Исследование оптических свойств атмосферных ледяных кристаллов неправильной формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Шишко Виктор Андреевич

• Шишко Виктор Андреевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Шишко Виктор Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РАССЕЯНИЯ СВЕТА НА

НЕСФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ

1.1 Морфологическая классификация облаков

1.2.1 Микрофизические параметры гексагональных кристаллов перистых облаков

1.2.2 Модели частиц неправильной формы

1.2.3 Размеры частиц

1.2.4 Ориентация ледяных гексагональных кристаллов, характерных для перистых облаков

1.3.1 Матрицы рассеяния света

1.3.2 Системы координат

1.4 Аналитический обзор методов численного решения задачи рассеяния

света

ГЛАВА 2. РАССЕЯНИЕ СВЕТА НЕИДЕАЛЬНЫМИ

ГЕКСАГОНАЛЬНЫМИ АТМОСФЕРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

2.1 Оценка вклада различных оптических пучков в направлении рассеяния назад для неидеальных гексагональных столбиков

2.2 Расчет матриц обратного рассеяния света для неидеальных гексагональных ледяных столбиков методом физической оптики

2.3 Расчет матриц обратного рассеяния света для неидеальных гексагональных пластинок методом физической оптики

2.4 Сравнение деполяризационного и лидарного отношений, рассчитанных методом физической оптики для неидеальных гексагональных пластинок и столбиков

Основные выводы к главе

ГЛАВА 3. РАССЕЯНИЕ СВЕТА НА ВЫПУКЛЫХ ЧАСТИЦАХ НЕПРАВИЛЬНОЙ ФОРМЫ

3.1 Анализ оптических характеристик частиц неправильной формы в рамках приближения геометрической оптики

3.2 Решение задачи в рамках приближения физической оптики

3.3 Когерентный и некогерентный (дифракционный) пики обратного рассеяния

Основные выводы к главе

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВЫ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛИДАРА И РАДАРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИСТЫХ ОБЛАКОВ

4.1 Рассеяние света на сферических частицах

4.2 База данных матриц обратного рассеяния излучения от кристаллических частиц перистых облаков для частот 35 и 94 ГГц

4.3 Одновременное зондирование перистых облаков радаром и лидаром . 104 Основные выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптических свойств атмосферных ледяных кристаллов неправильной формы»

Актуальность темы диссертации

В настоящее время перистые облака являются объектом активного изучения как контактными, так и дистанционными методами, поскольку именно перистые облака являются основным источником неопределенности в современных моделях изменения климата и долгосрочного прогноза погоды [1, 2].

Наиболее распространенными методами дистанционного исследования перистых облаков являются пассивные измерения с помощью как наземных, так и космических радиометров. Относительная простота конструкции и неприхотливость в обслуживании в совокупности с невысокой стоимостью привели к созданию обширной наземной сети таких приборов - сети AERONET [3]. Помимо наземных исследований ведутся также систематические наблюдения и из космоса: MODIS [4], ATSR [5], AVHRR [6] и POLDER [7, 8].

Основным недостатком радиометров является их неспособность построить вертикальный профиль исследуемых параметров, что является очень важным при изучении перистых облаков. Для преодоления этого ограничения были созданы инструменты активного дистанционного зондирования, в первую очередь, лидары. В силу сложности конструкции лидары значительно дороже радиометров и количество таких инструментов существенно меньше. Однако они также объединены в многочисленные лидарные сети: EARLINET [9], AD-Net [10], LALINET/ALINET [11], MPLNet [12], NDACC [13], CIS-LINet [14] и CREST [15]. Стоит отметить, что помимо наземных существуют также космические лидары: LITE [16], БАЛКАН [17], CALIOP [18, 19], CATS (США) [20], ALADIN [21]. Планируется к запуску лидар ATLID на спутнике EarthCARE [22].

Несмотря на большую численность наземных и космических лидаров, основным объектом их исследования является атмосферный аэрозоль. Лишь небольшое количество исследований проводится по изучению перистых облаков. Например, в России исследования проводятся группами ученых под руководством Ю.С. Балина [23], И.В. Самохвалова [24], а за рубежом - под руководством K. Sassen [25, 26], M. Hayman [27, 28], J. Reichardt [29, 30], M. del Guasta [31, 32], J. Pelon [33], V. Noel [34], D. Liu [35], N. Sugimoto [36] и H. Okamoto [37]. Такое положение дел обусловлено отсутствием решения теоретической задачи рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков, необходимого для интерпретации лидарных данных. Поэтому такие исследования ведутся либо с целью изучения качественных характеристик, либо с целью накопления данных в надежде, что в будущем их удастся интерпретировать.

Несмотря на активные попытки решить прямую задачу рассеяния света на частицах перистых облаков как точными численными методами [38-42], так и в рамках приближения геометрической оптики [43-48], существенный прорыв удалось совершить только с применением к таким частицам приближения физической оптики А.А. Поповым и О.В. Шефер [49-51] в ИОА СО РАН. Стоит отметить, что впервые метод физической оптики был применен для решения задачи рассеяния света на сфероидах в 1982 году [52] и в дальнейшем развивался Mazeron P. и Muller S. [53].

Благодаря методу физической оптики удалось решить задачу рассеяния света на идеальных ледяных кристаллических частицах перистых облаков [54-59] и провести ряд успешных интерпретаций лидарных данных [60-63]. Однако сравнения теоретических расчетов с результатами экспериментальных наблюдений показали, что перистые облака не могут быть представлены лишь частицами идеальной формы. Для корректной интерпретации лидарных данных необходимо дополнить банк данных

решением задачи рассеяния света для частиц неправильной формы и частиц произвольной формы.

Таким образом, целью данной диссертации является исследование основных закономерностей в рассеянии света на ледяных кристаллах неправильной и случайной форм в рамках метода физической оптики, а также расчет матрицы рассеяния света для таких частиц в окрестности направления рассеяния назад, что имеет существенное значение для задач лазерного зондирования перистых облаков.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

- исследование влияния искажения формы кристалла на решение задачи рассеяния света в направлении рассеяния назад;

- расчет матриц обратного рассеяния света для неидеальных гексагональных пластинок и столбиков;

- анализ оптических характеристик частиц неправильной формы;

- исследование когерентного и дифракционного пиков в обратном рассеянии;

- исследование перспектив совместного использования лидара и радара для изучения микрофизических параметров перистых облаков.

Научная новизна результатов состоит в следующем:

• Исследовано влияние искажения формы идеальных гексагональных частиц на пик обратного рассеяния света. Полученное решение для деформированных гексагональных столбиков и пластинок дополняет имеющийся в ИОА СО РАН банк данных матриц обратного рассеяния света и представлено в свободном доступе;

• Проработаны вопросы минимизации расчетной сетки по углам ориентации и деформации частицы, а также проведено обоснование

полученных результатов в контексте распространений оптических пучков в частице;

• Показано, что для рассмотренных кристаллов существуют ограниченные наборы траекторий оптических пучков дающих преобладающий вклад в направлении рассеяния назад;

• Установлено, что использование смеси кристаллов идеальной и неправильной формы позволяет добиться лучшего согласия с экспериментальными данными, чем при использовании только ансамбля состоящего из идеальных кристаллов;

• Показано, что у гексагональных ледяных столбиков наблюдается эффект роста деполяризационного отношения при небольших углах искажения формы кристалла, в то время как у гексагональных пластинок данный эффект отсутствует;

• Получено решение задачи рассеяния света на сферических частицах свободное от высокочастотных осцилляций, позволяющее строить эффективные алгоритмы интерпретации лидарных данных;

• Показано, что в рамках приближения физической оптики рассеянный в обратном направлении свет может быть разделен на две качественно разные части: когерентную и некогерентную;

• Построена уникальная база данных отношений радарного сигнала к лидарному. Решение получено в рамках приближения физической оптики и метода дискретных диполей.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 192 наименований. Каждая глава состоит из краткой аннотации, основной части и заключения в виде основных выводов по рассматриваемой главе. Общий объем работы 143 страницы, включая 60 рисунков и 4 таблицы.

