КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 21-77-00083

НазваниеИсследование рассеивающих свойств атмосферных ледяных кристаллов неправильной формы в оптическом и микроволновом диапазоне длин волн

РуководительШишко Виктор Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2023

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-602 - Диагноз и моделирование климата

Ключевые словамониторинг окружающей среды, оптика атмосферы, перистые облака, радиационный баланс, активное дистанционное зондирование

Код ГРНТИ29.31.41

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Климатические изменения, наблюдаемые в последнее время, диктуют необходимость более пристального и детального изучения климатообразующих факторов и их взаимосвязи внутри климатической системы в целом. Одним из основных источников неопределенности в современных моделях климата и долгосрочного прогноза погоды, являются перистые облака, относящиеся к облакам верхнего яруса, которые преимущественно состоят из ледяных частиц. Поскольку протяженность перистых облаков может достигать тысячи километров, они являются одним из ключевых факторов в исследовании климата и метеорологии. Слабая изученность оптических и микрофизических характеристик ледяных кристаллических частиц, образующих облака верхнего яруса, вносит существенный вклад в степень неопределенности оценок энергетического баланса в системе атмосфера-подстилающая поверхность. На сегодняшний день перистые облака широко исследуются с помощью различных наземных, бортовых и космических приборов. Среди таких приборов наиболее перспективными являются инструменты активного дистанционного зондирования: лидары и радары, поскольку они в отличие от инструментов пассивного зондирования позволяет получать вертикальные профили характеристик перистых облаков. Если в более ранних работах для изучения перистых облаков использовались наземные приборы, то в настоящее время облака также исследуются космическим лидаром на борту спутника CALIPSO и радаром на борту спутника CloudSat. Также в ближайшее время лидар и радар будут совместно работать на спутнике EarthCARE, планируемом к запуску в 2022 году. Ранее перистые облака независимо исследовались как с помощью лидаров, так и метеорологическими радарами. Однако результаты многолетних наблюдений показали, что по отдельности данных получаемых в лидарных и радарных исследованиях не достаточно. Поэтому в настоящее время активно развивается такое новое направление исследования перистой облачности, как совместное зондирование лидаром и радаром. Полученный радаром сигнал главным образом определяется удельным объемом исследуемых частиц, а лидарный сигнал чувствителен как к объему, так и к форме частиц. Совместное зондирование лидаром и радаром одного и того же объема перистого облака является новым и многообещающим методом восстановления микрофизических параметров перистых облаков. Основная идея такого подхода заключается в том, что при одновременном зондировании одного и того же объема перистого облака отношение обратного рассеяния лидарного и радарного сигналов не зависит от удельного числа частиц и, как следствие, характеризует только микрофизические характеристики ледяных кристаллов. Зная микрофизические характеристики ледяных кристаллов можно восстановить удельное число частиц в облаке из абсолютной величины лидарного или радарного сигнала. Все это порождает высокий спрос на решение задачи рассеяния электромагнитного излучения на атмосферных ледяных кристаллах, как в оптическом, так и микроволновом диапазоне, поскольку ее решение крайне необходимо как для интерпретации данных лазерного зондирования атмосферы, получаемых всемирными лидарными сетями (такими как CREST, CIS-LINet, AD-Net, NDACC и т.д.) и космическими лидарами (например, CALIOP, ALADIN и т.д.), так и данных, получаемых метеорологическими радарами (например, сеть радаров DCAS Центра совместного адаптивного зондирования атмосферы (США)). А получаемые при такой интерпретации оперативные данные о микрофизическом составе облака (т.е. распределение частиц по размерам, ориентация частиц и т.д.) в свою очередь являются необходимыми входными параметрами в задаче моделирования переноса излучения и тем самым оказывают существенное влияние на качество современных моделей глобального изменения климата и долгосрочного прогноза погоды. В то время как задача рассеяния света на частицах жидко-капельных облаков решается без привлечения больших вычислительных ресурсов алгоритмами, основанными на теории рассеяния света Лоренца-Ми, в силу того, что частицы этих облаков можно с хорошей точностью описать сфероидами, частицы сложной формы, такие как кристаллы перистых облаков, рассеивают свет специфически. Они могут отличаться не только по размеру, но и по форме, а поскольку их форма чаще всего является несимметричной, то появляется такой фактор, влияющий на рассеяние, как «пространственная ориентация частицы». В связи с этим, для того, чтобы полностью решить задачу рассеяния на частицах перистых облаков, необходимо получить решение задачи на ледяных частицах всех возможных форм, при всех возможных пространственных ориентациях, в характерном для таких облаков диапазоне размеров частиц. Все это приводит к колоссальным требованиям к вычислительным ресурсам. Таким образом, в настоящее время активно развиваются методы