Том 38, номер 02, статья № 6

Аннотация:

Изучению перистых облаков в настоящее время уделяется пристальное внимание, поскольку они играют важную роль в формировании климата нашей планеты. Исследования проводятся в основном методами лазерного зондирования атмосферы, интерпретация данных которого требует наличия адекватной оптической модели перистых облаков. Однако большинство существующих оптических моделей разработаны в предположении хаотической ориентации частиц в пространстве, что, согласно последним экспериментальным данным, часто не соответствует действительности. В настоящей статье представлена оптическая модель перистых облаков с учетом преимущественной горизонтальной ориентации частиц в облаке. В качестве квазигоризонтально ориентированных частиц присутствуют идеальные гексагональные пластинки и столбики, а также полые столбики; хаотически ориентированными частицами выступают гексагональные пластинки и столбики, дроксталлы и буллиты, частицы неправильной формы и агрегаты таких частиц. Предложенная модель имеет важное значение для создания алгоритмов интерпретации лидарных данных при зондировании перистых облаков.

Ключевые слова:

перистые облака, оптическая модель, лазерное зондирование, рассеяние света, метод физической оптики, атмосферные ледяные кристаллы, горизонтальная ориентация

Иллюстрации:

Список литературы:

1. 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, N D22. P. D22209. DOI: 10.1029/2009JD013383.
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. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. 996 р.
3. Liou K.N. Influence of cirrus clouds on the weather and climate process: A global perspective // Mon. Weather Rev. 1986. V. 114, N 6. P. 1167–1199. DOI: 10.1175/1520-0493(1986)114<1167:IOCCOW>2.0.CO;2.
4. Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Боровой А.Г., Новоселов М.М. Исследования ориентации кристаллических частиц в ледяных облаках сканирующим лидаром // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 4. С. 319–325. DOI: 10.15372/AOO20220412; Kokhanenko G.P., Balin Yu.S., Borovoi A.G., Novoselov M.M. Studies of the orientation of crystalline particles in ice clouds by a scanning lidar // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 5. P. 509–516.
5. Del Guasta M. Simulation of lidar returns from pristine and deformed hexagonal ice prisms in cold cirrus by means of “face-tracing” // J. Geophys. Res. 2001. V. 106, N D12. P. 12589–12602. DOI: 10.1029/2000JD900724.
6. Del Guasta M. A second-generation ray-tracing technique applied to lidar returns from ice clouds // Proc. MUSCLE X. Florence, 1999. P. 48–57.
7. Lakkis G.S., Lavorato M., Canziani P., Lacomi H. Lidar observations of cirrus clouds in Buenos Aires // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2015. V. 130–131. P. 89–95. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.05.020.
8. Reichardt J., Reichardt S., Lin R.-F., Hess M., McGee T.J., Starr D.O. Optical-microphysical cirrus model // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, N D22. P. D22201. DOI: 10.1029/2008JD010071.
9. Tinel C., Testud J., Pelon J., Hogan R.J., Protat A., Delanoë J., Bouniol D. The retrieval of ice-cloud properties from cloud radar and lidar synergy // J. Appl. Meteorol. 2005. V. 44, N 6. P. 860–875. DOI: 10.1175/JAM2229.1.
10. Katagiri S., Hayasaka T., Shimizu A., Matsui I., Nishizawa T., Sugimoto N., Takamura T. Long term analysis of cirrus clouds’ effects on shortwave and longwave radiation derived from data acquired by ground-based and satellite-borne observations // AIP Conf. Proc. 2013. V. 1531. P. 492–495. DOI: 10.1063/1.4804814.
11. 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, N D8. P. D00A12. DOI: 10.1029/2008JD009972.
12. Baum B.A., Yang P., Heymsfield A.J., Bansemer A., Cole B.H., 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. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 123–139. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.02.029.
