ИСТИНА

В работе обсуждаются вопросы формирования и регистрации пространственного и углового распределения теплового радиоизлучения дождевых осадков в микроволновом диапазоне. Проводится численное моделирование переноса теплового радиоизлучения в трехмерной дождевой ячейке при различной интенсивности осадков с учетом несферической формы падающих дождевых капель и распределения их по размерам. Выявлена роль трехмерной неоднородности полей дождевых осадков в формировании поля их собственного теплового радиоизлучения в микроволновом диапазоне. Исследование осадков при помощи космических наблюдений - одна из важных проблем дистанционного зондирования. Впервые возможность определения интенсивности дождя по данным наблюдений микроволнового излучения была показана в 1968 г. по результатам эксперимента на ИСЗ Космос 243 [1]. Зоны выпадения осадков над морской поверхностью были зарегистрированы по характерным значениям радиояркостных температур на длинах волн 0.8, 1.35 и 3.2 см. При этом, интенсивность выпадения осадков можно определить по интенсивности излучения. Дальнейшее развитие техники наблюдения атмосферных осадков из космоса связано с американским ИСЗ DMSP с микроволновым радиометром SSM/I [2] с рабочим диапазоном длин волн от 0.35 до 1.6 см. Зоны осадков определялись как области с пониженной радиояркостной температурой на длине волны 0.35 см в связи с увеличением альбедо при многократном рассеянии микроволн на крупных дождевых каплях. Также, в последние годы дистанционное зондирование атмосферных осадков проводилось на космических аппаратах GPM и TRMM. В связи с этими и другими направлениями исследований, интенсивно изучается взаимодействие микроволнового излучения с осадками и облаками различных типов [3,4]. Многие из них состоят из частиц несферической формы, обладающих преимущественной ориентацией (падающие дождевые капли, снег и другие кристаллические частицы льда). В распространении излучения в таких средах существенную роль играют поляризационные эффекты. Сочетание эффектов рассеяния, пространственной неоднородности осадков в атмосфере и в некоторой степени также отражающих свойств поверхности приводит к необходимости рассмотрения полей микроволнового излучения в трехмерно-неоднородной среде c дихроизмом. К настоящему времени опубликовано относительно небольшое число работ по численному решению векторного уравнения переноса излучения (ВУПИ) в трехмерно-неоднородных анизотропных рассеивающих средах [4]. Целью настоящей работы являются теоретические оценки интенсивности и поляризации теплового радиоизлучения дождевых осадков, при наблюдении их микроволновыми радиометрами из космоса. Для достижения поставленных целей требуется решение ряда конкретных задач, в т.ч. оценка радиационных свойств среды (дождя), построение численной модели переноса излучения в трехмерной дождевой ячейке и практическая реализация расчетов по построенной модели. Последняя задача, вследствие вычислительной трудоемкости расчета, на сегодняшний день является практически не решенной и составляет основную часть представленной здесь работы. В работе проведены расчеты радиационных свойств дождевой атмосферы на длинах волн 3, 8, 15.4 и 22 мм в зависимости от интенсивности дождя. Представлены результаты расчетов первого и второго компонентов вектора Стокса яркостной температуры дождевой ячейки в диапазоне миллиметровых волн. Насколько известно авторам работы, подобные расчеты ранее не проводились и в настоящей работе проводятся впервые. Проведено компьютерное моделирование теплового излучения дождевой ячейки путем прямого численного решения ВУПИ. Показано, что поляризационные эффекты, описываемые вторым компонентом вектора Стокса, проявляются в ячейке дождя. В настоящей работе исследуются и сравниваются между собой две модели дождевой атмосферы: изолированная ячейка и сплошной плоский слой среды, равномерно заполненной падающими дождевыми каплями. Следуя работе [4], нами была выбрана модель дождевой ячейки в виде куба 3 х 3 х 3 км. Выбранные размеры близки к типичным размерам реальных дождевых ячеек [5] и к характерным масштабам пространственной неоднородности стохастических моделей переноса излучения в дождевых осадках [6]. Для обеих моделей земная подстилающая поверхность считается горизонтальной плоской абсолютно черной (R=0) либо серой R=0.25 поверхностью, частично отражающей излучение по ламбертовскому закону с коэффициентом диффузного отражения R. В модели кубической дождевой ячейки подстилающая поверхность также считается черной либо серой в пределах площади основания кубической ячейки. Вне этой площади поверхность считается абсолютно черной. Собственное тепловое излучение поверхности незначительно поляризовано в вертикальной плоскости, что в миллиметровом диапазоне длин волн справедливо для большинства земных почв и грунтов и растительных покровов [7]. