TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 11, Novembe r   2014, pp. 75 4 3  ~ 754 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i11.61 23          7543     Re cei v ed Ap ril 21, 2014; Revi sed  Jun e  23, 2014; Accepted July 2 0 ,  2014   The Influence of Aspect Ratio and Orientation to  Scattering Properties of Ellipsoid Ice Particles      Jinhu Wa ng* 1,2 , Junxiang Ge 1,2 , Ming  Wei 1,2       1 Jiangs Ke y  L abor ator y  of  Meteoro l og ica l   Observati on a n d  Information Pr ocessi ng,   Nanj in g Univ er sit y  of Informati on Scie nce a n d  T e chnolo g y Nanj in g 21 004 4, china   2 Ke y  L abor ator y for Aeros o l-C l ou d-Preci p itat i on of Chi na Me teorol ogic a l Ad ministratio n   Nanj in g Univ er sit y  of Informati on Scie nce a n d  T e chnolo g y Nanj in g 21 004 4, china   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  goldtig er w a ng @nuist.e du.cn       A b st r a ct   T he influ ence  of aspect ratio  and ori entatio n to sca ttering  properti es of elli pso i d ice p a r ticles at   94GH z   is  stu d ie d by  Discr ete-Di pol e Ap proxi m ati o n   (D DA) meth od. Absorpti on efficiency,  sc atteri n g   efficiency, asy m metry factor  and  backsca tte ring effici ency  are co mputed  w i th aspect rati os vary fro m  0. 2 t o   1.0, w hose si z e   par a m eter  rang e ar e se l e cted fro m   to 5. It is fou nd th at the v a lues  of scatter i n g   prop erties  are  incr easi n g  if  the p a rt icle  si z e   i n creas es,  but if th e s i z e  is  larg er th a n  the  li mit va l ue,   oscill atio n occ u r, an d the  os cillati on  ph en o m e n o n  w ill  be  smo o the d  by  r and o m  or ientat ion c o mp ared   w i th  that of hor i z o n t a l or ientati on  b e caus e scatteri ng pr op erties c o mpute d   by  r a ndo m orie ntati on meth od hav e   mor e  av era g e  frequ ency th an th at of h o r i z o n ta l or ient ation. In  no n- oscill atin g re gi on, the  scatte rin g   efficiency is l a r ger than th e a b sorpti on effici ency du e to  sma ll i m a g i nary  part of the comp lex refractiv e  o f   ice at 9 4  GH z ,  an d scatteri ng pr operti es  incre a se if  the  aspect rati o i n creas es w i th the sa me s i ze   para m eter b u this featur e is   app arent  on ly i n  the  cas e   of h o ri z o nt al orie nt ation.  T h e asy m metric   de gre e   of   forw ard scatte ring  an back scattering  incr eases  w hen  p a rticle s i z e   inc r eases  w hen   si z e   para m ete r  of   particl e is not e xceed ing  1.5.     Ke y w ords : as pect ratio, orie ntation, DDA, e llips o i d  particl e ,  scattering pro perties, 94 GH   Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1.   Introducti on   Cirru s  cl oud,  whi c regul arly covers a b o u 20%~30%  of the glo be,  plays a n  im portant  role in the en ergy bala n ce of the earth-a tmosph er e sy stem be cau s e it reflects o r  scatters sh o r wave  radi atio n of the   sun,  but a b sorbin g the l ong  wave radiation  of the  atmo sph e re  an d t he  earth' s  surfa c e [1, 2], studying the radi ation ch ar a c te ri stics of cirru s  and  buildi ng the datab ase of  scattering p r o pertie s  are important [3].  Scatterin g  an d absorptio n cha r a c teri stics of ic e pa rticle s in cirru s  cloud s rel a ted to its  sha pe, di men s ion,  ori entati on, compl e x refractive  ind e x , incide nt  wavelength  etc. Orie ntation  of  particl es, a s  one of the mo st importa nt factors to  scat tering comp utation, has b e en discu s sed  [4 - 7].  