Ретроспективное восстановление информации о высотах границ облаков верхнего яруса

Брюханов И.Д., Кучинская О.И., Пустовалов К.Н., Пензин М.С., Акимов И.М., Романов Д.А., Ни Е.В., Дорошкевич А.А., Животенюк И.В.

Ссылка для цитирования:

Брюханов И.Д., Кучинская О.И., Пустовалов К.Н., Пензин М.С., Акимов И.М., Романов Д.А., Ни Е.В., Дорошкевич А.А., Животенюк И.В. Ретроспективное восстановление информации о высотах границ облаков верхнего яруса // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 10. С. 12–21. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-10-12-21

Bryukhanov I.D., Kuchinskaia O.I., Pustovalov K.N., Penzin M.S., Akimov I.M., Romanov D.A., Ni E.V., Doroshkevich A.A., Zhivotenyuk I.V. Retrospective retrieval of high-level cloud boundary altitudes [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 10. P. 12–21. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-10-12-21

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Закономерности формирования и изменения высот нижней и верхней границ облаков верхнего яруса и их связь с вертикальными профилями метеорологических величин. Цель работы. Разработка и апробация программно-аппаратного инструментария для восстановления высот нижней и верхней границ облаков верхнего яруса на основе данных поляризационного лидарного зондирования, вертикальных профилей температуры и влажности воздуха из реанализов ERA5 и MERRA-2, а также спутниковых измерений MODIS. Метод. Совместный анализ высот формирования облаков верхнего яруса на основе данных лидарного зондирования, метеорологической обстановки на соответствующих высотах по данным реанализов ERA5 и MERRA-2 и результатов измерений спутниковым спектрорадиометром MODIS. Основные результаты. Представлены результаты работы модели машинного обучения для восстановления информации о высотах расположения облаков верхнего яруса с использованием вертикальных профилей температуры, относительной и абсолютной влажности воздуха. Получены характерные особенности изменения характеристик влажности воздуха вблизи границ облаков верхнего яруса. Практическая значимость. Показано, что наиболее значимым фактором для определения границ облаков верхнего яруса является вертикальный профиль влажности воздуха, а влияние температуры проявляется косвенно через относительную влажность. В работе отмечается необходимость учёта дополнительных атмосферных характеристик, таких как параметры фронтальных зон, для повышения точности предсказания границ облаков верхнего яруса с помощью методов машинного обучения.

Ключевые слова:

облака верхнего яруса, поляризационный лидар, матрица обратного рассеяния, аномальное обратное рассеяние, радиозондовое зондирование, методы машинного обучения, ERA5, MERRA-2, MODIS

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 24-72-10127

Коды OCIS: 010.1290, 010.3640

Список источников:

1. Li Q., Grob S. Satellite observations of seasonality and long-term trends in cirrus cloud properties over Europe: investigation of possible aviation impacts // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22. P. 15963–15980. DOI:10.5194/acp-22-15963-2022
2. Облака и их трансформация / науч. ред. И.В. Кужевская. Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2020. 234 с.
Clouds and their transformation [in Russian] / Ed. Kuzhevskaya I.V. Tomsk: Publishing House of the Tomsk State University, 2020. 234 p.
3. Huo J., Li J., Duan M., Lv D., Han C., Bi Y. Measurement of cloud top height: Comparison of MODIS and ground-based millimeter radar // Remote Sensing. 2020. V. 12. P. 1616. DOI:10.3390/rs12101616
4. Wu Z., Seifert P., He Y., Baars H., Li H., Jimenez C., Li C., Ansmann A. Assessment of horizontally oriented ice crystals with a combination of multiangle polarization lidar and cloud Doppler radar // Atmos. Meas. Tech. 2025. V. 18. P. 3611–3634. DOI:10.5194/amt-18-3611-2025
5. De La Torre Castro E., Jurkat-Witschas T., Afchine A., Grewe V., Hahn V., Kirschler S., Krämer M., Lucke J., Spelten N., Wernli H., Z ger M., and Voigt C. Differences in microphysical properties of cirrus at high and mid-latitudes // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23. P. 13167–13189. DOI:10.5194/acp-23-13167-2023
6. Садовников С.А., Яковлев С.В., Кравцова Н.С. Моделирование атмосферных измерений парниковых газов двухканальной лидарной системой инфракрасного диапазона // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 8. С. 64–76. DOI:10.17586/1023-5086-2023-90-08-64-76
Sadovnikov S., Yakovlev S., Kravtsova N. Atmospheric measurement simulation of greenhouse gases using a dual-channel infrared lidar system [in Russian] // Journal of Optical Technology. 2024. V. 90. № 8. P. 456–463. DOI:10.1364/JOT.90.000456
7. Брюханов И.Д., Кучинская О.И., Самохвалов И.В., Пустовалов К.Н., Ни Е.В., Животенюк И.В., Дорошкевич А.А. Интеграция лидарных и метеорологических данных для комплексного исследования облаков верхнего яруса // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 11. С. 34–44. DOI:10.17586/1023-5086-2025-92-11-34-44
Bryukhanov I.D., Kuchinskaia O.I., Samokhvalov I.V., Pustovalov K.N., Ni E.V., Zhivotenyuk I.V., Doroshkevich A.A. Integration of lidar and meteorological data for a comprehensive study of high-level clouds // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 11. P. 34–44. DOI:10.17586/1023-5086-2025-92-11-34-44
8. Брюханов И.Д. Оптические свойства облаков верхнего яруса естественного и антропогенного происхождения, содержащих ориентированные кристаллы льда, по данным поляризационного лазерного зондирования // Автореф. канд. дис. Томск: Томский государственный университет, 2022. 138 с.
Bryukhanov I.D. Optical properties of high-level clouds of natural and anthropogenic origin containing oriented ice crystals according to the data of polarization laser sensing [in Russian] // PhD (Physics and Mathematics) thesis. Tomsk: Tomsk State University, 2022. 138 p.
9. Kuchinskaia O., Bryukhanov I., Penzin M. et al. ERA5 reanalysis for the data interpretation on polarization laser sensing of high-level clouds // Remote Sensing. 2023. V. 15. № 1. Article 109. DOI:10.3390/rs15010109
10. Электронный ресурс URL: https://cds.climate.copernicus.eu (Copernicus Climate Data Store).