非球形冰晶在94 GHz上的雷达后向散射特性外文翻译资料

 2022-12-03 14:41:07

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非球形冰晶在94 GHz上的雷达后向散射特性

对于六种非球形冰晶在94GHz的毫米波长雷达后向散射特性，包括六棱柱，中空六棱柱，扁六棱柱，呈状玫瑰状六棱柱，聚集的六棱柱和屈曲面，其中46个最大尺寸为2至10,500mm，我们使用离散偶极子近似法（DDA）和Lorenz-Mie理论进行研究，发现雷达后向散射截面对冰晶形状和它们的变现出来的特性敏感，其使用具有等效最大尺寸，体积，投影面积或者体积与投影面积的比值的球形粒子以用于Lorenz三重理论。来自DDA方法的六种非球形冰晶体的雷达后向散射截面进一步参数化为冰晶最大尺寸的函数。参数化的结果与从DDA方法计算的结果非常吻合。此外，通过对来自参数化的结果对冰云的gamma分布进行平均而得到的平均雷达后向散射截面与来自DDA方法的雷达后向散射截面一致。应用参数化来导出用于冰云的等效雷达反射系数和冰水含量之间的关系的系数，该系统包括六种非球形冰晶形状的混合。来自参数化的系数接近于来自DDA方法的系数。两者都对冰晶形状敏感。具有混合的冰晶形状的冰云的等效雷达反射率因子和冰水含量之间的关系的显着差异已经广泛用于太阳和红外检索冰云性质，以及几个先前的关系进一步证实了它们的灵敏度到冰云的微物理性质。

  1. 简介

冰云的全球分布仍然是基于卫星的检索和气候建模研究中的主要不确定性因素的来源[例如，Liou，1986; Stephens等，1990; Lynch等人，2002]。它们通过对地球——大气系统辐射平衡的影响在气候系统中发挥重要作用[Lynch等人，2002]。我们已经发现，冰云的辐射强迫对它们的光学性质和微物理性质敏感[Stephens等，1990; McFarquhar等，2002]。被动红外，可见和微波技术已被用于遥感冰云的光学和微物理性质研究[Lynch等人，2002]。其中，毫米波长雷达具有检测冰云的动力学和结构性质的优点[Aydin和Tang，1997]，因此它们的后向散射特性已被用于估计冰云性质[例如Sassen等人，2002]。了解冰云的雷达后向散射特性是发展雷达反射系数和冰云性质之间的关系的基础[例如，Sassen等，2002]。

来自现场测量现场运动和实验室实验的测量发现冰云由具有各种形状的非球形冰晶构成[例如，Heymsfield和Miloshevich，2003; Bailey和Hallett，2004]。因为冰云粒子相对于气象毫米波雷达的波长较小，冰云粒子的散射特性可以使用瑞利散射近似计算[Schneider和Stephens，1995]。已经有人使用瑞利散射近似来计算在低于35GHz的低频下对于具有板，柱和针的形状的冰晶体的散射性质，所述冰晶体由扁形或扁长球体模型提供[例如Schneider和Stephens，1995 ; Aydin和Walsh，1999; Battaglia等，2001]。然而，对于94 GHz的较高频率，瑞利近似通常不会为这些球状模型产生准确的雷达后向散射特性[Schneider和Stephens，1995; Aydin和Tang，1997; Aydin和Walsh，1999]。

为了获得非球形冰晶的精确雷达后向散射特性，已经使用几种数值方法来解决用于非球形冰晶的光散射的麦克斯韦方程[Kokhanovsky，2006,2007]，例如T矩阵[Mishchenko等人，1996] ，有限差分时域（FDTD）[Yang and Liou，1996a; Aydin和Tang，1997; Sun等人，1999]，改进的几何光学方法（IGOM）[杨和Liou，1996b]和离散偶极子近似（DDA）[Draine和Flatau，1994]。在这些方法中，FDTD和DDA方法已被用于计算非球形冰晶体的雷达散向散射性质，因为它们适用于在云雷达频率具有复杂形状的非球形冰晶体[例如Schneider和Stephens，1995; Liu和Illingworth，1997; Aydin和Tang，1997; Aydin和Walsh，1999; Lemke和Quante，1999; Okamoto，2002; Sato和Okamoto，2006]。

