为了获取大气复合污染下臭氧和气溶胶的垂直分布信息，利用紫外多波长激光雷达对河北望都县进行了臭氧和气溶胶的同步观测。结果表明：双波长差分吸收反演算法中大气后向散射项引起的臭氧质量浓度误差最大，最大平均质量浓度误差为16 μg/m³；三波长差分吸收算法可以减小部分气溶胶的影响。基于反演的臭氧质量浓度，对激光雷达三个波长的消光系数进行臭氧吸收的剔除，得到了各波长的气溶胶消光系数，并且气溶胶参数的反演结果与AERONET的气溶胶光学厚度（AOD）数据一致性较好。最后基于紫外多波长激光雷达反演结果、HYSPLIT后向轨迹分析和MERRA-2再分析资料对望都县典型污染天气进行了分析。通过反演300 m处的臭氧质量浓度和300 m以上的AOD，发现二者变化趋势相反，并且AOD对紫外辐射的抑制作用在中午表现最明显。观测期间，望都县大气污染可能受到西北方向污染物输送的影响。

基于差分吸收激光雷达反演了气溶胶消光系数、边界层高度以及臭氧的质量浓度，通过大气温度廓线、地面气象要素和空气质量数据以及后向轨迹和海军气溶胶分析与预测系统分析了望都县的一次重污染过程。实验结果表明，观测期间望都县处于东亚大槽系统的控制下，近地面层100~200 m内一直存在逆温层。颗粒物污染严重时，地面相对湿度较高、风速较小，高空有弱下沉气流，这有利于颗粒物的吸湿增长和长时间聚集；且边界层的高度始终较低，不利于污染物的扩散。此外，边界层高度与颗粒物质量浓度没有明显的相关性，但与能见度呈负相关，相关系数为-0.344。臭氧的质量浓度与气温和能见度呈正相关，与相对湿度、边界层高度和风速呈负相关。本地的静稳天气以及外地污染源传输是造成本次望都县空气污染的主要原因。

利用中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达,对南京北郊对流层气溶胶进行观测分析。通过软阈值滤波的小波去噪方法对波长为607 nm的Raman回波信号进行平滑,利用激光雷达Raman通道的实验数据反演对流层高空的气溶胶消光系数,结合波长为532 nm的Mie散射信号反演对流层高空气溶胶后向散射系数和激光雷达比。实验结果表明:软阈值滤波的小波去噪方法可以很好地去除噪声信号,提高反演结果的准确性;在晴空的天气条件下,南京北郊高空气溶胶消光系数的变化范围为0.03~0.07 km ^-1,后向散射系数变化范围为0.011~0.024 km ^-1·sr ^-1,激光雷达比的变化范围为22~52 sr,表明南京北郊高空存在一定含量的气溶胶;实验期间测多次测得卷云,卷云的激光雷达比为17 sr±10 sr。

介绍了位于南京北郊的拉曼散射激光雷达的基本结构,描述了使用拉曼散射激光雷达反演平流层大气气溶胶消光系数廓线的数据处理方法。重点研究了南京北郊2011-12-08与2011-12-09晚间平流层气溶胶观测数据,对拉曼散射激光雷达距离矫正信号进行4种不同阈值的小波去噪,选择出合适的阈值,然后利用反演原理公式,得到平流层大气气溶胶消光系数廓线,分析了平流层大气气溶胶消光系数的变化特征。

利用中国气象局南京综合观测基地的微脉冲激光雷达对南京北郊的气溶胶特性进行了常规的观测,并计算了气溶胶的退偏振比,反演了气溶胶的消光系数,分别得到气溶胶退偏振比及消光系数廓线。分析了不同天气情况下退偏振比和消光系数变化趋势的关系,发现退偏振比和消光系数有一定的相关性,即粒子非球形的程度对其消光的大小有一定的影响。初步探测结果发现:在同一个时刻,晴天和雾霾天时二者变化趋势相同,探测到水云时二者变化趋势相反,探测到冰相云时二者变化趋势相同,研究表明:当探测到气溶胶和冰相云时,粒子的非球形特性越明显其消光系数越大;当探测到水云时,粒子越近似球形其消光系数越大。