Ping Yan g  [ 3 ] studi ed t h e opti c al  pro pertie s   of he xagonal  ice  cry s tals with  differe nt  asp e ct ratio s   at rando m ori entation. Lei Che ngxin  [4] studie d  the influence of aspect ratio o n  the  scattering p r opertie s  of small size he xagonal ic e cry s tals in ci rru s cl oud s at 1.06um. Gong   Chu n wen [5]  studie d  the in fluence of a s pect  ratio  o n  the  light-scattering prope rties  of small si ze  cylinder i c e particles in  cirrus  cl oud  by T-matrix method. However,  t hese literatures  mainly fo cus  on visi ble  an d infrare d  lig hts; little literature  stu d ie the influe nce  of aspe ct ratio an d o r ie nta t ion  on scatte ring  prop ertie s  of i c e p a rti c les a t  94  GHz, whi c h a s uniq u advanta ge whe n   dete c ti ng   dynamic a nd  stru ctural ch a r ac teris t ics  of c i rrus  [6].  Becau s e the r e are ellip soi d  particl e in cirru s cl oud, a nd som e  re searche r s tho ught it is   feasibl e  to ca lculate the  scattering p r op erties of  i c e p a rticle s at mil limeter wavel ength if we u s ellipsoid p a rti c le to  re place  ice  crystal s   with  ha bits  of plate, colum n , and  nee dl e [8]. Thu s , this  pape r u s e s   DDA  method  to study th e  influen ce  of aspe ct ratio  and  ori entati on on  scatte ring  properties of  ellipsoid i c particl e at 94 GHz, t he result can provi de  a re ference for  retrieval  of  ice particles i n  cirrus cloud.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  75 43 – 754 8   7544 2.  Introduce  of DDA Me thod   The di screte  dipole  app roximation (DDA) i s  a  ge neral  metho d  used to  compute   scattering  an d ab sorption  of electrom agneti c  wa ve s by pa rticle s of a r bitra r y geomet ry a nd  composition [9, 10]. Initially DDA   wa s p r opo se d by P u rcell an d Pe nny pa cker [9 ], who repla c ed  the scatte r b y  a set of p o i nt dipol es.  Draine  an d Fl atau [11]  dev elope d the  DDA mo del  an d   provide d  rele vant code s. T he prin cipl e a d vantage of  DDA is that it  is flexible with rega rd to the  geomet ry of the target. In orde r to obtai n the des i r ed  accura cy the  inter-di pole  spa c e mu st b e   sufficie n tly small when  co mpared to  th e wavelen g th , this  req u ire s  both l a rg compute r  me mory  and lon g  com putation time whe n  cal c ulat e the large r  p a rticle s [12].   The ba sic p r i n cipl e of DDA  is as follo ws  [6]:  Assuming the pol ari z abilit y is  j  and  the  dipol e m o m ent is  j P  for the j th dipol e, the  DDA mo del i s  attempted t o  find the sol u tion for  a se lf-con si stent set of dipole  moment s, wh ich  can b e  de scri bed with the f o llowin g  form ula:    ,, ex t j in c j j jj j k k kj PE E A P                                    (1)    Whe r , in c j E   is the  electri c  field  at the positio j due to the i n cid ent plan e  wave, and  jk k A P  is  the contri buti on to the electri c  field at the positio n j due to the dipole at position k j k A can be  expre s sed  by a fun c tion  of  angul ar  wave  numb e r K and  the relative p o s ition  of the  d i pole s j and k . The  mathe m atical  expre ssi on  of  j k A can   be fou n d  in  relevant lite r at ure  [10][11].  