激光探测对于获取云和气溶胶的垂直廓线, 研究大气中云和气溶胶的垂直分布特征以及对全球气候变化的影响意义重大。 而星载大气激光雷达云气溶胶分类算法的研究, 对于激光雷达数据的参数反演及应用极为重要。 针对激光条件下探测的云和气溶胶特有的光学信息和空间分布, 结合概率统计与机器学习算法, 提出了一种对于云/气溶胶、 云相态及气溶胶子类型识别的分类算法, 实现了星载激光雷达的大气特征层快速、 有效分类。 算法采用中国地区2016年CALIOP的观测数据作为样本数据, 主要由三部分组成: (1) 基于激光探测的云和气溶胶层不同的光学特性以及地理空间分布特征, 分别构建了云和气溶胶的γ532, χ, δ, Z和lat的五维概率密度函数, 以此为基础构建云气溶胶的分类置信函数, 并基于此实现了云和气溶胶类型的反演; (2) 选取支持向量机(SVM)作为随机朝向冰晶粒子(ROI)和水云分类的算法模型基础, 结合云层的γ532, χ, δ Z和云顶温度T的概率密度函数构建ROI, 水平朝向冰晶粒子(HOI)和水云的分类置信函数以修正SVM误分的特征层以及筛选出水云中少部分的HOI冰云, 获得云相态的分类结果; (3) 以各气溶胶子类型的光学以及空间分布特性为基础, 采用决策树策略的气溶胶子类型识别算法实现了对气溶胶子类型的区分, 完成气溶胶子类型的识别。 利用现有CALIOP观测结果作为样本数据构建分类数据库, 避免了对于地面以及航测数据的依赖, 而机器学习则大大简化了算法的实现过程, 使得云气溶胶分类更加高效。 算法结果与正交极化云气溶胶激光雷达垂直特征层分布数据(CALIPSO VFM)产品对比分析: 云层有98.51%一致性, 气溶胶有88.43%的一致性, 且白天比夜间一致性高。 对于云相态分类, 可以有效区分出水云和冰云, 其中二者水云一致性高达93.44%。 在气溶胶子类型反演结果中, 可以准确识别出大多数气溶胶特征层子类型。 霾、 沙尘以及晴空三种典型情况下的反演结果均与CALIOP VFM产品数据具有较好的一致性。 其中, 霾天的大部分煤烟型以及污染型(污染沙尘以及污染大陆) 气溶胶反演结果与VFM具有较好的一致性。 沙尘天也能够获得较好的沙尘以及污染沙尘的结果。 晴空为数不多的气溶胶层也取得了较为一致的结果。 对于实现的星载大气激光雷达特征层分类算法, 针对CALIOP激光测量的云气溶胶层的分类进行了重要的改进, 在保证一定精度的基础上, 简化了算法, 提高了数据处理的效率, 在下一步工作中, 将分别构建不同时段和季节的分类模型以及提高两种不同偏振特性的冰云和气溶胶子类型的分类精度。

分析了视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)用作高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱滤光器时一个未引起广泛重视却又非常重要的问题：FWMI增透(AR)膜反射率容差评估。由于FWMI不同材料分界面的AR 膜无法做到100%透射，一旦光线经过该表面，将引起部分光被反射，且这部分光线将成为游离光线在干涉仪主体中不断被多次反射。分析了AR膜反射率导致的多次反射对FWMI滤光性能的影响机理，并采用光谱分离比(SDR)作为性能量化指标，提出了一种迭代算法来定量评估FWMI光谱分离特性与AR膜反射率的关系。分析结果表明，AR膜反射尽管对大气分子散射信号的透射率影响不大，但会较大的降低FWMI对气溶胶散射信号的抑制能力，最终总体上导致SDR 的降低。本方法对FWMI AR 膜反射率容差评估具有较大的参考价值，是保证FWMI良好设计性能的重要方面之一。