численного решения задачи рассеяния электромагнитного излучения на атмосферных ледяных кристаллах перистых облаков, которые можно разделить на две группы: строгие численные методы, основанные на решении уравнений Максвелла и приближенные методы, такие как методы геометрической и физической оптики. Строгие численные методы оказались эффективными только для решения задачи рассеяния электромагнитного излучения, характерного для радаров. При этом они абсолютно не эффективны в случаях моделирования лидарного сигнала, поскольку в этом случае соотношение размера частиц к длине волны очень велико, что приводит колоссальным требованиям в вычислительных ресурсах. В этом случае, как правило, применяется приближение геометрической оптики. Однако геометрическая оптика, не учитывает волновые свойства света, которые необходимо принимать во внимание, особенно при решении задачи в направлениях рассеяния назад, поскольку там существует когерентный пик обратного рассеяния. Стоит отметить, что именно направления рассеяния назад представляют особый практический интерес, поскольку оно необходимо для интерпретации данных дистанционного зондирования лидарами и радарами. Поэтому, в настоящий момент единственным методом применимым к лидарным длинам волн является метод физической оптики, позволяющий получать решение задачи рассеяния света на атмосферных ледяных частицах во всем необходимом диапазоне размеров: от 10 до 1000 мкм. Работы по численному решению задачи рассеяния света для всего многообразия форм и размеров атмосферных ледяных кристаллов проводятся в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (ИОА СО РАН) в рамках метода физической оптики уже много лет. Результаты такой работы привели к созданию уникального банка данных матриц обратного рассеяния света [URL: ftp://ftp.iao.ru/pub/GWDT/Physical_optics/Backscattering/]. Благодаря приближению физической оптики (разработка ИОА СО РАН) при непосредственном участии руководителя проекта Шишко В.А. была рассчитана база данных матриц обратного рассеяния света для основных типов идеальных атмосферных ледяных кристаллов: гексагональных пластинок и столбиков, дроксталлов и пуль. Также в 2020 году Шишко В.А. было получено решение и для радарных длин волн, выполненное методом дискретных диполей, разработанным М. Юркиным. Однако результаты численного моделирования для идеальных кристаллических частиц показали расхождение с данными экспериментальных наблюдений в некоторых отдельных случаях, что не позволило строить алгоритмы интерпретации данных совместного зондирования перистых облаков лидаром и радаром. Причиной тому является искажение формы кристаллов в реальных перистых облаках, а также примесь кристаллов сложной формы (например, агрегаты). Таким образом, в результате проекта планируется получить решение задачи рассеяния света именно для кристаллических частиц неправильной формы и ледяных частиц сложной формы, что в совокупности с уже имеющимся решением для кристаллов идеальных форм позволить впервые в мире завершить построение банка данных для интерпретации данных совместного зондирования перистых облаков лидаром и радаром. Это может привести к прорыву в области лазерного зондирования атмосферы, позволит положить основу для формирования нового направления исследования, поскольку появится уникальная возможность впервые в мире интерпретировать данные совместного зондирования перистого облака лидаром и радаром. Актуальность проблемы обосновывается тем, что с запуском космических инструментов в мире появился высокий спрос на оптические модели атмосферных кристаллов, которые используются для обработки лидарных и радарных данных. Научная новизна заключается в том, что совместное использование лидаров и метеорологических радаров в исследовании перистой облачности, совместно с оптической моделью атмосферных кристаллов, учитывающей частицы неправильной формы, позволит строить качественно новые подходы к изучению перистых облаков и их влияния на климат нашей планеты.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта планируется: 1. Получить решение задачи рассеяния света для кристаллических частиц неправильной формы и ледяных частиц сложной формы, что позволит завершить построение банка данных для интерпретации данных совместного зондирования перистых облаков лидаром и радаром. Это может привести к прорыву в области лазерного зондирования атмосферы, позволит положить основу для формирования нового направления исследования, поскольку появится уникальная возможность впервые в мире интерпретировать данные совместного зондирования перистого облака лидаром и радаром. 2. Разработать методики восстановления микрофизических параметров перистых облаков на основе данных совместного зондирования лидаром и радаром. Это будет способствовать выводу России в мировые лидеры в данном научном направлении. Результаты проекта откроют принципиально новый подход к диагностированию микрофизических характеристик кристаллов перистых облаков, что позволит существенно улучшить точность численных климатических моделей, а, следовательно, и качество прогнозов погоды и долгосрочного моделирования климата. Что приведет к улучшению логистических маршрутов как морского, так и авиационного транспорта, а также более эффективному использованию северного морского пути.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---