大气边界层低空急流是一种重要的边界层物理过程，与污染传输、航空安全、风能开发利用等存在密切联系。相干多普勒测风激光雷达自2020年9月21日至2021年5月8日布设于辽宁葫芦岛市开展风场观测实验，使用激光雷达垂直风场观测资料对该区域大气边界层低空急流展开观测研究，并结合ERA5再分析资料与环境监测站PM_2.5质量浓度数据分析。研究时段内，低空急流出现频率为0.11，平均急流风速为13.2 m?s^-1，急流风向主要集中在东北向与西南向，急流高度主要在500 m以下，在200~300 m频率最高；低空急流风向在冬季与春季存在明显差异，冬季主要集中在东北向，春季主要集中在西南向。分析表明，该区域边界层低空急流的风向主要受到大尺度天气环流背景以及海岸线走势的影响；在沿海区域，海陆热力性质差异引起的温度梯度会根据不同背景风场为急流形成提供有利或不利条件，进而影响不同风向情况下的急流发生频率。夜间边界层低空急流通过增强近地层大气垂直扩散能力，加速PM_2.5质量浓度的降低或削弱其增长速度。

针对常用激光雷达边界层高度估计方法在云层或悬浮气溶胶层等复杂大气结构下会产生误判的问题，提出一种融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法。选取美国大气辐射测量项目南部大平原站点的微脉冲激光雷达数据，将K-means算法和熵权法应用于多种条件下的边界层高度估计，从初始参数选取和距离计算两个方面提升基于聚类分析的边界层高度的估计性能。实验结果表明：与常用激光雷达边界层高度估计方法相比，所提方法具有较强的抗干扰能力，能更好地追踪复杂大气结构下的边界层高度日变化过程；在晴朗无云天气和复杂大气结构下，其边界层高度的估计值与无线电探空仪边界层高度的测量值基本一致，相关系数分别为0.9718和0.9175。所提方法具有较高的鲁棒性，可以可靠地估计多种条件下的大气边界层高度。

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征, 2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法处理激光雷达观测数据得到边界层高度,同时与国家环保部提供的当地颗粒物浓度数据进行对比。观测期间灰霾天共出现15天, 污染天出现27天, 干净天出现24天。灰霾天、污染天和干净天三种情况下的平均大气边界层高度范围分别为0.6~0.9、0.9~1.3、1~1.9 km; PM2.5的质量浓度范围分别为143~203、77~90、17~34 μg/m3; PM10的质量浓度范围分别为170~271、103~153、33~78 μg/m3。研究结果表明: 北京地区大气边界层高度对近地面颗粒物浓度具有明显的负相关影响。干净天、污染天和灰霾天下的PM2.5和PM10的质量浓度变化率随大气边界层高度降低而依次增大。灰霾天大气边界层高度引起的PM2.5质量浓度平均变化率为-242.4 μg·m-3/km, 约为污染天(-114.8 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-77.4 μg·m-3/km)的三倍; 灰霾天大气边界层高度引起的PM10质量浓度平均变化率为-224.2 μg·m-3/km, 约为污染天(-117.6 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-90.4 μg·m-3/km)的两倍。

大气边界层高度是影响近地面大气物理运动的主要因素, 同时也是影响地面污染物浓度的一个重要因素。 地基激光雷达可以对大气气溶胶的垂直分布进行连续稳定的监测, 应用激光雷达技术对大气边界层进行连续观测可以为环境监测与预报提供指导性的动态信息。 针对存在残留层以及外来污染物输入情况时边界层高度变化检测的可靠性及计算效率问题, 结合梯度法的物理意义与激光雷达时序图的图形图像学特征, 提出了一种基于时空邻近度的边界层局部最优点识别算法。 以江苏省无锡市新区偏振米散射激光雷达太湖观测站点的气溶胶垂直观测数据为例, 通过对2012年底两次污染事件进行观测分析, 分别使用梯度法和局部最优点法进行大气边界层高度的自动识别。 实验结果表明, 在静稳状态和污染混入后的情况下, 梯度法与局部最优点识别法的结果较为接近, 但梯度法在处理污染混入状态以及存在残留层的情况下误判率较高。 基于时空邻近度的局部最优点算法通过对垂直特征值以及水平相关性的控制, 有效地消除了在弱信号、 噪声信号、 低云以及存在残留层和外来污染等情况下导致的计算机误判现象, 在减小算法时间复杂度的同时在计算机自动识别结果具有更高的稳定性, 弥补了梯度法在自动化运行中的识别精度与计算效率的不足。