Defining   1 jj j A redu ce s the scatterin g  prob lem to find the dipole mo m ents  j P  that satisfy a system  of  3N complex li near e quatio n s   , 1 N inc j jk k k AP E                                               (2)    Whe r N i s  th e total n u mbe r  of  dipole s Once  (2) ha been  solved f o r the  un kn o w pola r izatio ns  j P  , the single  scatterin g  pa rameters in clu d ing the  scat tering a nd a b so rption  efficien cie s , the  asymmet r y param eter an d  the phase matrix of scatte ring may be e v aluated.         Figure 1. Gen e ral Pro c e s s of Computin g  Scatteri ng S c attering Effic i enc y, Abs o rption Effic i ency,  As ymmetr y Fac t or , Bac kscatter i ng Cr oss  Sec t ion and Phas e Func tion of Tar g et  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Influen ce  of Aspect Ra tio and Orie ntation  to Scattering Prope rti e s of… (Jinh u  Wan g 7545   Figure 1 sho w gen eral  proce s s of com puting  the  sin g le-scatterin g  prop ertie s  of  studie d   target. On ce  the  code o f  ddscat.pa r   file are  corre c tly set  acco rding  to a c tu al dem and, t he  singl e-scattering pro p e r ties of target can  be get after cl icki ng dd scat.exe.      3.  The Influence of Aspect Ra tio  and Orientation on  Scatteri ng Properties of Ellipsoid Ice  Particles   Definition of aspect ratio of  ellip soid ice particle  i s  as follows:    b a                                                     (3)    Where b i s  semi- minor axis of ellipsoi d , a is  the  semi-maj or ax is of  ellipsoid, which can  be  expre s sed a s  Figure 2.              Figure 2. Ellipsoid Particle      The compl e x refra c tive index o f  ellipsoid  ice pa rti c le is  def ined a s   1.782 0.00270 mi    in thi s  paper [13], the  effective radius   of com puted ellipsoid i c particle  is defined as  follows:    1/ 3 (3 / 4 ) eff rV                                      (4)    The si ze parameter of e llipsoid i c e particle is:     2 ef f eff r xk r                                       (5)    The  ellipsoid ice particl e   can  be hori zontal or  random ori entation. If the elli psoid is  hori z ontal   o r ientation,  the  prop agatio n dire ction of  i n cid ent el ectromagn etic  wave is pa ralle l to  the semi -maj or axis  of the ellipsoid a nd the e llip soid ice  parti cle can  rotate  about ho ri zo ntal  plane, in ord e r to model  hori z ontal o r i entation  in space, we averag e the scattering p r op erties  over about 100 ori entatio ns. If the ellipsoi d  is random orientat ion, the ellipsoi d  ice particl e  can  rotate a bout  any direction;  we  avera g e  the sc atteri n g  prope rties  over 1 000  orientation s . T he  scattering propertie s   of absorptio e fficiency,  sca ttering efficie n cy, asymm e try factor a nd  backscatterin g  efficien cy with the aspe ct  ratio varie s  from 0.2 to 1.0 can b e  sho w n in Figu re  3,  4, 5, 6 resp ectively.  If we multiply the absorp t ion efficien cy,  the scattering efficie n cy and the backward   scattering  ef ficien cy with  the g eom e t ric  cro s s - s e ct ion,  t h e  a b so rpt i on  c r os s- se ct ion,   t h scattering  cro s s-sectio n an d the ba ckwa rd sca tte ring  cro s s-se ction  can  be o b tai ned, which are  freque ntly used in the fiel d of meteo r ol ogy. The vert ical coo r din a tes  of  Fi gures  (2), (3), (4), (5 use th e log a rithm of 10 in  a ba se a nd i s  multiplie d b y  10 ( 10 * l o g ( Q or ) abs s c a b k Qo r Q ) ,  the solid line  (left part)  sho w s the  scattering cha r a c te ristic of the pa rticle of  ho rizontal orie ntation   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  75 43 – 754 8   7546 and the  dotte d line  (rig h t p a rt)  rep r e s ent s the  scatte ri ng characte ri stic of the  pa rticle  of ran d o orientatio n.           