基于气象条件、激光雷达、风场和 HYSPLIT 轨迹模型等多源资料, 综合分析了 2019 年 3 月 26-28 日发生在甘肃省的一次强沙尘暴天气过程, 全面研究其发生发展、时空分布和垂直结构特征以及主要来源和传输路径。结果表明: (1) 高空横槽是引起此次沙尘暴天气的关键因子。此次沙尘起源于塔克拉玛干沙漠, 自西向东影响到甘肃省, 使部分城市环境空气质量转为严重污染。(2) 此次沙尘传输路径位于甘肃省以北地区, 沙尘在东移过程中沉降明显, 在传输过程中颗粒物浓度不断降低。通过分析沙尘传输时间可为下游城市空气质量预报提供参考。(3) 对于荒漠半干旱地区, 在风速较小的条件下也可能出现强沙尘天气。研究表明地基激光雷达观测资料能较好地分析沙尘暴天气的垂直发展过程, 对沙尘的传输路径及沙尘来源均具有很好的指示意义。

在量子卫星通信过程中,量子卫星与地面接收机之间的星地链路会受到雨雪、沙尘、雾霾、电离层等自然因素的影响,导致通信质量降低。然而,有关沙尘暴背景下量子卫星星地链路切换策略的研究鲜有报道。为了降低沙尘暴对星地链路切换的影响,提出了基于最优纠缠度的双卫星星地链路切换策略。通过建立沙尘暴各项参数与星地链路纠缠度的关系,分析了沙尘扩散模式指数、沙尘粒子半径、观测高度和沙尘灾害系数对链路纠缠度的影响。根据沙尘背景下的星地链路纠缠度,提出了一种新的切换策略,即在当前双卫星为一个地面用户服务的情况下,从多个备选卫星中选择一颗纠缠度最大的卫星作为链路将要切换的最优目标卫星。仿真结果表明,沙尘扩散模式指数、沙尘粒子半径、观测高度和沙尘灾害系数均会对链路纠缠度产生明显的影响,所提出的基于最优纠缠度的双卫星星地链路切换策略可以降低沙尘暴对纠缠度的影响,且在切换的过程中没有链路中断现象。因此,采用最优星地链路纠缠度的切换策略,能够有效提高链路通信质量。

为了提高沙尘暴中红外系统的精度, 应用电磁波在离散随机介质中传播的多重散射理论, 分析红外波在沙尘暴中传播时的后向散射增强机理, 给出了沙尘暴单位体积的粒子数随能见度变化的关系式, 对于可见到远红外波, 研究其在不同能见度的沙尘暴中传播时的多重散射效应引起的后向散射增强。结果表明对于不同波长的波, 其后向散射增强不同。沙尘暴的能见度越低, 后向散射增强越显著。不同类型的沙尘暴, 粒子尺度分布不同; 在一定能见度时, 单位体积中粒子数越多的沙尘暴, 后向散射增强越大; 在一定的粒子数密度时, 含大粒子数越多的沙尘暴, 后向散射增强越显著, 尤其是波长较长波的后向散射增强更明显。即, 沙尘暴的能见度越低, 单位体积中的粒子数越多, 包含较大粒子数目较多时, 后向散射和增强就越显著,则对红外系统的影响就越严重。

用102 F测量了西北沙源区各类型地表的发射率.将测量结果与ASTER JHU波谱库数据对比，显示了测量结果的可靠性和必要性.分析结果表明，不同地表类型发射率差异显著，同种类型地表发射率因物理特征不同会呈现规律性差异，发射率在时间尺度上具有稳定性.测量的沙源区发射率数据及分析结果对沙尘暴相关研究有重要意义.

研制了一台工作波长为355 nm的紫外高能Mie散射激光雷达， 并利用该激光雷达在2010年一次沙尘暴事件期间对澳门上空的大气进行了探测， 得到了澳门地区不同时刻的气溶胶消光系数垂直廓线。 利用Fernald方法反演得到的气溶胶近地面消光系数随时间的变化与当地气象数据具有较好的一致性， 气溶胶消光系数与当地可吸入颗粒物浓度的相关性达到了0.93。 气溶胶垂直廓线显示， 在沙尘暴来临期间存在明显的沙尘气溶胶凝集层。 通过气溶胶轨迹倒推， 分析了沙尘气溶胶的来源及路径。 观测结果表明， 该激光雷达可以在特殊天气条件下对澳门地区气溶胶进行有效探测， 这将有助于深化对澳门上空气溶胶特性的研究。

计算沙尘暴对电磁波的衰减特性,以及利用卫星反射率遥感反演沙尘暴的光学厚度时,通常假设沙尘粒子为球形,但实验室和现场测量结果都表明,自然界中的沙尘粒子为非球形,因此利用球形粒子模型模拟沙尘暴对激光的散射和衰减特性将带来较大误差。利用具有一定尺寸分布、形状分布、随机取向的椭球粒子模型模拟自然界中的沙尘粒子,利用T矩阵方法计算了其单次散射特性,并与球形粒子模型进行了比较,结果表明,混合椭球粒子的相函数随角度分布是平滑的、无特征的、且在侧散射方向上是平坦的,这和自然界中的沙尘粒子散射特性非常类似。最后利用累加法计算了沙尘暴对激光的多次散射特性,结果表明,利用任何一种单一形状的粒子模拟沙尘粒子的散射特性都会带来较大的误差。

利用比辐射率的特征, 并根据热辐射理论进行沙尘暴遥感监测是一种全新的研究手段.本文发现, 沙尘发生 时地表的主要物质沙尘、地面和云的物质性质不同, 并且沙尘强度不同时图像像元上的地面和沙尘的比例不同, 从 而导致像元物质的性质有差别, 地物比辐射率不相同.通过理论推导和试验研究得出:云区、地面、弱沙尘和强沙尘 区的 ε 29 与 ε 31 接近程度不同, 且 ε 31 在0～1整个区间上变化时, ε 29 的大小顺序永远是云>强沙>弱沙>地面, 并在 此基础上建立了一个稳定判识沙尘强度的沙尘指数(DSI)模型.经过多次沙尘暴的实例验证, 结果表明, 该模型能 够较精确地监测沙尘发生的范围和强度.

沙尘暴是一种特殊的自然现象。为了分析沙尘暴对可见光和红外辐射传输产生的影响，利用米散射理论，对北京地区1次沙尘暴天气下沙尘粒子在可见和红外波段的消光进行了计算，并与沙尘暴来临前的测量结果进行了对比分析，得到了沙尘粒子在这些波段的消光特性，并根据激光雷达测量的数据，对沙尘粒子在红外波段的垂直消光廓线进行了反演。这对认识沙尘暴有很大的参考价值。

根据光脉冲在离散随机介质中的传输理论,应用米氏理论和蒙特卡罗方法,研究了不同能见度情况下1.06 μm脉冲激光在沙尘暴中的传输特性。得到了双频互相关函数的幅度和相位随相干带宽、脉冲时域展宽和延时随能见度的关系。结果表明,脉冲的展宽和时延随沙尘暴能见度的变化非常显著。当能见度为3～5 km时,多重散射对脉冲双频互相关函数、脉冲展宽和延时的影响已较明显。当能见度小于1 km时,对于1 ns的输入脉冲,其展宽大于10 ns,延时大于15 ns。因此,当沙尘暴的能见度较低时,必须考虑多重散射对激光脉冲频域及时域特性的影响。