13. Baum B.A., Yang P., Heymsfield A.J., Schmitt C.G., Xie Y., Bansemer A., Hu Y.-X., Zhang Z. Improvements in shortwave bulk scattering and absorption models for the remote sensing of ice clouds // J. Appl. Meteorol. Clim. 2011. V. 50, N 5. P. 1037–1056. DOI: 10.1175/2010JAMC2608.1.
14. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 11995–12003. DOI: 10.1364/OE.23.011995.
15. Hess M., Wiegner M. COP: A data library of optical properties of hexagonal ice crystals // Appl. Opt. 1994. V. 33, N 33. P. 7740–7746. DOI: 10.1364/AO.33.007740.
16. Noel V., Sassen K. Study of planar ice crystal orientations in ice clouds from scanning polarization lidar observations // J. Appl. Meteorol. 2005. V. 44, N 5. P. 653–664. DOI: 10.1175/JAM2223.1.
17. 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.
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. P. L20805. DOI: 10.1029/2012GL053116.
19. Wang Z., Liu D., Xie C., Zhou J. An iterative algorithm to estimate LIDAR ratio for thin cirrus cloud over aerosol layer // J. Opt. Soc. Korea. 2011. V. 15, N 3. P. 209–215. DOI: 10.3807/JOSK.2011.15.3.209.
20. Коношонкин А.В., Боровой А.Г., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н. Рассеяние света на атмосферных ледяных кристаллах в приближении физической оптики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2022. 384 с.
21. Коношонкин А.В., Боровой А.Г., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н. Рассеяние света на атмосферных ледяных кристаллах в приближении физической оптики. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2020. 219 с.
22. 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.
23. 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. DOI: 10.1364/OE.25.022341.
24. Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В., Кустова Н.В. Алгоритм Modified beam-splitting 1 (MBS-1) для решения задачи рассеяния света на невыпуклых ледяных атмосферных частицах // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 6. С. 473–480. DOI: 10.15372/AOO20180609; Timofeev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V. Modified Beam-Splitting 1 (MBS-1) Algorithm for solving the problem of light scattering by nonconvex atmospheric ice particles // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 6. P. 642–649.
25. Kustova N., Konoshonkin A., Shishko V., Timofeev D., Borovoi A., Wang Zh. Coherent backscattering by large ice crystals of irregular shapes in cirrus clouds // Atmosphere. 2022. V. 13, N 8. P. 1279. DOI: 10.3390/atmos13081279.
26. 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.
27. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Бабинович А.Е. Матрица рассеяния света для горизонтально ориентированных ледяных частиц перистых облаков вида «пластинка», «столбик» и «полый столбик» // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 12. С. 1061–1068. DOI: 10.15372/AOO20241210.
28. 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, N 9. P. 1492–1508. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2011.02.015.
29. Wehr T., Kubota T., Tzeremes G., Wallace K., Nakatsuka H., Ohno Y., Koopman R., Rusli S., Kikuchi M., Eisinger M., Tanaka T., Taga M., Deghaye P., Tomita E., Bernaerts D. The EarthCARE mission – science and system overview // Atmos. Meas. Tech. 2023. V. 16, N 15. P. 3581–3608. DOI: 10.5194/amt-16-3581-2023.
30. Самохвалов И.В., Брюханова В.В., Брюханов И.Д., Дорошкевич А.А., Животенюк И.В., Волков С.Н., Кириллов Н.С., Ни Е.В., Стыкон А.П., Локтюшин О.Ю. Обнаружение в облаках верхнего яруса матричным поляризационным лидаром локальных областей горизонтально ориентированных ледяных частиц и исследование их характеристик // Актуальные проблемы радиофизики АПР-2023: cб. трудов X Междунар. науч.-практ. конф. Томск, 2023. С. 201–203.
31. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: Wiley, 1983. 530 p.
32. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. 537 с.
33. 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.
34. 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.
35. 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 4 years of lidar measurements // Atmos. Meas. Tech. 2024. V. 17, N 4. P. 1197–1216. DOI: 10.5194/amt-17-1197-2024.