穿過你的"黃沙"的我的"眼"

5月初，北方地區遭遇今年以來最強沙塵天氣過程。

此次沙塵天氣覆蓋範圍廣，足跡遍布包括新疆、甘肅、內蒙古、北京、天津等10餘省（市、區），影響面積達163萬平方公里，接近國土面積的1/6。其沙塵過程影響範圍和強度，均創下今年以來之最。北京多地PM10濃度保持在1000微克/立方米以上。

與此同時，中科院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所大氣光學中心利用放置在氣象局大氣探測綜合實驗基地的拉曼-米散射激光雷達觀測到：5月4日在近地面到垂直方向3公里方位內出現大量沙塵，沙塵一直持續到5日早晨8時左右，因北京大風天氣開始消散，地面出現浮塵，5日中午12時左右沙塵完全消散。

圖1：5月4日至5日安光所拉曼米散射激光雷達監測到的北京沙塵情況（北京南郊）

5月11日至12日，北方沙塵又捲土重來，影響北京城。PM10濃度普遍達到200-500微克/立方米。

安光所拉曼-米散射激光雷達觀測到，在近地面不到1公里高度，從11日上午10時許出現沙塵，持續到12日下午16時許。

圖2：5月11日至12日安光所拉曼米散射激光雷達監測到的北京沙塵情況（北京南郊）

說到這裡，很多人就不明白了，沙塵和灰霾同樣是氣溶膠，也就是大氣顆粒物，科學儀器究竟是怎麼「火眼金睛」把它識別出來的？

這裡，小編就來說說沙與霾的故事。

沙與霾

首先，沙與霾都屬於氣溶膠，也就是俗稱的「大氣顆粒物」。大氣顆粒物既包括沙也包括霾。

它們有哪些不同之處呢？

沙塵主要是自然界產生的顆粒物，它的形狀千變萬化，是大氣中典型的「非球形」粒子。與大氣污染在空氣中凝結成的灰霾迥然不同。灰霾主要是人為產生的，且都有著較為圓潤的外形，是典型的「球形」粒子。

圖3：部分灰霾粒子形狀（圖片來自網路）

圖4：部分沙塵粒子形狀（圖片來自網路）

安光所大氣光學中心研製的拉曼-米偏振激光雷達向垂直高度的目標大氣發射出線偏振激光（只在一個方向上發生振動的激光光波），當這束激光光波接觸到非球形粒子時，其後向散射激光光波的偏振狀態發生改變，與發射激光振動方向相同的的激光光波減少，在其正交方向產生激光光波。對於球形粒子而言，則不會發生這種「退偏振」現象。根據這一原理，科學儀器就能識別出大氣中顆粒物是沙塵還是灰霾了。

識別了是沙還是霾之後，另一個需要解決的問題就是，沙塵的濃度是多少？

安光所的科研人員使用拉曼散射和米散射激光雷達技術來測定這個問題。

拉曼散射、米散射激光雷達技術

當光傳輸到一個粒子上，會發生光的散射。

圖5：光的散射示意圖（圖片來自網路）

在諸多的光散射現象中，就有激光雷達技術經常運用的拉曼散射和米散射探測技術。

圖6：拉曼散射與米散射（圖片來自網路）

拉曼散射，簡單來說，就是光與大氣中的分子接觸時，它們相互作用，光的波長隨分子本身特性發生改變（光的顏色發生改變），這就相當於分子的「光學指紋特徵」，科學家通過這一原理，向大氣中發射特定波長的激光，通過探測散射回來指定波長的拉曼散射光信號，確定大氣中不同高度所存在的不同氣體成分的濃度，進而定量獲取大氣的消光廓線信息。拉曼散射的典型特徵是散射光頻率不同於入射光頻率。

米散射則是大氣中的粒子或分子在接觸到光時，發生彈性散射，其中沒有發生散射光頻率的變化，根據散射回來的光信號確定粒子或分子後向散射的能量大小，進而獲取大氣的散射信息。

在獲取到光的散射信息后，通過退偏比計算方法，科研人員就可以確定光傳輸路徑上的大氣成分和氣溶膠粒子的不同形態。由於球形粒子與非球形粒子之間後向散射光的退偏比有明顯差別，從而可以通過激光雷達探測粒子散射光的退偏比來研究粒子的形態（球形或非球形）。

激光雷達是以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣。光波與大氣的相互作用，會產生包含氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和雲等有關信息的輻射信號，利用相應的反演方法就可以從中得到關於氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和雲等大氣成分的信息。因此，激光雷達技術基礎是光輻射與大氣成分之間相互作用所產生的各種物理過程。圖7所示電磁波頻譜中，激光雷達所用的頻譜範圍從紅外、可見光到紫外波段。

圖7：電磁波譜段（圖片來自網路）

「探沙神器」不是突如其來，安光所大氣光學中心的大氣探測激光雷達曾參與1991年菲律賓皮雅圖火山灰的國際聯合探測，2001年亞洲沙塵暴（AD-NET）國際合作項目的聯合探測，2013年華北霧霾大爆發的探測……

圖8：「探沙神器」的圖片及夜間工作圖

正是這樣日日夜夜的堅持，造就了安光所大氣光學中心激光雷達技術的長足發展。早在30年前，安光所老一輩科學家就開始建立激光雷達團隊，專業從事激光雷達大氣探測技術攻關，培養了一批批專業技術人員，散布在全國各地為國家氣象、環保等事業做貢獻。

長期以來，大氣光學中心激光雷達科研團隊堅持將學科發展與國家需求緊密結合，推動了激光雷達技術不斷發展和創新，形成了激光雷達探測技術開發時間久、種類全、探測距離跨度大和系統研發與數據分析相結合的「久」、「全」、「大」、「合」的特色。

本次「探」沙試驗是激光雷達大氣探測業務化運行的一次練兵，激光雷達系統將會向自動化、小型化、智能化和無人值守方向發展。相信在科研人員的努力下，拉曼-米散射激光雷達在不久的將來會廣泛應用，成為氣象環保部門的技術利器，服務大眾，為美麗的「常態藍」做出自己的貢獻。