Во введении описывается важность выбранной темы, ее актуальность и место в мировой научной повестке, цель работы, новизна полученных результатов, формулируются защищаемые положения, кратко описано содержание диссертации по главам, приводятся данные о публикациях и личном вкладе автора.

В первой главе рассматривается постановка задачи рассеяния света на несферических частицах. Проводится краткий обзор современных методов численного решения задачи рассеяния света. Вводятся системы координат и понятие матрицы рассеяния света. Обсуждаются микрофизические параметры и модели частиц перистого облака.

Вторая глава посвящена решению задачи рассеяния света на неидеальных гексагональных атмосферных кристаллах и анализу результатов, полученных в рамках приближения физической оптики. В данной главе впервые проведен комплексный анализ оптических характеристик неидеальных гексагональных атмосферных кристаллов. В частности, описана дифракционная природа пика обратного рассеяния, наблюдаемого у гексагональных ледяных кристаллов. Получена оценка вклада различных оптических пучков в направлении рассеяния назад.

В результате исследования ранее накопленный банк данных матриц обратного рассеяния света, рассчитанный для кристаллических частиц идеальной формы, был дополнен матрицами для частиц неправильной формы, что позволило добиться лучшего согласия экспериментальных наблюдений и полученных расчетов.

В третьей главе представляется решение задачи рассеяния света на крупных (при параметрах размера х > 100) случайно ориентированных несферических частицах с плоскими гранями в рамках приближения как геометрической, так и физической оптик. Показано принципиальное отличие между гексагональными кристаллами и выпуклыми частицами случайной формы в формировании пика обратного рассеяния.

В четвертой главе описываются перспективы совместного использования лидара и радара для исследования микрофизических характеристик перистых облаков. В данной главе представлено отношение радар-лидар, полученное в рамках приближения физической оптики и метода дискретных диполей, а также показана возможность восстановления размеров кристаллов независимо от их формы. А также установлено, что деполяризационное отношение лидара является наиболее эффективной характеристикой для восстановления формы кристаллов перистых облаков.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Показано, что наблюдаемое при лазерном зондировании перистых облаков в условиях реализации однократного рассеяния деполяризационное отношение порядка 0,4 на длине волны 0,532 мкм, не может быть объяснено решением задачи рассеяния света на идеальных ледяных кристаллах, и обусловлено отсутствием у частиц в облаке уголкового отражения. Установлено, что уголковое отражение пропадает уже при небольшой деформации прямого двугранного угла гексагонального ледяного столбика на величину порядка 0,38X/D и больше (длина волны/диаметр окружности, описывающей основание гексагонального кристалла).

2. Для отдельно взятой хаотически ориентированной атмосферной ледяной кристаллической частицы случайной выпуклой формы в направлении рассеяния назад в рамках приближения геометрической оптики может существовать как резкий пик интенсивности угловым размером порядка Ш, так и провал того же размера. Однако при усреднении по ансамблю таких частиц в окрестности направления рассеяния назад в рамках приближения геометрической оптики наблюдается гладкая функция без пиков и провалов. Здесь й - диаметр сферы, описывающей частицу.

3. При учете волновых свойств света в рамках метода физической оптики для ансамбля хаотически ориентированных ледяных кристаллических частиц случайной выпуклой формы с параметром размера х наблюдается когерентный пик интенсивности с угловой шириной Д0соь ~ п/х в окрестности направления рассеяния назад. Коэффициент усиления такого когерентного пика не может превышать 2. Здесь параметр размера х равен пЛ/Х, где Х - длина волны, й - диаметр сферы, описывающей частицу.

4. Отношение коэффициентов обратного рассеяния ансамбля хаотически ориентированных атмосферных кристаллов различной формы для радарных длин волн (8565 и 3189 мкм) и лидарных длин волн (0,355; 0,532 и 1,064 мкм) пропорционально модальному размеру кристаллов в четвертой степени и практически не зависит от их формы в диапазоне модальных размеров от 10 до 100 мкм. Здесь ансамбль подчиняется гамма распределению частиц по размерам. Под размером понимается радиус сферы того же объема что и кристалл.

Практическая значимость работы:

• Построен банк данных матриц обратного рассеяния микроволнового излучения для ледяных частиц, характерных для перистых облаков для частот 35 и 94 ГГц. Банк данных представлен в открытом доступе;

• Построенный банк данных матриц обратного рассеяния света и отношения радар-лидар представляют собой большую практическую ценность для интерпретации радарных и лидарных данных;

• Полученное решение задачи рассеяния света на сферических частицах в рамках теории Г. Ми, свободное от высокочастотных осцилляций, позволяет строить эффективные алгоритмы интерпретации лидарных данных для прикладных задач;

• Результаты работы использованы при выполнении грантов: РФФИ 1505-06100 «Исследования микрофизических характеристик перистых облаков

сканирующим поляризационным лидаром» (2015-2017 гг.), 18-05-00568 «Разработка оптической и микрофизической модели перистых облаков для задач лидарного зондирования» (2018-2020 гг.), 18-55-53046 «Совместное использование лидарных и радарных сигналов при исследовании микрофизических характеристик перистых облаков» (2018-2019 гг.) и РНФ № 18-77-10035 «Восстановление пространственной ориентации атмосферных кристаллических частиц из данных поляризационного сканирующего лидара и спутниковых наблюдений» (2018-2021 гг.).

Достоверность полученных результатов обеспечена:

- физической непротиворичивостью и адекватностью используемых математических моделей;

- применением методов решения задачи рассеяния света, для которых установлены границы применимости и точность;

- хорошим согласием рассчитанных данных с результатами экспериментальных наблюдений, а также результатами других авторов;

- сеточной сходимостью расчетных данных.

Публикации по теме диссертации

Основные результаты исследований представлены в 26 публикациях, семь из которых - в издании, входящем в перечень российских рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, две статьи опубликованы в изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования Scopus и Web of Science, 17 статей в материалах международных конференций.

