研制出一种可以在船载平台下完成气溶胶测量的太阳光度计。仪器采用两段式图像跟踪方法，首先利用鱼眼成像系统对太阳进行粗跟踪，之后通过精跟踪成像系统来提高跟踪精度，并阐述了二维转台、图像跟踪系统、测量光路的工作流程。利用船载平台太阳光度计在渤海湾进行长期观测，渤海湾日平均气溶胶光学厚度多集中在0.1~0.3范围内，大气较为洁净，且夏季大气以细粒子为主，而深秋大粒子占据主导地位。将所得结果与日本POM-01 MKⅢ船用太阳光度计的测量结果进行对比，发现气溶胶光学厚度日变化趋势基本相近，决定系数可达到0.968，其平均相对测量误差为4.83%，?ngstr?m 指数平均相对测量误差为2.55%。所得结果验证了船载太阳光度计的可靠性与稳定性，并且可以进一步利用可见光到近红外的辐射信息反演其他大气参数的光学特性。

臭氧是大气中一种重要的微量气体, 是影响对流层与平流层大气运动的重要成分之一, 臭氧的高精度探测对于环境和气候具有重要的意义。OMI 传感器是目前具备探测全球臭氧含量的主要遥感传感器之一。利用地基 Pandora 观测网全球范围内 44 个臭氧观测站点数据对 OMI 卫星数据产品进行了精度验证。结果表明: OMI 臭氧产品与 Pandora 地基测量结果之间具有很好的线性相关性, 相关系数达到 0.948, 但精度结果存在区域差异。在南半球地区, 相关系数为 0.915; 在北半球低纬度地区, 其相关系数为 0.932, 中纬度地区相关系数为 0.948, 而在高纬度地区, 相关系数达到了 0.957。 此外, 验证精度还与臭氧柱总量存在相关性, 在臭氧柱总量低于 220 Du (对应臭氧空洞条件) 时, OMI 卫星产品存在高估现象, 高估约 13%; 而在臭氧柱总量高于 400 Du 时, OMI 的臭氧产品低于 Pandora 地基测量结果, 且随着臭氧柱总量增加, 低估情况也越严重, 在臭氧柱总量达到 500 Du 时, OMI 臭氧产品低估约 4%。

大气气溶胶的直径从几纳米到几十微米不等, 对大气辐射评估、 全球气候变化、 当地空气质量和能见度以及人类健康都有着直接或间接影响, 尤其秋冬季节是雾霾高发期, 更有利于大气气溶胶的生成、 转化和积累。 目前, 用于气溶胶信息观测的技术有很多, 包括激光雷达、 太阳光度计、 华盖计、 卫星遥感等。 多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）技术是一种被动遥测式光谱设备, 具有稳定、 可实时连续监测等特点, 可同时获取多种痕量气体的浓度信息, 且能反演气溶胶光学厚度（AOD）和气溶胶廓线。 介绍了MAX-DOAS反演气溶胶信息的算法, 并于2017年12月至2018年1月, 在合肥市科学岛开展了MAX-DOAS观测, 观测方位角为0度（正北）, 垂直方向上从低到高扫描10个仰角; 反演时取中午时段的天顶方向测量光谱作为参考光谱。 在337～370 nm波段, 利用QDOAS软件计算出O4斜柱浓度（DSCD）, 然后再利用气溶胶廓线反演算法（PriAM）反演出AOD和气溶胶消光系数（AE）。 将结果与太阳光度计CE318测得的AOD做对比, 小时均值和日均值的相关性系数均为0.91, 结果表明MAX-DOAS在获取气溶胶信息方面具有较高的可靠性。 同时, 将MAX-DOAS获得的近地面气溶胶消光系数与地面站点的点式仪器测得的PM2.5浓度进行了相关性对比, 日均值和小时均值线性拟合相关系数r分别为0.83和0.62, 进一步验证了MAX-DOAS获取气溶胶信息的可靠性。 由于冬季是雾霾的高发期, AOD值较高, 选取2017年12月3日至6日的一次雾霾过程, 廓线结果表明气溶胶主要分布在1.5 km以下, 结合当时的风场信息及雾霾期间的气流后向轨迹图, 可知此次污染是西北方向污染气团输送导致的。