本文研究了在实测的南京地区五种气溶胶分布下,大气气溶胶对三波长差分吸收激光雷达(Dual-DIAL)臭氧探测结果的影响,使用波长对266 nm,289 nm,308 nm进行了误差分析。通过对实际气溶胶的误差分析,模拟出在大部分高度上误差最小的C值(为消去后向散射及消光项误差引入的比值)C=1.7,并与传统方法取得的C=23/19进行了对比。讨论了气溶胶分布及含量对C值选取的影响及不同C值下误差随气溶胶变化的规律; 分析得出对于本文所使用的气溶胶分布以及波长对,取C=1.7时在气溶胶较均匀时误差接近于零,误差不会大于5%,当气溶胶变化率变高且频繁变化时误差最大可达40%。取C=23/19时误差很稳定,不随气溶胶分布变化,误差高度增加误差减小且小于10%。本文还讨论了不同气溶胶分布下C的选取方法。

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验, 采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号, 选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号, 得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线, 借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据, 反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道, 重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据, 对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪, 然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演, 得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线; 利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线, 可以清晰看出气溶胶的分布特征, 对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1 km-1左右, 表明对流层低空自由大气比较干净; 对流层高空大气气溶胶消光系数在云影响下可达到6 km-1, 无云时气溶胶消光系数最大值一般为0.1 km-1左右, 表明高空大气比较干净。

对南京地区大气气溶胶的光学特性进行了反演，讨论了影响大气气溶胶消光系数反演准确度的不同因素。采用不同的方法对信号进行去背景处理，找出合适的去噪方法；利用五点三次平滑、小波去噪、十一点平滑等方法对去噪后的信号进行再处理，找出可以得到准确反演结果的方法。分析了Klett方法中的后向消光对数比与参考高度处的消光系数对反演结果的影响，分别对k的取值范围为0.67~1.0、σm的取值在1×10-5 km-1附近的反演结果进行了分析，在Fernald方法中分析激光雷达比的取值(范围为20~70)对反演结果的影响。对Klett与Fernald两种方法的计算结果进行了对比，发现在大气气溶胶含量低的区域，两种方法反演结果有差别，而在大气气溶胶含量较高区域，两种方法反演结果几乎相同。

利用位于中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达Raman通道实测数据反演分析南京北郊气溶胶光学特性。在反演计算消光系数的过程中发现Raman信号波动很大、起伏很多,对我们反演结果带来了很大的困难,导致消光系数值波动范围达到-0.1~0.4 km-1。经过反复试验计算,用小波去噪解决这个问题,并将其反演结果与同一时刻同一仪器不同通道(Mie通道)反演结果进行对比,2011年3月30日晴天条件下二者消光系数都在0.05 km-1左右,它们的趋势具有很好的一致性,表明小波去噪能提高Raman散射反演气溶胶光学特性的准确性。

激光雷达方程求解时将后向散射消光对数比k作为假设值, 推导了k与波长指数、探测波长及气溶胶消光系数之间的关系式, 提出了一种确定k值的新方法。利用532 nm 瑞利拉曼-米氏散射激光雷达及微脉冲激光雷达, 结合CE-318太阳光度计观测数据,对k在不同天气条件下的取值进行了初步研究, 引入能见度因子, 估算气溶胶消光系数, 对该方法进行验证。结果表明: 空气状况良好时, 仅在k值取1.0时气溶胶消光系数更接近能见度估算的结果; 在雾霾天气下, 由该方法计算的k值范围在0.7~0.9时所得到气溶胶消光系数反演结果与能见度估算值的相对误差达到最小, 这说明在雾霾天气下, 该方法计算k值具有一定的可靠性。