足球比赛结果 超高分辨率激光雷达揭示隐藏的云结构

在此客座博客中，布鲁克海文国家实验室的凯伦·麦克纳尔蒂·沃尔什 (Karen McNulty Walsh) 解释道 足球比赛结果的科学家和校友如何开发出一种创新的、 对实验室创建的云进行厘米级视图以揭示重要的结构特征 降雨量、亮度和大气模型中的表示。

美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家 和合作者开发了一种新型激光雷达——基于激光的遥感 仪器——可以观察一厘米尺度的云结构。 科学家们使用这种高分辨率激光雷达直接观察精细的云结构 在实验室生成的云的最上面部分。这种学习能力 云顶分辨率比传统大气高100至1000倍 科学激光雷达能够与良好控制的室内实验中的测量结果配对 以一种以前不可能的方式。

该，发表在《美国国家科学院院刊》上，提供了一些 第一个实验数据显示了靠近顶部的云滴特性 云与云内部的云不同。这些差异对于理解至关重要 云如何演化、形成降水并影响地球的能量平衡。

“这是我们第一次能够直接看到这些云顶微观结构 而且是非侵入性的，”布鲁克海文实验室的大气科学家 Fan Yang '17 说 以及该研究的主要作者。 “这些结构的规模比 用于大多数大气模型，但它们会强烈影响云的亮度和 云产生降雨的可能性有多大。”

定制激光雷达

高分辨率激光雷达由 MTU 博士构思、设计和构建。在 史蒂文斯理工学院工程物理毕业生 Yong Ming Sua '14， 与布鲁克海文团队密切合作。它使用时间相关的单光子计数 — 一种能够检测从云中反向散射的单个光子的技术 超快激光脉冲。数据采样算法使用光子信号来重建 厘米级精度的云结构详细轮廓。

系统的核心是定制的激光器和高灵敏度的光子计数 探测器。激光器以高重复率发出超短光脉冲， 探测器记录第一个散射回的光子的到达时间 来自云滴。每秒测量数百万个这些返回光子会产生 沿着激光束的云滴分布的精细解析图片。

“这款激光雷达本质上是云的显微镜，”杨说，他赢得了他的博士在大气科学足球比赛结果。 “因为我们自己设计了激光雷达，所以我们能够优化 一切——从激光系统到计时电子设备——以实现厘米级 以全新的方式研究云物理所需的分辨率。”

云室实验

团队在受控下生成的特征良好的云上测试了他们的新工具 的温度和湿度条件足球比赛结果。高分辨率激光雷达测量结果显示 云顶云滴的分布变化很大 来自构成云大部分的更均匀的结构。具体来说，有 实验室生成的云顶部附近的云滴数量比 大块区域。

足球比赛结果的合作科学家包括研究科学家杰西·安德森, 博士候选人Hamed Fahandezh Sadi，研究助理教授廉在民，博士后苏里亚德夫·普拉塔普·辛格，以及物理学教授威尔·坎特雷尔, 亚历克斯·科斯汀斯基和雷蒙德·肖。另一位校友合作者是 18 岁的 Pei Hou，她完成了博士学位。在大气中 科技物理。

根据科学家的说法，云顶附近云滴的减少是 由于两个过程：夹带，上面干净的干燥空气被向下吸入 云，稀释云并导致一些水滴蒸发；和“尺寸排序” 由于沉降，较重的液滴比较轻的液滴下落得更快。

“在云的大部分区域，湍流通常很强烈，”杨说。 “这个 强烈的湍流使不同大小的云滴能够有效地混合 保持相对均匀的分布或同质——类似于搅拌牛奶的方式 倒入一杯咖啡中，可快速混合并均化液体。”

然而，在云顶附近，湍流较弱，因此只有较小的水滴 保持悬浮在气流中，而较重的则沉降下来。这个尺寸排序效果 导致更少的水滴和更多具有局部变化的分层结构。

“许多大气模型要么完全忽略液滴沉降，要么代表 不同尺寸的液滴具有单一的下落速度，”杨说。 “这种简化 在湍流较强的云的大部分区域是合理的，但它 在云顶附近破裂，那里的湍流较弱。"

“云顶物理的不准确表示可能会带来很大的不确定性 模型预测云如何反射阳光并引发降雨，”他指出， 补充说，进一步的研究将探讨这些潜在的影响。

布鲁克海文科学家计划在新的云室中扩展这些研究 在实验室构建的。 “布鲁克海文云室的面积大幅扩大 我们能做什么，”杨说。 “它使我们能够更快地迭代，验证新传感器 当我们构建它们时，并加深我们对云流程的理解，这些流程几乎 在自然界中不可能分离。”

连接到大气测量

除了为改进大气模型提供更精细的尺度信息之外，这些发现 还将有助于改善实际大气中的测量。

例如，使用新型高分辨率激光雷达进行云室测量可以 用于确保大气采样激光雷达使用相同的技术，包括 一个由 Brookhaven 团队构建，用于研究云底附近的云特性， 已准确校准。

“云室实验让我们有机会充分描述云的特征 良好控制的条件并准确确定激光雷达测量的信号如何匹配 云滴数量、浓度等微物理特性 分布，”杨说。 “这将帮助我们完善计算算法 将测量结果与这些属性联系起来，并将提高我们对 大气测量。”

这项工作得到了美国能源部科学生物与环境办公室的支持 作为大气系统研究计划一部分的研究计划，以及 来自国家科学基金会和西蒙斯基金会的支持。

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