Апробация работы

Материалы по теме диссертации представлялись на следующих международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: XXI

Всероссийской конференции «Теоретические основы конструирования численных алгоритмов и решение задач математической физики» (Дюрсо, 2016); международной конференции «Remote sensing» (Edinburgh, UK, 2016); XXV Всероссийской открытой научной конференции «Распространение радиоволн» (Томск, 2016); международной молодежной научной школе «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2016); XXII-XXVI Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2015-2019); XXIII международной научно-практической конференции «Развитие науки в XXI веке» (Харьков, Украина, 2017); 55-й Международной научной студенческой конференции МНСК-2017 (Новосибирск, 2017); XXII-XXV международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2016, 2018; Иркутск, 2017; Новосибирск, 2019); международном симпозиуме «Атмосферная радиация и динамика» (Санкт-Петербург-Петродворец, 2017); международной конференции «Electromagnetic and Light Scattering» (Maryland, USA, 2017); 28-й и 29-й международной конференции «International Laser Radar Conference» (Bucharest, Romania, 2017; Hefei, China, 2019); Всероссийской научной конференции «ВНКСФ-24» (Томск, 2018); XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2018); 8-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2019).

Личный вклад автора

Соискатель принимал непосредственное участие в постановке всех задач, рассмотренных в диссертации. Диссертант лично разрабатывал необходимые алгоритмы и лично провел все численные эксперименты, необходимые для исследования оптических свойств неидеальных частиц и частиц случайной формы. Соискатель лично проводил исследование оптических характеристик искаженных гексагональных столбиков в

зависимости от угла искажения частицы, для чего провел оценку вклада оптических траекторий в направление рассеяния света назад и применил динамическую расчетную сетку. Соискателем также получено решение задачи рассеяния света на частицах произвольной формы как в рамках геометрической, так и физической оптики. Соискатель принимал непосредственное участие в анализе обнаруженного им когерентного пика обратного рассеяния у такого рода частиц. Соискатель лично построил банк данных решений задачи рассеяния электромагнитного излучения на атмосферных ледяных частицах для радаров, функционирующих на частотах 35 и 94 ГГц. Уникальный банк данных для интерпретации совместных лидарно-радарных исследований перистых облаков также построен при непосредственном участии соискателя. Обработка и анализ результатов выполнены диссертантом совместно с научным руководителем.

Вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены автором совместно с научным руководителем либо самостоятельно. В диссертации отсутствует заимствование материалов без ссылки на авторов или источник заимствования. В списке опубликованных работ указаны все соавторы.

ГЛАВА 1. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РАССЕЯНИЯ СВЕТА НА НЕСФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ

В настоящее время существует множество алгоритмов как точного, так и приближенного решения задачи рассеяния света, в связи с этим необходимо провести аналитический обзор методов численного решения задачи рассеяния света на частицах, характерных для перистых облаков для того, чтобы выбрать оптимальный.

1.1 Морфологическая классификация облаков

Облака формируются, когда вода испаряется из океанов и других водоемов (озер, прудов, водохранилищ), переносится конвекцией, орографическим или фронтальным подъемом, поднимаясь в верхнюю, более холодную часть атмосферы. Формирование облаков обычно требует взаимодействия водяного пара с разновидностью аэрозоля, относящегося к так называемым ядрам конденсации или ледообразующим ядрам. Облако становится видимым после охлаждения водяного пара в условиях насыщения водой или льдом. Тем не менее некоторые очень тонкие облака могут быть не видны человеческим глазом и классифицируются как субвизуальные облака. Облака обычно образуются в тропосфере, в самом нижнем слое атмосферы, где наиболее активны погодные явления. Облачность зависит от гидрологического цикла, который включает: испарение, образование облаков, выпадение осадков, сток и крупномасштабную циркуляцию.

В соответствии с определением Всемирной Метеорологической Организации облака традиционно классифицируются с точки зрения их внешнего вида (формы) и положения в атмосфере. Облака, нижняя граница которых достигает высоты более 6 км, называются облаками верхнего яруса (к которым относятся перистые (О), перисто-слоистые (Cs) и перисто-кучевые (Сс)). Эти облака состоят из частиц, имеющих кристаллическую

структуру. Перистые (С^ облака классифицируются как белые, волокнистые, тонкие и прозрачные. В умеренных широтах большое количество облаков этого типа, как правило, связаны с приближающимся штормом. Региональная конвективная неустойчивость придает перисто-кучевым (Сс) облакам вид мелких волн, хлопьев или ряби. Перисто-слоистые (Cs) облака имеют вид однородной пелены, покрывающей большую площадь неба, являются предшественником дождя или снега.

Облаками среднего яруса (высота нижней границы от 2 до 6 км) являются высоко-кучевые (Ас) и высоко-слоистые (As), в них могут сосуществовать ледяные кристаллы и капли воды. Появление высококучевых (Ас) облаков является признаком конвективной нестабильности на уровне их формирования. Этот тип облака может приносить осадки в виде дождя, который испаряется, не долетев до земли (так называемая вирга). Высоко-слоистые (As) облака образуются, когда устойчивая воздушная масса поднимается до уровня конденсации вдоль движения атмосферного фронта, что может приводить к выпадению осадков.

Облака нижнего яруса имеют высоту нижней границы ниже 2 км и включают в себя слоистые слоисто-кучевые ^с) и кучевые (Си). Облака этого яруса содержат исключительно капли воды. Слоисто-кучевые ^с) облака имеют бугорчатый вид. Они образуются в нестабильной воздушной массе, следующей после холодного воздушного фронта и могут вызывать небольшой дождь или мелкую морось. Слоистые облака формируются вблизи поверхности Земли, обычно над прибрежными океанами, имеют четко очерченное основание и могут вызывать морось. Кучевые (Си) облака являются продуктом нестабильности конвективной воздушной массы и часто связаны с ясной погодой.

Другие типы облаков связаны с устойчивым вертикальным развитием. Кучево-дождевые облака (СЬ) представляют собой кучевые облака вертикального развития, образованные в результате сильных конвективно

неустойчивых условий, преимущественно возникающих в тропических океанах и на суше летом. Они выглядят темно-серыми с высотой нижней границы основания облака около 1 км, а вершина облака может простираться до верхней границы тропосферы и изредка в нижнюю стратосферу (вплоть до 15-18 км). Они производят грозы, ливни, а иногда и град. Верхняя часть этих облаков может содержать как лед, так и смесь льда и воды. Слоисто-дождевые (№) - это тип облаков, имеющий тенденцию вызывать осадки и плохую видимость. Обычно они образуются из высоко-слоистых (As) облаков и могут во время осадков опускаться на более низкие высоты.

Кучево-дождевые облака (СЬ) образовывают значительное количество анвилей (облака, профиль которых выглядит как наковальня) в тропиках. Дрейфуя с ветрами, они могут существовать часами и впоследствии превращаться в облака верхнего яруса, прежде чем рассеяться.

Высокоуровневые ледяные облака, создаваемые реактивными самолетами, известны как инверсионные или конденсационные следы [64]. Конденсационные следы - видимые линии облаков, формирующиеся в результате выбросов водяных паров, которые образуются позади самолетов, летящих в достаточно холодном воздухе. Устойчивые конденсационные следы часто превращаются в более обширные перистые облака, в частности, в пересыщенных льдом воздушных массах, в которых пересыщение льда недостаточно для того, чтобы предоставить возможность перистым облакам формироваться естественным образом [65]. Конденсационные следы могут усилить протяженность естественного покрова перистого облака в прилегающих областях, где относительная влажность слишком низка для самопроизвольного зарождения кристаллов льда [65].