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости воды игнорировалась, тем самым свойства среды считались постоянными во всем пространстве ячейки. Все расчеты электрических свойств дождевых капель проводились по формуле Дебая для температуры воды T=0° C. Матрицы ослабления и рассеяния дождевых капель заданного размера вычислялись методом Т-матриц с помощью общедоступных компьютерных кодов [8] и затем усреднялись по размерам капель по распределению Маршалла-Пальмера. Поглощение жидкокапельными облаками и молекулами атмосферных газов учитывается в виде отдельного вклада в общее поглощение в среде. Векторное уравнение переноса излучения (ВУПИ) в трехмерной среде решалось конечно-разностным методом в дискретных ординатах (схема со встречными разностями, [9]) с гауссовой квадратурной формулой 29-го порядка точности G29 [10]. Результаты расчетов показывают, что вариации параметров Стокса уходящего теплового излучения по поверхности ячейки достигают величины единиц градусов Кельвина. Наиболее существенными являются вариации поляризации уходящего теплового излучения, в основном определяющие различие полей теплового излучения кубической дождевой ячейки и однородной плоскослоистой среды. Вариации второго параметра Стокса Q в пределах площади боковой грани достигают нескольких градусов Кельвина, что, по-видимому, связано с принципиально трехмерным характером поля теплового радиоизлучения трехмерной кубической дождевой ячейки. Увеличение Q (разности интенсивностей вертикально и горизонтально поляризованной компонент излучения) с высотой частично связано с влиянием водяного пара и поглощением в жидкокапельных облаках в нижних слоях атмосферы. Распределение интенсивности I (и соответственно средней радиояркостной температуры) оказывается практически однородным, что согласуется с небольшими различиями угловых распределений интенсивности в среднем по наблюдаемой поверхности ячейки и для модели однородной плоскослоистой среды. Локальные вариации параметра Q в пределах площади поверхности верхней грани дождевой ячейки достигают нескольких градусов Кельвина в единицах радиояркостной температуры. Однако, в целом по верхней грани в силу кубической симметрии исследованной здесь модели дождевой ячейки (ось z является осью симметрии четвертого порядка), в среднем по поверхности верхней грани ячейки второй параметр Стокса Q уходящего в зенит теплового излучения равен нулю. Примененная в работе модель кубической ячейки не обладает азимутальной симметрией вращения. Поэтому одинаковым значениям зенитного угла соответствуют различные величины параметров Стокса наблюдаемого излучения, в зависимости от азимута, т.е. интенсивность и состояние поляризации излучения не являются однозначными функциями угла θ. Тем не менее, расчеты для кубической ячейки показывают относительно слабую зависимость интенсивности и поляризации излучения от азимута при равных зенитных углах. Это позволяет ожидать приблизительно тех же результатов для ячейки с другой формой основания (например, цилиндрической) при тех же высоте и характерных горизонтальных размерах ячейки. Для всех рассмотренных ситуаций угловая зависимость средней радиояркостной температуры ячейки, что соответствует половинному значению первого параметра Стокса I, приблизительно подобна аналогичной зависимости для плоского слоя толщиной, равной высоте верхней границы ячейки. В то же время, степень линейной поляризации излучения ячейки (второй параметр Стокса Q) приблизительно в два-три раза меньше соответствующего значения для модели плоского слоя. Жидкокапельные облака, водяной пар и кислород, а также диффузное отражение излучения подстилающей поверхностью слабо влияет на указанный характер