Figure 3. Absorption Efficiency of Ellipsoi d  Part icle  with Different Si ze and Aspect Ratios      Figure 3(a), (b) show the variabl e trend of absor ption efficiency of t he ellipsoid particles  at the horizon tal orientation  and t he ran d o m orie ntatio n respe c tively.  Figure 3 ( a )   shows th at: (1 ) when  the  si ze  par amete r  is l e ss th an  1.5, the  ab sorption  efficien cy of the pa rticl e  in cre a ses with  the incre a si n g  of si ze  pa ra meter, an wi th the same  size  para m eter  or  same vol u me , the abso r pti on efficien cy  i n cr ea se s if  t he as pe ct  rat i o  incr ea se s;  (2 whe n  the si ze  param eter is  large r  than 1. 5, the oscill ating phe nome n on hap pen s.   Figure 3 ( b)  shows the va riable tre nd  o f  r and om o r i entation, the  phen omen o n  of the   absorption efficiency of  the particle increases with the increa si ng of  aspect ratio  will not happen  and the o scill ating phe nom enon al so b e i ng we akene d  compa r e d  wi th Figure 3 ( a ) , which  can b e   explained by  the effect of average.         Figure 4. Scattering Efficiency of Ellipsoi d  Part icle  with Different Si ze and Aspect Ratios      Figure 4 ( a ) , (b)  sh ow the  variabl e trend   of sca tteri ng  efficien cy of t he elli psoid  p a rticle at the horizon tal orientation  or t he ran d o m  orientatio n respe c tively.  Figure 4 ( a )   shows th at: (1 when  the  size  paramete r  i s  le ss tha n  1.5, the  sca ttering  efficien cy of the pa rticl e  in cre a ses with  the incre a si n g  of si ze  pa ra meter, an wi th the same  size  para m et er o r   same v o lu me ,  t he scat t e rin g  ef f i cien cy  incr ea se s if  t he asp e ct  rat i o  incre a s e s;  ( 2 )   whe n  the  si ze pa ram e ter i s  la rge r  th an  1.5, the o s cill ating p heno m enon  hap pen whi c h m e a n that the relat i onship b e tween  scatterin g  efficien cy  and  size p a rameter or orientation i s  n o obviou s Figure 4 ( b)  shows the va riable tre nd  o f  r and om o r i entation, the  phen omen o n  of the   scattering  efficiency of the parti cl e increases with the increasi ng  of  aspect ratio  will not happen  and th e o s cil l ating p heno menon  al so  being  wea k e ned  com p a r e d  with  Figu re  4(a )   due  to  the  effect of average.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Influen ce  of Aspect Ra tio and Orie ntation  to Scattering Prope rti e s of… (Jinh u  Wan g 7547 Besides that, com pared t o  Figu re  3, the scatteri ng effici ency  of the ellipsoidal i c particl es i s  much la rg er  than the ab sorption  effici ency be ca use imagina ry part of com p lex  refrac tive index of ic e is  small at 94GHz frequ en cy.        Figure 5. Asymmetry Para meter of Ellipsoid Pa rt icle  with Differe nt Size and A s p e ct Ratio s       Figure 5(a ) , (b) sh ow the  cha nge tre n d  of asy mmetry factor of the ellipsoi d  pa rticle s a t   the hori z ontal  orientation o r  the  rando m orientatio n re spe c tively.  Figure 5(a)  shows that: (1 ) wh en the  si ze p a ra meter is le ss tha n   1.5, the asy mmetry  factor  of the  particl e in cre a se with th e increa se  of size pa ram e ter, and  with  the sam e  si ze   para m eter  or  same vol u me , asymmetry factor  g in cr eas es  if th e  a s pe c t  r a tio  in cr ea s e s ;  ( 2 )  wh en   the size para m eter is la rge r  than  1.5, the oscillating p henom eno n h appe ns.   