Важно отметить, что облака также наблюдались и в верхних слоях атмосферы. Тип ледяного кристаллического облака, известного как полярное стратосферное облако ^С), часто наблюдается в полярной стратосфере между 15 и 20 км. Эти облака часто обнаруживались спутниками над

Арктикой и Антарктикой в зимние месяцы, когда температура окружающей среды опускалась ниже 78°С. Конденсация водяного пара и азотной кислоты (HNO3) приводит к образованию тригидрата азотной кислоты, который служит ядром для роста кристалла льда. В стратосфере между 20 и 30 км был обнаружен еще один тип тонкого облака, напоминающего форму перистого (Ci), этот тип облака был назван перламутровыми облаками. Эти облака образуются в результате осаждения льда на замороженные частицы серной кислоты. В мезосфере между 50 и 55 км наблюдался тип облаков, известный как серебристые облака. Эти облака очень тонкие и напоминают перистые.

1.2.1 Микрофизические параметры гексагональных кристаллов перистых облаков

Ледяные кристаллические частицы перистого облака характеризуются своими размерами, формами и ориентацией в пространстве. Принято считать, что для перистых облаков размеры таких кристаллов лежат в диапазоне от 10 до 1000 мкм [66, 67]. Форма частиц входящих в состав перистых облаков разнообразна, наиболее часто встречаются гексагональные столбики и пластинки, реже - гексагональные пули, дроксталлы, агломераты из гексагональных пуль называемые bullet rosette и др.

В ряде работ [24, 68] показано, что ориентация частиц в перистом облаке оказывает сильное влияние на радиационный баланс планеты. Ориентированные кристаллические частицы могут как отражать приходящее солнечное излучение, так и выступать «экраном», усиливающим влияние парникового эффекта [69].

Ориентация частиц обусловлена такими явлениями, как аэродинамическое торможение, броуновские и атмосферные флуктуации, а на мелкие кристаллы также оказывает влияние электрическое поле Земли [70].

На рисунке 1 и 2 в качестве примера показаны взятые из работы [71] фотографии ледяных гексагональных столбиков и пластинок, соответственно, полученные в ходе различных экспедиций в период с 2006 по 2010 год: Tropical Warm Pool International Cloud Experiment (TWP-ICE), проведенной в тропиках в 2006 году, Indirect and Semi-Direct Aerosol Campaign (ISDAC), проведенной в Арктике в 2008 году, и Small PARTicles In CirrUS (SPARTICUS), проведенной в умеренных широтах в 2010 году.

200 цм

Ч * \ 0

Si

N ш\

Рисунок 1 - Фотографии ледяных гексагональных столбиков, полученные в ходе различных экспедиций в период с 2006 по 2010 год.

Рисунок 2 - Фотографии ледяных гексагональных пластинок, полученные в ходе экспедиции БРАЕПСШ в 2010 году.

Из рисунков 1 и 2 видно, что в природе часто встречаются кристаллы неправильной формы.

Также в работе [71] представлена статистика по формам частиц, полученная в ходе различных экспедиций, направленных на исследование перистых облаков с 2006 по 2010 год, данные, полученные в ходе экспедиций, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Данные, полученные в ходе различных экспедиций, направленных на исследование перистых облаков с 2006 по 2010 год [71]

Экспедиция Число исследуемых образцов Концентрация форм, %

Столбики Пластинки Другие (агломераты и частицы сложной формы)

TWP-ICE 4799 40,9% 43,5% 14,5%

SPARTICUS 13 919 48,3% 10,8% 40,9%

^АС 3787 70,7% 9,2% 20,1%

В работе [71] отмечены вариации концентраций столбиков и пластинок в разных экспериментах. Как видно, в перистых облаках преобладают столбики и пластинки, реже - частицы сложной формы.

1.2.2 Модели частиц неправильной формы

В природе деформация ледяных кристаллов может быть двух типов. Во-первых, это деформация, вызванная внутренними включениями, такими

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шишко Виктор Андреевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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.

2. Intergovernmental Panel on Climate, Change. Climatechange2007 -the physical science basis: contribution of working group I to the fourth. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

3. Aerosol Robotic Network (AERONET) Homepage, [Электронный ресурс]. URL: https://aeronet.gsfc.nasa.gov (дата обращения 20 марта 2020).

4. 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. Clim. 2009. V. 48. P. 818-832.

5. Baran A.J., Watts P.D., Foot J.S. Potential retrieval of dominating crystal habit and size using radiance data from a dual-view and multiwavelength instrument: A tropical cirrus anvil case // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 60756082.

6. Key J., Intrieri J. Cloud particle phase determination with the AVHRR // J. Appl. Meteorol. 2000. V. 39. P. 1797-1805.

7. Riedi J., Marchant B., Platnick S., Baum B., Thieuleux F., Oudard C., Parol F., Nicolas J.-M., Dubuisson P. Cloud thermodynamic phase inferred from merged POLDER and MODIS data // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2007. V. 7. P. 4103-4137.

8. Sun W.B., Loeb N.G., Yang P. On the retrieval of ice cloud particle shapes from POLDER measurements // J. Quant. Spec. Rad. Transf. 2006. V. 101. P. 435-447.

9. A European Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology: EARLINET, [Электронный ресурс]. URL: http://www.earlinet.org (дата обращения 21 марта 2020).

10. AD-Net, the Asian dust and aerosol lidar observation network [Электронный ресурс]. URL: http://www-lidar.nies.go.jp/AD-Net/ (дата обращения 21 марта 2020).

11. The Latin America Lidar Network (LALINET a.k.a. ALINE) [Электронный ресурс]. URL: http://www.lalinet.org/ (дата обращения 21 марта 2020).

12. The NASA Micro-Pulse Lidar Network (MPLNET), [Электронный ресурс]. URL: https://mplnet.gsfc.nasa.gov (дата обращения 21 марта 2020).

13. Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC), [Электронный ресурс]. URL: http://www.ndsc.ncep.noaa.gov/ (дата обращения 21 марта 2020).

14. Atmosphere Aerosol and Ozone Monitoring in CIS Regions through Lidar Network (CIS-LiNet), [Электронный ресурс]. URL: http://www.istc.int/ru/project/F7ACDCD76036CA9AC3256EDD002F619A (дата обращения 21 марта 2020).

15. 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 Conferences. 2016. V. 119-19005.

16. 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.

17. Балин Ю.С., Тихомиров А.А. История создания и работы в составе орбитальной станции "Мир" первого российского космического лидара БАЛКАН // Оптика атмосферы и океана. 2011. V. 24, № 12. С. 10781087.

18. Winker D.M., Pelon J., McCormick M.P. The CALIPSO mission: Spaceborne lidar for observation of aerosols and clouds // Proc. SPIE. 2002. V. 4893.

19. 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).

20. Cloud-Aerosol Transport System (CATS), [Электронный ресурс]. URL: https://cats.gsfc.nasa.gov/ (дата обращения 21 марта 2020).

21. Morançais D., Fabre F., Schillinger M., Barthès J.C., Endemann M., Culoma A., Durand Y. ALADIN: the first European Lidar in space // Proc. of SPIE. 2017. V. 10568-1056802.

22. The Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE), [Электронный ресурс].

https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/The_Living_Planet_Progra mme/Earth_Explorers/EarthCARE/ESA_s_cloud_aerosol_and_radiation_mission (дата обращения 21 марта 2020).

23. Балин Ю.С., Кауль Б.В., Коханенко Г.П. Наблюдение зеркально отражающих частиц и слоев в кристаллических облаках // Оптика атмосф. и океана. 2012. V. 25, № 4. С. 293-299.