угловых зависимостей параметров Стокса, вычисленных для этих двух моделей. В настоящей работе впервые оценена неравномерность углового и пространственного распределения интенсивности уходящего теплового излучения дождя, связанная с трехмерной ячеистой структурой дождевого поля. Впервые получены интегральные оценки проявления указанных эффектов в радиометрических наблюдениях дождевых полей из космоса. Впервые показана несостоятельность радиационной модели плоскослоистой среды как теоретической основы микроволновой радиометрии дождевых осадков. Полученный материал может представлять интерес при интерпретации спутниковых СВЧ радиометрических измерений осадков. Расчеты подтверждают наличие поляризации у ячейки дождя, в зависимости от интенсивности дождя и угла наблюдения составляющей 2-3 градуса Кельвина в среднем по наблюдаемой поверхности ячейки. Пространственное разрешение существующих орбитальных СВЧ радиометров составляет 15-20 км, что существенно превышает размер дождевой ячейки. В этом случае в поле зрения СВЧ радиометра попадает одновременно несколько ячеек, интенсивность дождя в которых сильно изменчива в пространстве и во времени. Учитывая большой вклад поляризации подстилающей поверхности, на его фоне нет возможности оценить эффект поляризации излучения осадков, поскольку при большом размере поля зрения нельзя разделить вклады дождевых капель и подстилающей поверхности в поляризацию наблюдаемого излучения. Для того чтобы использовать поляризационный эффект кучевых (конвективных) дождевых облаков для интерпретации данных зондирования, необходимо существенно улучшить пространственное разрешение радиометра, с тем чтобы размер поля зрения на поверхности был сравнимым или меньшим размера дождевой ячейки. Это может быть сделано с помощью миллиметрового интерферометра с синтезированной апертурой, а также с использованием больших антенн (размером 4-5 м) с возможностью механического или электрического сканирования. Исследование выполнено при поддержке грантов РФФИ 13-02-12065 офи-м "Фундаментальные задачи микроволнового дистанционного зондирования Земли из космоса"и 15-02-05476 «Разработка новых методов и средств метеорологического радиолокационного зондирования атмосферных осадков в миллиметровом диапазоне». Авторы благодарят администрацию НИВЦ МГУ им. М.В.Ломоносова за предоставленные ресурсы суперкомпьютеров СКИФ-ГРИД "Чебышев" и "Ломоносов" [11]. ЛИТЕРАТУРА 1. Башаринов А. Е., Гурвич А. С. , Егоров Т. С. Радиоизлучение Земли, как планеты, М.:Наука, 1974 г. 188 с. 2. Spencer R. W., Goodman H.M., Hood R.E. Precipitation retrieval over land and ocean with the SSM/I: Identification and characteristics of the scattering signal // J. Oceanic Technol. 1989. V.6. PP.254-273. 3. Roberti L., Haferman J., Kummerow C. Microwave radiative transfer through horizontally inhomogeneous precipitating clouds // Journal of Geophysical Research. 1994. V.99. N.D8. PP.16,707-16,718. 4. Battaglia A., Davis C.P., Emde C., Simmer C. Microwave radiative transfer intercomparison study for 3-D dichroic media // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2007. V.105. N.1. P. 55-67. 5. Begum, S., and I. E. Otung Rain cell size distribution inferred from rain gauge and radar data in the UK, Radio Sci. 2009. V.44. P.RS2015, doi:10.1029/2008RS003984. 6. Tsintikidis, D., Haferman, J. L., Anagnostou, E. N., Krajewski, W. F., Smith, T. F. Neural network approach to estimating rainfall from spaceborne microwave data IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1997. V.35 N.5. PP.1079-1093. 7. Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. Microwave Remote Sensing, Active and Passive, V.1. Addison-Wesley, Reading, MA, 1981. 8. Moroz A. Improvement of Mishchenko's t-matrix code for absorbing particles // Appl. Opt. 2005. V.44. PP.3604-3609. 9. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. М.: Мир, 1972. 418 c. 10. Лебедев В. И. Квадратурные формулы для сферы 25-29 порядка точности // Сибирский математический журнал. 1977. Т.18. N.1. С.132-142. 11. Воеводин Вл.В., Жуматий С.А., Соболев С.И., Антонов А.С., Брызгалов П.А., Никитенко Д.А., Стефанов К.С., Воеводин Вад.В. Практика суперкомпьютера "Ломоносов" // Открытые системы. - Москва: Издательский дом "Открытые системы", 2012. - 7.