Figure 5 ( b)  shows the va riable tre nd  o f  r and om o r i entation, the  phen omen o n  of the   asymmet r y factor of the pa rticle in crea ses with  the in cre a si ng of a s pe ct ratio wil l  not happen  and  the oscillating  phenom eno n  also bei ng weakene d com pare d  with Fi gure 5 ( a ) Acco rdi ng to  Figure 5, the   scatter  can  b e   re garded  a s   Rayleigh  scattering  wh en  parti cle  is  smalle r th an in cide nt  wavele ngth  whi c h m ean s asymm e try i s   small. As the pa rticl e ’s  size  become s  la rg er, the e n e r g y  of incide nt  electroma g n e tic  w a ve is   ab s o r b ed   w h en  it is   r e fr ac te d   into the inte ri or of the  part i cle, the m a in  ene rg y source of  scatteri ng c haracte ri stic com e from  diffraction, which  l ead to forwa r d scattering  i s  la rge r  than b a ckward  scatterin g  and the  deg ree   of asymmetry  becom es la rger.         Figure 6. Backscatte ring Efficien cy of Ellipsoi Particl e  with Different  Size and Aspect Ratios      Figure 6 ( a ) (b) sho w  the  variabl e tre nd of th e dif f erential  ba ckscatte ring  e fficiency  ( b ac ksc atter i ng effic i enc y  is  the differ ential bac kscatter i ng effic i enc y multiplied by 4 ) of the  ellipsoidal particles at the horizontal orient ation or the  random ori e ntation respectively.  Figure 6(a)  sho w s that: (1)  Wh en  the si ze p a rameter i s  le ss th an a b o u t 1.5,   backscatterin g  efficiency i n crea se s wit h  the incre a se of size pa ra meter, and wi th the same size  para m eter o r  same volum e , Backscattering efficie n cy increa se s if the aspe ct   ratio increa se s;   (2)  Whe n  the size paramet er is lag e tha n  about 1.5, the oscillation  occurs.   Figure 6 ( b)  shows the va riable tre nd  o f  r and om o r i entation, the  phen omen o n  of the   backscatterin g  efficien cy of the particl e increa se s with the increasi ng of aspect ratio will  not  happ en an d the oscillating  phen omen on  also b e ing  we ake ned  comp ared  with Fig u re 6 ( a).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  75 43 – 754 8   7548 4.  Conclusi on  The p ape r a nalyse s  the  i n fluen ce of t he pa rticl e  size p a ramete r, aspe ct rati o and   orientatio n o n  scatteri ng  prop ertie s  u s ing the  discrete dipol e Ap proximatio n (DDA ) meth o d  at  94G Hz fre q u ency. T he  re sult  sho w s th at: whe n  the   size p a ra met e of ice p a rti c le i s  l e ss th an a  limit value (typical value 1. 5) in this paper, t he scattering properties of t he ellipsoid ice particl e increa se  with  the in cre a si ng of the  si ze pa ramete r wheth e r at  h o rizontal  orie ntation o r  at  the  rand om o r ien t ation, and  wi th the sa me  size p a ra mete r or  sa me vol u me, the valu es of  scatteri ng   prop ertie s  in crea se if the a s pe ct ratio i n cre a se exce pt asymmetry  factor.  When  size pa ramet e excee d a li mit value (1.5), o scill ation  phen ome n o n  o c curs.  Th e scatteri ng  efficien cy is  much   large r  than th e absorptio n efficien cy; the rea s on i s  that the imagi nary pa rt of complex refractive  index of ice i s  sm all ( 0.0027 i ) at 94GHz freq uen cy. Ellipsoid ice  parti cle’s forwa r and  backward  scattering  asym metry incre a ses  with the i n cre a si ng of  si ze p a ramete r until it rea c h e the limit value. This p ape r establi s h ed  a datab as e b e twee n the  scatterin g  cha r acteri stic  and  the   ellipsoid pa rticle s and p r ov iding a refe re nce for  millim eter-wave ra dar to dete c t the ellipsoid ice   particl es.       