星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而，大气气溶胶类型多样，通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验，从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线，但这一定程度上会影响反演精度的进一步提升。鉴于此，提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比（即激光雷达比），并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系，得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量相同为约束，实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制，该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演，利用内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场，对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法反演结果相比，所提算法反演的气溶胶消光系数廓线在532 nm和1064 nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。此外，还将该方法应用在CALIOP数据中，进一步验证了该反演模型的应用潜力。

气溶胶是地气系统辐射强迫评估的主要不确定来源之一，激光雷达探测的气溶胶廓线数据有助于定量评估气溶胶的气候效应。除已发布的气溶胶观测产品外，大量气溶胶激光雷达观测数据分布于文献中。然而，目前尚缺乏对气溶胶历史文献数据的整合分析。因此，聚焦现有观测产品较缺乏的激光雷达比参数，充分考虑气溶胶的类型差异，提出了一种激光雷达比历史文献数据的模糊综合评价分析方法。基于Web of Science数据库，发现不同类型气溶胶（沙尘、沙尘混合、火山灰、海洋、烟尘、城市工业气溶胶）的激光雷达比均呈高斯分布，且集中范围均存在重叠。历史文献数据能与气溶胶观测数据产品提供的数据形成互补，所提出的模糊综合评价分析方法有助于提升人们对气溶胶光学特性的认识。

基于激光雷达连续观测数据反演得到的多种气溶胶光学参数，包括气溶胶后向散射系数(355/532/1064nm)、消光系数(532/607nm)、退偏比(532p/532s)、激光雷达比(532nm)及波长指数(355/532nm和532/1064nm)，分析了2019年10月北京城区三种不同污染事件(空气污染/污染沙尘/纯沙尘)的气溶胶光学特性。结果表明，空气污染气溶胶退偏比(波长指数)为0.10±0.02(1.2±0.19)，激光雷达比(43±7sr)相比典型城市污染气溶胶偏低，可能与硝酸盐等水溶性气溶胶吸湿增长或二次有机气溶胶的生成有关; 污染沙尘退偏比(波长指数)为0.19±0.03(1.0±0.35)，激光雷达比为51±7sr; 纯沙尘相比前者退偏比(0.25±0.03)较大，波长指数(0.11±0.44)较小，激光雷达比为40±4sr。

利用 AERONET 北京站点 2016 年 1 月-2018 年 12 月的数据产品, 分析了北京地区气溶胶光学厚度 (AOD)、Angstrm 波长指数 α、粒径谱分布的季节特性; 同时选取典型污染天气条件下的数据, 分析了不同季节主控污染物的类型, 并使用相应雷达比对比反演激光雷达消光结果。研究结果表明: 北京地区 AOD 季节变化特征明显, 主要表现为春、夏季大, 秋、冬季小, 其中夏季 (0.83) 显著高于其他季节; α 表现出与 AOD 一致的变化规律, 春季最低 (α = 0.95), 表明北京春季受沙尘影响显著, 为主要污染物; 而夏季最大 (α = 1.23), 表明沙尘影响迅速减弱, 细粒子颗粒物占主导, 符合温带季风气候的特点; AOD 和 α 关系图中, 不同污染物分布特征存在差异, 可通过阈值法对污染物进行分类。此外, 以两种典型污染情况为例, 使用不同雷达比反演激光雷达的消光系数的结果表明, 可以使用太阳光度计数据对反演参数进行优化。

集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,利用一体化激光雷达系统在合肥进行了146天的数据探测,并对气溶胶消光系数进行了反演和统计分析,得出了气溶胶LR平均值为68.4 sr及LR平均值随月份的分布规律,还有气溶胶消光系数月平均、季平均及年平均情况。个例分析表明,高度在0.6 km以下的气溶胶消光系数随高度和时间的变化很复杂,传统后向散射激光雷达很难探测到。对比分析了利用LR经验值反演气溶胶消光系数引起的误差大小。这些探测结果为研究大气污染传输和大气污染防治提供了科学依据。

为了提高斜程能见度的计算精度, 提出了一种基于Fernald-PSO法求解气溶胶激光雷达比的方法.首先, 以均匀层底部和顶部的大气消光系数相等为条件构建气溶胶激光雷达比和气溶胶消光系数边界值的方程.然后, 再以激光雷达数据反演和AERONET网站观测的气溶胶光学厚度相等为条件构造另一参量方程.最后, 采用Fernald-PSO法解方程组, 用得到的参量反演气溶胶消光系数计算斜程能见度.采用激光雷达和AERONET数据对该方法进行验证, 分析气溶胶激光雷达比对斜程能见度反演的影响.结果表明, 同一信号气溶胶激光雷达比假设值与计算值相差越大, 气溶胶消光系数和斜程能见度的相对误差绝对值也越大, 最大误差分别为18.93%和19.90%.

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。

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用 该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验。以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学 厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4 sr, 标准偏差4.6 sr。由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下 的气溶胶消光系数廓线。连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船 载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量。

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素, 对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器, 可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离, 从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下, 独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术, 开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果, 给出基于气溶胶光学参数的分类方法, 并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比, 参照建立的气溶胶分类查找表, 实现了对气溶胶的分类识别, 并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。

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。