摘要：通过CALIPSO 星载雷达观测 2018 年4 月9-12 日大范围沙尘过程的气溶胶垂直分布及远距离传输，分析其消光后向散射系数，退偏比等得出：随着高度增加沙尘气溶胶后向散射能力减弱、粒子退偏比减小；随着传输距离和地理因素的变化，陆地海洋上空的气溶胶各项系数不相同，在气压场与风场共同条件下较小粒径的沙尘气溶胶具有高空远距离传输能力。关键词：沙尘气溶胶；CALIPSO 星载雷达；消光后向散射系数；退偏比；沙尘传输

沙尘暴是一种强灾害性天气，沙尘气溶胶作为沙尘天气的主要组成部分，对人体和其他生物的生理健康以及现有的生态环境有密切影响，这已成为一个重要的地球环境问题[1]。西北地区是我国西部沙尘源地之一，大范围沙尘暴多发，有不少沙尘气溶胶高空传输现象。我国华北地区春季常有大量沙尘天气，其中就有来自西北地区的沙尘气溶胶。本文选择一次较典型的大范围沙尘天气，基于CALIPSO 星载激光雷达气溶胶产品，结合云参数，分析华北地区沙尘气溶胶光学特征、垂直分布特征及后向散射系数、退偏比等参数的垂直分布等，研究沙尘气溶胶分布高度及起沙和沉降过程[2]，以及大范围输送路径、影响区域和气溶胶粒径分布和辐射效应。

1 数据来源

本研究分析需要气溶胶类别、后向散射及退偏正比等数据均来自于CALIPSO卫星星载雷达。选取 2018 年 4月一次强沙尘天气过程，沙尘源地在西北地区塔里木盆地，经过内蒙古高原等沙源地区，影响范围较广，伴随有沙尘气溶胶远距离传输，预计最远能跨过太平洋传输到达北美洲西海岸。对于本次沙尘过程在不同阶段不同时间所在不同地区具体如表1.

表1 不同时间阶段沙尘气溶胶所在位置

2 陆地上沙尘气溶胶的传输

2.1 塔里木盆地-柴达木盆地

2.1.1 塔里木盆地

塔里木盆地西部的塔克拉玛干沙漠是这次沙尘天气的起沙地，4 月9 日上午， 37.47^∘～40.23^∘N 高空 2 km 以上有明显沙尘气溶胶分布（图1a），高空10 km 处也有零散沙尘气溶胶分布，即可远距离传输的沙尘气溶胶；在37°～40.55°N 高度5 km 以下有非常明显的后向散射系数在 0.004～0.006km^-1sr^-1 气溶胶粒子（图1b），是正在发生沙尘暴天气的沙尘气溶胶粒子。

图1 沙尘气溶胶起沙及传输 （a）气溶胶类型（b）消光后向散射系数

2.1.2 柴达木盆地

4 月10 日，37.03°～37.70°N 塔里木盆地以东有零散沙尘气溶胶分布（图2a），在38°-41°N 能看到较明显的黄色橙色色块（图2b），强度约0.0035～0.004 km-1 sr-1，43.34°N 大面积为灰白色块的区域是积云，说明大范围沙尘天气已离开塔里木盆地，结合天气实况4 月10 日塔里木地区局部有轻微扬沙浮尘天气，而北京地区4 月 9 日、10 日发布沙尘预警，说明已有沙尘气溶胶随沙尘暴传输至北京地区。

图2 沙尘气溶胶传输及沉降 （a）气溶胶类型（b）消光后向散射系数

2.2 华北平原-北京地区

2.2.1 华北平原

4 月 9 日118°E、44 °N～113°E、28.95°N 之间分布大量沙尘气溶胶（图 3a），主要在内蒙古高原、北京地区及四川盆地北部，沙尘轨迹高度约 2～7km ，部分地区达 8～10km ，平均厚度约4 km；尤其北京地区上空有明显沙尘气溶胶堆积（图3d），垂直高度均在2 km 以上，平均厚度3km 以上； 22^∘～50^∘N 有深棕色沙尘气溶胶，这是受城市气溶胶污染所致。