臭氧是地球大气中一种重要的痕量气体, 在光化学反应和气候变化中都扮演着非常重要的角色。 高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气臭氧信息, 但是由于热红外受大气温度影响较大, 臭氧反演精度会有所下降。 为此详细讨论和分析了温度对臭氧吸收光谱和权重函数的敏感性, 以及对臭氧反演精度的影响。 首先利用逐线积分辐射传输模型LBLRTM, 分别模拟计算了六种不同标准大气模式下, 1K的随机温度误差对大气透过率和辐射值的影响, 发现1 K温度随机误差和臭氧浓度5%～6%的变化引起的辐射值变化量一致。 接着利用CRTM辐射传输模型, 针对搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(National Polar-orbiting Partnership)平台上的CrIS(Cross-track Infrared Sounder)红外高光谱观测数据, 计算了1K的随机温度误差对大气臭氧权重函数的影响, 并计算了由1K温度误差所导致的热红外高光谱资料大气臭氧廓线反演误差, 结果显示CrIS对于臭氧的敏感区位于10～100 hPa之间, 且1 K的温度误差和6%的臭氧浓度变化引起的权重函数变化量相当。 最后以CrIS作为实验数据, 在最优估计法框架下, 通过特征向量统计法获取臭氧廓线的先验知识, 并将大气温度廓线和大气臭氧廓线都作为未知量, 进行同步迭代反演。 将反演结果和配对的世界臭氧紫外数据中心WOUDC的站点数据进行比较, 发现在反演中加入大气温度廓线进行同步迭代后, 反演结果有显著提高, 尤其在平流层与真值几乎一致, 最大相对误差不超过20%, 在对流层反演结果相对较差, 最大相对误差不超过50%, 优于欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasting)臭氧模式数据集ERA-Interim。

露天生物质燃烧是重要的大气污染物排放源, 导致空气质量恶化并引起气候变化。 卫星遥感数据能够提供大尺度、 多时相的监测信息, 然而燃烧火点监测和火烧迹地监测两种方式都存在着局限性。 以美国东南部地区为研究区域, 通过结合卫星遥感获取的高分辨率燃烧面积数据及多时相的燃烧火点数据, 建立时空匹配模型估算露天生物质燃烧过火面积。 通过分析植被燃烧前后的光谱变化特征, 基于高分辨率的Landsat-5 TM4波段(0.84 μm)与7波段(2.22 μm)数据, 利用差分归一化燃烧比(dNBR: the differential normalized burn ratio)提取燃烧面积数据; 而燃烧火点数据则通过分析燃烧植被的热红外光谱特征利用MODIS 4与11 μm波段数据提取。 结果显示, 该地区燃烧面积与燃烧火点数量之间相关系数达0.63, 并且二者之间的比例关系随植被类型而发生变化, 林地、 草地、 灌木、 耕地和沼泽五种植被类型对应的像元燃烧面积分别为0.69, 1.27, 0.86, 0.72和0.94 km2。 通过与美国火灾中心(national interagency fire center, NIFC)地面调查数据比对, 模型估算的美国东南部过火面积数据较为精确, 而同期的MODIS燃烧面积产品(MCD45)及燃烧源清单产品(global fire emissions database, GFED)遗漏了该区域大量的小面积燃烧事件。 因此, 本研究建立的过火面积估算模型能够提供更为精确的排放源参数信息, 有利于区域空气质量模式准确地模拟露天生物质燃烧排放状况。

随着全球及区域尺度内空气污染问题的日益突显,利用卫星遥感进行大气探测的技术也得到了不断发展。 分别介绍了气溶胶、灰霾、近地面颗粒物、污染气体、温室气体的遥感反演原理,及近年来国内外算法和 应用进展情况。同时,阐述了建立多源卫星空气质量监测系统的迫切性,及其国内外发展现状。最后,针对目 前我国空气质量卫星监测技术的需求,指出了目前大气遥感技术在我国发展的不足之处,并为进一步提升卫星 遥感技术在大气监测领域的应用和扩展提出了一些建议。

