塔克拉玛干沙尘天气的激光雷达探测个例分析

李红军 ，郑 伟 ，巩 庆

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.塔中气象观测站，新疆 塔中841000）

塔克拉玛干沙漠是我国最大的沙漠，也是我国三大沙尘暴多发区之一[1-3]。该区域沙尘暴对我国西北及下游地区的气候和生态环境有重要影响。沙尘暴在传输的过程中，沙尘不断沉降，有些散落于传输路径上，而有些细小颗粒则进入到平流层形成一层稳定的沙尘层，这些进入大气的沙尘都直接影响到地气辐射和大气环流。塔中是该沙漠，也是我国沙尘天气出现频数最高的地区，春夏季节常出现沙尘暴，年平均沙尘天气次数多达65 d[4]。许多研究已对塔克拉玛干沙漠及周边地区地表的沙尘天气的气候特征和影响因子进行了研究[5-10]。激光雷达能够直接监测从地面至大气一定高度沙尘天气的结构和沙尘浓度的变化等。国内学者利用激光雷达资料分析对中国北方东部的沙尘气溶胶的垂直结构和沙尘天气的时空分布特征及原因进行了探测和分析[11-13]，而塔中大气低层至高层沙尘天气变化的研究很少，为了解沙尘垂直分布的变化和特征，本文采用偏振微脉冲激光雷达对塔中一次沙尘过程的探测数据进行了分析。

1 偏振微脉冲激光雷达

1.1 偏振微脉冲激光雷达探测原理

当一束偏振激光束发射到大气中，对于球形粒子，其后向散射光的偏振方向与照射光相同，即没有发生退偏振现象，雷达方程如式（1）所示。当偏振激光照射到非球形粒子后，其后向散射光的偏振方向将发生变化，产生了与发射光相垂直的分量，即发生退偏振，用式（2）表示：

式中，下标P和S分别表示与发射激光偏振方向平行和垂直的两个方向；P0是激光发射功率；Pp（z）和Ps（z）分别为激光雷达接收到的在距离Z处大气后向散射平行分量和垂直分量的回波功率；kp和ks分别是雷达接收平行分量通道和垂直分量通道的系统常数；βp（z）和βs（z）分别表示在距离z处大气后向散射系数的平行分量和垂直分量，αp（z）和αs（z）分别表示在距离Z处大气消光系数的平行分量和垂直分量。激光雷达一般使用退偏比来描述非球形粒子多少，偏振激光雷达探测的退偏振比可表示为：

1.2 偏振微脉冲激光雷达

探测沙尘的偏振微脉冲激光雷达由中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心研制。雷达主要由激光发射单元、信号接收单元、采集控制单元和软件组成。探测过程为：激光器发射的激光经过扩束器等进入大气后，大气分子和气溶胶粒子散射与吸收激光，其中后向散射的光子经望远镜接收后由分光系统将平行和垂直偏振光分别送达信号接收单元的探测器，而计数器按照时序累加所接收的光子数，同时将它们存储到数据存储单元。最后这些数据由计算机读出并实时计算出所需的参数。激光雷达主要技术指标见表1，采用的是二极管泵浦的全固态激光器，其突出特点是：重复频率高，能量低，系统结构简单、体积小，可连续运行和移动携带方便，其模块化结构确保了系统工作的稳定性和探测数据的可靠性，能够昼夜自动连续探测。

表1 偏振微脉冲激光雷达主要参数技术指标

2 沙尘探测与分析

2.1 沙尘暴过程

2010年7月14—16日在塔克拉玛干沙漠塔中站发生了沙尘天气，此次天气经历了浮尘、扬沙和沙尘暴过程，14日21∶20开始出现扬沙，至21∶30转变为沙尘暴，23∶50沙尘暴减弱为扬沙，15日0∶30扬沙减轻为浮尘，16日7∶10浮尘结束。沙尘天气历时33.83 h。