分析消光后向散射系数，38.19°～44.11°N高空2～6 km上分布着沙尘气溶胶（图3b），后向散射系数达0.0045～0.005km^-1sr^-1 ，垂直厚度在 2～4km ，对应内蒙古高原、华北平原及北京地区有大面积沙尘区域，6 km 以上有大量灰白色区域是积云，其下部的气溶胶数据均被黑色覆盖，因激光雷达光束无法穿透厚云层，故云下有垂直黑色条纹。

41.04°N、117.35E 上空有退偏正比 0.2～0.3 的粒子（图3c），而沙尘气溶胶粒子退偏正比一般都为 0.2～0.3 较强沙尘暴的退偏正比才会达到0.4，故也是沙尘气溶胶；同样在47°N 和34°N 等位置处也能看到积云。

47°N 位置有很大退偏正比或很强的后向散射系数，结合激光雷达特性可知云的退偏比在0.4 以上；除外， 33^∘～ 35°N、115.42°E 位置8 km 以上有一处明显的对流云，前部是积云无法被激光穿透，下部有数据丢失，后部高空10 km 处有卷云砧，激光可穿透下部无数据丢失，退偏比 0.4，后向散射系数为 1，是一个发展成熟的对流云系统。

图3 沙尘气溶胶起沙及传输 （a）气溶胶类型（b）消光后向散射系数（c）退偏比（d）北京地区气溶胶类型

2.2.2 北京地区

北京地区 4 月10 日5：30 左右，38°～40°N 仍有很明显的沙尘气溶胶分布（图4a），且垂直厚度基本＞3 km，沙尘气溶胶轨迹高度在3 km 以下，说明部分沙尘沉降，还有部分继续影响北京地区及华北沿海地区至渤海湾，北京当天实况是扬沙和浮尘天气。38.90°N 有后向散射系数为0.002～0.0045 km-1 sr-1 的色块（图 4b），其中北京东部强度较大，除外，更低纬度地区也有沙尘气溶胶分布。沙尘影响范围从我国新疆塔里木盆地经过柴达木盆地至黄土高原、内蒙古高原移动到华北平原甚至更偏东华东沿海位置，强度在过内蒙古高原后减弱，轨迹高度受强度影响，散射能力强，轨迹高度低，垂直厚度大，沙尘气溶胶粒子形状大而不规则。由于激光无法穿透厚云层，云下有数据粒子被遮挡，由退偏正比大小为0.4 判断是积云（图4c）。

图4 沙尘气溶胶传输及沉降 溶胶类型（b）消光后向散射系数（c）退偏比

3 海洋上空沙尘气溶胶的传输

3.1 朝鲜半岛-日本海域

4 月10 日晚上，朝鲜半岛至东海及日本南部上空有明显沙尘气溶胶，后向散射系数 0.002～0.003 km^-1sr^-1 ，58.64°N、138.84°E 的日本海高空 5 km 以上也有沙尘气溶胶粒子，体现了本次沙尘气溶胶传输性。40.64°～52.66°N位置5 km 以上有积云，40.64°N、131.03°E 朝鲜半岛汉城地区有后向散射系数不低于 0.005km^-1sr^-1 的沙尘气溶胶粒子，受城市气溶胶影响，变得不规则，散射能力增强；28°～34°N 垂直高度2～3km 以下的海洋上空有后向散射系数在 0.003km^-1sr^-1 左右的干净的海洋气溶胶粒子。

3.2 太平洋中心

4 月11 日在34°～40°N 北太平洋上空分布有明显的沙尘气溶胶，垂直厚度在7 km 左右，轨迹高度基本在3 km以上，最高达到 10km ，接近对流层顶高度；2 km 以下也有明显干净的海洋气溶胶。30°～45°N 之间 3～10km 高度分布大量沙尘气溶胶粒子，后向散射系数在0.002～0.003 km-1 sr-1，且范围广、高度较高。与高度变化对比，沙尘气溶胶越高，退偏比越小，粒子越小，更易传输，大粒子因无法远距离传输，以沉降形式出现在高度5 km 以下区域。

