李紅軍 ，鄭 偉 ，鞏 慶

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.塔中氣象觀測(cè)站，新疆 塔中841000）

塔克拉瑪干沙漠是我國(guó)最大的沙漠，也是我國(guó)三大沙塵暴多發(fā)區(qū)之一[1-3]。該區(qū)域沙塵暴對(duì)我國(guó)西北及下游地區(qū)的氣候和生態(tài)環(huán)境有重要影響。沙塵暴在傳輸?shù)倪^程中，沙塵不斷沉降，有些散落于傳輸路徑上，而有些細(xì)小顆粒則進(jìn)入到平流層形成一層穩(wěn)定的沙塵層，這些進(jìn)入大氣的沙塵都直接影響到地氣輻射和大氣環(huán)流。塔中是該沙漠，也是我國(guó)沙塵天氣出現(xiàn)頻數(shù)最高的地區(qū)，春夏季節(jié)常出現(xiàn)沙塵暴，年平均沙塵天氣次數(shù)多達(dá)65 d[4]。許多研究已對(duì)塔克拉瑪干沙漠及周邊地區(qū)地表的沙塵天氣的氣候特征和影響因子進(jìn)行了研究[5-10]。激光雷達(dá)能夠直接監(jiān)測(cè)從地面至大氣一定高度沙塵天氣的結(jié)構(gòu)和沙塵濃度的變化等。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用激光雷達(dá)資料分析對(duì)中國(guó)北方東部的沙塵氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)和沙塵天氣的時(shí)空分布特征及原因進(jìn)行了探測(cè)和分析[11-13]，而塔中大氣低層至高層沙塵天氣變化的研究很少，為了解沙塵垂直分布的變化和特征，本文采用偏振微脈沖激光雷達(dá)對(duì)塔中一次沙塵過程的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 偏振微脈沖激光雷達(dá)

1.1 偏振微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)原理

當(dāng)一束偏振激光束發(fā)射到大氣中，對(duì)于球形粒子，其后向散射光的偏振方向與照射光相同，即沒有發(fā)生退偏振現(xiàn)象，雷達(dá)方程如式（1）所示。當(dāng)偏振激光照射到非球形粒子后，其后向散射光的偏振方向?qū)l(fā)生變化，產(chǎn)生了與發(fā)射光相垂直的分量，即發(fā)生退偏振，用式（2）表示：

式中，下標(biāo)P和S分別表示與發(fā)射激光偏振方向平行和垂直的兩個(gè)方向；P0是激光發(fā)射功率；Pp（z）和Ps（z）分別為激光雷達(dá)接收到的在距離Z處大氣后向散射平行分量和垂直分量的回波功率；kp和ks分別是雷達(dá)接收平行分量通道和垂直分量通道的系統(tǒng)常數(shù)；βp（z）和βs（z）分別表示在距離z處大氣后向散射系數(shù)的平行分量和垂直分量，αp（z）和αs（z）分別表示在距離Z處大氣消光系數(shù)的平行分量和垂直分量。激光雷達(dá)一般使用退偏比來描述非球形粒子多少，偏振激光雷達(dá)探測(cè)的退偏振比可表示為：

1.2 偏振微脈沖激光雷達(dá)

探測(cè)沙塵的偏振微脈沖激光雷達(dá)由中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣光學(xué)中心研制。雷達(dá)主要由激光發(fā)射單元、信號(hào)接收單元、采集控制單元和軟件組成。探測(cè)過程為：激光器發(fā)射的激光經(jīng)過擴(kuò)束器等進(jìn)入大氣后，大氣分子和氣溶膠粒子散射與吸收激光，其中后向散射的光子經(jīng)望遠(yuǎn)鏡接收后由分光系統(tǒng)將平行和垂直偏振光分別送達(dá)信號(hào)接收單元的探測(cè)器，而計(jì)數(shù)器按照時(shí)序累加所接收的光子數(shù)，同時(shí)將它們存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。最后這些數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)讀出并實(shí)時(shí)計(jì)算出所需的參數(shù)。激光雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)見表1，采用的是二極管泵浦的全固態(tài)激光器，其突出特點(diǎn)是：重復(fù)頻率高，能量低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，可連續(xù)運(yùn)行和移動(dòng)攜帶方便，其模塊化結(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，能夠晝夜自動(dòng)連續(xù)探測(cè)。

