为准确且精细地识别云相态，提出一种基于模糊逻辑识别云相态的优化算法，基于不同云粒子特征参数对T函数系数进行了调整。考虑了回波反射率因子衰减和温度对云相态识别准确性的影响，利用毫米波云雷达订正后的回波反射率因子、径向速度、谱宽和微波辐射计探测的连续时空温度，作为优化后的模糊逻辑算法的输入参数。优化后的模糊逻辑算法在原有云粒子相态（冰晶、雪花、混合相态、液态云滴、毛毛雨和雨滴）识别的基础上，还可实现对过冷水和暖云滴的识别。利用该算法对2022年2月6日陕西省西安市一次降雪过程的云粒子相态进行识别，将近地面的云粒子相态结果与同址地面降水现象仪记录的降水粒子相态进行对比，二者探测的相态有较高的一致性，说明优化后的算法能准确且精细地识别云粒子相态。

为了研究云粒子微观特性, 采用激光成像技术、高斯光束匀化处理技术、高分辨率阵列探测器以及图像抽帧还原算法, 研制出激光云粒子成像仪。通过地面模拟测量及实际飞行试验, 对仪器性能进行了测试。结果表明, 研制仪器可实现对25 μm~1550 μm云粒子的成像, 分辨率为25 μm, 粒径测量误差小于9.5%; 实测的冰晶粒子形态符合云粒子自然分布规律, 粒子尺度谱符合指数分布, 决定系数在0.58~0.97之间。该研制仪器可为云降水微物理研究提供基础观测数据。

云底高度是地气系统辐射收支以及飞行安全的重要影响因素。介绍了利用FY-4A卫星的数据产品反演云底高度的方法，设计了两种云底高度反演方案：第一种方案先将云划分为卷云（Ci）、高层云（As）、高积云（Ac）、层云/层积云（St/Sc）、积云（Cu）、雨层云（Ns）、深对流云（Dc）和多层云（Multi）等8种云类型，再分别采用独立的集成学习模型反演这8类云的云底高度；第二种方案不区分云的类型，采用统一的集成学习模型反演云底高度。将CloudSat探测的云底高度作为参考值，以129515个样本对两种方案进行评估，结果表明方案一的反演模型效果更好，均方根误差（RMSE）为1304.7 m，平均绝对误差（MAE）为898.4 m，相关系数（R）为0.9214。

为深入了解云粒子尺度谱和形状分布，研究云的微物理特性，研制了一种偏振云粒子探测器。该探测器可以同时接收粒子的前向和后向散射能量。通过前向的质量控制通道对探测区域进行控制，根据后向散射的水平和垂直通道获得粒子的退偏比。使用几何光学近似方法，对几种椭球和六棱柱粒子在探测器中的散射特性进行了模拟。模拟结果表明：粒子前向散射截面与其等效半径正相关；扁状粒子与长形粒子相比，前向散射能力更强，后向散射退偏比更小；椭球粒子退偏比一般要小于六棱柱粒子。所模拟的粒子散射数据验证了所研制探测器用于云粒子探测的可行性，并为其实现非球形粒子的尺度谱和形状探测提供了反演依据。

陕西位于西北内陆地区,是中国气候的敏感区,为准确认识其 上空的水云特征,利用MODIS的MYD06二级云产品数据,对陕西水云的概率分布、云顶高度、粒子有效半径、 光学厚度进行了统计分析。结果表明:(1) 水云概率分布显示出单峰结构,峰值出现在11月, 5月出现 概率最低。水云在秋季出现概率最高,春季出现概率最低。 (2) 7月和9月水云云顶高度的概率分布 会产生显著的变化,7月和8月的分布形态与其余各月有显著差别。水云云顶高度平均最大值出现在 春季的4～5月,最小值出现在冬季的12～2月。(3)水云的粒子有效半径在10月～次年5月, 分布形态相似,6～9月分布形态与之明显不同。水云粒子尺度平均最大值出现在夏季的6～8月, 最小值出现在秋季的11月。(4) 光学厚度在0～5之间的水云在10月～次年5月,出现概率最高, 峰值出现在12～2月; 6～9月光学厚度在5～10之间的水云出现概率最高, 峰值出现在7～8月。水云光学厚度最大值出现在秋季的9～11月,最小值出现在夏季的7～8月。

前向小角度的散射辐射分布与散射介质的粒子大小和光学厚度有关。基于一种新型变视场光度计,测量不同天气条件下的前向小角度散射比值、大气光学厚度τ和气溶胶粒子的Angstrom指数α,并与DISORT方法模拟结果进行对比分析。研究结果表明:散射比值随光学厚度的增大而增大;但当光学厚度τ <1时,散射比值取决于粒子有效尺度,粒子尺度越大,散射比值越小。卷云冰晶尺度较大时 (D_e>10 μm),其散射比值小于气溶胶粒子和水云,这为区别薄卷云与气溶胶提供了一种新方法。给出一种提取卷云光学厚度的简单方法,证明了卷云的消光系数在短波段与波长无关。以上研究为地基探测大气特性提供了一定参考价值。

为进一步了解云物理过程,探测冰云及混合相云云粒子特性,提出了一种带有偏振通道的云粒子探测器模型,可以同时探测前向散射和后向散射一定立体角内的散射能量和退偏比。模拟了椭球,圆柱和球形粒子的相函数,不同角度的退偏比,总散射截面,发现球形粒子几乎不产生退偏,其退偏与椭球、圆柱粒子退偏有数个量级的差距,探测时可以直接以退偏分辨球形粒子。计算了在探测器前后两个接收立体角内非球形粒子的散射截面和退偏比均值,粒子退偏比和散射截面随粒子的横纵比变化比较连续,一定条件下可以分辨部分粒子的形状。粒子退偏比随粒子的等效半径变化波动,不利于探测时分辨粒子大小。在模拟的粒径范围内,粒子等效半径和散射截面大致成正相关,探测时可以以此分辨粒子大小。粒子散射模拟结果表明,该探测系统除可以进行球形粒子探测能力外,具有一定的非球形粒子探测能力。

由于其独特的大气敏感特性，太赫兹波在大气遥感领域起着越来越重要的作用。国际上太赫兹大气遥感技术发展方兴未艾。2004 年，美国NASA发射AURA卫星，探测仪器中包括了具有两种极化的25 THz 辐射计；2007年，欧空局ESA研制了Marschals外差式光谱仪，采用临边探测方式探测气体成分在亚毫米波段热辐射的高光谱。我国在轨气象卫星风云三号已经具备毫米波段辐射计，风云四号卫星是世界上首颗搭载太赫兹遥感仪的地球静止轨道气象卫星。针对我国大气遥感的现状，在概述国内外太赫兹遥感应用和技术的基础上，提出发展自主知识产权的大气遥感技术的思路；大力发展自主知识产权的太赫兹关键器件、太赫兹探测仪系统集成，研究太赫兹大气探测的新原理和反演新方法，整体提升我国在大气遥感领域的技术水平。

为了实现对25μm~1550μm范围云粒子的测量和成像, 采用了光学成像方法, 基于准直光束照射的云粒子在64元探测器上投影切片组合的原理, 研制了机载激光云粒子成像仪。介绍了激光云粒子成像仪各组成部分的功能, 进行了探测单元量化标准、数据获取与处理方法、以及影响云粒子成像准确性的因素等方面的分析。建立了粒子尺寸校准装置, 并采用7种规格的标准圆点进行了校准实验。结果表明, 机载激光云粒子成像仪可探测到云粒子并成像, 实现了粒子的尺寸测量和2维图像显示。

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。