3.3 北美洲西海岸

3.3.1 北美洲西海岸海

4 月12 日，27.84°～39.98°N 上空高度较低的海上有少量沙尘气溶胶，除外，在149°W 较高处 5km 上下也都分布着沙尘气溶胶，轨迹高度 3～8km ，垂直厚度 2～3km ；在 高度 4 km 以上也有较明显的沙尘气溶胶分布片区，因为轨迹高度较高故后向散射系数较小在 0.002km^-1sr^-1 ，其右边有大量云；在沙尘气溶胶分布区中心位置，约 45°N 上空6 km 处有部分明显后向散射系数接近云的系数 0.005km^-1sr^-1 的部分，可能是沙尘气溶胶遇到冰凝结核形成的冰云，其下也有激光雷达无法穿透导致的数据丢失噪点黑条，且冰云厚度也符合。

3.3.2 北美洲西海岸及内陆

4 月12 日上午北美洲西海岸近海地区 27.85^∘～39.99^∘N 海洋上空有沙尘气溶胶，轨迹高度随纬度爬升，较高处在 5 km 左右，而接近 39.99°N、127.20°W 的旧金山以北海岸的海上高度在 6 km 处；27.85°～39.99°N 高度 2 km以下的海面均匀分布着干净的海洋气溶胶粒子。38°～44°N 之间4～8km 沙尘气溶胶后向散射强度随纬度爬升，2km 以上为污染的沙尘气溶胶，强度为 0.002km^-1sr^-1 ，2 km 以下为干净海洋气溶胶，因为海盐气溶胶是海洋气溶胶的重要组成部分，粒子较不规则且粒径较大，后向散射系数一般都大于沙尘气溶胶，在 0.003km^-1： sr-1 以上。

沙尘气溶胶自北美洲西海岸的山脉区（120°W）之后明显消失，所以本次沙尘气溶胶远距离输送起源于中国西北地区经过太平洋到达北美洲西海岸，之后便被大范围且高海拔的科迪勒拉山系及落基山脉阻挡，该山系最高峰阿空加瓜山海拔6962m，本次沙尘气溶胶远距离传输未到达北美洲内陆。

3.4 海陆沙尘气溶胶光学参数对比

对消光后向散射系数和退偏比的分析可知沙尘气溶胶及其光学特征在海陆两地的不同之处（表1），陆地上空沙尘气溶胶后向散射系数高于海洋上空一倍左右，退偏比也明显高于海上0.1。

表1 沙尘气溶胶在陆地和海洋上空参数对比

4 结论

①随着高度增加大气气溶胶散射能力会减弱，散射系数最弱为0.0015 。在 0～2km 受近地面城市气溶胶及污染影响，沙尘气溶胶散射能力强，后向散射系数在 0.003～0.004km^-1sr^-1 ，粒子不规则程度大，该层内气溶胶种类也较多；2～6 km 内各类气溶胶散射能力接近，后向散射系数平均为 0.002km^-1sr^- ，粒子相对规则；6 km以上的沙尘气溶胶后向散射系数最大为0.002 km-1 sr-1，散射能力弱，粒径小，才具有远距离传输能力。

②陆地上气溶胶种类较多，沙尘气溶胶普遍高度在6 km 以下，后向散射能力较强，系数在0.003 km-1 sr-1 以上，退偏比 0.2 以上，沙尘气溶胶不规则且粒径较大；海洋上气溶胶种类较少，2 km 上下都存在气溶胶粒子，沙尘气溶胶在其上部，下部为干净的海洋气溶胶；海洋上沙尘气溶胶后向散射能力较弱，系数一般不超过 0.002km^-1 sr-1，退偏比 <0.2 ，粒子小易传输，在 8km 处易与高空冰核结合形成冰云。

③沙尘气溶胶在大气气压场和风场等因素及自身特征的共同作用下具备远距离传输能力，如本次天气过程就有内蒙古高压的影响，是沙尘气溶胶可以远距离传输的基本必要条件。本次最远到达北美洲西海岸地区的科迪勒拉山系。

参考文献

[1]石广玉， 赵思雄. 沙尘暴研究中的若干问题[J].大气科学， 2003， 27（4）： 591～606.

[2]张亚妮，张碧辉，宗志平，等．影响北京的一例沙尘天气过程的起沙沉降及输送路径分析[J]. 气象， 2013，39（7）： 911～922.

[3]中央气象台发布沙尘暴蓝色预警[N].宁夏日报，2018-04-10

作者简介：周梦圆（1997-），男，新疆人，本科，助理工程师，研究方向：沙尘气溶胶，大气探测。

#通讯作者：张欣源（1999-），男，新疆，本科，研究方向：大气物理。