表1 偏振微脈沖激光雷達(dá)主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

2 沙塵探測(cè)與分析

2.1 沙塵暴過程

2010年7月14—16日在塔克拉瑪干沙漠塔中站發(fā)生了沙塵天氣，此次天氣經(jīng)歷了浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴過程，14日21∶20開始出現(xiàn)揚(yáng)沙，至21∶30轉(zhuǎn)變?yōu)樯硥m暴，23∶50沙塵暴減弱為揚(yáng)沙，15日0∶30揚(yáng)沙減輕為浮塵，16日7∶10浮塵結(jié)束。沙塵天氣歷時(shí)33.83 h。

這次沙塵天氣過程中氣象要素發(fā)生了相應(yīng)變化。從14日21時(shí)起，平均風(fēng)速急劇增大（圖1），22時(shí)達(dá)到8.2 m/s，1 h內(nèi)加大6.2 m/s，因而相繼出現(xiàn)了揚(yáng)沙和沙塵暴天氣，大于6.0 m/s的風(fēng)速約持續(xù)到24時(shí)，其后平均風(fēng)速迅速減小到4.0 m/s以下，出現(xiàn)短暫的揚(yáng)沙后，之后一直是浮塵天氣，風(fēng)速在3.0 m/s左右，持續(xù)了約20 h，15日22時(shí)至16日07時(shí)風(fēng)速減小至0 m/s。氣壓從14日21—24時(shí)持續(xù)上升，之后，至15日05時(shí)，氣壓在884～885 hPa間波動(dòng)，其后在15日12時(shí)達(dá)到最高，15日20時(shí)達(dá)到最低，浮塵結(jié)束時(shí)，氣壓升至886.5 hPa（圖1）。

2.2 沙塵天氣過程的激光雷達(dá)探測(cè)

退偏比測(cè)量是偏振微脈沖激光雷達(dá)所獨(dú)有的特性，根據(jù)退偏比可以直接判斷是水云、冰晶云、沙塵等。在Sassen（1991）的綜述文章中提供了在實(shí)驗(yàn)室獲得的大氣中不同類型粒子的退偏比[13-14]。在不考慮多次散射的情況下，一般潔凈大氣遠(yuǎn)小于0.1，沙塵0.1～0.3，卷云0.4～0.7，較重沙塵暴可超過0.4。偏振微脈沖激光雷達(dá)在工作時(shí)同時(shí)測(cè)量垂直通道和平行通道的回波信號(hào)，再根據(jù)雷達(dá)方程和退偏比計(jì)算公式計(jì)算得到退偏比的分布廓線。在進(jìn)行沙塵暴測(cè)量時(shí)，為了解沙塵暴的垂直分布和變化過程，將鏡筒垂直放置，把激光垂直發(fā)射到大氣中。本次塔中沙塵天氣過程中，有些時(shí)段出現(xiàn)了高云中的密卷云，高度在5 km以上，為避免較重沙塵天氣與密卷云的激光雷達(dá)回波難以分辨，有高云時(shí)，只分析5 km以下激光雷達(dá)的探測(cè)回波。

圖2是2010年7月14日至16日在塔中測(cè)量的沙塵天氣退偏比演變過程。從14日21∶26至15日7∶28，激光雷達(dá)退偏比圖上出現(xiàn)了較強(qiáng)沙塵天氣信號(hào)，在貼地層約100 m以下有一沙塵薄層，濃度為中等強(qiáng)度，退偏比約0.2～0.35左右，在塔中站發(fā)生沙塵暴時(shí)段沙塵濃度和薄層高度要大于發(fā)生浮塵時(shí)段；在約100～500 m高度的沙塵濃度較小，退偏比約0.1～0.15左右；在約500～1 000 m高度，14日21∶26至15日0∶27沙塵濃度較大，退偏比 0.3～0.4，15日0:27至7∶28沙塵濃度為中等強(qiáng)度，退偏比0.2～0.25；在1 000～2 000 m高度沙塵濃度也為中等強(qiáng)度，退偏比0.2；在2 000～4 500 m高度，14日21∶26至15日0∶27沙塵濃度較大，退偏比0.3左右；在4 500～6 500 m高度是沙塵高濃度區(qū)，14日21∶26至15日0∶27沙塵濃度很大，退偏比大于0.4，15日0∶27至15日7∶28沙塵濃度為中等，退偏比為0.3～0.4；6 500 m高度以上沙塵濃度減小，沙塵約延伸到10 km處。從高空大氣中沙塵濃度與近地面沙塵天氣的對(duì)應(yīng)來看，在近地面發(fā)生沙塵暴時(shí)段，各高度層沙塵濃度基本上較高，退偏比0.3～0.4；地面發(fā)生揚(yáng)沙的時(shí)間較短，各高度層沙塵的退偏比與沙塵暴的退偏比接近，而在地面發(fā)生浮塵時(shí)段，4 500～5 000 m高空沙塵濃度基本上較高，退偏比在0.3～0.4，而4 500 m以下沙塵濃度基本上較低，退偏比0.2～0.3。這說明塔中發(fā)生沙塵天氣時(shí)高空沙塵濃度也較高且來源于周邊，高空較高濃度沙塵的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于近地面。

