Мультиспектральные поляризационные характеристики уходящего микроволновогоизлучения дождевых осадков / Multispectral polarization features of the outgoing microwave radiation of the rain

Илюшин Я.А. / Ilyushin, Ya.A.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова / RUS Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Кутуза Б.Г. / Kutuza, B.G.
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН; Российский новый университет / RUS Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН; Российский новый университет
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1801-062072
Илюшин Я.А., Кутуза Б.Г. Мультиспектральные поляризационные характеристики уходящего микроволновогоизлучения дождевых осадков // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 1(27). С. 62–72.
Ilyushin, Ya.A., Kutuza, B.G. Multispectral polarization features of the outgoing microwave radiation of the rain // Physical Bases of Instrumentation. 2018. Vol. 7. No. 1(27). P. 62–72.


Аннотация: 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. Показана определяющая роль трехмерной неоднородности полей дождевых осадков в формировании поля их собственного теплового радиоизлучения в микроволновом диапазоне.
Abstract: In the present paper, the problems of formation and observation of spatial and angular distribution of thermal radiation of raining atmosphere in the millimeter wave band are addressed. Radiative transfer of microwave thermal radiation in three-dimensional dichroic medium is simulated numerically. Governing role of three dimensional cellular inhomogeneity of the precipitating atmosphere in the formation of thermal radiation field is shown.
Ключевые слова: миллиме- тровые волны, радиометрия, радиозондирование, атмосфера, осадки, radiative transfer, millimeter waves, atmosphere, precipitation, миллиме- тровые волны


Литература / References
  1. Battaglia, A., Davis, C.P., Emde, C., and Simmer, C. Microwave Radiative Transfer Intercomparison Study for 3-D Dichroic Media // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2007. Vol. 105. No. 1. P. 55-67.
  2. Roberti, L., Haferman, J., and Kummerow, C. Microwave Radiative Transfer Through Horizontally Inhomogeneous Precipitating Clouds // Journal of Geophysical Research. 1994. Vol. 99. No. D8. P. 16.707-16.718.
  3. Башаринов А. Е., Гурвич А. С., Егоров Т. С. Радиоизлучение Земли, как планеты, М.: Наука, 1974. 188 с.
  4. Spencer, R. W., Goodman, H. M., and Hood, R. E. Precipitation Retrieval Over Land and Ocean with the SSM/I: Identification and Characteristics of the Scattering Signal // J. Oceanic Technol. 1989. Vol. 6. P. 254-273.
  5. Каргин Б. А., Краснокутская Л. Д., Фейгельсон Е. М. Отражение и поглощение лучистой энергии Солнца облачными слоями // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана. 1972. Т. 8. № 5. С. 505-517.
  6. McKee, T. B., and Cox, S.K. Scattering of Visible Radiaiton by Finite Clouds // J. Atmos, Sci. 1974. No. 31. P. 1885-1892.
  7. Weinman, J. A., Davies, R. Thermal Microwave Radiances From Horizontally Finite Clouds of Hydrometeors // J. Geophys. Res. 1978. Vol. 83. No. C6. P. 3099-3107, Doi:10.1029/JC083iC06p03099.
  8. Tao W.K., Simpson, J., and Soong, S.T. Statistical Properties of a Cloud Ensemble: a Numerical Study // J. Atmos. Sci. 1987. No. 44. P. 3175-3187.
  9. Tripoli, G. J. A Nonhydrostatic Mesoscale Model Designed to Simulate Scale Interaction // Mon. Wea. Rev. 1992. No. 120. P. 1342-1359.
  10. Haferman, J. L., Krajewski, W. F., and Smith, T. F. Three-Dimensional Aspects of Radiative Transfer in Remote Sensing of Precipitation: Application to the 1986 COHMEX Storm // J. Appl. Meteorol. Dec. 1994. Vol. 33. No. 12. P. 1609-1622.
  11. Liu, Q., Simmer, C., Ruprecht, E. Three-Dimensional Radiative Transfer Effects of Clouds in the Microwave Spectral Range // Journal of Geophysical Research Atmospheres. 1996. Vol. 101(D2). Art. No. 95JD03421. P. 4289-4298.
  12. Kummerow, C. Beamfilling Errors in Passive Microwave Rainfall Retrievals // J. Appl. Meteorol. Apr. 1998. Vol. 37. No. 4. P. 356-370.
  13. Bauer, P., Schanz, L., and Roberti, L. Correction of Three-Dimensional Effects for Passive Microwave Remote Sensing of Convective Clouds // J. Appl. Meteorol. Dec. 1998. Vol. 37. No. 12. P. 1619-1632.
  14. Hong, Y., Haferman, J. L., Olson, W. S., and Kummerow, C. D. Microwave Brightness Temperatures From Tilted Convective Systems // J. Appl. Meteorol. Jul. 2000. Vol. 39. No. 7. P. 983-998.
  15. Sung-Woo Kim, Dong-Bin Shin, and Yeji Choi. Effects of the Three-Dimensional Hydrometeor Distributions of Precipitating Clouds on Passive Microwave Rainfall Estimations // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 2016.
