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. 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. 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. 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”. Theoretical assessments of the intensity and polarization of thermal radiation of the rain, registered by space-borne microwave radiometers, are the goal of this paper. The question of formation and registration of spatial and temporal distribution of microwave thermal radiation of the raining atmosphere are addressed. Thermal radiation of the three-dimensional rain cell is simulated numerically for realistic size distributions of non-spherical falling raindrops. The governing role of the three-dimensional inhomogeneity of the precipitating atmosphere and its cell structure in formation of the microwave thermal radiation field is shown. Microwave radiative properties of the rain have been evaluated from rigorous electromagnetic scattering calculations at the wavelengths 3,8, 15.4 and 22 mm. Thermal microwave radiation of rain cell has been simulated by numerical solution of three-dimensional vectorial radiative transfer equation. Obtained results reveal the fact that upwelling thermal radiation of the cubic rain cell with oriented non-spherical raindrops, observable form the space, is pronouncedly polarized. Angular distributions of the averaged radio brightness temperature from the whole observed surface, registered by the remote sensor, approaches corresponding distribution for the uniform rain slab model. However, the polarization degree of thermal radiation of the rain cell is notably lower that for the slab medium. Thus, the governing role of the cell structure of the rain atmosphere in the formation of polarization features of thermal microwave radiation field is established. In addition, the importance of three-dimensional radiative transfer models for simulation and analysis of thermal radiation of realistic rain fields is also shown. The results show that the polarization features of the rain cell thermal radiation, typical for rain precipitation, are observed for all the studied wavelength, in particular, at the longest one (22 mm), where the raindrops can be well approximated by infinitesimal anisotropic dipole scatterers. Compared to the uniform slab medium model, a rain cell has its own specific signatures in its microwave thermal radiation.In particular, difference of radio brightness temperatures at vertical and horizontal polarizations (the 2nd Stokes parameter Q) in the three-dimensional model is relatively less pronounced, than for the slab medium. Thus, simulation results prove the key importance of three-dimensional inhomogeneity of real precipitating atmosphere in the formation of thermal radiation, registered by space borne remote sensing instruments. The study is partially supported by the Russian Fundamental Research Fund with the grant 13-02-12065 ofi-m "Fundamental problems of the microwave remote sensing of the Earth from space" and 15-02-05476 "Development of new methods and techniques for meteorolgical radar sounding of atmospheric precipitation in the millimeter wave band". The author thanks the the administration of the Scientific Research Computing Center of the Moscow State University for granting the access to the computational resources of the parallel computing system SKIF-GRID "Tchshebyshev".