大多数非球形冰晶的雷达后向散射性质的研究集中在柱状或平面晶体上[例如Schneider和Stephens，1995; Liu和Illingworth，1997; Aydin和Tang，1997; Okamoto，2002]。事实上，冰云通常由由状或聚集体组成的多晶晶体形式组成[例如Heymsfield和Miloshevich，2003; Bailey和Hallett，2004]。然而，只有少数工作研究了这些多晶体的雷达后向散射性质。例如，Aydin和Walsh [1999]利用FDTD方法研究了35GHz，94GHz和220 GHz雷达后向散射特性，具有四个分支和具有六个和八个分支的空间状晶体。 Lemke和Quante [1999]在35GHz，94GHz，140GHz和220 GHz的频率下研究了两种类型的恒星雷达反向散射特性。最近，Sato和Okamoto[2006]研究了雷达反射系数和线性去极化率在95 GHz的玫瑰花状五个分支。

具有柱状或平面形状（六棱柱，中空六棱柱和扁六棱柱），多晶形状（玫瑰状和聚集体）和屈曲面的冰晶已广泛用于从卫星红外和太阳测量中检索冰云的微物理和光学性质[例如，King等人，2004,2006; Yang等人，2005; Baum等人，2005a]，例如Aqua卫星上的中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）和大气红外探测器，它是卫星A-Train的一部分。 A-Train还包括CloudSat，这是2006年4月28日发射的第一个基于卫星的94 GHz毫米波长云雷达。CloudSat观测任务的一个关键方面是将来自A-Train多个传感器的观测结果与CloudSat观察比较[Stephens等人，2002]。CloudSat的重要科学目标之一是评估来自其他卫星传感器的云性质，包括来自Aqua和操作传感器的云性质[Stephens等，2002; Buehler等人，2007]。使用一致的冰晶形状对于来自多个卫星传感器的云属性的组合测量和用于评估云属性是至关重要的。因此，有必要使用非球形冰晶形状来开发CloudSat的后向散射特性，这与非常广泛用于冰云特性的可见光和红外探测的非晶冰晶形状一致。

这项研究的目的是调查和参数化非球形冰晶在94 GHz的雷达后向散射特性：六棱柱，中空六棱柱，扁六棱柱，玫瑰状，聚集状和屈曲面。在第2节中，介绍用于计算雷达后向散射截面的DDA方法。在第3节中，计算使用DDA方法的94GHz雷达后向散射截面，并与从Lorenz-Mie理论计算的那些相比较，该理论使用具有等效最大尺寸，体积，投影面积的球形粒子以及体积与投影的比面积为六个非球形冰晶。非球形冰晶的雷达后向散射截面被参数化为第4节中最大尺寸的函数。在第5节中，雷达后向散射截面的参数化被应用于具有冰晶形状的混合的冰云，从而导出等效雷达反射系数和冰水含量。结论见第6节。

  1. 离散偶极子近似法

Kokhanovsky [2006,2007]已经回顾了用于研究非球形冰晶的光散射和吸收的各种方法。由Mishchenko等人研究的T矩阵法[1996]对于球状颗粒是有效的。FDTD [Yang and Liou，1996a; Sun等人，1999]和IGOM [Yang和Liou，1996b]方法已广泛用于计算可见光和红外波段冰云的单散射性质。由Draine和Flatau [1994]研究的DDA方法具有关于具有任意几何形状的冰晶灵活性的最大优点。其基本概念是通过在具有晶格间距为d的立方晶格上的可极化点偶极子阵列表示散射体。 DDA方法已被用于研究具有复杂形状的灰尘和冰晶的散射[例如，Evans和Stephens，1995; Kalashnikova和Sokolik，2004; Liu，2004; Kim，2006; Sato和Okamoto，2006; Hong，2007]。在这项研究中，偶极子数N（，其中是散射体积）随粒径变化以确保标准量（其中m是散射的复折射率，是角波数，是波长），这是DDA计算的精度所要求的（BTDraine和PJFlatau，离散偶极子近似代码DDSCAT 6.1,2004的用户指南，http://arxiv.org/abs/astro-ph /0409 262v2）。

  1. 非球形冰晶的后向散射特性

当入射电场朝确定方向散射体传播时，散射体的散射特性由振幅散射矩阵S

， （1）

图1. 研究中的非球形冰晶的几何形状

其中和描述入射电场，和描述散射电场。下标h和v分别表示水平和垂直方向，r是到散射体的距离。振幅散射矩阵S包括共极化（和）和交叉极化（和）矩阵元素。对于球形颗粒，和为零。在一般情况下，冰云的非球形冰晶被假定为随机取向，所以=，=。由（）可以确定雷达后向散射截面。此外，利用（），可以进一步确定线性去极化比。由于CloudSat仅提供关于雷达反射率的信息，所以在本研究中仅考虑共极矩阵元素（）。