云和气溶胶偏振激光雷达(CALIPSO)卫星数据是探测大气气溶胶特征的有效工具。采用CALIPSO 数据对37.1°N，113.3°E ~ 38.6°N，117°E 之间地理区域的强霾天气、沙尘天气、生物质燃烧污染天气和清洁天气的气溶胶消光系数、退偏比、色比以及温度廓线进行对比分析，结果表明：1) 强霾天气主要是球形度较高的水溶性细粒子污染，集中在地表1 km 以内，常伴有逆温无风或弱风现象出现；2) 沙尘天气垂直分布广，可存留在高空，非球形度高，粒子尺度不均匀，风速偏大；3) 生物质燃烧污染天气主要是集中在中低空的细粒子污染，黑碳成分高，消光系数大，常伴有污染性沙尘共同存在。三种污染天气廓线有很大不同，说明不同污染天气的气溶胶垂直分布的差异很大。

大气温湿廓线是数值预报中最基本的气象参数, 高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气信息, 为了准确获取廓线信息, 利用搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(national polar-orbiting partnership)平台上的CrIS(cross-track infrared sounder)红外高光谱观测资料, 讨论了通道选取方法, 采用特征向量统计法反演法得到初始大气廓线, 利用非线性牛顿迭代法进一步提高反演精度。 将反演结果和全球数据同化系统GDAS(global data assimilation system)模式分析数据以及配对的无线探空值进行比较, 发现反演结果与真值趋势一致, 较之初始廓线有显著提高, 在100～700 hPa之间, 温度廓线反演精度最高, 均方差小于1 K, 在300～900 hPa之间, 湿度廓线反演精度最高, 均方差小于20%, 与所选取通道的雅各比峰值区间一致。

为了解决大部分微脉冲激光雷达无法独立获取激光雷达比的问题，利用榆林、北京、寿县和太湖4个地区气溶胶监测网(AERONET)站点观测的气溶胶粒子谱分布和复折射指数产品，通过米氏散射方法计算得到气溶胶激光雷达比。根据得到的长时间序列气溶胶激光雷达比分析了不同地区激光雷达比的季节变化和年变化特征，并结合Angstrom波长指数对不同地区气溶胶类型进行了简单分析。得到了以下结论：不同地区同季节以及同地区不同季节激光雷达比相差较大；观测期间榆林地区年平均激光雷达比最小，多年平均值为(36.3±15)sr；北京、太湖和寿县地区的雷达比年均值较大；北京地区激光雷达比年均值的最低值出现在2008年，其他地区的年均值变化不大；激光雷达比与Angstrom波长指数能够区分各地区气溶胶主要类型且均出现由北到南递增的趋势。

近红外通道观测大气CO2含量是利用其对太阳辐射的吸收作用，温度是影响吸收气体吸收的一个重要因子，文中讨论了CO2观测的温度敏感性.首先阐述了温度对气体吸收谱线的强度、增宽的影响; 然后根据CO2反演过程中使用的大气温度产品的精度水平，利用逐线积分辐射传输模型模拟计算了1 K的随机温度误差对垂直大气观测的影响，以及由此导致的CO2反演误差，并与模拟的1 ppm和2 ppm的CO2浓度变化所造成的观测与反演变化量进行了比较.通过对比分析六种大气模式下的模拟计算结果，得出1 K大气随机温度误差是影响高精度大气CO2观测反演的重要因子.

MODIS V4算法在观测天顶角较大或太阳天顶角较大时会出现火点漏判现象, 针对这个问题, 通过数值模拟的方法分析了由明火与背景地物组成的火点像元的亮温在不同观测几何条件下的变化, 并在MODIS V4算法基础上提出了针对环境卫星红外相机的基于观测几何的遥感火点监测算法.通过高分辨CCD数据建立烟羽掩码对多景环境卫星火点监测结果进行了验证.与MODIS火点产品对比, 环境卫星在火点定位以及小面积火点识别方面具有优势.