为保证卫星在轨自动化定标中气溶胶光学特性观测的精度, 针对基于相对稳定大气条件的Langley定标和基于高精度参考仪器的交叉定标, 开展了辐射校正场太阳光度计的现场定标技术研究.定标结果表明高精度太阳光度计Langley定标和交叉定标与CE318太阳光度计反演的气溶胶光学厚度最大偏差分别在0.015和0.01以内.计算分析了大气条件、仪器参数等对现场定标的影响, 将定标后的仪器和CE318太阳光度计放在青海湖同步比对观测, 气溶胶光学厚度最大偏差在0.01以内.敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标误差对卫星在轨定标的影响不超过0.21%, 表明定标结果能够满足卫星在轨自动化定标的精度要求.

利用西安地区太阳光度计(POM-02)的观测数据,根据比尔-朗伯-布格定律计算了西安地区的大气气溶胶光学厚度(AODs),将其作为真值与NASA Terra卫星的MODIS C061产品中气溶胶光学厚度的三种反演结果进行了对比,探讨了三种反演算法在西安地区的精确度及适用性,并结合MODIS气溶胶产品统计分析了西安及周边地区气溶胶光学厚度的空间分布和季节变化特征。结果表明: Terra卫星MODIS三种反演算法中DT&DB产品与太阳光度计反演的气溶胶光学厚度相关系数最高(0.92),故MODIS中的DT&DB产品最适用于西安地区,可用于西安地区气候变化以及大气污染等研究。分析关中地区AOD的时空分布特征及其可能原因可知:关中地区气溶胶主要包括人类活动产生的气溶胶和沙尘气溶胶,关中地区气溶胶光学厚度整体呈东高西低的分布趋势,高值中心主要分布在西安、渭南和咸阳等地区;气溶胶光学厚度在西安、咸阳地区春季最大、秋季最小,而在关中其他地区整体呈现春夏高、秋冬低的季节变化趋势。

研制一种高精度全自动可实时测量、远程控制覆盖可见-近红外多波长太阳光度计PSR-2,可实现太阳直射辐照度、天空辐亮度(主平面、等天顶角)、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时测量和显示, 具有各通道独立同时测量、精确的温度控制、精确的太阳跟踪等检测功能。PSR-2在本单位自研PSR-1的基础上进行改进, 经受住长时间沙漠风沙和雨水侵蚀的测试, 具有能够长时间有效稳定观测、更加小型化、数据处理更便捷和更高的性价比等特点。在敦煌给仪器进行了Langley法标定和仪器温控性能测试, 结果显示PSR-2 Langley定标拟合直线相关性高于99%, 恒温仓温度稳定在在(25±0.3)℃, 与国外行业标准CE318的合肥、敦煌两地实际测量结果对比, PSR-2气溶胶光学厚度和大气柱水汽含量偏差分别在0.02和0.1以内, 并进行了误差分析。

数值模拟显示在太阳光前向散射角5°范围内, 视场变化探测的信号对卷云的光学厚度和有效尺度敏感。研发了一种基于图像跟踪的自动快速变视场太阳光度计(VFOVSP), 可快速测量不同视场太阳的直接辐射, 为地基测量卷云提供了一种新的技术手段。该仪器采用图像跟踪技术, 解决了薄云条件下四象限跟踪失效的问题。采用程控可变视场光阑, 该仪器实现了短时间内不同视场的快速测量。将该仪器测量的气溶胶光学厚度(AOT)与太阳光度计(POMO2型)的测量结果进行了对比, 结果显示该仪器测量的AOT方均根误差小于0.5%, 这表明该仪器测量气溶胶的精度高。结合不同的天气条件, 分析了该仪器不同视场比值的变化, 比值的变化与粒子尺度和光学厚度有关, 为反演卷云的光学特性提供了可能。