Ackn o w l e dg ements   Than ks to Professor B.T. Drai ne  of Pri n ceto n Unive r sity for  providing u s   with t he DDA  pro c ed ures.  This  re sea r ch wa sup p o r ted by Th Nation al Spe c ial  Re sea r ch Fund fo Non- Profit Section (meteo rolo gical ) : Re sea r ch o n  the key technolo g y  of millimeter Clo ud Ra dar.   (Grant No.  GYHY20 120 6038 ) and  suppo rted by   Grad uate  Students’ Scientific Re se arch  Innovation  Program of  Jiang su  High er Edu c ation In stitution of China (G ra nt No.  CXLX12 _05 0 0 )an d  supp o r ted by Nati onal Nature  Scien c e Fo u ndation of  China: Study on   electroma gne tic glint supp ressio n and  microphy sica l  inversio n of clou d usin g millimeter wa ve   MIMO rad a r(Grant  No. 61 3720 66)      Referen ces   [1]  Do w l in g DR, L a w r e n ce F R . A summar y  of  the ph ys ical pr operti es of cirrus clou d.  Jour nal of App l i e d   Meteoro l ogy . 1 990; 29: 9 70-9 78.   [2]  Jinh u W ang, J u n x i ang Ge, Mi ng W e i, et al. Influe nc e of sca ttering pro perti es du e to com p le x refractiv e   ind e x  of  ice.  T h ird  intern ati ona l co nfere n c e o n  i n for m a t ion sc ienc a nd tec h n o lo gy .  Yangz ho u,   Jian gsu, Chi n a .  2013; 99 7-99 9.  [3]  Ping Y ang, H e l i  W e i, et al. Scattering  and  ab sorp tio n  pro per t y  data bas e for  nons pher ical  i c e particl es   in the ne ar-thro ugh far-i nfrare d spectral re gi on.  Appl ie d Optics . 2005; 44( 26): 551 2-5 523 [4]  Lei Ch en g x in.  Influenc e of Aspect Ratio o n  Muller  Matric es of Hexag o n a l Ice Cr y s ta ls  in Rand om  Orientatio n.  La ser & Optoelec tronics Progr es s . 2010; 47: 07 290 1-1~ 07 29 0 1 -6.  [5]  Gong C h u n w e n, W e i He li, L i  Xueb in, S hao  shi y o ng. T he  Influenc e of th e asp e ct ratio   to the L i g h t   Scattering Pro perties of C y l i n der Ice Particle s.  ACTA OPTICA SINICA . 2009: 29(5): 1 155 -115 9.  [6]  Ping Y a n g , Qiang F u Dep e nde nce  of ice  cr y s ta l o p tica l pro perties  o n  partic l asp e ct ratio.  J.  Quantitative S pectrosco py  & Radi ative T r an sfer . 2009; 11 0 :  1604-1 6 1 4 .   [7]  Jin-Hu W a ng,  Jun- Xi ang G e , Ming  w e i.  T heoretical  st ud y o n  sin g l e -scattering  pro perties  of ice   particl es of different  ori entati o n at 94 GHz.  Progress i n  elect r omag netic Re search M , 201 4; 36: 39-4 6 [8]  Gang Ho ng. Rad a r backsc attering pr op erties  of nonsp heric al ice cr ystals at 94GH z Journal o f   Geophys i cal R e searc h . 200 7; 112: 1-11.   [9]  Purcell EM, P enn yp ack e r C R . Scattering  and  absor pti o n  of light b y   no nsph eric a l  di el ectric grai ns.     Astrophys J.  1973; 86: 7 05-7 14.   [10]  Drain e  BT T he Discrete-D i p o le Ap pro x im a t ion an d Its Applic atio n to Interstell ar Graphite Grai ns.   Astrophysic a l J . 1988; 33 3: 84 8-87 2.  [11]  Drain e  BT , PJ F l atau. Us er g u id e for th d i s c rete di po le  ap pro x imati o n  co de D D SCAT  7.2.  Princ e ton  Univers i ty obs ervatory . 201 2;  1-95.   [12]  Guoshe ng L i u.  Appro x im atio n of Singl e S c attering Pro p e rties of Ice and Sno w  P a rti c les for Hig h   Micro w av e F r eque ncies.  J. Atm o s. Sci.  20 04 ; 61: 2441- 245 6.  [13]  Evans KF , Steph ens GL. Micro w av e rad i ative tr ansfer  through c l ou ds compos ed  of realistica l l shap ed ic e cr ystals. Part I: Si ngl e scatterin g  prop erties.  J. Atm o s. Sci.  199 5; 52: 204 1-20 57.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.