Effect of high-level clouds on the polarization of scattered solar radiation at the zenith according to passive polarimetric and polarization lidar measurements

Bryukhanov I.D., Samokhvalov I.V., Zhivotenyuk I.V., Ni E.V., Doroshkevich A.A., Stykon A.P., Loktyushin O.Y., Manokhin D.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Брюханов И.Д., Самохвалов И.В., Животенюк И.В., Ни Е.В., Дорошкевич А.А., Стыкон А.П., Локтюшин О.Ю., Манохин Д. Влияние облаков верхнего яруса на поляризацию рассеянного солнечного излучения в зените по данным пассивных поляриметрических и поляризационных лидарных измерений // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 11. С. 45–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-45-55

Bryukhanov I.D., Samokhvalov I.V., Zhivotenyuk I.V., Ni E.V., Doroshkevich A.A., Stikon A.P., Loktyushin O.Yu., Manokhin D. Effect of high-level clouds on the polarization of scattered solar radiation at the zenith according to passive polarimetric and polarization lidar measurements [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 11. P. 45–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-45-55

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Scope of research. Polarization characteristics of scattered solar radiation are studied in the presence of high-level clouds and their absence. The purpose of the work is to develop а technique of detecting and identifying high-level clouds containing horizontally oriented ice particles based on passive determination of the polarization characteristics of scattered solar radiation at the zenith. Method. Analysis of the polarization characteristics of scattered solar radiation obtained in passive (polarimetric) measurements together with the optical and geometric characteristics of high-level clouds observed at that time according to the data from active polarization (lidar) experiments. Main results. The results of scattered solar radiation polarimetry at the zenith with simultaneous monitoring of the atmospheric aerosol state, including high-level clouds, using a matrix polarization lidar are presented. In a clear sky, the expected consistency of the polarization degree of scattered solar radiation with the Sun’s zenith angle in a clear sky was obtained; in the presence of high-level clouds, deviations from a smooth daily course caused by the multilayer structure of clouds were revealed. Practical significance. The possibility of using the passive polarimetry method to diagnose the state of cloud cover and atmospheric aerosol layers has been confirmed. The results obtained indicate the need to develop polarimetric methods and integrate them with active atmospheric sensing methods. The improvement of such methods will improve the accuracy of climate research.

Keywords:

high-level clouds, anomalous backscattering, polarization lidar, polarimetry, backscattering phase matrix, active-passive polarization measurements

Acknowledgements:

this research was funded by the Russian Science Foundation, Grant № 24-77-00097.

OCIS codes: 010.1290, 010.3640

References:

1. Кондратьев К.Я. Неопределенности данных наблюдений и численного моделирования климата // Метеорология и гидрология. 2004. № 4. С. 93–119.

Kondratyev K.Ya. Uncertainties in global climate change observations and numerical modeling // Russian Meteorology and Hydrology. 2004. V. 4. P. 65–82.

2. Кондратьев К.Я. Глобальные изменения климата: данные наблюдений и результаты численного моделирования // Исследование Земли из космоса. 2004. № 2. С. 61–96.

Kondrat’ev K.Ya. Global climate change: Observational data and numerical simulation results [in Russian] // Exploring the Earth from Space. 2004. V. 2. P. 61–96.

3. Platt C.M.R. Some microphysical properties of an ice cloud from lidar observation of horizontally oriented crystals // J. Appl. Meteorol. 1978. № 17. P. 1220–1224.

4. Шатунова М.В., Рублев А.Н., Дмитриева-Арраго Л.Р. Метод расчета потоков солнечного излучения в системе Земля–атмосфера // Тр. гидрометеорологического научно-исслед. центра Российской Федерации. 2010. Вып. 344. С. 21–36.

Shatunova M.V., Rublev A.N., Dmitrieva-Arrago L.R. Method for calculating solar radiation fluxes in the Earth–atmosphere system [in Russian] // Proc. Hydrometeorological Research Center of the Russian Federation. 2010. Iss. 344. P. 21–36.

5. Дмитриева-Арраго Л.Р., Трубина М.А., Толстых М.А. Роль фазового состава облаков в формировании потоков коротковолновой и длинноволновой радиации // Тр. гидрометеорологического научно-исслед. центра Российской Федерации. 2017. Вып. 363. С. 19–34.

