Численное моделирование переноса поляризованного излучения в пространственно неоднородных облаках и осадках.

В докладе систематизируются результаты проведенных авторами численных исследований переноса поляризованного электромагнитного излучения в облаках и осадках. 

В рамках единого вычислительного подхода исследованы различные теоретические и прикладные задачи. Основой принятого авторами подхода к исследованию является конечно-разностная схема для векторного уравнения переноса излучения со встречными разностями, реализованная авторами для одномерных, двумерных и трехмерных задач. Вычисления эффективно реализованы на высокопроизводительном суперкомьютерном параллельном кластерном оборудовании комплексов НИВЦ МГУ «Чебышев», «Ломоносов» и «Ломоносов-2». Благодаря применению техники параллельных вычислений достигнуто значительное повышение производительности расчетов.

Наиболее детально авторами исследованы задачи переноса теплового радиоизлучения микроволнового диапазона в кучевых облаках и дождевых осадках, обладающих преимущественной ориентацией несферических падающих дождевых капель и как следствие, анизотропией рассеяния электромагнитного излучения. Проведены расчеты для моделей однородного плоскопараллельного дождевого слоя и трехмерных кубических дождевых ячеек для различных значений интенсивности выпадающих дождевых осадков (1-100 мм/ч) и нескольких длин волн микроволнового излучения (3, 8, 15 и 22 мм), соответствующих рабочим диапазонам радиометрической и радиолокационной аппаратуры микроволнового диапазона. По результатам расчетов показана взаимосвязь интенсивности и поляризации наблюдаемого излучения с интенсивностью выпадающих осадков. Как следует из полученных результатов, наблюдение и анализ интенсивности и поляризации теплового радиоизлучения дождевых осадков на нескольких длинах волн одновременно позволяет идентифицировать ячейки дождевых осадков в атмосфере и оценить интенсивность их выпадения. Также исследованы эффекты, связанные с наклоном осей падающих дождевых капель несферической формы. Показано, что предположение о наклоне осей дождевых капель позволяет в целом объяснить наблюдаемые закономерности в поведении третьего параметра Стокса U. Кроме того, исследована зависимость интенсивности и поляризации наблюдаемого излучения от свойств подстилающей поверхности, в т.ч. при наличии частичного ламбертовского отражения.

Кроме того, исследовано  распространение в тонких облачных слоях импульсов лазерного излучения различной поляризации. Исследованы различные схемы зондирования облачных слоёв с различным направлением зондирования, в том числе горизонтального зондирования с летательных аппаратов. Анализ поляризации рассеянного излучения позволил выявить физические закономерности распределения интенсивности и поляризации излучения в диффузном рассеянном световом поле в пределах слоя рассеивающей среды.   Выявленные закономерности в свою очередь дали возможность сформулировать критерии проявления наблюдаемых эффектов рассеяния и указать возможности решения обратной задачи, т.е. оценки толщины рассеивающего слоя среды и её микрофизических параметров. 

Исследование выполнено в рамках государственного задания Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.