大气粒子多角度散射特性包括散射函数及散射相 矩阵 (也称“Müeller矩阵"), 两者不仅是辐射传输模拟的基本输入参数, 同时也是大气粒子微物理性质的载体。由于其基础性地位, 大气粒子多角度散射特性测量技术一直是大气科学领域的研究热点。对大气粒子散射函数及 Müeller 矩阵测量技术的研究现状进行了综述, 主要内容包括以下四个方面: (1) 从大气粒子微物理特征的不确定性、数值计算方法的局限性和复杂性出发, 分析了大气粒子光散射研究中存在的困难, 指出发展大气粒子散射函数及Müeller矩阵测量技术的必要性; (2) 概述了可见近红外波段的多角度散射观测技术研究现状, 将可见近红外波段测量仪器分平面旋转接收型、固定接收型和镜面反射型三类, 重点讨论了不同设计方案的优缺 点; (3) 介绍了基于微波比拟技术测量单粒子散射特性的研究现状及其优势和劣势; (4) 总结了多角度散射特性测量技术研究中存在的问题, 并展望了多角度散射测量技术的发展方向。本工作可为后续的大气粒子光散射测量技术研究提供一定参考。

近些年, 飞秒激光成丝诸多非线性效应及其潜在应用逐渐成为超短脉冲激光领域研究的重要方向之一。飞秒激光成丝诱导水汽凝结、降雪和破碎冰晶二次增长等方面的探索研究, 为人类寻找主动控制天气的新技术指明了方向, 具有重要的科学意义和应用前景。首先, 重点分析梳理了飞秒激光成丝诱导形成水凝物的观测和机理研究进展; 然后, 讨论了飞秒激光诱导水凝物形成机理研究中尚待解决的关键科学问题, 以及对该领域未来发展方向做了展望。

针对自主研制的降水微物理特征测量仪存在的成像质量问题,重点考虑与光源相关的散焦模糊,提出了基于点扩散函数的雨滴图像复原方法, 利用圆盘函数对雨滴图像进行复原,消除噪声和模糊,得到具有清晰轮廓的雨滴图像。利用与雨滴光学性质相近的玻璃球进行了定标实验, 确定了成像系统散焦模糊的半径和图像二值化的阈值。外场实测结果表明,图像复原可以有效修正雨滴尺度及其谱分布, 测量得到的雨滴谱和降雨强度与激光雨滴谱仪的结果具有很好的一致性。该方法应用于降水微物理特征测量仪,可以显著提高雨滴谱及其他微物理特征的测量性能。

为了实现对降水粒子尺度、形状、速度等微物理特征的同步测量, 提出了一种基于单帧双脉冲成像的降水粒子测量方法, 并搭建了降水微物理特征测量仪样机, 该样机由脉冲光源、面阵图像传感器、以数字信号处理(DSP)芯片为核心的采集与控制单元、数据处理单元组成。然后研究了利用点扩散函数进行图像复原的方法, 以及利用曝光参数进行粒子捕获概率修正的方法, 并利用定标小球进行了检验。最后使用该仪器在南京地区进行了降雨外场实验, 并与OTT雨滴谱仪进行对比。实验结果表明: 仪器可以同步测量雨滴的形状、轴比、速度与尺度等微物理特征, 与经验模型具有良好的一致性; 与OTT雨滴谱仪的雨滴谱分布和降雨强度有很好的一致性, 二者测量降雨强度的标准偏差为1.57 mm/h, 相关系数达到96 %。该仪器对降水微物理特征具有更好的测量效果, 可以在野外长期无人值守运行, 在大气物理研究、数值天气预报模式、水文学研究等领域有着广阔的应用前景。

为提高Monte Carlo激光传输模型中散射过程的处理精度，依据散射相函数的变化特征，提出了相函数分段加权采样方案，验证了其准确性与可行性。采用Monte Carlo方法模拟了在非球形沙尘气溶胶中，1.06 μm红外激光透射率、反射率随传播距离的变化规律，并将Henyey-Greenstein(H-G)相函数采样与相函数均匀采样方案的Monte Carlo模拟结果进行了比较。仿真结果表明；相函数分段加权采样方案可显著降低相函数抽样误差，提高空间散射角抽样精度；与H-G相函数抽样的模拟结果相比，采用H-G相函数模拟的透射率偏低，反射率偏高，且随距离增大，两者结果偏差随之增大。与相函数均匀采样的模拟结果相比，两者计算的透射率偏差值随距离增大而增大，反射率反之。