  16. Kummerow, C. On the Accuracy of the Eddington Approximation for Radiative Transfer in the Microwave Frequencies // J. Geophys. Res. Feb. 1993. Vol. 98. P. 2757-2765.
  17. Davis, C. P., Evans, K. F., Buehler, S. A., Wu, D. L., and Pumphrey, H. C.: 3-D Polarised Simulations of Space-Borne Passive mm/Sub-mm Midlatitude Cirrus Observations: a Case Study // Atmos. Chem. Phys. 2007. No. 7. P. 4149-4158. doi:10.5194/Acp-7-4149-2007.
  18. Atkinson, N.C. Calibration, Monitoring and Validation of AMSU-B // Advances in Space Research. 2001. Vol. 28. No. 1. P. 117-126.
  19. Buehler, S.A. Cloud Ice Water Submillimeter Imaging Radiometer (CIWSIR) Mission. 2005.
  20. Waters, J.W., Froidevaux, L., Harwood, R.S., Jarnot, R.F., Pickett, H.M., Read, W.G., Siegel, P.H., Cofield, R.E., Filipiak, M.J., Flower, D.A., Holden, J.R., Lau, G.K., Livesey, N.J., Manney, G.L., Pumphrey, H.C., Santee, M.L., Wu, D.L., Cuddy, D.T., Lay, R.R., Loo, M.S., Perun, V.S., Schwartz, M.J., Stek, P.C., Thurstans, R.P., Boyles, M.A., Chandra, K.M., Chavez, M.C., Chen, G.-S., Chudasama, B.V., Dodge, R., Fuller, R.A., Girard, M.A., Jiang, J.H., Jiang, Y., Knosp, B.W., Labelle, R.C., Lam, J.C., Lee, K.A., Miller, D., Oswald, J.E., Patel, N.C., Pukala, D.M., Quintero, O., Scaff, D.M., Van Snyder, W., Tope, M.C., Wagner, P.A., and Walch, M.J. The Earth Observing System Microwave Limb Sounder (EOS MLS) on the Aura Satellite // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2006. Vol. 44. No. 5. P. 1075-1092.
  21. Wilheit, T.T., Chang, A.T.C., Rao, M.S.V., Rogers, E.B., Theon, J.S. Satellite Technique for Quantitatively Mapping Rainfall Rates Over the Oceans // Journal of Applied Meteorology. 1977. Vol. 16. No. 5. P. 551-560.
  22. McCollum, J.R., Krajewski, W.F. Investigations of Error Sources of the Global Precipitation Climatology Project Emission Algorithm // Journal of Geophysical Research Atmospheres. 1998. Vol. 103. No. D22. Art. no. 98JD02580. P. 28711-28719.
  23. Lafont, D., Guillemet, B. Subpixel Fractional Cloud Cover and Inhomogeneity Effects on Microwave Beam-Filling Error // Atmospheric Research. 2004. Vol. 72. No. 1-4. P. 149-168.
  24. Mishchenko, M. I., Travis, L. D., and Lacis, A. A. Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small Particles, Cambridge Univ. Press, New York. 2002.
  25. Evans, K. F. The Spherical Harmonics Discrete Ordinate Method for Three-Dimensional Atmospheric Radiative Transfer // J. Atmos. Sci. 1998. No. 55. P. 429-466.
  26. Haferman, J. L., Smith, T. F., and Krajewski, W. F. A Multi-Dimensional Discrete-Ordinates Method for Polarised Radiative Transfer. Part 1: Validation for Randomly Oriented Axisymmetric Particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1997. No. 58. P. 379-398.
  27. Simmer, C. Handbuch Zu MWMOD, Kieler Strahlungstransport-Modell Fuer Den Mikrowellenbereich. 1993.
  28. Schulz, F. M., and Stamnes, K. Angular Distribution of the Stokes Vector in a Plane-Parallel, Verically Inhomogeneous Medium in the Vector Discrete Ordinate Radiative Transfer // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2000. No. 65. P. 609-620.
  29. Emde, C., Buehler, S.A., Davis, C., Eriksson, P., Sreerekha, T. R., and Teichmann, C. A Polarized Discrete Ordinate Scattering Model for Simulations of Limb and Nadir Long-Wave Measurements in 1-D/3-D Spherical Atmospheres // J. Geophys. Res. 2004. No. 109. D24207. Doi:10.1029/2004JD005140.
  30. Sreerekha, T. R., Buehler, S. A., and Emde, C. A Simple New Radiative Transfer Model for Simulating the Effect of Cirrus Clouds in the Microwave Spectral Region // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2002. No. 75. P. 611-624.
  31. Evans, K.F., Walter, S.J., Heymsfield, A.J., and McFarquhar, G.M. Sub-Millimeter-Wave Cloud Ice Radiometer: Simulations of Retrieval Algorithm Performances // J. Geophys. Res. 2002. No. 107(D3).
  32. Czekala, H. Effects of Ice Particle Shape and Orientation on Polarized Microwave Radiation for Off-Nadir Problems // Geophys. Res. Lett. 1998. No. 25. P. 1669-1672.
