卷云光学厚度是对全球气候、地球辐射收支影响较大的云光学参数之一。在**、大气科学等领域对卷云光学参数的求解算法有广泛的应用需求。应用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据求解卷云参数的算法，多采用卫星多通道数据，数据处理过程较为复杂。为解决这一问题，利用RT3模型结合MODIS云参数，模拟计算卷云反射率，建立卷云光学厚度查找表，设计简单算法，实现了卷云光学厚度的有效反演。对比卷云光学厚度反演结果和MODIS实际测得的数据，可得两者相关性达到0.97，验证了此算法下卷云光学厚度反演的可靠性。选取MODIS不同时间段的数据，分析了卷云光学厚度在不同时间、空间范围的变化情况，平均误差小于0.16，进一步验证了基于RT3模型的查找表反演卷云光学厚度的有效性。研究结果有助于实现全球范围内卷云光学特性的简单有效反演。

采用偏振辐射信息反演云顶高度时, 为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度, 使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征, 给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异, 说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture, GHM), 使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明, 当卷云光学厚度大于3时, 偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感, 对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表, 使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度, 并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明, 与POLDER3的官方算法相比, 使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围, 反演结果与MODIS产品有更好的一致性.

卷云反射率是天气、气候和地球能量平衡研究中关注的重要参数。卷云反射率的快速算法在遥感反演卷云特性参数中具有重要应用。依据卷云反射率随卷云光学厚度、有效尺度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等参数的变化, 利用离散坐标法(Discrete Ordinate Radiative Transfer method, DISORT)计算卷云反射率, 预先建立卷云反射率随相关参数变化的快速查找表, 以此建立了卷云反射率的快速算法。将MODIS卫星探测的卷云光学厚度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等因素作为输入参数, 计算得到了卷云反射率, 比较了计算的卷云反射率和MODIS实际测量的卷云反射率值, 相关系数达到0.94, 平均偏差小于18.5%, 说明了卷云快速算法计算合理可行。

为研究不同散射模型和有效粒子半径对卷云光学厚度反演的影响,计算了不同光学厚度下,一般种类混合模型(GHM)、实心柱状模型(SC)和聚合物实心柱状模型(ASC)取不同有效粒子半径时的反射率。理论分析了不同散射模型及其不同有效粒子半径对卷云光学厚度反演结果的影响。使用基于倍加累加法的矢量辐射传输模型RT3计算3种模型卷云光学厚度查找表,基于POLDER数据,采用查找表法进行卷云光学厚度反演实验,实验结果与理论分析一致。结果可知:采用不同散射模型反演得到的卷云光学厚度存在较大差异,相比GHM和SC模型,ASC模型卷云光学厚度反演结果更接近POLDER产品;有效粒子半径越大,光学厚度反演结果越大,GHM和SC的增幅较大,而ASC增幅很小。因此,在不具备有效粒子半径反演能力时,建议采用ASC模型反演卷云光学厚度,以减小有效粒子半径变化对反演结果的影响。上述研究对我国GF-5卫星的卷云光学厚度反演的散射模型选取及反演结果评价具有参考价值。

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。

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。

研究了考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法，对反演卷云高度和卷云激光雷达比的方法进行了改进。采用多次散射因子对卷云消光系数曲线进行修正，选取云底及云顶附近高度消光系数变化率的均值求解云层高度修正误差，对微分零交叉法求解得到的卷云高度进行修正，实现了较为精确的激光雷达云层高度反演。采用以边界值处消光系数和卷云光学厚度为约束条件的粒子群算法，求解卷云有效激光雷达比，选用半解析Monte Carlo方法，计算总散射信号与一次散射信号的比值，并结合Platt多次散射因子方程求得多次散射因子，实现了卷云激光雷达比的准确求解。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了验证。结果表明，该改进方法具有较高的精度，更具应用价值。

卷云中冰晶粒子的单次光散射计算是卷云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础.近年,利用高观测频率的静止气象卫星数据来反演水云和卷云的光学和微物理参数,进而计算地表光通量的研究倍受重视.然而,很多研究中卷云的冰晶用球形模型来模拟.由于不同形状和尺度大小的冰晶对电磁波的散射特征的不同,导致不同冰晶模型计算的卷云环境下卫星观测的辐射值及地表光通量的不同.利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据,结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了卷云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响.结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射,地表向下辐射通量明显不同.波长在0.4～1.0 μm之间的大气窗口部分的光谱辐射通量的差距最大.总辐射通量受云粒子形状的影响显著.研究证实了正确选择冰晶模型对卫星反演卷云微物理和光学参数的反演及计算地表光通量的重要性.该结果对于云微物理参数的反演及地表向下辐射通量的模拟具有参考价值.

卷云对地气辐射收支平衡有重要影响。根据三波长激光雷达系统于2011年1月~2012年10月在合肥西郊的观测资料，对比分析了不同波长对卷云的探测能力，并研究了合肥地区卷云的云结构和光学厚度等特征。结果表明，在所用的三波长(355、532、1064 nm)中，激光雷达的波长越长，其对卷云的探测能力就越强。合肥地区卷云的云峰平均高度在8 km左右，冬季较低，夏季较高；卷云平均厚度在1~2 km之间。三个波长探测所得的卷云光学厚度基本一致，从而验证了卷云的消光系数与波长无关的理论。合肥地区的卷云以光学厚度小于0.3的薄卷云为主，平均光学厚度在0.12左右。

卷云在全球出现的概率可达30%, 其散射特性在气候模式、 光辐射传输和遥感领域都具有非常重要的意义。 卷云的散射特性主要由冰晶粒子形状、 尺度谱、 折射率等因素所决定。 利用355, 532和1 064 nm三个波长激光雷达数据反演卷云的后向散射系数颜色比, 利用模拟计算获得不同形状冰晶粒子的卷云在上述三个波长上的后向散射系数颜色比, 通过拟合得出被测卷云的冰晶粒子形状。 拟合结果表明, 合肥上空卷云中冰晶粒子大部分可能呈聚合物状。