不同冰云条件对以偏振模式为导航信息源的偏振导航影响较大，为探究冰云大气相关参数（冰晶粒子形状、有效半径、冰水含量以及光学厚度等）对天空偏振模式的影响，建立了基于蒙特卡罗法的矢量传输模型，利用libRadtran模拟了实际冰云大气辐射传输过程，分析了不同冰云大气相关参数对天空偏振模式的影响，并通过图像式测试系统，实地测试了大连地区10组实际大气条件下天空偏振模式随冰云大气相关参数的变化情况。结果表明：冰晶粒子形状对冰云大气偏振度影响较大，对冰云大气偏振方位角影响较小。并且冰云大气偏振度随有效半径的增大而增大，随光学厚度和冰水含量的增大而减小，后逐渐趋于稳定的状态。在不同日期同一时刻下，大连地区实际冰云大气偏振度变化规律与仿真基本一致，验证了本文方法的有效性，为偏振导航的在实际冰云大气条件下的工程应用提供了理论支撑。

利用大气本底站监测数据验证了大气红外探测仪 (AIRS) 反演数据 (2003年3月―2021年2月)，在此基础上基于AIRS数据分析了南极臭氧柱总量时空分布以及变化特性，并进而利用线性回归、相关性分析、小波分析等方法，结合平流层温度和海冰数据，分析了南极臭氧柱总量变化特征的影响因素。结果表明：AIRS反演数据与大气本底站监测数据的相关系数均在0.945以上，具有较高的准确度和平稳性。南极臭氧柱总量的时间变化具有很强的周期性，谷值与谷值交替约为12个月。通过小波时-频结合分析发现，南极臭氧柱总量明显存在时间尺度为2、4、6、8～10、13年的周期，其中震荡最剧烈的第一主周期13年又以10年为周期变化，第二主周期6年又以4年为周期变化，2003―2021年内第一主周期经历了2次高-低变化期，第二主周期经历了4次高-低变化期。臭氧柱总量随季节变化明显，春季是南极臭氧柱总量最高的季节，冬季、夏季、秋季依次次之。南极臭氧的空间分布特征差异较大，总体来看纬度越高，臭氧柱总量越低，并在85° S附近达到最低值。南极洲大部分区域平流层温度与臭氧柱总量呈显著正相关，统计结果显示当平流层温度小于189 K时会出现臭氧洞；南极海冰范围与南极臭氧柱总量变化基本一致，两者皆存在2、6～8、12～14年的变化周期，但海冰范围变化要早一个月。

针对温感区域长度小于空间分辨率导致温度测量不准确的问题，提出一种多点温度校正方案，并介绍了一种可应用于中小尺度剖面温度分布测量的装置和方法。采用基于多峰高斯拟合的方案，实现了多个测量不准确温度点的同时校正，提高了系统的温度准确度，设计了分布式拉曼测温系统样机，通过将光纤部分缠绕在PPR管上实现了中小尺度剖面温度分布测量。实验装置使2 m和1.5 m温感区域的测量准确度提高到1 ℃；测得冬季黄河万家寨水库冰盖厚度约为42.33 cm，与人工测量结果相差约为1.67 cm；测得36 m深河水剖面的温度约在0.32 ℃～0.90 ℃范围内波动。实验结果表明，采用该分布式拉曼测温系统能够在野外大范围监测河道流水剖面的温度分布。

北极航道海冰运动的准确预测对于保证航行安全、评估航道可通行性和动态修正航线具有重要的指导意义。传统的光流法无法满足海冰运动预测任务中“时空预测+语义分割”的要求。为此，基于MERSI-Ⅱ影像制作了海冰运动数据集SeaiceMoving，提出了一种基于Multiloss-SAM-ConvLSTM的海冰运动预测算法，该算法在SAM-ConvLSTM的基础上引入加权的FDWloss，强化了各节点空间语义的获取。针对样本分布不平衡，讨论了后端分割阈值的偏移效应，通过网格搜索确定最佳分割阈值，提高了海冰整体预测结果。实验结果表明，该方法的Kappa系数为0.75，IOU为0.61，Dice系数为0.76，相较于SAM-ConvLSTM，分别提高了0.1、0.12和0.1，对运动后海冰的位置预测和形状提取能力均有提升，减少了海冰“黏连”的情况。此外，该算法对薄云干扰下的海冰运动依然具备良好的预测能力，可以为北极航线的动态规划和航线修正提供较为准确的技术支撑。

针对220 GHz太赫兹雷达处理数据的实际需要，应用离散偶极子近似法，计算不同形状非球形冰晶粒子的后向散射截面，并基于最新细化的冰云模型，得到了220 GHz太赫兹波雷达探测的冰水含量I与雷达反射率因子Z_m，建立了Z_m-I关系表达式。计算结果表明，非球形冰晶粒子及冰云模型均对Z_m-I关系有一定的影响。本研究对中纬度卷云的太赫兹波雷达探测的云参数反演有应用价值，并对太赫兹波测云雷达的研制具有借鉴作用。