厘米级激光雷达问世，首次捕捉云顶微观动态

近日据外媒报道，美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家及其合作团队研发出一种新型激光雷达，能够以1cm的尺度观测云层结构。科学家已运用该激光雷达，直接观测到实验室内生成云层最顶端的细微云结构。

这项技术能以比传统大气科学激光雷达高100至1000倍的分辨率研究云顶结构，使得与受控腔室实验测量相结合成为可能，这在以往是无法实现的。

密歇根理工大学的这套实验装置使研究人员能够在高度受控的条件下生成并研究云层。布鲁克海文国家实验室的研究人员利用该装置，成功验证了一种新型超高分辨率激光雷达（一种基于激光的遥感仪器）在云特性研究方面的性能

研究成果发表于《美国国家科学院院刊》，提供了首批实验数据，揭示了云顶附近云滴特性与云内部特性的差异。这些差异对于理解云层演化过程、降水形成机制以及地球能量平衡的影响至关重要。

布鲁克海文国家实验室大气科学家、论文第一作者Fan Yang表示：“这是我们首次能够以非侵入方式直接观测到这些云顶微观结构。这些结构的尺度小于大多数大气模型所采用的尺度，但它们却能显著影响云的亮度和成雨概率。”

该新型激光雷达由史蒂文斯理工学院的Yong Meng Sua与布鲁克海文国家实验室合作研制。它采用时间相关单光子计数技术——该技术能够探测到超快激光脉冲从云层反向散射的单个光子。数据采样算法利用这些光子信号，以厘米级精度重建云层结构的详细剖面。

该系统的核心是一台定制激光器和一台光子计数探测器。激光器以高重复频率发射超短脉冲光，探测器则记录从云滴散射回来的首个光子的到达时间。通过每秒测量数百万个这样的返回光子，就能沿激光束路径绘制出高分辨率的云滴分布图像。

云室实验
Fan Yang表示：“这台激光雷达本质上是一台‘云层显微镜’。由于我们自主设计了雷达系统，得以对所有部件——从激光系统到定时电子设备——进行优化，最终实现了厘米级分辨率，从而能以全新方式研究云物理。”

布鲁克海文国家实验室团队在密歇根理工大学的云室中，对已知特征的云层进行了仪器测试。激光雷达测量显示，云顶的云滴分布与构成云主体的均匀结构存在显著差异。他们发现在实验室生成的云层中，云顶附近的云滴数量少于云体内部区域。

云室示意图：密歇根理工大学Pi型云室底部为温暖湿润表面，顶部为寒冷湿润表面。通过侧向持续注入气溶胶粒子，可形成并维持稳态云层。激光雷达置于云室顶部并向下观测，云滴粒径分布则由WELAS光学粒子计数器测量

“在云层的主体区域，湍流通常较强，”Fan Yang解释道，“这种强湍流使不同大小的云滴能够有效混合，并保持相对均匀或同质的分布。”

然而在云层顶部附近，湍流较弱，因此只有较小的云滴能悬浮在气流中，而较重的云滴则沉降脱离。这种粒径分选效应导致云滴数量减少，并形成具有局部变化的层状结构。

“许多大气模型要么完全忽略云滴沉降过程，要么用单一沉降速度来表征不同尺寸的云滴，”Fan Yang指出，“对云顶物理过程的不准确描述，会给模型预测云层反射阳光和触发降雨的能力带来显著不确定性。”

布鲁克海文实验室的科学家计划在该实验室新建成的云室中拓展这项研究。“布鲁克海文拥有云室将极大拓展我们的研究能力，”Fan Yang表示，“这使我们能更快地进行迭代实验，在构建新传感器的同时对其进行验证，并深化对自然界中几乎无法独立观测的云物理过程的理解。”

除了为改进大气模型提供更精细尺度的信息外，这些发现也将有助于提升实际大气测量的精度。例如，利用新型高分辨率激光雷达在云室中获得的测量数据，可用于确保采用相同技术的大气采样激光雷达（包括布鲁克海文团队为研究云底附近云特性而建造的T2激光雷达）得到精准校准。

科学家指出，云顶附近云滴减少是两种过程共同作用的结果：一是夹卷作用，即上方干燥洁净的空气被向下吸入云层，稀释云体并导致部分云滴蒸发；二是由沉降引起的“粒径分选”，较重的云滴比较轻的云滴下落得更快。