大气气溶胶通常是指悬浮于大气中直径为0.001~10 μm的微粒。大气沙尘是对流层气溶胶的主要成分之一，主要来源于沙漠和干旱地区的风蚀和随风扬起过程。大气气溶胶光学厚度(AOT)是气溶胶光学参数之一，在沙尘天气的多发区，气溶胶光学厚度与沙尘天气有较好的相关性(Sun et al., 2001)。中国北方，特别是干旱荒漠区，大气气溶胶主要来自沙尘天气过程引起的地面沙尘释放(Cheng et al., 2006；韩晶晶，2006；赵仲莲等，2005；杨辉等，2006；张小玲等，2005)。激光雷达(lidar)具有分辨率高、抗干扰能力强等优点，是探测大气气溶胶的一个有效和可靠的手段，可连续地探测大气边界层中气溶胶粒子的光学特性以及气溶胶粒子和大气边界层高度的时空分布(李正强等，2003；贺应红等，2004)。

2006年春季北京市发生的沙尘天气比常年明显偏多。其中，4月7—11日连续5天出现浮尘天气，4月16—17日是2006年最严重的沙尘天气，北京地区的总降尘量约33万t。本文利用激光雷达在北京地区开展沙尘天气的连续观测，通过与其他方法的监测结果对比分析，研究沙尘天气的大气结构和沙尘天气的时空演变情况。

1 研究设备和方法 1.1 激光雷达系统

本文采用的激光雷达是由希腊Raymetrics S A制造的LB10-D200微脉冲激光雷达，具有结构紧凑、质量轻、体积小、系统自动化集成程度高等特点，可连续、长期地开展对流层大气气溶胶、云和大气边界层(PBL)的结构分布进行探测。激光雷达对大气的测量工作是通过激光与大气中的气溶胶及大气分子的作用而产生后向散射且被探测器接收而实现的，激光雷达体系结构如图 1，主要性能指标见表 1。

1.2 激光雷达方程及其反演

监测沙尘气溶胶最常用的是Mie散射激光雷达，当激光雷达发射的激光束通过大气时，会与大气物质发生相互作用，系统接收到距离Z处的大气后P(Z)向散射回波信号的能量由激光雷达方程决定，一般需要通过求解该方程来得到所关心的参数，如气溶胶的消光系数、后向散射系数、消光后向散射比和光学厚度(AOT)等(王治华等，2006；丁红星等，2006)。

Mie散射激光雷达方程为

式中：P(Z)为激光雷达接受到高度Z处的大气后向散射回波信号的能量，E为激光雷达的发射能量，C为激光雷达常数，β(Z)为大气后向散射系数，α(Z)为大气消光系数。

此方程有2个未知量β(Z)和α(Z)，如何求解此方程成为关键，许多学者提出了多种不同的方法，如Collis斜率法、Klett方法和Fernald方法，其中Klett方法被广泛应用，本文使用此方法。Klett方法首先假设一个关系式

式中：C₀为常数，k取决于激光雷达的波长与气溶胶的性质，取值范围一般为0.67~1。如果再假设k为常数，则可以得到Z≤Z_m处大气消光系数

式中：Z_m为标定高度，可通过选取几乎不含气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定，S_m是标定高度消光后向散射比，S是消光系数与后向散射系数的比值，即

根据激光雷达的探测能力和边界层气溶胶分布的一般特性，本文在5~60 km高度范围内进行了迭代计算。同时，将消光系数α随高度积分可以得到气溶胶光学厚度(AOT)：

1.3 近地面沙尘浓度监测

为了对激光雷达监测数据进行验证和检验，在试验中采用了地面沙尘监测仪器Ducon-Beta Attenuation Mass Monitor(E-BAM贝塔沙尘监测仪)。通过该仪器定时(每间隔5 min~1 h)收集周围的空气到固定容器，然后通过密封的贝塔射线穿透收集的沙尘，通过射线的衰竭程度来分析周围空气中的沙尘浓度。

该仪器的特点是：轻便，方便外出携带，能不受地理位置、全气候地使用，能在各种恶劣环境条件下提供24 h连续工作。该仪器的沙尘浓度监测精度非常高，并且使用贝塔源C14，具有超强的使用寿命。同时该仪器具有很好的扩展性，可以扩展温度、湿度、风向等常规气候因子监测模块，能同时进行近地面各种常规气候因子数据的集成。仪器性能指标见表 2。

2 结果与分析

激光雷达仪器放置在北京海淀区试验点(40°00′13″N，116°14′33″E)，对2006年4月份天气进行24 h连续监测，通过观测数据分析，共观测到16个沙尘天气日，同时就4月份数据和4月10－11日和4月16－17日北京地区2个典型沙尘天气的发生过程情况进行分析。

从图版Ⅰ-1~7可看出，4月10日6:55—4月11日0:20(UTC)，出现持续沙尘天气，沙尘层集中在近地面800 m以下的高度，沙尘浓度达0.45 mg·m^－3，4月11日0:20—12:20(UTC)，沙尘开始出现分层，在2 500和3 000 m的高空出现2个较薄的沙尘层，沙尘厚度约80 m，此时近地面沙尘高度降低到400 m，沙尘浓度下降为0.40 mg·m^－3。4月12日0:00—16:00(UTC)，在4 500、6 000、7 500和9 000 m的高度出现比较明显的4个沙尘层，此时地面沙尘表现比较轻微，沙尘浓度为0.18 mg·m^－3。4月12日1 6:00—4月13日8:00(UTC)，高空大气逐渐清晰，地面沙尘浓度上升为0.27 mg·m^－3，说明此时沙尘主要集中在近地面高度。

