为实现激光湍流大气传输效应的快速评估，采用数值仿真方法研究高斯光束远场长曝光光斑的定标规律。首先，对理想光束真空衍射和湍流扩展效应分别定标，结果表明光源截断强弱影响远场有效半径大小。然后，考虑衍射、初始像差、平台抖动和湍流扩展的相互作用，改进了半径平方加和假设，建立了远场63.2%环围功率半径和平均光强的定标规律模型。特别地，对于截断因子为22的高斯光束，在实际激光系统特性、常用光学湍流廓线、地对空传输路径组成的参数空间中开展了数值仿真，利用遗传算法确定了模型的标度指数。结果表明基于改进的半径平方加和方法所建立的定标规律模型精度有了显著提升。定标规律模型与数值仿真的结果对比表明，真空传输远场半径的平均相对偏差为1.55%，湍流大气传输远场半径和平均光强的平均相对偏差分别为1.92%和3.80%。

利用温度脉动仪在近海面测量的大气折射率结构常数Cn2，结合集合经验模态分解（EEMD）获得不同时间尺度的本征模态函数（IMF）分量，对IMF的周期进行分析，结果表明IMF的平均周期存在较高吻合度的自然指数关系，根据大气湍流各态历经性可以得到其空间尺度特征。对得到的IMF分量进行Hilbert变换，得到IMF在各自中心频率的瞬时波动情况，同时得到常规气象参数与Cn2的Hilbert-Huang变换边际谱。结果表明，对比传统的快速傅里叶变换（FFT），Hilbert-Huang变换更能体现出光学湍流的频谱分布特征。分析了不同层结的常规气象参数与Cn2的相关性，进一步认识近海面光学湍流时空特征。研究结果为海洋环境下激光传输提供一定参考价值。

结合茂名外场观测数据以及气象要素再分析数据,对台风外围环流影响和局地海陆风环流(SLBC)影响下沿海地区的大气边界层(ABL)结构识别方法和特征规律展开研究。利用气象要素探空数据和微脉冲激光雷达(MPL)观测数据进行了大气边界层高度(BLH)识别方法的适用性分析,提出了一种新的基于微脉冲激光雷达的BLH识别方法,以有效提高复杂边界层结构情况下激光雷达识别BLH结果的准确性,进而分析了受大尺度和局地环流影响的ABL结构以及BLH的时空变化特征。结果表明:沿海地区在没有大尺度天气系统的控制时,局地SLBC的影响较为显著,会使ABL出现多层复杂结构,BLH表现出波峰和波谷交替出现的日变化规律;BLH开始增长的时间一般出现在白天的陆风-海风转换时刻,最大值一般出现在正午气溶胶层顶的位置,即2 km左右;BLH下降的时间通常伴随着夜间的海风-陆风转换,最小值一般出现在夜间残留层以下稳定边界层顶的位置,低至500 m左右。而台风外围环流控制下,局地SLBC引起的局地对流现象会被抑制,ABL昼夜交替的空气上升、下沉运动减弱甚至消失,整个ABL内气溶胶垂直分布较为均匀,BLH与气溶胶层顶基本重合,维持在2 km左右,BLH变化波动不大且没有比较明显的日变化规律。

通过构建人工神经网络模型估算中国西北高原地区近地面光学湍流。对多层感知器(MLP)的结构进行优化,其输入层包括10个特征,隐含层包括40个神经元。探讨已建多层感知器的性能,结果表明:当训练集和测试集来自同一地区时,模型的平均相对误差为1.34%,折射率结构常数的实测值和估计值的拟合优度为0.94;当训练集和测试集来自不同地区时,多层感知器的泛化能力需进一步提高。

为了研究不同地区的气溶胶光学特性, 了解地区间气溶胶成分和来源的差异, 建立了典型地区的气溶胶光学模式。基于POM02太阳辐射计测量的太阳直射辐射和散射辐射值, 利用SKYRAD算法获得了青海德令哈、安徽合肥、广东茂名3个地区的春季气溶胶光学特性参数, 包括谱分布、折射指数和单次散射反照率等。然后基于这些参数对气溶胶来源和分布特征进行分析, 最后分析了浮尘天气对气溶胶光学参数的影响。结果表明: 德令哈地区大气清洁度较高, 24%的光学厚度分布在0.2以下, 气溶胶来源单一, 以大粒子为主导; 合肥地区有39%的波长指数分布在0.8～1.0之间, 折射率实部随波长变化不明显, 气溶胶来源复杂, 以小粒子为主导; 茂名地区54%的光学厚度集中在0.5左右, 分布区间稳定; 沙尘天气中, 大粒子的增加是气溶胶光学厚度增大的主要原因。

引入全局敏感性分析方法,研究典型传输场景下113个输入参数的不确定性对热畸变参数(N_D)数值模型的影响。通过主效应检测将输入参数分为对N_D影响重要的参数和不重要的参数;把主效应检测筛选出的不重要参数固定后,采用基于方差的敏感性分析方法定量评估20个重要输入参数对N_D的影响。结果表明,低空大气参数的影响较大,它们既可以直接对N_D产生影响,也可以通过和其他参数相互作用对N_D产生影响;对N_D影响最重要的参数是低空大气吸收系数。所得结果能够指导实际工作中大气参数的测量和模式的构建。

研究大气传输问题中的大气湍流就是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数C2n是表示大气光学湍流强度 的一个重要参数。利用新型温度脉动探空仪对大气温度、气压和C2n在合肥、北京和库尔勒等典型地区进行实地探测, 结合全国不同地区气象站点的常规气象探空资料进行统计分析,得到不同典型地区常规气象参数随高度分布特性,为大气 湍流预报模式的建立提供数据资料。选取广泛应用的大气湍流参数模式Hufnagel-Valley模式和NOAA模式,根据实际测量 数据拟合得到不同典型地区大气湍流高度分布初步模式,将两种模式和实际测量数据进行对比验证分析,为不同典型地区 大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。

基于频域小波分析方法研究了大气湍流相干结构特性,采用Mexican Hat小波函数分析了近地面风速脉动数据资料。根据能量极大值原则识别相干结构主尺度,利用重构公式提取相干结构波形。结果表明重构相干波形是具有准周期运动的信号,它反映了原始脉动信号中某个中间尺度上的运动, 两者波形在变化趋势上十分吻合;小波系数的时间与尺度图可以很好地解释湍流的多尺度性和间歇性,反映了湍流相干结构的演变过程。在分析时间段内对风速相干结构的主尺度进行统计分析,发现相干结构的主尺度近似满足正态分布。

利用POM02太阳光度计测得的数据反演得到气溶胶光学厚度和波长指数,选择晴好天气下德令哈和合肥地区的大气气溶胶光学厚度和 波长指数数据进行统计分析。得到两地气溶胶光学厚度与波长的季节变化关系,并对气溶胶光学厚度的月变化特征进行分析, 得到了两地波长指数、浑浊度系数、气溶胶光学厚度等参数的变化特征,这对研究两地气溶胶光学特性有一定的参考意义。