Влияние облаков верхнего яруса на поляризацию рассеянного солнечного излучения в зените по данным пассивных поляриметрических и поляризационных лидарных измерений

Брюханов И.Д., Самохвалов И.В., Животенюк И.В., Ни Е.В., Дорошкевич А.А., Стыкон А.П., Локтюшин О.Ю., Манохин Д.

Ссылка для цитирования:

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

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Поляризационные характеристики рассеянного солнечного излучения при наличии и отсутствии облаков верхнего яруса. Цель работы. Разработка методики выявления облаков верхнего яруса, содержащих горизонтально ориентированные ледяные частицы, на основе пассивного определения поляризационных характеристик рассеянного солнечного излучения в зените. Метод. Анализ поляризационных характеристик рассеянного солнечного излучения, полученных в пассивных (поляриметрических) измерениях, совместно с оптическими и геометрическими характеристиками наблюдавшихся в это время облаков верхнего яруса по данным активных поляризационных (лидарных) экспериментов. Основные результаты. Представлены результаты поляриметрии рассеянного солнечного излучения в зените с одновременным контролем состояния атмосферного аэрозоля, включая облака верхнего яруса, с использованием матричного поляризационного лидара. При ясном небе получена ожидаемая согласованность степени поляризации рассеянного солнечного излучения с зенитным углом Солнца при ясном небе; в присутствии облаков верхнего яруса выявлены отклонения от плавного суточного хода, обусловленные многоярусной структурой облаков. Практическая значимость. Подтверждена возможность использования метода пассивной поляриметрии для диагностики состояния облачного покрова и атмосферных аэрозольных слоев. Полученные результаты указывают на необходимость развития поляриметрических методов и их интеграции с активными методами зондирования атмосферы. Совершенствование таких методов позволит повысить точность климатических исследований.

Ключевые слова:

облака верхнего яруса, аномальное обратное рассеяние, поляризационный лидар, поляриметрия, матрица обратного рассеяния света, активно-пассивные поляризационные измерения

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 24-77-00097.

Коды OCIS: 010.1290, 010.3640

Список источников:

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