24. Самохвалов И.В., Кауль Б.В., Насонов С.В., Животенюк И.В., Брюханов И.Д. Матрица обратного рассеяния света зеркально отражающих слоев облаков верхнего яруса, образованных кристаллическими частицами, преимущественно ориентированными в горизонтальной плоскости // Оптика атмосф. и океана. 2012. V. 25, № 5. С. 403-411.

25. 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.

26. 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.

27. Hayman M., Spuler S., Morley B. Polarization lidar observations of backscatter phase matrices from oriented ice crystals and rain // Opt. Express. 2014. V. 22. P. 16976-16990.

28. 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.

29. 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.

30. 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. (D22201).

31. del Guasta M., Vallar E., Riviere O., Castagnoli F., Venturi V., Morandi M. Use of polarimetric lidar for the study of oriented ice plates in clouds // Appl. Opt. 2006. V. 45. P. 4878-4887.

32. del Guasta M. Calcolo delle proprieta' ottiche dei cristalli di ghiaccio mediante il metodo del tracciamento dei raggi, Applicazione al LIDAR a retrodiffusione // Tech. Rep. TR/GCF/95.04. IROE CNR., Florence, 1995. 42 pp.

33. 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 // Journal of Applied Meteorology. 2005. V. 44, № 6. P. 860-875.

34. Haeffelin M., Barthès L., Bock O., Boitel C., Bony S., Bouniol D., Chepfer H., Chiriaco M., Cuesta J., Delanoë J., Drobinski P., Dufresne J.-L., Flamant C., Grall M., Hodzic A., Hourdin F., Lapouge F., Lemaître Y., Mathieu A., Noël V. SIRTA, a ground-based atmospheric observatory for cloud and aerosol research // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 253-275.

35. Wang Z., Liu D., Xie C., Zhou J. An Iterative Algorithm to Estimate LIDAR Ratio for Thin Cirrus Cloud over Aerosol Layer // Journal of the Optical Society of Korea. 2011. V. 15, № 3. P. 209-215.

36. 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 Conference Proceedings. 2013. V. 1531. P. 492-495.

37. 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).

38. Yang P., Liou K.N. Light scattering by hexagonal ice crystals: Comparison of finite-difference time domain and geometric optics models // Journal of the Optical Society of America A: Optics and Image Science, and Vision. 1995. V. 12, № 1. P. 162-176.

39. Bi L., Yang P. Modeling of light scattering by biconcave and deformed red blood cells with the invariant imbedding T-matrix method // Journal of biomedical optics. 2013. V. 18-055001.

40. Chen G., Yang P., Kattawar G. W. Application of the pseudospectral time-domain method to the scattering of light by non-spherical particles // J. Opt. Soc. Am. 2008. V. 25. P. 785-790.

41. Liu C., Panetta R.L., Yang P. Application of the pseudo-spectral time domain method to compute particle single-scattering properties for size parameters up to 200 // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2012. V. 113. P. 1728-1740.

42. Bi L., Yang P. Accurate simulation of the optical properties of atmospheric ice crystals with the invariant imbedding T-matrix method // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 138. P. 17-35.

43. Cai Q., Liou K.N. Polarized light scattering by hexagonal ice crystals: Theory // Appl. Opt. 1982. V. 21. P. 3569-3580.

44. Muinonen K. Scattering of light by crystals: a modified Kirchhoff approximation // Appl. Opt. 1989. V. 28. P. 3044-3050.

45. Macke A. Scattering of light by polyhedral ice crystals // Appl. Opt. 1993. V. 32. P. 2780-2788.

46. Волковицкий О.А., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 198 c.

47. Yang P., Liou K.N. Light scattering by hexagonal ice crystals: Comparison of finite-difference time domain and geometric optics models // J. Opt. Soc. Am. A. 1995. V. 12. P. 162-176.

48. Ice cloud bulk scattering models, [Электронный ресурс]. URL: https://www.ssec.wisc.edu/ice_models/ (дата обращения 21 марта 2020).

49. Попов А.А. О когерентном сложении рассеянного и дифракционного полей в задачах светорассеяния на крупных кристаллах // Доклады академии наук СССР. 1988. Т. 303, № 3. C. 594-597.

50. Попов А.А., Шефер О.В. Аналитическое выражение коэффициента ослабления излучения кристаллами в виде пластинок // Оптика атмосферы. 1989. Т. 2, № 5. С. 532-536.

51. Попов А.А., Шефер О.В. Простейшая интерпретационная схема для данных поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3, № 1. С. 44-50.

52. Ravey J.-C., Mazeron P. Light scattering in the physical optics approximation: application to large spheroids // J. Opt. (Paris). 1982. V. 13, № 5. P. 273-282.

53. Mazeron P., Muller S. Light scattering by ellipsoids in a physical optics approximation // Applied Optics. 1996. V. 35, № 19. P. 3726-3735.

54. Кустова Н.В. Методы геометрической и физической оптики в задаче рассеяния света атмосферными ледяными кристаллами: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Томск. 2009. 22 c.

55. Popov A.A., Shefer O.V. Theoretical and numerical investigations of the intensity of lidar signal specular-reflected from a set of oriented plates // J. Appl. Opt. 1994. V. 33, № 30. P. 7038-7044.

56. Popov A.A., Shefer O.V. Theoretical and numerical investigation of the polarization properties by a set of oriented ice plates // J. Appl. Opt. 1995. V. 34, № 4. P. 1488-1492.

57. Шефер О.В. Оптическая модель пластинчатого кристалла применительно к бистатическому поляризационному лазерному зондированию кристаллических облаков // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12, № 7. С. 573-577.

58. Shefer O., Popov A. Extinction and small angle scattering by thin plate crystals // Appl. Opt. 2010. V. 49, № 8. P. 1434-1445.

59. Shefer O. Numerical study of extinction of visible and infrared radiation transformed by preferentially oriented plate crystals // J. Quant. Spectr. Rad. Trans. 2013. V. 117. P. 104-113.

60. Шефер О.В. Возможность определения параметров спектра размеров пластинчатых кристаллов и их флаттера по данным моностатического и бистатического лазерного зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2003. T. 16, № 4. С. 347-353.

61. Шефер О.В. К интерпретации зеркально отраженного оптического излучения для определения физических параметров пластинок // Оптика атмосферы и океана. 2002. T. 15, № 10. С. 887-893.

62. 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 атмосферы и океана. 2019. Т. 32, № 03. С. 186-192.

63. Самохвалов И.В., Брюханов И.Д., Шишко В.А., Кустова Н.В., Ни Е.В., Коношонкин А.В., Локтюшин О.Ю., Тимофеев Д.Н. Оценка микрофизических характеристик конденсационных следов самолетов по данным поляризационного лидара: теория и эксперимент // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32, № 03. С. 193-201.

64. Appleman H. The formation of exhaust condensation trails by jet aircraft // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1953. V. 34. P. 14-20.

65. Minnis P., Young D. F., Garber D. P., Nguyen L., Smith W.L., Palikonda R. Transformation of contrails into cirrus during SUCCESS // Geophys. Res. Lett. 1998a. V. 25. P. 1157-1160.

