATS) [Электронный ресурс]. URL: https://cats.gsfc.nasa.gov/ (last access: 08.11.2023).
5. Winker D.M., Vaughan M., Omar A., Hu Y., Powell K., Liu Z., Hunt W., Young S. Overview of the CALIPSO mission and CALIOP data processing algorithms // J. Atmos. Ocean. Technol. 2009. V. 26, N 11. P. 2310–2323.
6. Физика облаков / под ред. А.Х. Хргиана. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 460 с.
7. 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. Radiant. Transfer. 2011. V. 112, N 9. P. 1492–1508. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2011.02.015.
8. 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 methods // J. Quant. Spectrosc. Radiant. Transfer. 2016. V. 182. P. 12–23. DOI: 10.1051/epjconf/202023708011.
9. 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. DOI: 10.1364/ao.38.006365.
10. Wang X., Boselli A., D’Avino L., Velotta R., Spinelli N., Bruscaglioni P., Ismaelli A., Zaccanti G. An algorithm to determine cirrus properties from analysis of multiple-scattering influence on lidar signal // Appl. Phys. B. 2005. V. 80. P. 609–615. DOI: 10.1007/s00340-005-1765-x.
11. Davis A.B., Marshak A. Solar radiation transport in the cloudy atmosphere: A 3D perspective on observations and climate impacts // Rep. Prog. Phys. 2010. V. 73. P. 1–70. DOI: 10.1088/0034-4885/73/2/026801.
12. Коршунов В.А. Многократное рассеяние в перистых облаках и его учет при интерпретации лидарных измерений в стратосфере // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 12. С. 969–975. DOI: 10.15372/AOO20211207; Korshunov V.A. Multiple scattering in cirrus clouds and taking it into account when interpreting lidar measurements in the stratosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 2. P. 151–157.
13. Bissonnette L.R., Hutt D.L. Multiply scattered aerosol lidar returns: Inversion method and comparison with in situ measurements // Appl. Opt. 1995. V. 34, N 30. P. 6959–6975. DOI: 10.1364/AO.34.006959.
14. Крекова М.М. Расчет структуры сигнала орбитального лидара, отраженного облаками верхнего яруса // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12, № 4. С. 376–381.
15. Пригарин С.М. Статистической моделирование эффектов, связанных с многократным рассеянием импульсов наземных и космических лидаров в облачной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 9. С. 747–751. DOI: 10.15372/AOO20160904; Prigarin S.M. Monte Carlo simulation of the effects caused by multiple scattering of ground-based and spaceborne lidar pulses in clouds // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 1. P. 79–83.
16. Oppel U. Hierarchy of models for lidar multipler scattering and its applications for simulation and analysis of spaceborne lidar returns // Proc. SPIE. 2000. V. 4341. DOI: 10.1117/12.411949.
17. Русскова Т.В., Шишко В.А. Статистическое моделирование переноса лазерного излучения в перистых облаках с учетом многократного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 3. С. 214–223. DOI: 10.15372/AOO20230308; Russkova T.V., Shishko V.A. Statistical simulation of laser pulse propagation in cirrus clouds accounting for multiple scattering // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 4. P. 384–393.
18. Elastic Lidar. Theory, Practice, and Analysis Methods / V.A. Kovalev, W.E. Eichinger (eds.). Hoboken: Wiley-Interscience, 2004. 640 p.
19. Марчук Г.И., Михайлов Г.А., Назаралиев М.А., Дарбинян Р.А., Каргин Б.А., Елепов Б.С. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. Новосибирск: Наука, 1976. 280 с.
20. Hess M., Koepke P., Schult I. Optical properties of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1998. V. 79, N 5. P. 831–844. DOI: 10.1175/1520-0477(1998)079<0831:OPOAAC>2.0.CO;2.
21. Anderson G.P., Clough S.A., Kneizys F.X., Chetwynd J.H., Shettle E.P. AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0–120 km). Environmental Research Papers, No. 954 (Air Force Geophysics Laboratory, Hanscom AFB, MA, 1986).
22. Брюханов И.Д., Кучинская О.И., Ни Е.В., Пензин М.С., Животенюк И.В., Дорошкевич А.А., Кириллов Н.С., Стыкон А.П., Брюханова В.В., Самохвалов И.В. Оптические и геометрические характеристики облаков верхнего яруса по данным лазерного поляризационного зондирования 2009–2023 гг. в Томске // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 2. C. 105–113. DOI: 10.15372/AOO20240203.
23. Shishko V., Konoshonkin A., Kustova N., Borovoi A., Timofeev D. Light scattering by particles with arbitrary shape in the vicinity of the backward scattering direction within geometrical optics approximation // EPJ Web Conference, 2020. V. 237. P. 08012. DOI: 10.1051/epjconf/202023708012.
24. Yang P., Wei H., Huang H.-L., Baum B.A., Hu Y.X., Kattawar G.W., Mishchenko M.I., Fu Q. Scattering and absorption property database for nonspherical ice particles in the near-through far-infrared spectral region // Appl. Opt. 2005. V. 44, N 26. P. 5512–5523. DOI: 10.1364/AO.44.005512.
25. Baum B.A., Yang P., Heymsfield A.J., Bansemer A., 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. Radiant. Transfer. 2014. V. 146. P. 123–139. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.02.029.
26. Dai G., Wu S., Long W., Liu J., Xie Y., Sun K., Meng F., Song X., Huang Z., Chen W. Aerosols and clouds data processing and optical properties retrieval algorithms for the spaceborne ACDL/DQ-1 // EGUsphere. Preprint under review for AMT, 2023. DOI: 10.5194/amt-17-1879-2024.
27. Wang X., Cheng X., Gong P., Huang H., Li Z., Li X. Earth science applications of ICESat/GLAS: A review // Remote Sens. 2011. V. 32, N 23. P. 8837–8864. DOI: 10.1080/01431161.2010.547533.
28. Héliere A., Gelsthorpe R., Le Hors L., Toulemont Y. ATLID, the atmospheric lidar on board the Earth-Care Satellite // Proc. SPIE. 2017. V. 10564. DOI: 10.1117/12.2309095.
29. Daisuke S., Trung N.T., Rei M., Yoshito S., Tadashi I., Toshiyoshi K. Progress of the ISS Based Vegetation LiDAR Mission, Moli – Japan’s First Space-Based Lidar // IEEE International Geoscience and Remote Sens. Symposium, Waikoloa, HI, USA. 2020. P. 3467–3470.
30. ATLAS/ICESat-2 L3A Calibrated Backscatter Profiles and Atmospheric Layer Characteristics, Version 6. URL: https://nsidc.org/sites/default/files/documents/user-guide/atl09-v006-userguide.pdf (last access: 08.11.2023).