双视场高光谱分辨率激光雷达研究云及气溶胶相互作用

大气云与气溶胶之间的相互作用是大气环境研究的重要科学问题，也是全球尺度气候预测模型中的最大不确定性来源之一。然而，人类对云与气溶胶相互作用的模型机理、影响因素及演化规律等方面的认知依旧匮乏，亟需高质量、高分辨率、高时空覆盖率的相关观测资料作进一步研究。

限制云与气溶胶相互作用研究的其中一个主要因素是气溶胶与云的相关特性难以同时精确测量。高光谱分辨率激光雷达（HSRL）有效克服了传统米散射激光雷达“一个方程，两个未知数”的不适定求解问题，可实现气溶胶光学特性精确测量；然而，基于激光雷达的水云观测由于其内部复杂的多次散射效应，水云的微物理特性往往难以被有效地解析和反演，多视场技术为水云多次散射特性的进一步研究提供了可能。上述HSRL与多视场技术的有机融合，为深入研究云与气溶胶相互作用打开了新思路。

近日，刘东教授与刘崇教授课题组以 Dual-field-of-view high-spectral-resolution lidar: simultaneous profiling of aerosol and water cloud to study aerosol-cloud interaction为题在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)刊登了双视场HSRL研究云及气溶胶相互作用的最新研究成果。研究团队所首次报道的双视场HSRL克服了传统遥感方法需要先验假设的缺点，实现了对水云微物理特性及气溶胶光学特性垂直结构的全天时、高时空分辨率的精确测量，并通过实测数据验证了云与气溶胶相互作用的关键机理。

图源（图1）：PNAS

研究团队基于自主研发的双视场HSRL系统样机先后在北京多个地区（如：北京冬奥会延庆赛区、北京大学、中科院大气物理所等）进行了长期的外场实验观测，获得了一系列如沙尘、城市气溶胶、水云及冰云等典型观测案例，为华北地区云与气溶胶相互作用研究积累了大量的研究数据。此外，该系统样机还参与了我国首颗大气环境监测卫星（DQ-1号）的机载样机校飞试验，为星载样机的性能验证提供了精确的比对数据。

图2：A 云与气溶胶相互作用示意图; B 双视场HSRL系统样机; C 系统内部结构示意图

图源：课题组提供

在北京外场实验观测期间，研究团队观测到了低空水云的云顶夹卷以及云水含量随气溶胶负载增加的反常减少现象，与先前文献中所报道的机载原位结果与星载遥感结果相互印证，对云与气溶胶相互作用的深入研究具有重要指导意义。

图3：北京延庆地区水云观测案例结果  A后向散射系数；B退偏比；C层次识别。

图源：课题组提供

该工作是双视场HSRL在云与气溶胶相互作用研究中的首次应用。双视场高光谱分辨率激光雷达技术实现了大气中云及气溶胶特性的精确、立体探测，不仅为厘清云与气溶胶相互作用机理提供有力的数据支撑，也对更深入理论、更系统地研究气候气象具有重要的科学意义。

论文信息：

Nanchao Wang, Kai Zhang, Xue Shen, et al. Dual-field-of-view high-spectral-resolution lidar: simultaneous profiling of aerosol and water cloud to study aerosol-cloud interaction, Proc. Natl. Acad. Sci., 2022, 119(10): e2110756119.

论文地址：(点击文末阅读原文)

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2110756119