布鲁克海文国家实验室大气科学家领导的团队首次展示了对云层底部细尺度结构的远程观测。该研究结果刚刚 发表 在 《自然》 杂志 《NPJ 气候与大气科学》上，表明空气-云界面并不是一个完美的边界，而是一个过渡区，悬浮在地球大气中的气溶胶颗粒在此形成最终形成云层的液滴。

“我们对这个‘水滴激活区’很感兴趣，大多数云水滴最初是在云底形成的，因为那里形成的水滴数量将影响云的后期阶段和特性——包括云反射了多少阳光和降水的可能性，”该论文的第一作者布鲁克海文大气科学家范杨说。

“如果大气中存在更多的气溶胶，云中往往会有更多的水滴，但每个水滴都会更小，这意味着它们可以反射更多的阳光，”杨说。 “这可能有助于冷却我们变暖的地球，”他指出。

但为了准确预测这些气溶胶-云相互作用对气候系统的影响，科学家需要一种方法来测量云滴数量浓度——而不必飞入大量云层中收集样本。

杨说：“这仍然是我们领域面临的最大挑战之一。”

新的遥感测量和方法提供了一种估算液滴浓度的新方法，这将使科学家能够深入了解大气气溶胶水平的变化如何影响云层和气候。

更详细地观察云层

大气激光雷达将激光束发送到大气中并测量大气中分子、气溶胶和云滴反向散射的光信号，已被广泛用于测量到云底的距离。但传统激光雷达无法解析云底内的详细结构，因为它们的分辨率通常为 10 米或更高。

“十米就像一座建筑物的高度，”杨说，并指出这种规模能够检测大型物体。 “但是要知道该建筑物有多少层楼或窗户，您需要更精细的分辨率。”

为了查看云基础中的详细信息，Brookhaven 团队与史蒂文斯理工学院 (SIT) 和 Raymetrics SA 的同事合作构建了一种新型激光雷达。他们的设备(在 早期出版物中描述)是一种时间选通、时间相关、单光子计数激光雷达(T2 激光雷达)，分辨率低至 10 厘米。这比传统大气激光雷达的分辨率高两个数量级。

杨说：“如此高的分辨率，T2激光雷达观测揭示了气溶胶粒子吸收水蒸气并转化为云滴的过渡区。”

“我们利用对云底区域前所未有的精细 T2 观测来开发一个理论模型，根据 T2 测量的反向散射信号来估计云滴浓度，”他补充道。

T2 激光雷达的一个独特功能是应用时间门控技术——迫使探测器睁开其“眼睛”在狭窄的大气观察窗口内进行测量。

“这种时间门控使我们能够‘查看’云层内感兴趣的特定区域。这与传统激光雷达不同，传统激光雷达的‘眼睛’通常是睁开的，几乎一直准备捕捉背向散射的光子，”杨说。

通过将T2激光雷达的激光脉冲和眼图张开之间的时间延迟设置为不同的时间间隔，科学家可以通过云层对不同区域的信号进行采样。

该设备还具有非常高的重复率，每秒发射 20,000 个激光脉冲。

“我们可以通过观测窗口内反向散射信号的分布来了解云的特性，”杨说。

云室观测应用

为了使该技术真正适用于精确的远程真实世界测量，T2 激光雷达必须经过适当校准。也就是说，科学家需要充分了解测量的光信号如何与真实世界的云属性相匹配，以便他们能够微调他们编写的计算算法，使两者相互关联。

传统的大气云激光雷达测量有时会通过让飞机穿过云层捕获液滴样本来进行交叉检查和校准。科学家们试图用飞机现场测量得到的液滴的“真实”特性来校准激光雷达读数。

“问题是，遥感和现场测量通常不在同一地点，”杨说。也就是说，具有粗分辨率的向上指向的激光雷达和水平飞行以收集薄样本流的飞机不太可能同时收集云的同一部分的数据。

为了改善这种情况，Brookhaven 和 SIT 团队正在使用一种类似于他们在 T2 激光雷达中使用的技术来构建分辨率更精细(低至一厘米)的激光雷达。通过使用这种更高分辨率的激光雷达在实验室云室中进行观测，他们将能够将反向散射信号与在同一时间和同一位置进行的云物理特性的现场测量相匹配。

杨说：“然后我们可以将激光雷达带回真实大气中，并对我们的激光雷达测量结果与云特性(例如液滴数量、浓度和分布)的关系更有信心。”

“这只是一个开始，”杨指出。“我们的研究强调了应用先进技术在亚米尺度上观测大气云的好处，这可以为我们深入了解对天气和气候至关重要的云微物理特性和过程开辟新途径。”

T2 激光雷达的开发得到了布鲁克海文国家实验室计划开发和实验室指导研究与开发资金的支持。合作者获得了美国国家科学基金会和科学办公室 (BER) 的额外支持。