为了提高复杂降水条件下毫米波传播衰减的评估精度，通过分析多个地区的降水谱特征，得出具有代表性的层状云降雨、积层混合云降雨、积雨云降雨以及干雪、湿雪的谱分布参数，然后结合降水粒子的形状、相态、介电模型，计算降水体目标在毫米波波段的散射特性.结果表明，降水强度不是唯一影响毫米波传播衰减的因素; 降水粒子相态、谱分布、入射波频率和温度等对毫米波传播特性均有不同程度的影响，其中谱分布和数密度是影响降雨对毫米波衰减的主要因素; 冰水构成比例是影响降雪对毫米波衰减的主要因素; 不同相态的降水，尤其是干雪、湿雪和雨对毫米波传播影响的差异较大; 而温度的影响较小.并建立了考虑谱分布和温度的降水衰减模型.

利用辐射还原法, 在100, 200, 500 kGy辐射剂量下制备了金属Pd掺杂的碳气凝胶粉末。X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM)和能谱测试证实了辐射法成功地制备出Pd掺杂的碳气凝胶粉末复合物。SEM照片表明, 还原生成的金属Pd相对均匀地分布在所有碳气凝胶颗粒表面。N2吸附数据分析表明:掺入金属Pd后, 碳气凝胶粉末比表面积、平均孔径和总孔体积都显著减小。由于被还原金属大多沉积在碳气凝胶粉末表面, 不同辐射剂量下制得的掺杂碳气凝胶粉末的比表面积等多孔特征数据相差不大。

降水现象是全球水循环和气候变化的重要研究对象。降水粒子谱资料在天气现象的自动观测、云微物理过 程研究和气象雷达回波订正等领域有重要应用。基于线阵图像传感器的降水观测系统可获取降水粒子图像信 息,为雨滴的微物理特性研究提供原始资料。在简述基于线阵图像传感器的降水测量系统工作原理基础上,分 析了线阵降水测量关键技术及线阵数据处理相关问题,分别从光学系统参数需求、线阵传感器高速扫描和线 阵数据处理等方面进行了讨论,以期线阵图像采集技术能更好地应用于降水测量。

以三聚氰胺(M)、间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料，经溶胶-凝胶法、超临界干燥和高温碳化制备了系列的氮掺杂碳气凝胶(NCAs)。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,氮元素成功地引入到碳气凝胶中，并且可以通过调节三聚氰胺掺杂量来控制氮掺杂量; 扫描电子显微镜(SEM)和N2吸附测试显示出不同氮掺杂量的碳气凝胶的微观结构差异较大，随着氮含量的增加，比表面积有先减后增的趋势; 在6 mol/L KOH溶液中进行的恒流充放电和循环伏安测试表明，引入氮元素能够极大地改善碳气凝胶的电化学性能，最高比电容量达176 F·g-1，并且凝胶具有良好的电容特性和可逆性。

采用平行光成像的方式, 研制了基于线阵图像传感器的降水现象自动测量系统, 用于揭示大气降水物理特征及本质。首先, 根据降水粒子微物理特征和降水现象业务观测的需求, 设计了光学系统及高速线阵图像数据采集处理平台。然后, 针对降水观测系统连续运行条件下线阵实时采集数据量大、不便于传输及处理的特点, 利用现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现片内线阵数据实时二值化处理及编码传输。为消除平行光源性能漂移及传感器光强响应非均匀性等对成像阈值设置的影响, 保证长期运行测量精度和一致性, 设计了基于微处理器软核MicroBlaze的自适应阈值设置方案。在室内定标实验的基础上, 与翻斗雨量计进行初步观测对比试验。实验室定标结果表明, 系统最小分辨率优于0.1 mm, 实际同步观测累加降水量误差在15%左右, 两者变化趋势大致相同, 有较好的线性相关性。提出的系统满足降水现象自动测量对稳定可靠、自动化、精细化的要求。