66. Mitchell D.L., Arnott W.P. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part II: dependence of absorption and extinction on ice crystal morphology // Journal of the Atmospheric Sciences. 1994. V. 51. P. 817-832.

67. Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // Journal of the Atmospheric Sciences. 1970. V. 29. P. 311-317.

68. Baker B.M. Cloud microphysics and climate // Science. 1997. V. 276. P. 1072-1078.

69. Ramanathan V., Collins W. Thermodynamic regulation of ocean warming by cirrus clouds deduced from observations of the 1987 El Nino // Nature. 1991. V. 351. P. 27-32.

70. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. 194 с.

71. 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.

72. Liu C., Panetta R.L., Yang P. The effective equivalence of geometric irregularity and surface roughness in determining particle single-scattering properties // Opt. Express. 2014. V. 22. P. 23620-23627.

73. 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.

74. del Guasta M. Simulation of LIDAR returns from pristine and deformed hexagonal ice prisms in cold cirrus by means of "face tracing" // Journal of Geophysical Research Atmospheres. 2001. V. 106. P. 12589-12602.

75. Borovoi A., Kustova N., Konoshonkin A. Interference phenomena at backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 24557-24571.

76. Heymsfield A.J. Ice crystal terminal velocities // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. P. 1348-1357.

77. 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.

78. Davis C.I. The ice-nucleating characteristics of various Agl aerosols : PhD Dissertation. - University of Wyoming. 1974. 267 pp.

79. 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.

80. Mitchell D.L. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part 1. Microphysics // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. P. 797-816.

81. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N., Okamoto H. Backscattering Mueller matrix for quasihorizontally oriented ice plates of cirrus clouds: application to CALIPSO signals // Optics Express. 2012. V. 20. P. 28222-28233.

82. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Ориентация частиц в кристаллических облаках Ci: Часть 2. Азимутальная ориентация // Оптика атмосферы и океана. 2006. V. 19. С. 44-46.

83. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Физические факторы, определяющие пространственную ориентацию частиц кристаллических облаков // Оптика атмосферы и океана. 2008. V. 21. С. 27-34.

84. ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. 537 с.

85. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: Wiley, 1983. 530 pp.

86. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen // Ann. Phys. 1908. V. 25. P. 377-445.

87. Asano S., Yamamoto G. Light scattering by a spheroidal particle // Appl. Opt. 1975. V. 14. P. 29-49.

88. Луговцов А.Е., Никитин С.Ю., Приезжев А.В. Лучеволновое приближение для расчета рассеяния лазерного изучения прозрачной диэлектрической сфероидальной частицей // Квантовая электроника. 2008. Т. 38, № 6. С. 606-611.

89. Yurkin M.A., Maltsev V.P., Hoekstra A.G. The discrete dipole approximation for simulation of light scattering by particles much larger than the wavelength // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2007. V. 106. P. 546-557.

90. Yang P., Liou K.N. Geometric-optics-integral-equation method for light scattering by nonspherical ice crystals // Appl. Opt. 1996. V. 35. P. 65686584.

91. Macke A., Mueller J., Raschke E. Scattering properties of atmospheric ice crystals // J. Atmos. Sci. 1996. V. 53. P. 2813-2825.

92. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 1. Теоретические основы алгоритма. // Оптика атмосферы и океана. 2015. V. 28. С. 324-330.

93. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 2. Сравнение с алгоритмом трассировки лучей. // Оптика атмосферы и океана. 2015. V. 28. С. 331-337.

94. 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. 14921508.

95. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Осипов В.А., Боровой А.Г., Masuda К., Ishimoto H., Okamoto H. Метод физической оптики для решения задачи рассеяния света на кристаллических ледяных частицах: сравнение дифракционных формул. // Оптика атмосферы и океана. 2015. V. 28. С. 830843.

96. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Граница применимости приближения геометрической оптики для решения задачи обратного рассеяния света на квазигоризонтально ориентированных гексагональных ледяных пластинках // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. С. 705-712.

97. 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.

98. Yee S.K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propag. 1966. V. 14. P. 302-307.

99. Taflove A., Brodwin M.E. Numerical solution of steady-state electromagnetic scattering problems using the time-dependent Maxwell's equations // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1975. V. MTT-23. P. 623-630.

100. Kunz K.S., Lee K.-M. A three-dimensional finite-difference solution of the external response of an aircraft to a complex transient EM environment. Part I: The method and its implementation // IEEE Trans. Electromagn. Compat. 1978. V. EMC-20. P. 328-333.

101. Umashankar K., Taflove A. A novel method to analyze electromagnetic scattering of complex objects // IEEE Trans. Electromagn. Compat. 1982. V. EMC-24. P. 397-405.

102. Taflove A., Umashankar K.R. The finite-difference time-domain method for numerical modeling of electromagnetic wave interactions with arbitrary structures // Progress in Electromagnetics Research (PIER). 1990. V. 2. P. 287373.

103. Yang P., Liou K.N. Finite-difference time domain method for light scattering by small ice crystals in three-dimensional space // J. Opt. Soc. Am. A. 1996. V. 13. P. 2072-2085.

104. Sun W., Fu Q., Chen Z. Finite-difference time-domain solution of light scattering by dielectric particles with a perfectly matched layer absorbing boundary condition // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 3141-3151.

105. Lu J.Q., Yang P., Hu, X.-H. Simulations of light scattering from a biconcave red blood cell using the finite-difference time-domain method // J. Biomed. Opt. 2005. V. 10-024022.

106. Yurkin M.A., Hoekstra A.G., Brock R.S., Lu J.Q. Systematic comparison of the discrete dipole approximation and the finite difference time domain method for large dielectric scatterers // Opt. Express. 2007. V. 15. P. 17902-17911.

107. Yang P., Liou K.N. Light scattering and absorption by non-spherical ice crystals. In Light Scattering Reviews: Single and Multiple Light Scattering, ed. A. Kokhanovsky. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag , 2006. P. 31-71.

108. Liu Q.H. The PSTD algorithm: A time-domain method requiring only two cells per wavelength // Microw. Opt. Technol. Lett. 1997. V. 15. P. 158-165.

109. Panetta R. L., Liu C., Yang P. A pseudo-spectral time domain method for light scattering computation. In Light Scattering Reviews 8, ed. A. A. Kokhanovsky, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. 634 pp.

110. Liu C., Bi L., Panetta R. L., Yang P., Yurkin M. A. Comparison between the pseudo-spectral time domain method and the discrete dipole approximation for light scattering simulations // Opt. Express. 2012. V. 20. P. 16763-16776.

111. Chandrasekhar S. Radiative Transfer. London: Oxford University Press, 1950.

112. Johnson B.R. Invariant imbedding Tmatrix approach to electromagnetic scattering // Appl. Opt. 1988. V. 27. P. 4861-4873.

113. Barber P.W., Hill S.C. Light Scattering by Particles: Computational Methods. Singapore: World Scientific, 1990.

114. Mishchenko M.I., Travis L.D., Lacis A.A. Scattering, absorbtion, and emission of light by small particles. Cambridge: Cambridge university press., 2002. 445 pp.

115. Doicu A., Wriedt T., Eremin Y.A. Light Scattering by Systems of Particles - Null-Field Method with Discrete Sources: Theory and Programs. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006.

116. Purcell E.M., Pennypacker C.R. Scattering and absorption of light by nonspherical dielectric grains // Astrophys. J. 1973. V. 186. P. 705-714.