从图版Ⅰ-1~7和贝塔沙尘监测仪监测数据综合分析可得出，4月10—11日沙尘主要集中在近地面，12日开始地面大气状况逐渐变好，这和地面的贝塔沙尘监测仪监测数据相符合。4月11日，开始出现沙尘分层，至12日沙尘分布到9 000 m的各个高度的4个沙尘层，通过10—13日的图谱，可以得出试验点沙尘的空间分布和变化情况。

从图版Ⅰ-8可看出，4月15—16日(UTC)沙尘主要集中在近地面，在近地面500 m以下沙尘浓度非常高，达到0.60 mg·m^－3，在15日15:00，1 500 m的高度出现1个薄沙尘层，逐渐上升到2 000 m的高度，近地面层分析的结果和地面观测数据想吻合。

对激光雷达数据分析结果进行对比分析，本文采用的是贝塔沙尘监测仪E-BAM、PHOTONS/Aerosol Robotic Network(AERONET)(Holben, 1998)的AOT数据、NASA MODIS AOT数据和沙尘区域大气DREAM模型(the dust regional atmospheric model)(Nickovic et al., 2001)。全球气溶胶探测网(AERONET)是美国NASA采用太阳辐射计在全球布设站点用来监测大气气溶胶的研究网络，本文采用的数据来自其中的北京站点(39°58′37″N，116°22′51″E)的CIMEL太阳辐射计(Holben，1998)，测量波长440~1 020 nm范围的AOT值，AOT(Level 1.5)测量精度大约为±0.03。通过440和870 nm AOT差值比获得Angstrom波长指数(α)(张敬斌等，1994；王跃思等，2006；王晓宾等，2006)。MODIS AOT数据来源是NASA'S Earth Observing System Data Gateway的MODIS/Terra aerosol 5-min level-2 swaths(v.04)(Remer et al., 2005)。利用暗背景条件下地表反射率在可见光与近红外波段相关很好的特征，利用可见光通道1与通道3和近红外通道7的数据反演AOT(韩涛等，2005；Xia et al., 2004)。DREAM模型用来精确地描述大气中沙尘的运动情况，包括起源、传播、影响等整个沙尘过程。DREAM模型已经应用于地中海地区对撒哈拉沙漠沙尘天气的预测(http://www.bsc.es/projects/earthscience/DREAM/)(Balis et al., 2004；Mattis et al., 2002)，目前已经开始在东亚地区的沙尘监测中开始应用。用DREAM模型预测风蚀沙尘天气的主要因素包括土壤类型、植被覆盖、土壤湿度和地表大气湍流等。从图 2中通过4种手段分析得出的4月份数据可看出，激光雷达反演的AOT与CIMEL、MODIS和DR EAM模型反演的AOT具有很好的一致性，尤其是和CIMEL反演的结果(440和670 nm)非常接近。

从图 3采用与激光雷达相近波段(550 nm)CIMEL探测的AOT进行比较可看出，激光雷达AOT与CIMEL粗颗粒(>2.5 μm)AOT非常接近，相关性非常好，这是因为沙尘(>1 μm)的绝大部分属于粗颗粒(Papayannis et al., 2007)。从数据分析得出，4月16日和26日，粗颗粒AOT的贡献率占整个AOT的70%左右，同时α在17日和23日下降到0.1甚至出现负值，这均说明在北京出现大量的沙尘。激光雷达监测的AOT比CIMEL的总AOT要小，这是因为激光雷达只是探测一定区域的大气(20 km左右)，而CIMEL的结果反映的是整个光路(Müller，2003；Müller et al., 2006)。

通过激光雷达和DREAM模型分析的结果对比图表明，DREAM模型正确地预测到4月16日在1 000~1 500 m处将有沙尘，只是与激光雷达监测结果有点偏高(1 000 m)，激光雷达可以更精确地揭示在近地面具有很高的沙尘浓度。

3 结论与讨论

1) 通过2006年4月激光雷达监测的数据分析，北京4月份属于沙尘天气的多发阶段，大部分时间AOT值大于1，最大值甚至达到4。

2) 通过DREAM模型(沙尘AOT对比总AOT)、CIMEL(粗颗粒AOT对比总AOT)以及Lidar监测数据的分析，沙尘层对总AOT的贡献率大约为60%~80%。

3) 通过与CIMEL、MODIS和DREAM模型分析的结果进行对比分析，与激光雷达数据得出的AOT均有很好的相关性，并与地面观测数据相吻合，较好地验证了激光雷达数据的有效性(Matthias，2004；Kim et al., 2005)。

4) 4月12日激光雷达监测到在9 000 m高度下出现沙尘的若干分层，表明激光雷达与其他监测方法相比(卫星遥感、地面观测和辐射计等)，在沙尘层的精确时空分布监测方面具有不可替代的优势，同时也可以作为其他方法数据有效性验证的良好手段。

5) 沙尘天气起源、传播和影响涉及范围广，形成和传输机制复杂，需要综合利用各种有效手段，充分利用各自的优势。同时，建立合理、健全的监测网络体系是了解整个天气过程，开展沙尘预警预报的基础保障。