15日傍晚20時(shí)之后，塔中平均風(fēng)速減小為0 m/s，空中沙塵降落并減少，3 500 m以上高空沙塵減少，中層和貼地層沙塵濃度變化較小。圖2數(shù)據(jù)給出的是從 15日下午 21∶25到 16日 06∶54共約9 h的沙塵的演變情況。從圖2可見，在0．5～3．5 km有一個(gè)幾千米厚的濃度相對(duì)較高的沙塵區(qū)域，退偏比在 0.2 左右，在 0．06～0．5 km 是一個(gè)濃度相對(duì)較低沙塵區(qū)域，貼地層也有一個(gè)濃度相對(duì)較高的沙塵薄層，3．5 km 以上的區(qū)域在 22∶32—23∶05、0∶13—0：46和02∶13—06∶21時(shí)段存在濃度相對(duì)較低的沙塵區(qū)域，一直延伸到5 km高度。而大氣沙塵退偏比在兩層之間沒有特別明顯的過渡層，即兩層區(qū)域存在明顯的分界線，沙塵暴時(shí)段與非沙塵暴時(shí)段也存在明顯的分界線。

2.3 典型時(shí)刻沙塵天氣的退偏比

在7月14日21∶26沙塵天氣開始時(shí)，大氣整層沙塵的回波信號(hào)還很弱，從單獨(dú)提取的21∶26信號(hào)（圖3）可以看出，沙塵退偏比在大氣低層開始時(shí)較大，約為 0．08，之后，隨著高度增加，退偏比減小，約400 m處有一個(gè)極小值點(diǎn)，之后，隨著高度增加退偏比略增大，約1 500 m處有一個(gè)極大值點(diǎn)，約為0.06，之后，隨著高度增加,退偏比減小，約4 500 m處減小為0。而在7月15日2∶13空中無云，探測(cè)到沙塵高度達(dá)到最大，約為10 km，此時(shí)刻，100 m以下高度的退偏比為0.5，100～500 m高度退偏比逐漸減小至0.17，之后至1.5 km高度，退偏比變化至極大，為0.33，而2.0 km高度處達(dá)到極小值，約0.25，之后隨高度增大，退偏比逐漸增大，在6.6～9.5 km高度，退偏比在0.33～0.8之間變動(dòng)（圖3）。

在7月15日21∶58時(shí)底層信號(hào)開始變強(qiáng)，單獨(dú)提取21∶58的信號(hào)來看（圖4a），底層在開始時(shí)較大，約為0．37，之后，隨著高度增加退偏比減小，約300 m處有一個(gè)極小值點(diǎn)，之后，隨著高度增加退偏比增大，約1 200 m處有一個(gè)極大值點(diǎn)，為0．24左右，之后，隨著高度增加退偏比減小，約 3 700 m處減小為0。而在7月16日4∶40，空中無云，探測(cè)到沙塵高度達(dá)到最大，約為10 km，此時(shí)刻貼地層沙塵濃度明顯減低，退偏比約為0.13，在約2.2 km高度處沙塵濃度最大，退偏比約為0.25，4.8～9.8 km高度退偏比變化不大，約為0.13，9.8～15 km沙塵退偏比逐漸減小到0（圖4b）。在沙塵結(jié)束的7月16日6∶54，底層退偏比最大值減小到0.26左右，各高度沙塵退偏比也較起始時(shí)減小0．05左右。

從沙塵天氣激光雷達(dá)探測(cè)的起始、結(jié)束的數(shù)據(jù)變化特點(diǎn)來推斷，這一次的沙塵包含有地面揚(yáng)沙和高空外來輸入兩種。近地面退偏比表明在沙塵天氣起始至結(jié)束時(shí)地面的沙塵與高層之間存在明顯分界，因此近地面的沙塵應(yīng)該起源于本地，高空的沙塵來源于周邊地區(qū)。隨著時(shí)間的推移近地面退偏比增大，這是因?yàn)榈孛嫔硥m存留在大氣中，同時(shí)高層沙塵不斷降落所致。由于本次沙塵暴的平均強(qiáng)度不大，雷達(dá)自身回波信號(hào)未受到太大影響（圖2～4），在激光雷達(dá)垂直和平行通道都可以測(cè)到5 km以上。

