厘米級激光雷達問世，首次捕捉云頂微觀動態

近日據外媒報道，美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家及其合作團隊研發出一種新型激光雷達，能夠以1cm的尺度觀測云層結構?？茖W家已運用該激光雷達，直接觀測到實驗室內生成云層最頂端的細微云結構。

這項技術能以比傳統大氣科學激光雷達高100至1000倍的分辨率研究云頂結構，使得與受控腔室實驗測量相結合成為可能，這在以往是無法實現的。

密歇根理工大學的這套實驗裝置使研究人員能夠在高度受控的條件下生成并研究云層。布魯克海文國家實驗室的研究人員利用該裝置，成功驗證了一種新型超高分辨率激光雷達（一種基于激光的遙感儀器）在云特性研究方面的性能

研究成果發表于《美國國家科學院院刊》，提供了首批實驗數據，揭示了云頂附近云滴特性與云內部特性的差異。這些差異對于理解云層演化過程、降水形成機制以及地球能量平衡的影響至關重要。

布魯克海文國家實驗室大氣科學家、論文第一作者Fan Yang表示：“這是我們首次能夠以非侵入方式直接觀測到這些云頂微觀結構。這些結構的尺度小于大多數大氣模型所采用的尺度，但它們卻能顯著影響云的亮度和成雨概率。”

該新型激光雷達由史蒂文斯理工學院的Yong Meng Sua與布魯克海文國家實驗室合作研制。它采用時間相關單光子計數技術——該技術能夠探測到超快激光脈沖從云層反向散射的單個光子。數據采樣算法利用這些光子信號，以厘米級精度重建云層結構的詳細剖面。

該系統的核心是一臺定制激光器和一臺光子計數探測器。激光器以高重復頻率發射超短脈沖光，探測器則記錄從云滴散射回來的首個光子的到達時間。通過每秒測量數百萬個這樣的返回光子，就能沿激光束路徑繪制出高分辨率的云滴分布圖像。

云室實驗
Fan Yang表示：“這臺激光雷達本質上是一臺‘云層顯微鏡’。由于我們自主設計了雷達系統，得以對所有部件——從激光系統到定時電子設備——進行優化，最終實現了厘米級分辨率，從而能以全新方式研究云物理。”

布魯克海文國家實驗室團隊在密歇根理工大學的云室中，對已知特征的云層進行了儀器測試。激光雷達測量顯示，云頂的云滴分布與構成云主體的均勻結構存在顯著差異。他們發現在實驗室生成的云層中，云頂附近的云滴數量少于云體內部區域。

云室示意圖：密歇根理工大學Pi型云室底部為溫暖濕潤表面，頂部為寒冷濕潤表面。通過側向持續注入氣溶膠粒子，可形成并維持穩態云層。激光雷達置于云室頂部并向下觀測，云滴粒徑分布則由WELAS光學粒子計數器測量

“在云層的主體區域，湍流通常較強，”Fan Yang解釋道，“這種強湍流使不同大小的云滴能夠有效混合，并保持相對均勻或同質的分布。”

然而在云層頂部附近，湍流較弱，因此只有較小的云滴能懸浮在氣流中，而較重的云滴則沉降脫離。這種粒徑分選效應導致云滴數量減少，并形成具有局部變化的層狀結構。

“許多大氣模型要么完全忽略云滴沉降過程，要么用單一沉降速度來表征不同尺寸的云滴，”Fan Yang指出，“對云頂物理過程的不準確描述，會給模型預測云層反射陽光和觸發降雨的能力帶來顯著不確定性。”

布魯克海文實驗室的科學家計劃在該實驗室新建成的云室中拓展這項研究。“布魯克海文擁有云室將極大拓展我們的研究能力，”Fan Yang表示，“這使我們能更快地進行迭代實驗，在構建新傳感器的同時對其進行驗證，并深化對自然界中幾乎無法獨立觀測的云物理過程的理解。”

除了為改進大氣模型提供更精細尺度的信息外，這些發現也將有助于提升實際大氣測量的精度。例如，利用新型高分辨率激光雷達在云室中獲得的測量數據，可用于確保采用相同技術的大氣采樣激光雷達（包括布魯克海文團隊為研究云底附近云特性而建造的T2激光雷達）得到精準校準。

科學家指出，云頂附近云滴減少是兩種過程共同作用的結果：一是夾卷作用，即上方干燥潔凈的空氣被向下吸入云層，稀釋云體并導致部分云滴蒸發；二是由沉降引起的“粒徑分選”，較重的云滴比較輕的云滴下落得更快。