拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号， 可实现大气水汽混合比廓线的探测。 然而由于振动拉曼信号非常微弱， 在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中， 多在夜间测量。 为实现大气水汽的全天时测量， 设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。 该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出—2660 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长， 采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器， 同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统， 实现了大气氧气、 氮气和水汽振动拉曼散射回波信号2775， 2836和2946 nm的精细提取。 计算仿真结果表明， 臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响， 主要是探测距离的影响； 氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响； 水汽通道存在少量太阳背景光噪声， 对系统探测距离略有影响。 而系统信噪比计算结果表明， 设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天35 km大气水汽的探测。 实际进行水汽探测时， 可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线， 修正臭氧对发射波长、 各通道拉曼散射波长的吸收， 进一步提升系统的探测能力和探测精度。

为实现大气水汽的全天时测量, 选用Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励光源, 设计日盲紫外域喇曼激光雷达系统.由于低层大气污染造成的臭氧污染, 通过增加大气氧气的振动喇曼散射信号测量通道, 实时反演近地表臭氧浓度的分布, 为修正激光雷达方程中的臭氧吸收提供解决方案.同时, 选用高光谱分辨率光栅和窄带宽激光反射镜设计光栅光谱仪作为激光雷达的分光系统.仿真计算表明, 入射角为10°时, 设计的光栅光谱仪可有效分离并提取氧气、氮气和水汽的振动喇曼散射回波信号, 日盲紫外喇曼激光雷达系统可实现全天时状态下2 km高度范围内大气水汽的廓线探测.

大气水汽含量（precipitable water vapor, PWV）对遥感定量化及生态环境方面研究具有重要意义。 针对传统水汽探测方法存在的问题, 提出一种基于多通道表观反射率的ICIBR（improved continuum interpolated band ratio）水汽遥感反演方法。 该方法结合MODIS数据第17, 18和19三个近红外通道的水汽吸收特点, 利用MODTRAN模型模拟大气含水量与三个通道ICIBR之间的关系, 构建了适用于MODIS数据的ICIBR大气水汽含量定量反演模型。 基于提出的ICIBR水汽反演方法, 选择北美洲南部典型干旱、 半干旱区德克萨斯州、 俄克拉荷马州等地区为研究区, 使用不同时间的四期MODIS 1B数据进行水汽反演实验。 同时, 选择SuomiNet提供的GPS水汽地基观测数据对反演结果进行精度验证以及MODIS大气水汽产品（MOD05）进行对比评价。 验证和对比结果表明: 该算法水汽反演结果与GPS水汽实测数据具有较高的一致性（r=0.967）, 均方根误差为0.276 cm, 有71.08%的观测点对满足水汽反演误差精度（EE~±0.05+0.15PWVgps）要求, 同时与MOD05大气水汽产品相比, 该方法在反演精度和准确估计方面有了较大提高, 能够有效降低61%的水汽反演高估现象。 该方法较传统算法更为简易、 实用, 具有较高的整体水汽反演精度。

利用全自动太阳光度计(CE-318)野外定点长时间序列现场观测数据, 验证传统大气水汽反演算法, 结果表明,反演结果精度较低, 不适于该研究区域大气水汽含量反演.因而给出了近红外波段大气水汽含量探测的原理, 对自主卫星FY-3A中分辨率成像光谱仪MERSI(Medium Resolution Spectral Imager)反演大气水汽含量算法作了推导、分析.基于长时间序列现场观测数据集, 建立了局地化的FY-3A海洋大气水汽反演算法, 并用于研究区实际大气水汽含量反演.通过双通道比值法和三通道比值法反演结果与现场实测数据比较,得出以下结论: 模型受下垫面反射率影响较大；三通道比值法较双通道比值法反演结果精度更高, 双通道比值法误差为16.1%, 三通道比值法误差为14.3%；实测数据验证和改进后算法精度更高.

用激光吸收光谱方法对大气水汽浓度检测进行了研究。采用窄线宽的半导体激光器作光源,通过直接吸收 光谱技术来反演气体浓度。低阶多项式对直接吸收信号进行基线拟合以消除光强波动获得吸光度曲线,再 用非线性拟合Levenberg-Marquardt算法进行线型拟合获取积分吸光度,从而根据HITRAN数据库中或实验 室测定的吸收线强和展宽系数等参数来进行水汽浓度的直接反演。选取了1.4 μm附近的两条水汽吸收线进 行了浓度检测验证和分析。

根据合肥站四年整层大气水汽含量和地面水汽密度ρ0的晴天观测资料，统计分析了该地区大气水汽标高H的变化特征。结果表明：H的年变化特征为夏季最大，冬季最小，春、秋季节相差很小；季节平均水汽标高值和季节平均地面气温呈高度正相关；各个季节水汽标高的日变化特征均为双谷型，最大值出现在下午16∶00左右，两个低谷分别出现在上午08∶00和夜间20∶00左右；上午06∶00至下午16∶00，H的时平均值与对应ρ0的时平均值呈高度负相关。

利用野外观测资料检验MODIS近红外水汽产品表明,该产品精度较低,不适合研究区大气水汽含量分析研究.考虑误差产生的原因,调整空间分辨率并引入地表覆盖类型信息进行反演,结果表明,反演的平均相对误差为4.47%,绝对误差为0.0456g/cm2,说明改进后结果有较大改善,精度较高.同时使用MODTRAN模拟出大气水汽含量与透过率存在较好的负相关关系,并据此计算大气透过率,为下一步计算地表温度及能量平衡中的各分量奠定基础.APPLICATION OF MODIS NEAR INFRARED WATER VAPOR PRODUCTS