  33. Czekala, H. Discrimination of Cloud and Rain Liquid Water Path by Ground-Based Polarized Microwave Radiometry // Proceedings of the Eighth Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Applications. Rome. Italy. 2004.
  34. Liu, Q., Simmer, C. Polarization and Intensity in Microwave Radiative Transfer // Beitr. Phys. Atmos. 1996. No. 69. P. 535-45.
  35. Evans, K.F., Stephens, G.L. Microwave Radiative Transfer Through Clouds Composed of Realistically Shaped Ice Crystals. II. Remote Sensing of Ice Clouds // J. Atmos. Sci. 1995. No. 52. P. 2058-2072.
  36. Davis, C. A New 3-D Polarized Radiative Transfer Model for Remote Sensing in Cloudy Atmosphere. In: Proceedings of the Eighth Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Applications. Rome. Italy. 2004.
  37. Evans, K.F., Stephens, G.L. A New Polarized Atmospheric Radiative Transfer Model // JQSRT. 1991. No. 46. P. 413-423.
  38. Wauben, W.M.F., Hovenier, J.W. Polarized Radiation of an Atmosphere Containing Randomly-Oriented Spheroids // JQSRT. 1992. No. 47. P. 491-504.
  39. Roberti, L., Kummerow, C. Monte Carlo Calculations of Polarized Microwave Radiation Emerging From Cloud Structures // J. Geophys. Res. 1999. No. 104. P. 2093-2104.
  40. Tsang, L., Kong, J.A., Shin, R.T. Theory of Microwave Remote Sensings’ Guide. New York: Wiley-Interscience. 1989.
  41. Battaglia, A., Kummerow, C. Forward Montecarlo Computations of Polarized Microwave Radiation // Proceedings of the 13th International Conference on Clouds and Precipitation, Reno Area, Nevada, USA. 2000. P. 256-259.
  42. Battaglia, A., Mantovani, S. Forward Monte Carlo Computations of Fully Polarized Microwave Radiation in Non-Isotropic Media // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2005. No. 95. P. 285-308.
  43. Davis, C.E., Harwood, R. A 3-D Polarized Reversed Monte Carlo Radiative Transfer Model for Millimeter and Submillimeter Passive Remote Sensing in Cloudy Atmospheres // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. May 2005. Vol. 43. No. 5. P. 1096-1101. Doi: 10.1109/TGRS.2004.837505
  44. Ilyushin, Y.A., Kutuza, B.G., Sprenger, A.A., and Merzlikin, V.G. Intensity and Polarization of Thermal Radiation of Three-Dimensional Rain Cells in the Microwave Band // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1810. Paper No. 040003.
  45. Czekala, H., Simmer, C. Microwave Radiative Transfer with Nonspherical Precipitating Hydrometeors // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1998. Vol. 60. No. 3. P. 365-374.
  46. Begum, S., Otung, I. E. Rain Cell Size Distribution Inferred From Rain Gauge and Radar Data in the UK // Radio Sci. 2009. Vol. 44. P. RS2015. Doi:10.1029/2008RS003984.
  47. Tsintikidis, D., Haferman, J.L., Anagnostou, E.N., Krajewski, W.F., and Smith, T. F. Neural Network Approach to Estimating Rainfall From Spaceborne Microwave Data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1997. Vol. 35 No. 5. P. 1079-1093.
  48. Ulaby, F. T., Moore, R. K., and Fung, A. K. Microwave Remote Sensing, Active and Passive. Vol. 1. Addison-Wesley, Reading, MA, 1981.
  49. Евтушенко А. В., Загорин Г. К., Кутуза Б. Г., Собачкин А. А., Хорнбостел А., Шрот А. Определение вектора Стокса собственного и рассеянного СВЧ излучения атмосферы с осадками // Известия Академии наук. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38. № 4. С. 529-536.
  50. Аквилонова А. Б., Кутуза Б. Г. Радиотепловое излучение облаков // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23. №9. С. 1792-1806.
  51. Czekala, H., Havemann, S., Schmidt, K., Rother, T., Simmer, C. Comparison of Microwave Radiative Transfer Calculations Obtained with Three Different Approximations of Hydrometeor Shape // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1999. Vol. 63. No. 2-6. P. 545-558.
  52. Башаринов А. Е., Кутуза Б. Г. Определение температурной зависимости времени релаксации молекул воды в облаках и возможности оценки эффективной температуры капельных облаков по СВЧ радиометрическим измерениям // Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1974. Т.XVII. № 1. C. 52-57.
  53. Moroz, A. Improvement of Mishchenko’s T-Matrix Code for Absorbing Particles // Appl. Opt. 2005. Vol. 44. P. 3604-3609.
  54. Лебедев В. И. Квадратурные формулы для сферы 25-29 порядка точности // Сибирский математический журнал. 1977. Т. 18. № 1. С. 132-142.
  55. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. М.: Мир, 1972. 418 c.
  56. 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. М.: Издательский дом «Открытые системы». 2012. № 7. С. 36-39.