(1) Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия
(2) Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита, Россия

Радиационные потоки у поверхности Земли весьма чувствительны к малым изменениям водозапаса облаков Q при Q < 0.05 кг/м^2. Такие облака, состоящие из капелек воды и кристаллов льда, постоянно наблюдаются в умеренных и высоких широтах на высотах в несколько километров при отрицательных температурах. Переохлажденные водяные облака (ПВО) были обнаружены по измерениям наземных микроволновых радиометров, самолетных и спутниковых инструментов (Башаринов, Кутуза, 1974).
Теоретические оценки вариаций яркостных температур Т_Я облачности с теплыми и переохлажденными каплями при зондировании со спутников над океаном и материковыми льдами были получены для каналов микроволновых сканирующих радиометров AMSR-E, AMSR2, AMSU-A/B и МТВЗА-ГЯ в диапазоне частот от 10 до 300 ГГц (Mitnik L., Mitnik M., 2010). В настоящей работе расчетные значения Т_Я были проанализированы для определения частотной и температурной зависимостей чувствительности T_Я к изменениям Q для нескольких моделей диэлектрической проницаемости воды (Turner et al., 2016; Rosenkranz, 2015; Бордонский и др., 2017).
При расчетах также использованы новые лабораторные измерения переохлажденной воды на частотах 94 … 140 ГГц при переохлаждении до -60°С. Полученные аналитические выражения для мнимой части относительной диэлектрической проницаемости аппроксимированы до частоты 180 ГГц. Как было установлено из расчетов чувствительность меняется с понижением температуры облачных капель t_обл и с ростом частоты. Различия в значениях T_Я между моделями также зависят от t_обл и частоты. В новой модели диэлектрических потерь переохлажденной воды имеет место повышенное поглощение в переохлажденных водяных облаках при температурах ниже 30°С. Причем в ней погонное затухание в облаках монотонно возрастает с ростом частоты до 180 ГГц.
Спектральные и поляризационные особенности этих различий и результаты лабораторных исследований поглощения воды в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне при отрицательных температурах могут быть использованы для более точного моделирования диэлектрической проницаемости переохлажденной воды и снижения ошибок восстановления водозапаса облаков с переохлажденными каплями. Для решения этой задачи в области температур -30…-60ºС требуются лабораторные измерения диэлектрических потерь переохлажденной воды для частот 140…600 ГГц.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований ДВО РАН «Дальний Восток» (проект № 15-I-1-009).

Ключевые слова: переохлажденные водяные облака, яркостная температура, микроволновый диапазон, диэлектрические потери

Литература:

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. 17. № 1. С. 52-57.
Бордонский Г.С., Орлов А.О., Хапин Ю.Б. Коэффициент затухания и диэлектрическая проницаемость переохлаждённой объёмной воды в интервале температур 0… 90°C на частотах 11…140 ГГц // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. T. 14. № 3. C 255–270.
Mitnik M., Mitnik L. Modeling of passive microwave signatures of supercooled clouds over the polar ocean // The 11th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing of the Environment, 1-4 March 2010, Washington, DC. USA. ISBN: 978-1-4244-8121-7.
Rosenkranz P.W. A Model for the Complex Dielectric Constant of Supercooled Liquid Water at Microwave Frequencies // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2015. Vol. 53. Iss. 3. P. 1387–1393.
Turner D.D., Kneifel S., Cadeddu M.P. An Improved Liquid Water Absorption Model at Microwave Frequencies for Supercooled Liquid Water Clouds // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2016. V. 33. N. 1, doi: 10.1175/JTECH-D-15-0074.1.

Дистанционные методы исследования атмосферных и климатических процессов

191