Dmitrieva-Arrago L.R., Trubina M.A., Tolstykh M.A. The role of the phase composition of clouds in the formation of short-wave and long-wave radiation fluxes [in Russian] // Proc. Hydrometeorological Research Center of the Russian Federation. 2017. Iss. 363. P. 19–34.

6. Stengel M., Meirink J.F., Eliasson S. On the temperature dependence of the cloud ice particle effective radius – A satellite perspective // Geophys. Res. Lett. 2023. V. 50. Р. e2022GL102521. https://doi.org/10.1029/2022GL102521

7. Розенберг Г.В. Вектор-параметр Стокса // УФН. 1955. Т. 56. С. 79–110.

Rozenberg G.V. Stokes vector-parameter [in Russian] // Achievements of Physical Sciences. 1955. V. 56. P. 79–110. https://doi.org/10.3367/UFNr.0056.195505c.0077

8. Кауль Б.В. Оптико-локационный метод поляризационных исследований анизотропных аэрозольных сред // Дис. докт. физ.-мат. наук. Томск: Институт оптики атмосферы и океана СО РАН, 2004. 219 с.

Kaul’ B.V. Optical-location method of polarization studies of anisotropic aerosol media [in Russian] // Dr. Sci. (Physics, Mathematics) Thesis. Tomsk: V.E. Zuev Institute of Atmospheric and Oceanic Optics of the SB of the RAS, 2004. 219 p.

9. Электронный ресурс URL: https://ckp-rf.ru/catalog/usu/73573 (Научно-технологическая инфраструктура Российской Федерации. Радиофизический комплекс: Высотный поляризационный лидар для зондирования атмосферы и Томская ионосферная станция «ЛИДАР-ИОНОЗОНД»).

Electronic resource URL: https://ckp-rf.ru/catalog/usu/73573 (Scientific and technological infrastructure of the Russian Federation. Radiophysical complex: High-altitude polarizing lidar for atmospheric sensing and Tomsk ionospheric station LIDAR-IONOSONDE).)

10. Самохвалов И.В., Кауль Б.В., Насонов С.В. и др. Матрица обратного рассеяния света зеркально отражающих слоев облаков верхнего яруса, образованных кристаллическими частицами, преимущественно ориентированными в горизонтальной плоскости // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 5. С. 403–411.

Samokhvalov I.V., Kaul B.V., Nasonov S.V., et al. Backscattering matrix of the mirror-reflecting upper-level cloud layers formed by horizontally oriented crystal particles [in Russian] // Atmospheric and Oceanic Optics. 2012. V. 25. № 5. P. 403–411.

11. Самохвалов И.В., Брюханов И.Д., Насонов С.В. и др. Исследование оптических характеристик перистых облаков с аномальным обратным рассеянием // Известия вузов. Физика. 2012. Т. 5. № 8. С. 63–67.

Samokhvalov I.V., Bryukhanov I.D., Nasonov S.V., et al. Investigation of the optical characteristics of cirrus clouds with anomalous backscattering // Russian Physics Journal. 2013. V. 55. № 8. P. 925–929. https://doi.org/10.1007/s11182-013-9902-1

12. Кауль Б.В., Волков С.Н., Самохвалов И.В. Результаты исследований кристаллических облаков посредством лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. № 4. С. 354–361.

Kaul B.V., Volkov S.N., Samokhvalov I.V. Studies of ice crystal clouds through lidar measurements of backscattering matrices // Atmospheric and Oceanic Optics. 2003. V. 16. № 4. P. 325–332.

13. Угольников О.С., Маслов И.А. Измерения высоты и размера частиц пост-вулканического аэрозоля на основе поляриметрии сумеречного неба // Космические исследования. 2021. Т. 59. № 2. С. 111–117. https://doi.org/10.31857/S0023420621020096

Ugolnikov O.S., Maslov I.A. Postvolcanic aerosols: measurements of altitude and particle sizes with twilight-sky polarimetry // Cosmic Research. 2021. V. 59. № 2. P. 89–95. https://doi.org/10.1134/S0010952521110010

14. Rizvi A.A., Addoweesh K., El-Leathy A., et al. Sun position algorithm for sun tracking applications // IECON 2014 – 40th Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. Dallas, TX, USA. October 29 – November 1, 2014. P. 5595–5598. https://doi.org/10.1109/IECON.2014.7049356