激光雷达自问世以来, 在各个领域都展现出重要的作用。首先, 回顾了激光雷达技术的发展历程。随后, 阐述了激光雷达的基本工作原理, 并列举了在大气探测中的应用现状。最后, 指出了当前激光雷达技术的存在问题并展望了未来发展。

THz波的频段范围(0.1~10 THz)及其特性使THz波具有较高的空间分辨率及大气参数灵敏性, 同时THz辐射在地球辐射平衡中的重要作用决定了其在大气探测领域有重大的研究价值和广阔的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的应用现状, 重点分析介绍了THz波遥感探测大气水汽廓线、温度廓线、卷云的微物理参数及大气微量气体成分的原理、特性及存在的问题, 最后对THz波大气探测技术的研究提出几点建议和展望, 并指出了当前THz波大气探测技术的研究前沿和研究热点。

中间层大气温度及时空演变特征对研究青藏高原中高层大气动力、热力学结构具有重要的科学意义。利用大气物理研究所设计建造的MARMOT激光雷达对青藏高原地区中层大气温度进行探测。介绍了MARMOT激光雷达的瑞利测温原理、系统构成及主要功能参数; 并利用格尔木夏季大气温度的激光雷达探测资料分析该地区中间层大气温度, 并与MSIS-00大气模式和SABER卫星数据进行对比分析, 获得了夏季格尔木地区中间层大气温度的初步结果, 并对激光雷达的温度数据进行验证。结果表明: MARMOT激光雷达探测温度与MSIS-00模式和SABER卫星结果整体上均具有较好的一致性; 在上中间层和低中间层, 激光雷达均比MSIS-00模式值、SABER卫星数据偏高; 在中中间层, 激光雷达与卫星数据均略低于模式值。

THz波在电磁波谱中位于微波至红外波段的过渡区域, 其特性在空间研究及应用领域具有独特的优势, THz频段的大气遥感仪器可以为探测地球大气信息提供全新的视角, 在大气科学领域展现出良好的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的主要应用, 综述了国内外THz频段的大气观测仪器的研究现状, 通过各仪器关键指标参数的对比分析, 总结了THz大气观测仪器的发展趋势及发展前景, 并提出了发展THz大气遥感技术的建议。

气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一, 星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势, 已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性, 详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点, 并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求, 指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势, 给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。

实际应用显示搭载在风云三号A星(FY-3A)上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)的两个分裂窗波段(IR4,~10.8 μm;IR5,~12.0 μm)存在定标偏差.本文选择高光谱卷积法,用AQUA卫星搭载的大气红外探空仪(AIRS/AQUA)和METOP-A卫星搭载的干涉式红外大气探测仪(IASI/METOP-A)的观测数据对VIRR/FY-3A的两个分裂窗波段进行交叉辐射定标.根据卫星轨道特点,选择北极地区(60°N~90°N,180°W~180°E)作为研究区域,并选择2010年6月、9月、12月以及2011年3月作为研究时间段.首先,分别将AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据与VIRR/FY-3A的第4波段和第5波段的光谱响应函数进行卷积;对观测数据进行重采样,并基于普朗克黑体辐射公式实现辐射值和亮度温度之间的转换.然后,使用两个相关的匹配条件提取VIRR/FY-3A分别与AIRS/AQUA、IASI/METOP-A在第4波段和第5波段的匹配观测点对.最后,对匹配观测点对进行回归分析,得到交叉辐射定标偏差订正方程的系数.结果表明AIRS/AQUA和IASI/METOP-A的在轨辐射定标非常一致.以AIRS/AQUA和IASI/METOP-A波段的辐射定标为标准,VIRR/FY-3A第4波段的平均定标偏差分别为2.39 K和2.06 K,第5波段的平均定标偏差分别为0.59 K和0.44 K.实验指出定标偏差与亮度温度有关.

研究的星载被动大气探测仪搭载于太阳同步轨道卫星，具有扫描型多模式探测功能，主要探测目的是对同一大气目标交替进行天底探测和临边探测。为实现天底/临边交替探测，研究了临边探测与天底观测模式的匹配方法及时间间隔ΔT 。根据载荷运控模式、卫星运行轨道和地球自转等，建立交替探测数学模型，研究天底/临边交替探测方法，采用Matlab 计算和卫星工具包(STK)仿真场景验证分析得出时间间隔分别为429 s和430 s。根据地球扁率和轨道衰减等误差分析，结合两种探测扫描设定，统一天底探测与临边探测目标区域，最终设定天底/临边交替探测匹配间隔为430 s。

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。