这次沙尘天气过程中气象要素发生了相应变化。从14日21时起，平均风速急剧增大（图1），22时达到8.2 m/s，1 h内加大6.2 m/s，因而相继出现了扬沙和沙尘暴天气，大于6.0 m/s的风速约持续到24时，其后平均风速迅速减小到4.0 m/s以下，出现短暂的扬沙后，之后一直是浮尘天气，风速在3.0 m/s左右，持续了约20 h，15日22时至16日07时风速减小至0 m/s。气压从14日21—24时持续上升，之后，至15日05时，气压在884～885 hPa间波动，其后在15日12时达到最高，15日20时达到最低，浮尘结束时，气压升至886.5 hPa（图1）。

2.2 沙尘天气过程的激光雷达探测

退偏比测量是偏振微脉冲激光雷达所独有的特性，根据退偏比可以直接判断是水云、冰晶云、沙尘等。在Sassen（1991）的综述文章中提供了在实验室获得的大气中不同类型粒子的退偏比[13-14]。在不考虑多次散射的情况下，一般洁净大气远小于0.1，沙尘0.1～0.3，卷云0.4～0.7，较重沙尘暴可超过0.4。偏振微脉冲激光雷达在工作时同时测量垂直通道和平行通道的回波信号，再根据雷达方程和退偏比计算公式计算得到退偏比的分布廓线。在进行沙尘暴测量时，为了解沙尘暴的垂直分布和变化过程，将镜筒垂直放置，把激光垂直发射到大气中。本次塔中沙尘天气过程中，有些时段出现了高云中的密卷云，高度在5 km以上，为避免较重沙尘天气与密卷云的激光雷达回波难以分辨，有高云时，只分析5 km以下激光雷达的探测回波。

图2是2010年7月14日至16日在塔中测量的沙尘天气退偏比演变过程。从14日21∶26至15日7∶28，激光雷达退偏比图上出现了较强沙尘天气信号，在贴地层约100 m以下有一沙尘薄层，浓度为中等强度，退偏比约0.2～0.35左右，在塔中站发生沙尘暴时段沙尘浓度和薄层高度要大于发生浮尘时段；在约100～500 m高度的沙尘浓度较小，退偏比约0.1～0.15左右；在约500～1 000 m高度，14日21∶26至15日0∶27沙尘浓度较大，退偏比 0.3～0.4，15日0:27至7∶28沙尘浓度为中等强度，退偏比0.2～0.25；在1 000～2 000 m高度沙尘浓度也为中等强度，退偏比0.2；在2 000～4 500 m高度，14日21∶26至15日0∶27沙尘浓度较大，退偏比0.3左右；在4 500～6 500 m高度是沙尘高浓度区，14日21∶26至15日0∶27沙尘浓度很大，退偏比大于0.4，15日0∶27至15日7∶28沙尘浓度为中等，退偏比为0.3～0.4；6 500 m高度以上沙尘浓度减小，沙尘约延伸到10 km处。从高空大气中沙尘浓度与近地面沙尘天气的对应来看，在近地面发生沙尘暴时段，各高度层沙尘浓度基本上较高，退偏比0.3～0.4；地面发生扬沙的时间较短，各高度层沙尘的退偏比与沙尘暴的退偏比接近，而在地面发生浮尘时段，4 500～5 000 m高空沙尘浓度基本上较高，退偏比在0.3～0.4，而4 500 m以下沙尘浓度基本上较低，退偏比0.2～0.3。这说明塔中发生沙尘天气时高空沙尘浓度也较高且来源于周边，高空较高浓度沙尘的持续时间长于近地面。

15日傍晚20时之后，塔中平均风速减小为0 m/s，空中沙尘降落并减少，3 500 m以上高空沙尘减少，中层和贴地层沙尘浓度变化较小。图2数据给出的是从 15日下午 21∶25到 16日 06∶54共约9 h的沙尘的演变情况。从图2可见，在0．5～3．5 km有一个几千米厚的浓度相对较高的沙尘区域，退偏比在 0.2 左右，在 0．06～0．5 km 是一个浓度相对较低沙尘区域，贴地层也有一个浓度相对较高的沙尘薄层，3．5 km 以上的区域在 22∶32—23∶05、0∶13—0：46和02∶13—06∶21时段存在浓度相对较低的沙尘区域，一直延伸到5 km高度。而大气沙尘退偏比在两层之间没有特别明显的过渡层，即两层区域存在明显的分界线，沙尘暴时段与非沙尘暴时段也存在明显的分界线。