117. DeVoe H. Optical properties of molecular aggregates. I: Classical model of electronic absorption and refraction // J. Chem. Phys. 1964. V. 41. P. 393-400.

118. Draine B.T. The discrete-dipole approximation and its application to interstellar graphite grains // Astrophys. J. 1988. V. 333. P. 848-872.

119. Draine B.T., Flatau P.J. User guide for the discrete dipole approximation code DDSCAT (Version 5a), [Электронный ресурс]. URL: http: //www. astro. princeton. edu/~draine/UserGuide/UserGuide. html (дата обращения 27 июля 2017).

120. Flatau P.J., Draine B.T. Light scattering by hexagonal columns in the discrete dipole approximation // Opt. Exp. 2014. V. 22. P. 21834-21846.

121. Yurkin M.A., Hoekstra A.G. User manual for the discrete dipole approximation code ADDA 1.3b4, [Электронный ресурс]. URL: http://a-dda.googlecode.com/svn/tags/rel_1.3b4/doc/manual.pdf (дата обращения 27 июля 2017).

122. Wendling P., Wendling R., Weickmann H.K. Scattering of solar radiation by hexagonal ice crystals // Appl. Opt. 1979. V. 18. P. 2663-2671.

123. Takano Y., Liou K.N. Radiative transfer in cirrus clouds. Part III: light scattering by irregular ice crystals // Journal of the Atmospheric Sciences. 1995. V. 52, № 7. P. 818-837.

124. Yang P., Liou, K. N. Single-scattering properties of complex ice crystals in terrestrial atmosphere // Contr. Atmos. Phys. 1998a. V. 71. P. 223-248.

125. Попов А.А. Сечение ослабления и обратного рассеяния поляризованного оптического излучения на круглой пластинке в приближении физической оптики // Оптика атмосферы. 1988. V. 1, № 5. С. 19-24.

126. Shefer O. Extinction of radiant energy by large atmospheric crystals with different shapes // J. Quant. Spectr. Rad. Trans. 2016. V. 178. P. 350-360.

127. Shefer O. Numerical study of influence of different dispersed components of crystal cloud on transmission of radiant energy // J. Quant. Spectr. Rad. Trans. 2017. V. 201. P. 148-155.

128. Кауль Б.В. Симметрии матриц обратного рассеяния света в связи с ориентацией несферических аэрозольных частиц // Оптика атмосферы и океана. 2000. V. 13. С. 895-900.

129. Ромашов Д.Н. Рассеяние света гексагональными ледяными кристаллами // Оптика атмосф. и океана. 2001. V. 14. С. 116-124.

130. Borovoi A.G., Grishin I.A. Scattering matrices for large ice crystal particles // JOSA A. 2003. V. 20. P. 2071-2080.

131. Гришин И.А. Рассеяние света на ледяных кристаллах, характерных для перистых облаков: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Томск, 2004. 23 с.

132. 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. Radiat. Transfer. 2016. V. 182. P. 12-23.

133. Yang P., Liou K.N. Light scattering by hexagonal ice crystals: Solution by a ray-by-ray integration algorithm // J. Opt. Soc. Am. A. 1997. V. 14. P. 2278-2288.

134. Bi L., Yang P. Physical-geometric optics hybrid methods for computing the scattering and absorption properties of ice crystals and dust aerosols// Light Scattering Reviews 8 / Ed. by Kokhanovsky A.A. Chichester: Springer-Praxis, 2013. P. 69-114.

135. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering reciprocity for large particles // Optics Letters. 2013. V. 38. P. 1485-1487.

136. Коношонкин А.В. Рассеяние света на гексагональных ледяных кристаллах перистых облаков в приближении физической оптики: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Томск, 2013. 24 с.

137. Коношонкин А.В. Рассеяние света на атмосферных ледяных кристаллах при лазером зондировании: Автореф. дис. ... докт. физ.-мат. наук. Томск, 2017. 44 с.

138. Ромашов Д.Н., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Банк данных для интерпретации результатов поляризационного зондирования кристаллических облаков // Оптика атмосферы и океана. 2000. V. 13, № 9. С. 854-861.

139. Кауль Б.В. Оптико-локационный метод поляризационных исследований анизотропных аэрозольных сред: дис. на соискание ученой степени д-ра физ.-мат. наук. Томск, 2004. 219 с.

140. База данных матриц обратного рассеяния, рассчитанных в рамках физической оптики, [Электронный ресурс]. URL: ftp://ftp.iao.ru/pub/GWDT/Physical_optics/Backscattering/ (дата обращения 14 мая 2020).

141. Borovoi A.G., Kustova N.V., Oppel U.G. Light backscattering by hexagonal ice crystal particles in the geometrical optics approximation // Opt. Engineering. 2005. V. 44. P. 071208.

142. Chen W.N., Chiang C.W., Nee J.B. Lidar ratio and depolarization ratio for cirrus clouds // Appl. Opt. 2002. V. 41, № 30. P. 6470-6476.

143. Hu Y., Vaughan M., Liu Z., Lin B., Yang P., Flittner D., Hunt B., Kuehn R., Huang J., Wu D., Rodier S., Powell K., Trepte C., Winker D. The depolarization - attenuated backscatter relation: CALIPSO lidar measurements vs. theory // Opt. Express. 2007. V. 15. P. 5327-5332.

144. Cho H.M., Yang P., Kattawar G.W., Nasiri S.L., Hu Y., Minnis P., Trepte C., Winker D. Depolarization ratio and attenuated backscatter for nine cloud types: analyses based on collocated CALIPSO lidar and MODIS measurements // Opt. Express. 2014. V. 16. P. 3931-3948.

145. Konoshonkin A., Borovoi A., Kustova N., Reichardt J. Power laws for backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2017. V. 25, №19. P. 22341-22346.

146. Tao Z., McCormick M.P., Wu D., Liu Z., Vaughan M.A. Measurements of cirrus cloud backscatter color ratio with a two-wavelength lidar // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 1478-1485.

147. Sassen K., Zhu J. A global survey of CALIPSO linear depolarization ratios in ice clouds: Initial findings // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. (D00H07).

148. Kuehn R., Holz R., Eloranta E., Vaughan M., Hair J. Developing a Climatology of Cirrus Lidar Ratios Using University of Wisconsin HSRL Observations // EPJ Web of Conferences. 2016. V. 119.

149. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Особенности в деполяризационном отношении лидарных сигналов для хаотически ориентированных ледяных кристаллов перистых облаков // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. С. 385-387.

150. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Ориентация частиц кристаллических облаков Ci: Часть 1. Ориентация при падении // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. С. 963-967.

151. Johnson B.R. Invariant imbedding T-matrix approach to electomagnetic scattering // Appl. Opt. 1988. V. 27. P. 4861-4873.

152. Archambeault B. Introduction to the finite-difference time-domain (FDTD) technique // IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMCSI). 2017. P. 1-43.

153. Grynko Y., Shkuratov Y., Forstner J. Intensity surge and negative polarization of light from compact irregular particles // Opt. Lett. 2018. V. 43. P. 3562-3565.

154. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 11995-12003.

