大气探测激光雷达以精细的时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据获取能力成为大气探测强有力的工具。通过激光雷达观测网络和星载激光雷达, 可以获得大空间尺度持续的四维大气信息,满足环境、气象和气候研究的需要。介绍了目前存在的比较重要的激光雷达网络和航天强国 的星载激光雷达计划。主要的激光雷达网络有全球大气成分变化探测网(NDACC)、欧洲气溶胶研究激光雷达观测网(EARLINET)、亚洲沙尘激光 雷达观测网(AD-NET)、美国东部激光雷达观测网(REALM)、微脉冲激光雷达网(MPLNET)和独联体激光雷达网(CIS-LINET),分别介绍了它们 各自的功能、激光雷达类型和站点、日常观测活动与规范。激光雷达空间技术试验(LITE)开启了星载激光雷达的新纪元,之后美国航空航天 局NASA、欧空局ESA和日本宇航局JAXA先后开展了星载激光雷达计划,分别介绍了这些星载激光雷达的科学目标、激光雷达类型及相关参数 以及技术原理。中国也正在筹划研制激光雷达卫星载荷,用于探测大气气溶胶、云和二氧化碳。最后总结说明了激光雷达网络化和卫星载荷的优势和应用。

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。 激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、 高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等。分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、 发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。

在构建355,532,1064 nm 3个波长的后向散射效率因子与355 nm和532 nm两个波长的消光效率因子查算表的基础上,正演计算出气溶胶的3个波长的后向散射系数与两个波长的消光系数(3β和2α)。通过非线性拟合,模拟反演了对数正态单峰分布情况下气溶胶的谱分布参数。结果表明:该方法可以反演得到单峰分布的气溶胶谱分布参数,不同初始值对反演结果的影响较小;复折射指数对气溶胶谱分布的反演起重要作用,当复折射指数的实部和虚部分别具有±1步长范围内的不确定性时,反演得到的粒子数浓度、几何标准偏差和峰值半径3个参数的相对误差分别为20.32%、33.50%和24.72%,其中实部比虚部的误差贡献更大。该研究为多波长激光雷达反演气溶胶谱分布垂直廓线的研究提供了理论基础。

对流层大气温度的垂直分布特征直接关联天气现象和大气污染物扩散, 一直是气象和环境部门的重点观测对象。当前激光雷达技术已经成为探测对流层大气温度垂直分布和时间演变的有效手段。然而由于对流层中含有大量的气溶胶粒子, 因此利用传统的振动拉曼和瑞利散射激光雷达技术测量大气温度具有一定的局限性, 尤其是边界层内存在高浓度的气溶胶粒子会严重降低大气温度测量精度。采用纯转动拉曼激光雷达技术可有效降低气溶胶粒子对测量温度精度的影响。纯转动拉曼测温激光雷达的核心是分光单元设计, 国内外研究普遍使用基于双光栅干涉仪的分光方法。文中将采用基于滤光片法的纯转动拉曼信号分光设计, 相比而言该方法具有更高的分光效率, 并且能够通过调节滤光片的角度改变激光雷达系统的灵敏度, 操作更为简单。在中国科学院“大气灰霾追因与控制”先导专项支持下, 该激光雷达与2014年11月安置在中国科学技术大学超级大气观测站。在亚太经济合作组织北京会议期间, 展开大气环境测量试验。激光紫外波段能量约为200 mJ, 频率为20 Hz, 激光脉冲数为5 000发, 空间分辨率为7.5 m。实验结果表明, 在晴朗无云气溶胶浓度较小的天气条件下温度测量统计误差小于1.5 K, 测量高度可达10 km, 在7.5 km以下统计误差小于1 K; 在有薄云或者轻度雾霾天气条件下, 温度测量统计误差在±3 K左右, 测量有效高度通常在6~8 km, 在4.8 km以下统计误差小于1 K。

