李紅軍 ，鄭 偉 ，鞏 慶

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

塔克拉瑪干沙漠是我國最大的沙漠，也是我國三大沙塵暴多發(fā)區(qū)之一[1-3]。該區(qū)域沙塵暴對我國西北及下游地區(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，而有些細小顆粒則進入到平流層形成一層穩(wěn)定的沙塵層，這些進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65 d[4]。許多研究已對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行了研究[5-10]。激光雷達能夠直接監(jiān)測從地面至大氣一定高度沙塵天氣的結構和沙塵濃度的變化等。國內學者利用激光雷達資料分析對中國北方東部的沙塵氣溶膠的垂直結構和沙塵天氣的時空分布特征及原因進行了探測和分析[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對塔中一次沙塵過程的探測數(shù)據(jù)進行了分析。

1 偏振微脈沖激光雷達

1.1 偏振微脈沖激光雷達探測原理

當一束偏振激光束發(fā)射到大氣中，對于球形粒子，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，雷達方程如式（1）所示。當偏振激光照射到非球形粒子后，其后向散射光的偏振方向將發(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方向；P0是激光發(fā)射功率；Pp（z）和Ps（z）分別為激光雷達接收到的在距離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。激光雷達一般使用退偏比來描述非球形粒子多少，偏振激光雷達探測的退偏振比可表示為：

1.2 偏振微脈沖激光雷達

探測沙塵的偏振微脈沖激光雷達由中國科學院安徽光學精密機械研究所大氣光學中心研制。雷達主要由激光發(fā)射單元、信號接收單元、采集控制單元和軟件組成。探測過程為：激光器發(fā)射的激光經(jīng)過擴束器等進入大氣后，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)望遠鏡接收后由分光系統(tǒng)將平行和垂直偏振光分別送達信號接收單元的探測器，而計數(shù)器按照時序累加所接收的光子數(shù)，同時將它們存儲到數(shù)據(jù)存儲單元。最后這些數(shù)據(jù)由計算機讀出并實時計算出所需的參數(shù)。激光雷達主要技術指標見表1，采用的是二極管泵浦的全固態(tài)激光器，其突出特點是：重復頻率高，能量低，系統(tǒng)結構簡單、體積小，可連續(xù)運行和移動攜帶方便，其模塊化結構確保了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和探測數(shù)據(jù)的可靠性，能夠晝夜自動連續(xù)探測。

表1 偏振微脈沖激光雷達主要參數(shù)技術指標

2 沙塵探測與分析

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、揚沙和沙塵暴過程，14日21∶20開始出現(xiàn)揚沙，至21∶30轉變?yōu)樯硥m暴，23∶50沙塵暴減弱為揚沙，15日0∶30揚沙減輕為浮塵，16日7∶10浮塵結束。沙塵天氣歷時33.83 h。

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

2.2 沙塵天氣過程的激光雷達探測

退偏比測量是偏振微脈沖激光雷達所獨有的特性，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驗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在工作時同時測量垂直通道和平行通道的回波信號，再根據(jù)雷達方程和退偏比計算公式計算得到退偏比的分布廓線。在進行沙塵暴測量時，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回波難以分辨，有高云時，只分析5 km以下激光雷達的探測回波。

圖2是2010年7月14日至16日在塔中測量的沙塵天氣退偏比演變過程。從14日21∶26至15日7∶28，激光雷達退偏比圖上出現(xiàn)了較強沙塵天氣信號，在貼地層約100 m以下有一沙塵薄層，濃度為中等強度，退偏比約0.2～0.35左右，在塔中站發(fā)生沙塵暴時段沙塵濃度和薄層高度要大于發(fā)生浮塵時段；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應來看，在近地面發(fā)生沙塵暴時段，各高度層沙塵濃度基本上較高，退偏比0.3～0.4；地面發(fā)生揚沙的時間較短，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)時間長于近地面。

15日傍晚20時之后，塔中平均風速減小為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有一個幾千米厚的濃度相對較高的沙塵區(qū)域，退偏比在 0.2 左右，在 0．06～0．5 km 是一個濃度相對較低沙塵區(qū)域，貼地層也有一個濃度相對較高的沙塵薄層，3．5 km 以上的區(qū)域在 22∶32—23∶05、0∶13—0：46和02∶13—06∶21時段存在濃度相對較低的沙塵區(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，沙塵暴時段與非沙塵暴時段也存在明顯的分界線。

2.3 典型時刻沙塵天氣的退偏比

在7月14日21∶26沙塵天氣開始時，大氣整層沙塵的回波信號還很弱，從單獨提取的21∶26信號（圖3）可以看出，沙塵退偏比在大氣低層開始時較大，約為 0．08，之后，隨著高度增加，退偏比減小，約400 m處有一個極小值點，之后，隨著高度增加退偏比略增大，約1 500 m處有一個極大值點，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，探測到沙塵高度達到最大，約為10 km，此時刻，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（圖3）。

在7月15日21∶58時底層信號開始變強，單獨提取21∶58的信號來看（圖4a），底層在開始時較大，約為0．37，之后，隨著高度增加退偏比減小，約300 m處有一個極小值點，之后，隨著高度增加退偏比增大，約1 200 m處有一個極大值點，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，探測到沙塵高度達到最大，約為10 km，此時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減小0．05左右。

從沙塵天氣激光雷達探測的起始、結束的數(shù)據(jù)變化特點來推斷，這一次的沙塵包含有地面揚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束時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該起源于本地，高空的沙塵來源于周邊地區(qū)。隨著時間的推移近地面退偏比增大，這是因為地面沙塵存留在大氣中，同時高層沙塵不斷降落所致。由于本次沙塵暴的平均強度不大，雷達自身回波信號未受到太大影響（圖2～4），在激光雷達垂直和平行通道都可以測到5 km以上。

3 小結

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

偏振微脈沖激光雷達對沙塵天氣的探測能夠區(qū)分沙塵暴和浮塵兩種沙塵天氣現(xiàn)象，而難以區(qū)分沙塵暴與揚沙。

在沙漠近地面發(fā)生沙塵暴時段，各高度層沙塵濃度基本上較高，退偏比在0.3～0.4，揚沙發(fā)生的時間較短，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)生浮塵開始和結束時段，在4 500 m以下高度沙塵濃度相對較低，退偏比在0.2～0.3左右。

沙漠發(fā)生沙塵天氣時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)時間長于近地面。

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

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

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

[4]李生宇，雷加強，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].自然災害學報，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)沙漠風積地貌和氣象觀測重建的風場[J].大氣科學，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沙塵暴天氣分析[J].中國沙漠，1998，18（1）：320-327.

[7]李紅軍，李軍，何清.新疆沙塵暴的趨勢和突變研究[J].中國沙漠，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)對流層中上部云和氣溶膠的激光雷達探測[J]．大氣科學，2003，27（1）：1-7．

[12]董旭輝，杉本伸夫，白雪椿，等．激光雷達在沙塵觀測中的應用—2004年春季北京和呼和浩特沙塵天氣的解析[J]．中國沙漠，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觀測研究[J].中國沙漠，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．