3 小結(jié)

通過對(duì)塔中一次沙塵過程的偏振微脈沖激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)分析，得到激光雷達(dá)可以用于沙塵天氣的立體監(jiān)測(cè)，激光雷達(dá)探測(cè)資料能夠反映出沙塵的空間分布結(jié)構(gòu)、變化過程等信息。

偏振微脈沖激光雷達(dá)對(duì)沙塵天氣的探測(cè)能夠區(qū)分沙塵暴和浮塵兩種沙塵天氣現(xiàn)象，而難以區(qū)分沙塵暴與揚(yáng)沙。

在沙漠近地面發(fā)生沙塵暴時(shí)段，各高度層沙塵濃度基本上較高，退偏比在0.3～0.4，揚(yáng)沙發(fā)生的時(shí)間較短，在各高度層沙塵的退偏比與沙塵暴的退偏比接近，而在地面發(fā)生浮塵開始時(shí)段，在4 500 m以上高度沙塵濃度基本上較高，退偏比在0.3～0.4，而在地面發(fā)生浮塵開始和結(jié)束時(shí)段，在4 500 m以下高度沙塵濃度相對(duì)較低，退偏比在0.2～0.3左右。

沙漠發(fā)生沙塵天氣時(shí)高空沙塵濃度也較高且來源于周邊，高空較高濃度沙塵的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于近地面。

[1]錢正安，宋敏紅，李萬年．近50年中國(guó)北方沙塵暴的分布及變化趨勢(shì)分析[J]．中國(guó)沙漠，2002，22（2）：106-110.

[2]王式功，王金艷，周自江，等.中國(guó)沙塵暴的區(qū)域特征[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58（2）：193-200.

[3]王存忠，牛生杰，王蘭寧.中國(guó)50a來沙塵暴變化特征[J].中國(guó)沙漠，2010，30（4）：933-939.

[4]李生宇，雷加強(qiáng)，徐新文，等.塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴特征—以塔中地區(qū)為例[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2006，15（2）：14-19.

[5]韓永翔，方小敏，宋連春，等.塔里木盆地中的大氣環(huán)流及沙塵暴成因探討—根據(jù)沙漠風(fēng)積地貌和氣象觀測(cè)重建的風(fēng)場(chǎng)[J].大氣科學(xué)，2005，29（4）：627-635.

[6]何清，向鳴，唐淑娟.塔克拉瑪干沙漠腹地兩次強(qiáng)沙塵暴天氣分析[J].中國(guó)沙漠，1998，18（1）：320-327.

[7]李紅軍，李軍，何清.新疆沙塵暴的趨勢(shì)和突變研究[J].中國(guó)沙漠，2008，28（5）：915-919.

[8]王旭，馬禹，陳洪武，等.南疆沙塵暴氣候特征分析[J].中國(guó)沙漠，2003，23（2）：147-151.

[9]楊興華，何清，阿吉古麗，等.塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴過程的大氣邊界層特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2011，5（6）：11-15.

[10]薛福民，楊興華，劉新春，等.2006年夏季塔中一次沙塵暴發(fā)生期間近地層氣象特征個(gè)例分析[J].沙漠與綠洲氣象，2010，4（4）：40-45.

[11]邱金桓，鄭斯平，黃其榮，等．北京地區(qū)對(duì)流層中上部云和氣溶膠的激光雷達(dá)探測(cè)[J]．大氣科學(xué)，2003，27（1）：1-7．

[12]董旭輝，杉本伸夫，白雪椿，等．激光雷達(dá)在沙塵觀測(cè)中的應(yīng)用—2004年春季北京和呼和浩特沙塵天氣的解析[J]．中國(guó)沙漠，2006，26（6）：942-947．

[13]黃艇，宋煜，胡文東，等.大連地區(qū)一次沙塵過程的激光雷達(dá)觀測(cè)研究[J].中國(guó)沙漠，2010，30（4）：983-988.

[14]Uchino O，Tabata I，Kai K，et al.Polarization properties of middle and high lever clouds observed by lidar[J]．J Meteor Soc Jpln，1988，166：607-616．

[15]Sassen K．Lidar backscatter depolarization technique for cloud and aerosol research[C]//Mishchenko M I．Light scattering by nonspherical particles：theory，measurements，and applications．San Diego：Academic Press，2000：393-416．