2.3 典型时刻沙尘天气的退偏比

在7月14日21∶26沙尘天气开始时，大气整层沙尘的回波信号还很弱，从单独提取的21∶26信号（图3）可以看出，沙尘退偏比在大气低层开始时较大，约为 0．08，之后，随着高度增加，退偏比减小，约400 m处有一个极小值点，之后，随着高度增加退偏比略增大，约1 500 m处有一个极大值点，约为0.06，之后，随着高度增加,退偏比减小，约4 500 m处减小为0。而在7月15日2∶13空中无云，探测到沙尘高度达到最大，约为10 km，此时刻，100 m以下高度的退偏比为0.5，100～500 m高度退偏比逐渐减小至0.17，之后至1.5 km高度，退偏比变化至极大，为0.33，而2.0 km高度处达到极小值，约0.25，之后随高度增大，退偏比逐渐增大，在6.6～9.5 km高度，退偏比在0.33～0.8之间变动（图3）。

在7月15日21∶58时底层信号开始变强，单独提取21∶58的信号来看（图4a），底层在开始时较大，约为0．37，之后，随着高度增加退偏比减小，约300 m处有一个极小值点，之后，随着高度增加退偏比增大，约1 200 m处有一个极大值点，为0．24左右，之后，随着高度增加退偏比减小，约 3 700 m处减小为0。而在7月16日4∶40，空中无云，探测到沙尘高度达到最大，约为10 km，此时刻贴地层沙尘浓度明显减低，退偏比约为0.13，在约2.2 km高度处沙尘浓度最大，退偏比约为0.25，4.8～9.8 km高度退偏比变化不大，约为0.13，9.8～15 km沙尘退偏比逐渐减小到0（图4b）。在沙尘结束的7月16日6∶54，底层退偏比最大值减小到0.26左右，各高度沙尘退偏比也较起始时减小0．05左右。

从沙尘天气激光雷达探测的起始、结束的数据变化特点来推断，这一次的沙尘包含有地面扬沙和高空外来输入两种。近地面退偏比表明在沙尘天气起始至结束时地面的沙尘与高层之间存在明显分界，因此近地面的沙尘应该起源于本地，高空的沙尘来源于周边地区。随着时间的推移近地面退偏比增大，这是因为地面沙尘存留在大气中，同时高层沙尘不断降落所致。由于本次沙尘暴的平均强度不大，雷达自身回波信号未受到太大影响（图2～4），在激光雷达垂直和平行通道都可以测到5 km以上。

3 小结

通过对塔中一次沙尘过程的偏振微脉冲激光雷达监测分析，得到激光雷达可以用于沙尘天气的立体监测，激光雷达探测资料能够反映出沙尘的空间分布结构、变化过程等信息。

偏振微脉冲激光雷达对沙尘天气的探测能够区分沙尘暴和浮尘两种沙尘天气现象，而难以区分沙尘暴与扬沙。

在沙漠近地面发生沙尘暴时段，各高度层沙尘浓度基本上较高，退偏比在0.3～0.4，扬沙发生的时间较短，在各高度层沙尘的退偏比与沙尘暴的退偏比接近，而在地面发生浮尘开始时段，在4 500 m以上高度沙尘浓度基本上较高，退偏比在0.3～0.4，而在地面发生浮尘开始和结束时段，在4 500 m以下高度沙尘浓度相对较低，退偏比在0.2～0.3左右。

沙漠发生沙尘天气时高空沙尘浓度也较高且来源于周边，高空较高浓度沙尘的持续时间长于近地面。

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