Угловые характеристики отраженной солнечной радиации в присутствии кристаллических облаков с преимущественно горизонтальной ориентацией частиц: результаты численных экспериментов

Несмотря на важную роль в формировании радиационного бюджета Земли, кристаллические облака являются одним из наименее изученных компонентов атмосферы. Количественная оценка их радиационных эффектов была и остается целью многочисленных исследований как на основе эмпирических данных спутниковых, наземных и спутниковых наблюдений, так и численного моделирования.
Моделирование радиационных характеристик кристаллической облачности основывается на решении задачи, связанной с расчетом оптических характеристик несферических ледяных частиц с учетом их формы, размеров и пространственной ориентации. В отличие от задач, использующих предположение о хаотической ориентации частиц, расчет оптических характеристик кристаллов преимущественной (в основном, горизонтальной) ориентации является гораздо более сложной задачей.
В настоящей работе использована модель оптически анизотропного кристаллического облака, состоящего из квазигоризонтально ориентированных гексагональных пластинок. Локальные оптические характеристики среды рассчитаны методом геометрической оптики [1,2] в предположении, что они зависят только от зенитного угла распространяющегося излучения. Индикатриса рассеяния излучения определяется распределениями P(c´,c) и Q(c´,c,Δψ), где P(c´,c) – вероятность распределения косинуса угла рассеяния c при заданном косинусе угла падения с´, а Q(c´,c,Δψ) – вероятность распределения изменения азимутального угла Δψ для фиксированных значений и c. Распределения и аппроксимированы массивами с размерностями 101*201 и 101*201*91 с равномерным шагом по каждой из переменной в диапазонах 0<с´<1, -1<с<1 и 0< Δψ<180 градусов.
Для расчета угловых характеристик поля отраженной радиации в присутствии пространственно однородной облачности использована оригинальная версия алгоритма метода Монте-Карло (метод локальной оценки). Тестирование алгоритма выполнено в ходе двух численных экспериментов в предположении, что облачные частицы горизонтально ориентированы (видимый диапазон). В первом из них сопоставлялись результаты расчетов отраженной радиации для изотропной среды, полученные с использованием разработанного ранее алгоритма для облаков с хаотически ориентированными частицами, и алгоритма, представленного в данной работе. Второй численный эксперимент состоял в проверке соответствия между угловой зависимостью интенсивности отраженного солнечного излучения и индикатрисы рассеяния излучения облаком, состоящим из горизонтально ориентированных пластинок. Результаты обоих численных экспериментов подтвердили адекватность учета особенностей переноса солнечной радиации в моделях кристаллических облаков, оптические характеристики которых зависят от зенитного угла распространяющегося излучения.
В работе приведены результаты численных экспериментов, выполненных для различных размеров пластинок и углов флаттера. Обсуждается изменчивость радиационных характеристик кристаллических облаков, обусловленная влиянием пространственной ориентации частиц.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант №19-01-00351).

1. Borovoi A., Grishin I. Scattering matrices for large crystal particles // J. Opt. Soc. Amer. A. 2003. V. 20. Is. 11. P. 2071-2080
2. Konoshonkin A.V., Zhuravleva T.B., Borovoi A.G., Kustova N.V., Shishko V.A., Timofeev D.N. // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11208. DOI:10.1117/12.2556647.