Национальный исследовательский Томский государственный университет
УДК 535.8 Применение оптики в целом
ГРНТИ 29.31 Оптика
ОКСО 03.03.02 Физика
ББК 223 Физика
ТБК 613 Физика
BISAC SCI053000 Physics / Optics & Light
В данной работе представлен банк данных матриц обратного рассеяния света, рассчитанный для хаотически ориентированных кристаллических частиц перистых облаков – ScIce-2025. Она содержит весь диапазон размеров частиц, наблюдаемых в реальных перистых облаках от 0,1 до 10 000 мкм, и получен для типичных длин волн лидаров: 0,355, 0,532 и 1,064 мкм. Для решения задачи рассеяния света были использованы три принципиально разных подхода: строгий численный метод, метод физической оптики и приближение геометрической оптики. Такой банк данных имеет решающее значение для разработки алгоритмов интерпретации данных лазерного зондирования перистых облаков с использованием как наземных, так и космических лидаров.
лазерное зондирование, перистые облака, банк данных
1. Liou K.-N. Influence of cirrus clouds on the weather and climate process: a global perspective // Mon. Weather Rev. 1986. V. 114. P. 1167–1199. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0493(1986)114%3C1167:IOCCOW%3E2.0.CO;2.
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. Defresne J.-L. and Bony S. An assessment of the primary source of spread of global warming estimates from coupled atmosphere-ocean models // J. Clim. 2008. V. 21. No. 19. P. 5135–5144. DOI:https://doi.org/10.1175/2008JCLI2239.1.
4. 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. Meteor. Climatol. 2005. V. 44. No. 6. P. 860–875. DOI:https://doi.org/10.1175/JAM2229.1.
5. 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. No. 5. P. 509–516. DOI:https://doi.org/10.1134/S1024856022050141.
6. Samoilova S.V., Kokhanenko G.P., Balin Yu.S. Advantages of an additional Raman channel in laser sounding at wavelengths of 355–1064 nm for retrieving microphysical parameters of atmospheric aerosol // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36. No. 6. P. 701–715. DOI:https://doi.org/10.1134/S1024856023060179.
7. Astafurov V.G., Skorokhodov A.V., Kur’yanovich K.V., Mitrofanenko Ya.K. Parameters of different cloud types over the natural zones of western Siberia according to MODIS satellite data // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33. No. 5. P. 512–518. DOI:https://doi.org/10.1134/S1024856020050036.
8. 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. No. 1. P. 492–495. DOI:https://doi.org/10.1063/1.4804814.
9. Sassen K., Kayetha V.K., and Zhu J. Ice cloud depolarization for nadir and off-nadir CALIPSO measurements // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39. P. L20805. DOI:https://doi.org/10.1029/2012GL053116.
10. 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. No. 15. P. 3581–3608. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-16-3581-2023.
11. Sato K., Okamoto H., Nishizawa T., Jin Y., Nakajima T. Y., Wang M., Satoh M., Roh W., Ishimoto H., Kudo R. JAXA Level 2 cloud and precipitation microphysics retrievals based on EarthCARE radar, lidar, and imager: the CPR_CLP, AC_CLP, and ACM_CLP products // Atmos. Meas. Tech. 2025. V. 18. No. 5. P. 1325–1338. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-18-1325-2025.
12. Yang P., Bi L., Baum B., Lion K-N., Kattawar G., Mishchenko M., Cole B. Spectrally consistent scattering, absorption, and polarization properties of atmospheric ice crystals at wavelengths from 0.2 to 100 μm // J. Atmos. Sci. 2013. V. 70. P. 330–347. DOI:https://doi.org/10.1175/JAS-D-12-039.1.
13. Bi L., Yang P. Improved ice particle optical property simulations in the ultraviolet to far-infrared regime // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 189. P. 228–237. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.12.007.
14. The ScIce-2025 database of light backscattering matrices calculated for five shapes of ice crystals of cirrus clouds: hexagonal columns and plates, droxtals and bullets, arbitrary particles of irregular shapes (four samples). [Электронный ресурс]. URL: https://ftp.iao.ru/pub/GWDT/Physical_optics/Backscattering/Data_bank_2025 (дата обращения 22 апреля 2025).
15. 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:https://doi.org/10.15372/AOO20210306.
16. Шишко В.А., Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В., Коношонкин А.В. Оптические характеристики ледяных атмосферных кристаллов произвольной формы с разным количеством граней для задач лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37. № 10. С. 868–873. DOI:https://doi.org/10.15372/AOO20241009.
17. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // J. Geophys. Res. 2008. V. D14220. P. 113. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JD009744.
18. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М: Наука, 1973. 719 с.
19. 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 pp.
20. Yurkin M.A., Hoekstra A.G. The discrete-dipole-approximation code ADDA: capabilities and known limitations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. No. 13. P. 2234–2247. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.01.031.
21. 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:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2014.04.030.
22. Sun B., Yang P., Kattawar G. W., Zhang X. Physical-geometric optics method for large size faceted particles // Opt. Exp. 2017. V. 25. No. 20. P. 24044–24060. DOI:https://doi.org/10.1364/oe.25.024044.
23. 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. P. 4123–4154. DOI:https://doi.org/10.1175/jas-d-12-0124.1.
24. Konoshonkin A.V., Borovoi A.G., Kustova N.V., Okamoto H., Ishimoto H., Grynko Y., Förstner J. Light scattering by ice crystals of cirrus clouds: from exact numerical methods to physical-optics aррroximation // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 195. P. 132–140. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.12.024.
25. Mitchell D.L. Parameterization of the Mie extinction and absorption coefficients for water clouds // J. Atmos. Sci. 2000. V. 57. P. 1311–1326. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(2000)057<1311:POTMEA>2.0.CO;2.