大气边界层高度对大气颗粒物污染具有重要的影响。为研究京津冀区域的大气边界层高度变化特征, 利用该地区多个站点的激光雷达数据, 进行了统计研究, 并将激光雷达观测值与美国国家气象局国家环境预报中心全球资料同化系统模式模拟结果进行了对比。观测数据表明, 京津冀地区的大气边界层具有明显的日变化特征和季节变化特征: 白天的大气边界层高度高于夜晚, 且边界层高值出现在14:00左右; 夏、冬季的大气边界层高度高于春、冬季; 冬季大气边界层高度有降低趋势。此外, 2014年11月多个站点由激光雷达测得的边界层高度的统计分析表明, 京津冀地区大气边界层高度在300~900 m之间, 且东南方向较高。

航空平台是天、空、地一体化立体空间网络的重要节点，建立空星、空空、空地激光通信链路是实现机载激光通信的关键。介绍了机载激光通信实验系统的组成与工作原理；进行了机载激光通信系统特殊性分析，包括大气附面层、平台随机大幅度扰动、平台高频振动、大气信道等外界约束环境对激光通信系统性能的影响以及相关抑制技术；具体介绍了飞艇-船舶间空地激光通信实验、双直升机间空空快速捕获实验以及双固定翼飞机间空空远距离激光通信的实验成果。

卫星遥感柱状气溶胶光学厚度已经被广泛应用于与地面空气污染数据的对比研究,但由于缺乏关于气溶胶垂直结构的资料,对研究二者的相关性产生 了一定的影响。为了弥补这一不足,通过利用CALIPSO星载激光雷达后向散射系数垂直剖面数据,对青岛市的大气边界层进行了分析,发现其边界 层通常在3 km以下。因此,将2010年1月至2012年12月的CALIPSO气溶胶分层产品中3 km以下分层的气溶胶光学厚度与青岛市气象局发布的空气 污染指数进行了相关性分析,得到了比柱状气溶胶光学厚度更高的相关系数,验证了CALIPSO卫星遥感气溶胶分层数据产品在大气污染监测方面的有效性。

2014年4月27日至2014年5月19日在“国家自然科学基金委2014年渤黄海共享航次春季航次”中，中国海洋大学利用自行研制的相干多普勒激光雷达在渤黄海32oN～40oN，118.5oE～125.3oE区域内观测海上大气边界层结构。相干多普勒激光雷达垂直指向发射激光和接收回波时，利用不同高度距离库内快速傅里叶变换谱的峰值计算了信号的信噪比，基于梯度法从信噪比廓线数据反演和提取大气边界层高度。该结果与同步的探空仪数据、Vaisala商业化的CL31型云高仪边界层高度进行对比，相干多普勒激光雷达结果与探空仪位温数据提取结果的相关性为79%，标准差为610 m；相干多普勒激光雷达与探空仪相对湿度数据提取结果的相关性为90%，标准差为370 m；相干多普勒激光雷达与云高仪获取结果的相关性为94%，标准差为320 m。

为了抑制机载激光通信中大气附面层引起的散斑现象, 开展了气动光学效应及相应补偿方法的研究。从理论上分析了气动光学效应对光传输的影响; 根据试验飞机型号和设备安装位置, 对光学窗口形状、厚度等参数进行了优化设计, 并对窗口变形和空气流场分布进行了仿真分析, 完成了光学窗口改造。最后, 根据试验中大气附面层引起的接收光斑离焦现象, 进行了光学仿真, 研制了3种焦距的补偿镜。在飞行距离为10～140 km, 飞行高度为1 500～4 500 m条件下进行了飞行试验, 对不同补偿镜的补偿效果进行了分析。结果显示, 在接收光路中增加焦距为5.5×105 m的凸透镜后, 接收光斑离焦现象得到了抑制, 接收光功率闪烁方差减小了1/3, 表明经过补偿后的光学窗口可有效抑制大气附面层对激光通信的的影响。

2011年3月21日至4月19日，中国气象局气象探测中心利用车载多普勒测风激光雷达在北京观象台进行实验，对大气边界层进行观测，并利用激光雷达距离平方校正信号梯度法进行了大气边界层高度的反演与分析。激光雷达观测数据处理结果表明，测量期间当地时间上午800和下午800的平均混合层高度或近地面稳定边界层高度分别为(1.44±0.75) km和(2.23±1.13) km，平均边界层高度分别为(2.88±0.92) km和(3.37±0.82)km。对比同步探空气球数据，激光雷达反演结果与由位温梯度、相对湿度梯度获取的平均混合层高度和边界层高度相比，相关系数达94%，体现出较好的一致性。