联合激光雷达和毫米波雷达对卷云观测可以得到更全面的卷云特性信息，是卷云观测的一种发展趋势。使用美国大气辐射观测(Atmospheric Radiation Measurement，ARM)计划中卷云观测数据，将激光雷达和毫米波雷达反演的云边界信息相结合，得到更为准确的卷云边界信息。提出卷云微物理特性的激光雷达和毫米波雷达联合反演算法，该联合反演算法能在激光雷达不能穿透或毫米波不能识别卷云的情况下，反演出整个卷云的冰水含量、光学厚度。使用联合反演算法对一次卷云过程进行反演，其中激光不能穿透的区域冰水路径含量反演精度提高24%，毫米波雷达无法识别的区域冰水路径含量反演精度提高48%。在正确反演冰水含量的基础上，利用冰水含量、粒径分布与光学厚度的关系得到卷云过程的光学厚度，克服了由于卷云对激光雷达强衰减导致的光学厚度观测的困难。

激光雷达在云观测中起着非常重要的作用，是云遥感探测的主要仪器之一。目前，激光雷达大都是固定指向天顶角或者某个角度，对云分布的取样有限。本文建立用于云观测的扫描激光雷达，该系统使用小型固态激光器背负于接收望远镜上，望远镜固定于三维扫描平台，整个系统可以工作于不同的扫描模式以实现全天空云的监测。通过利用该扫描激光雷达对云的分布进行测量，并与已有激光雷达观测数据的对比，结果表明，与传统激光雷达相比扫描激光雷达能够精细的描述出云高和云光学厚度的空间分布，体现了扫描测量激光雷达在云探测方面的优势。

云粒子探测仪效率高、结构简单，在人工影响天气的活动中起着重要的作用.本文提出一种使用单模光纤耦合输出的685 nm激光作为光源的新型云粒子探测仪.该仪器利用小孔光阑切割激光光束，使用相对均匀的中央部分的光束照亮云滴，采用具有两个高速A/D转换芯片（10M/S）的嵌入式计算机来不断地获取和处理云滴粒子信号，将所有云滴的原始数据存储在嵌入式计算机的固态磁盘中进行云滴粒径分布计算，并将计算结果发送到机舱内主计算机中即时显示.实验中，使用固定尺寸的标准粒子对仪器进行标定，获得不同直径云滴粒子信号变化幅度，从而获取该探测仪对云滴粒子的响应曲线；将探头安装在飞机上进行了现场观测实验，结果表明这种探头具有云滴测量能力.

使用美国ARM计划安徽省寿县站2008年的微脉冲激光雷达和毫米波雷达的观测数据对寿县上空卷云的宏观物理特性进行了分析，联合两种雷达观测卷云扩大了卷云的边界轮廓，得到更为全面的卷云信息，结果表明了联合激光雷达和毫米波雷达观测卷云的必要性。在此基础上，对观测期间寿县上空的卷云个例进行统计分析，结果显示：卷云过程的平均云底高度分布在5~10 km，其中6~7 km范围所占的频率最大；平均云厚的分布范围为0.25~5 km，其中90.8%分布在0.5~2.5 km；卷云过程持续时间总体上随着持续时间的增大呈减少的趋势，持续时间最长为35.5 h,平均为3.6 h，持续时间小于5 h的卷云过程占82.5%。

利用激光云高仪数据资料, 得出气溶胶后向散射系数时序图、消光系数廓线图以及能见度, 结合探空资料、自动气象站数据以及能见度仪数据, 综合分析了雾霾天气过程.结果表明:雾霾天气的出现受气象要素的影响较大, 静、小风有利于霾的出现, 较高的相对湿度有利于雾霾共存, 并且对能见度产生较大影响; 雾后向散射强度较大, 后向散射系数在垂直方向变化率大, 出现高度较低; 霾后向散射强度较小, 霾空间分布均匀, 后向散射系数垂直变化小, 出现高度较高.利用激光云高仪数据反演水平能见度和垂直能见度, 所得水平能见度与能见度仪所测能见度基本一致.垂直能见度与相对湿度日变化趋势大致相反, 与风速日变化趋势基本一致; 分析雾和霾天气下后向散射系数随时间变化特征发现, 雾霾天气下傅里叶变换的功率谱分布, 与雾和霾的边界特征相对应.

为了解平流层大气温度变化规律，利用瑞利-拉曼-米散射激光雷达对南京上空平流层温度进行长期观测，对观测数据的分析表明: 夜晚平流层温度受到重力波的影响，重力波破碎会导致局部温度升高，温度相对变化可以达到12%；在季节变化的过渡月份(4月和10月)，平流层中低层温度会有所升高，对应的平流层高层温度降低；平流层温度月变化方面，除局部由于行星星际波的影响外，各月份平流层温度整体上相对比较稳定，激光雷达所测大气温度与大气模式温度具有一定的差别。最后，利用平流层温度廓线提取了重力波信息。

为了订正大气和云对毫米波雷达信号的衰减，选取了层状云、降水性层状云及对流云个例，进行了衰减订正试验.根据雷达反射率因子Z与衰减系数k的经验关系，采用分级逐库订正法进行订正.结果表明，对于回波强度比较弱的层状云来说，订正后数据可靠性较高; 对于降水回波来说，雨水及传播路径中的丰富水汽都会造成毫米波信号的严重衰减，因此降水云的衰减订正难度大.经过订正后，虽然还存在误差，但对毫米波雷达数据的质量有明显改善.

阐述基于Mie散射理论和激光技术而研制的云粒子探测仪的相关问题。利用μm量级的小孔光阑模拟感应区域的散射光，并对系统的探测敏感区域面积进行测定；通过使用不同直径的标准粒子对系统进行标定，得到可靠的响应曲线，用于定量测量云粒子尺度谱及粒子数密度。在进行了一系列实验室内的实验之后，将仪器装载在飞机上进行穿云飞行测量实验，表明了该仪器在飞行过程中工作正常、稳定，并且能够即时地显示采样区内云粒子尺度谱分布和数浓度；通过分析探测得到的数据，并与云粒子谱分布进行比较，确认了探测数据有效可靠，反映了该仪器具有良好的测云能力。

卷云具有辐射强迫作用，而卷云的微物理特性是影响辐射强迫的主要参数。对基于微脉冲激光雷达和毫米波雷达联合反演卷云微物理特性的算法进行了研究。该算法首先利用微脉冲激光雷达探测到的卷云回波信号反演出消光系数，然后用该消光系数和毫米波雷达测得的卷云回波信号强度值共同反演出卷云的冰水含量(IWC)和粒子有效尺寸(GES)。使用微脉冲激光雷达数据和毫米波雷达数据对发生在寿县的一次卷云过程进行分析，得出卷云冰水含量分布在10-3~10-1 g/m3，冰晶粒子有效尺寸分布在1~200 μm，与经验值相符，其变化也符合卷云的演变规律，说明了该方法的有效性。

为了比较几种自动化测云仪器的性能,中国气象局气象探测中心在南京信息工程大学的 气象探测基地首次组织了一次为期近5个月的比对试验,试验仪器包括四台激光云高仪、 两部红外测云仪、一台全天空成像仪以及一部毫米波云雷达。对其中大部分仪器取得的 三个月云底高度数据进行了初步分析,结果表明:三台激光云高仪测量结果比较一 致;两部红外测云仪在测量低云时一致性稍差;云雷达与激光云高仪测量的最 低层云底高度数据一致性较差,但与红外测云仪的测量结果匹配较好。