155. Ding J., Yang P., Holz R.E., Platnick S., Meyer K.G., Vaughan M., Hu Y., King M.D. Ice cloud backscatter study and comparison with CALIPSO and MODIS satellite data // Opt. Express. 2016. V. 24, № 1. P. 620-636.

156. Borovoi A.G. Light scattering by large particles: physical optics and the shadow-forming field // In: Light Scattering Reviews v.8 / Ed. by Kokhanovsky A.A. Berlin: Springer-Praxis, 2013. P. 115-138.

157. Gasteiger J., Wiegner M., Groß S., Freudenthaler V., Toledano C., Tesche V., Kandler K. Modelling lidar-relevant optical properties of complex mineral dust aerosols // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 2011. V. 63(4). P. 725-741.

158. Wang Z., Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N., Liu D., Xie C. Extinction matrix for cirrus clouds in the visible and infrared regions // Opt. Lett. 2018. V. 43. P. 3578-3581.

159. van de Hulst H.C. Light Scattering by Small Particles. New York: Dover, 1981. 470 pp.

160. Mishchenko M.I., Travis L.D., Lacis A.A. Multiple Scattering of Light by Particles: Radiative Transfer and Coherent Backscattering. Cambridge University Press, 2006.

161. Виноградов А.Г., Гурвич А.С., Кашкаров С.С., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Эффект усиления обратного рассеяния // УФН. 1987. Т. 152. С. 707-709.

162. Самохвалов И.В., Бобровников С.М., Гейко П.П., Ельников А.В., Кауль Б.В. Развитие высотного лидара Томского государственного университета как уникального комплекса для мониторинга атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. С. 995-999.

163. Sassen K., Kayetha V.K., Zhu J. Ice cloud depolarization for nadir and off-nadir CALIPSO measurements // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39. (L20805).

164. 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. 319334.

165. 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 // Journ. Appl. Meteorol. 1993. V. 32. P. 1074-1082.

166. Wiscombe W.J. Improved Mie scattering algorithms // Appl. Opt. 1980. V. 19. P. 1505-1509.

167. 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 // Journ. Appl. Meteorol. 2005. V. 44. P. 860-875.

168. Delanoe J., Hogan R.J. Combined CloudSat-CALIPSO-MODIS retrievals of the properties of ice clouds // Journ. Geophys. Res. 2010. V. 115 (D00H29).

169. 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 // Journ. Atmosph. Ocean. Technol. 2010. V. 27. P. 793-810.

170. 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. (L05807).

171. Liu C.-L., Illingworth A. J. Toward more accurate retrievals of ice water content from radar measurements of clouds // Journ. Appl. Meteorol. 2000. V. 39, № 7. P. 1130-1146.

172. Борен К., Хафман Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 660 с.

173. Каблукова Е.Г., Каргин Б.А., Лисенко А.А., Матвиенко Г.Г. Численное моделирование поляризационных характеристик эхосигнала при наземном зондировании облаков в терагерцовом диапазоне // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28, № 10. С. 892-900.

174. Hecht J. Lidar for self-driving cars // Optics and Photonics News. 2018. V. 29, № 1. P. 26-35.

175. [Электронный ресурс]. URL: http://scatterlib.wikidot.com/mie (дата обращения 21 мая 2020).

176. MiePlot [Электронный ресурс]. URL: http://www.philiplaven.com/mieplot.htm (дата обращения 21 мая 2020).

177. Warren S.G. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave // Applied Optics. The Optical Society. 1984. V. 23, № 8. P. 12061225.

178. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // Journal of Geophysical Research. American Geophysical Union (AGU). 2008. V. 113, № D14.

179. Hale G.M., Querry M.R. Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-^m Wavelength Region. 1973. V. 12, № 3. P. 555-563.

180. База данных матриц обратного рассеяния света сферических частиц, [Электронный ресурс]. URL: ftp://ftp.iao.ru/pub/GWDT/Mie/ (дата обращения 21 мая 2020).

181. Yazdani M., Mautz J., Murphy L., Arvas E. High-Frequency Scattering From Radially Uniaxial Dielectric Sphere // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 2015. V. 14. P. 1577-1581.

182. Hovenac E.A., Lock J.A. Assessing the contributions of surface waves and complex rays to far-field Mie scattering by use of the Debye series // J. Opt. Soc. Am. A. 1992. V. 9. P. 781-795.

183. Chapter 5 of the book Scattering of waves from large spheres by Walter T. Grandy, Jr. published in 2000 by Cambridge University Press (ISBN 0521-66126-9).

184. Yang P., Liou K. N. Light scattering and absorption by nonspherical ice crystals // Light Scattering Reviews, v.1 / Ed. by Kokhanovsky A.A. -Chichester : Springer-Praxis, 2006.

185. 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.

186. H. Okamoto, S. Iwasaki, M. Yasui, H. Horie, H. Kuroiwa, H. Kumagai. An algorithm for retrieval of cloud microphysics using 95-GHz cloud radar and lidar // Journ. Geophys. Res. 2003. V. 108, № D7. (4226).

187. Ekelund R., Eriksson P. Impact of ice aggregate parameters on microwave and sub-millimetre scattering properties // Journ. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2019. V. 224. P. 233-246.

188. 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.

189. Коношонкин А., Кустова Н., Боровой А. Рассеяние света на гексагональных ледяных кристаллах перистых облаков. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 147 с.

190. Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Borovoi A.G.The technique for solving the problem of light backscattering by ice crystals of cirrus clouds by the physical optics method for a lidar with zenith scanning // Atmospheric and Oceanic Optics. 2016. V. 29, № 3. P. 252-262.

191. Winker D., Hunt W., Weimer C. The on-orbit performance of the CALIOP LIDAR on CALIPSO // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10566-105661H.

192. Морозов А.М., Галилейский В.П., Елизаров А.И., Кокарев Д.В. Наблюдение зеркального отражения освещенной подстилающей поверхности облачным слоем из ледяных пластинок // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30, № 01. С. 88-92.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, включенных в Перечень ВАК:

A1. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Боровой А.Г. Методика решения задачи рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков в направлении рассеяния назад методом физической оптики для лидара с зенитным сканированием // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 40-50.

A2. Wang Z., Шишко В.А., Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г., Матвиенко Г.Г., Xie C., Liu D., Wang Y. Исследование перистых облаков поляризационным лидаром в юго-восточном Китае (г. Хефей) // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29, № 12. С. 1050-1052.

A3. Кустова Н.В., Коношонкин А.В., Тимофеев Д.Н., Шишко В.А. Матрица экстинкции атмосферных ледяных кристаллов при их преимущественной пространственной ориентации для видимого и ИК диапазонов. // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 12. С. 948-954.

A4. 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 атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 03. С. 186-192.

A5. Самохвалов И.В., Брюханов И.Д., Шишко В.А., Кустова Н.В., Ни Е.В., Коношонкин А.В., Локтюшин О.Ю., Тимофеев Д.Н. Оценка микрофизических характеристик конденсационных следов самолетов по данным поляризационного лидара: теория и эксперимент. // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 03. С. 193-201.

A6. 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 атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 05. С. 381-385.

A7. Шишко В.А., Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Тимофеев Д.Н. Рассеяние света на сферических частицах для прикладных задач лидарного зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 07. С. 522-528. Публикации в изданиях, индексируемых Scopus и Web of Science: A8. 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 (23). P. 32984-32993.

A9. 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(8), (083103).