六种非球形冰晶包括六棱柱，中空六棱柱，扁六棱柱，玫瑰状，聚集状和屈曲面，它们用来研究冰云的光学和微物理性质[例如，King等人，2004,2006; Yang等人，2005; Baum等人，2005a]。六个非球形冰晶的几何形状如图1所示，并且已经由Yang等人详细介绍。 [2005]和Hong [2007]。用于DDA计算的冰晶体积和偶极子尺寸作为最大尺寸D的函数如图2所示。

图2. （a）冰晶体积V（b）偶极子尺寸d 用于DDA计算，作为六种非球形冰晶，六棱柱，中空六棱柱，扁六棱柱，玫瑰状，聚集状和屈曲面的最大尺寸D的函数。

注意，在该研究中，D是指原始非球形颗粒的最大尺寸。六种冰晶体使用纯冰密度0.917。冰晶体在94GHz频率下的折射率来自数据集[Warren，1984]，温度为30℃。具有在2〜10,500mm范围内的46个最大尺寸D的非球形冰晶的通过DDA模型（BT Draine和PJFlatau，离散偶极子近似代码DDSCAT 6.1,2004的用户指南，来自http:/arxiv.org/abs/astroph/0409262v2），其几何界面已被修改。然后通过下式确定后向散射截面：

（2）

非球形冰晶的散射性质通过Lorenz-Mie理论使用具有最大尺寸D，体积V，投影面积A或体积与投影面积的比值（V/A）的等效球形颗粒代替非球形冰晶体的散射性质来计算[例如，Lee et al。，2003; Donovan等，2004; Weinman和Kim，2007]。在本研究中，类似的方法用于使用Lorenz-Mie理论计算六种非球形冰晶的。此外，单个非球形冰晶体的散射特性由具有调整的有效体积密度的球体的散射特性表示，以便使冰晶粒子的质量不变[Donovan等人，2004]。因此，本研究中的后向散射截面被调整为因子（是纯冰密度，是等效球形冰晶粒子的有效体积密度）。因子是通过单个冰晶粒子的质量（，其中是非球形冰晶体等效球体的体积）导出的。对于等效尺寸D

， （3）

对于等效体积V

， （4）

对于等效投影面积A

， （5）

对于等效体积与投影面积比V/A

， （6）

图3表示最大尺寸D的函数的六种非球形冰晶的。使用具有等效D，V，A和V/A的球形颗粒的Lorenz-Mie理论计算结果也在图3中示出，用于比较。以表示，单位为。对于所有的计算结果，都随着D的增加而增加。通常，等效D，V，A和V/A的结果显示对于D超过1.0mm的六棱柱，中空六棱柱，扁六棱柱，玫瑰状和聚集状的大颗粒具有不同特征。对于屈曲面，等效D，V，A和V / A的结果是相似的，并且接近于从DDA方法计算的结果。这是因为屈曲面的形状比其他形状更为球形。六棱柱，中空六棱柱，扁六棱柱和玫瑰状的颗粒，等效V/A和D的与DDA方法的明显不同。此外，一般来说，等效V/A高估了，而等效D低估了。对于六棱柱和中空六棱柱，等效V的接近于用于六棱柱和中空六棱柱的DDA方法结果，D为7.0-9.0mm时例外。对于其他形状，扁六棱柱的等效V的更接近DDA方法的，而玫瑰状的等效V或A的更接近DDA方法的。而聚集状的等效D可用于表示DDA计算。

在粒子分布上平均化，然后导出冰云的平均后向散射截面。研究由非球形冰晶组成的冰云的。使用以下等式在粒子分布上计算：

， （7）

其中N（D）是冰晶粒子尺寸为D的数密度。和分别是给定粒子分布中D的最小尺寸和最大尺寸。

图3. 六种非球形冰晶（a）六棱柱，（b）中空六棱柱，（c）扁六棱柱，（d）玫瑰状，（e）聚集状和（f）屈曲面的最大尺寸函数D在94GHz的雷达后向散射截面，使用等效最大尺寸D，体积V，投影面积A和体积与投影面积的比值（V/A），将由DDA方法计算的结果与来自Lorenz-Mie理论的结果进行比较。 这里使用的最大尺寸D与图2中的相同。

Gamma粒子分布通常用于冰云。它的类型如下 [例如Baum等人，2005b]：

， （8）

其中是截距，是斜率，是从0到2，是色散的通常范围，并且= 2用于该平均，并且是粒子分布最大尺寸的中值。粒子分布小于1.0mm的粒子Dm的值不同。由热带冰云的平均值b = 2.1和在场测量中的中纬度冰云的平均值b

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