水汽在大气中含量很少, 但变化很大, 变化范围在0.1%~4%之间, 水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展, 大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著, 其中水汽是主要影响因子之一, 也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段, 但是水汽分子浓度较大, 对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示: 该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对, 取得了较好的一致性, 充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。

根据米氏散射理论，对卷云消光特性、有效激光雷达比与波长之间的关系进行了模拟研究，并基于三波长激光雷达系统于2011年1月至2012年10月在合肥西郊的观测资料，计算了卷云不同波长的有效激光雷达比。理论和实验结果均表明，对三波长激光雷达系统所用的355，532，1064 nm三个波长而言，卷云的消光系数与波长无关，有效激光雷达比随着波长的增大而增大。合肥地区的卷云有效激光雷达比主要分布在10~70 sr之间，它们对应三个波长上的均值分别为(21.0±9.3) sr，(29.4±11.7) sr，(38.1±11.4) sr。355 nm波长的卷云有效激光雷达比秋季最低，而532 nm和1064 nm波长则秋季最高。

研制了一台基于种子注入激光器和碘分子吸收滤光器的高光谱分辨率激光雷达。介绍了该系统的基本原理、数据反演方法和系统结构。分别在有云天气和沙尘天气时进行了高光谱分辨率激光雷达探测大气透过率的实验, 并与用常规Fernald方法反演的结果进行对比。观测结果显示, 不同种类的气溶胶粒子以及云具有不同的物理和光学性质, Fernald方法中假设的激光雷达比往往不符合实际情况, 因此会产生较大的测量误差。而高光谱分辨率激光雷达可以利用分子散射和气溶胶散射的谱宽不同, 将两种信号分离探测, 避免了假设激光雷达比, 从而实现大气透过率的高精度定量探测。

利用双波长激光雷达观测合肥地区地表气溶胶的波长指数，根据观测期间的风向信息，选择了城市污染和乡村扬尘气溶胶作为两次典型个例，分析相对湿度(RH)对气溶胶波长指数(AE)变化规律的影响。观测结果表明，两次个例相对湿度对波长指数的影响均较明显，但是两次个例中波长指数与相对湿度之间的相关性明显不同。扬尘个例期间，当相对湿度在49.2%~91.9%之间变化时，波长指数的变化范围为0.75~1.98。污染个例期间，当相对湿度在58.7%~96.0%之间变化时，波长指数的变化范围为0.2~1.56。污染个例期间，相对湿度与波长指数之间呈负相关性，导致该现象的原因可能是，当粒子尺度谱满足Junge分布时，由于亲水型粒子吸湿增长，导致其粒径增大以及波长指数减小。值得注意的是，扬尘个例期间，相对湿度与波长指数之间却呈正相关性，导致该现象的原因可能是粒子尺度谱分布是由污染细粒子和扬尘粗粒子组成的多模态分布。

为了满足在区域尺度上大气气溶胶垂直分布的探测需求,在中国科学院重大科技基础设施项目“航空遥感系统”的资 助下,研制了机载双波长偏振激光雷达。介绍了该机载激光雷达的主要功能和性能参数,以及在华北地区开 展的飞行观测实验,取得的结果表明,该机载激光雷达性能稳定,其探测精度达到设计要求,可以为污染源的识别和 传输路径的探测提供高时空分辨率的数据,为认知大气气溶胶的微物理特性和分类提供了重要的机载遥感平台。

利用一台研制的机载双波长米氏散射激光雷达，对京津冀地区大气气溶胶的三维空间分布进行了探测。给出了其中一次较典型的观测实验，该架次航线与边界层内的气流方向垂直，有利于获取区域尺度上气溶胶分布的剖面信息。观测结果显示，京津冀腹地密集的污染排放源，结合气流对气溶胶的输送和扩散作用，导致观测期间该地区形成了大范围区域立体污染。通过分析典型污染源周边的气溶胶分布，研究了重污染源排放的气溶胶随气流扩散的过程。初步的飞行实验结果表明，该激光雷达性能稳定，可以为污染源的识别以及污染物传输路径的探测提供高空间分辨率的数据。