基于子午工程激光雷达的大气Rayleigh散射实验观测数据，开展了中层（30~65 km）大气温度结构反演计算和大气重力波事件识别的研究工作。在Chanin-Hauchecorne大气温度反演方法的基础上，采用SABER/TIMED、COSMIC卫星测量数据的对照分析方法，提高了中层大气温度结构反演的准确性；采用小波分析方法提取温度扰动的主要波动成分，并计算重力波活动的垂直波数谱Fam和时间频率谱Faω，增强了重力波事件识别以及特征参数提取的可靠性。基于设计的数据分析流程，完成了2011—2013年海南激光雷达站观测数据的分析工作，提取202个中层大气重力波事件的特征垂直波长λz*和特征周期Tob*。统计分析结果显示，海口上空中层大气常见重力波的特征垂直波长为5~9 km， 特征周期为5~13 h。该数据分析方法能满足Rayleigh激光雷达对中层大气温度结构精确探测以及重力波活动特性观测研究的需要，可为子午工程激光雷达观测数据的广泛应用提供服务。

为研究中层 -平流层-对流层(MST)雷达在对流层高度上的回波机制，利用特殊天气条件(切断低压)下的雷达回波功率、风场，采用 Lomb-Scargle谱分析、谐波拟合、Richardson数等方法分析对流层上部出现回波功率异常的现象。结果表明，在切断低压的天气条件下，急流和深对流造成持续存在的重力波源，重力波由下至上传播至对流层顶下方并发生饱和破碎，能量耗散在大气中，破坏了大气的静力稳定，形成 K-H不稳定层，进而发展为湍流，使对流层区域出现雷达回波功率增强。

瑞利多普勒激光雷达可对平流层和中间层大气的水平风速和温度进行连续观测。中国科学技术大学最新研制的瑞利测风测温激光雷达增加了多普勒频率校准装置，可实现对晴空天气下15~70 km大气的水平风速和温度的高精度观测。分析了该激光雷达系统2018年9~10月在我国西北部地区的水平风速和温度连续观测数据，通过提取风速和温度扰动、频谱分析、重力波模型参数拟合及Hodograph分析，计算重力波的垂直波长、固有周期、水平和垂直传播方向等参数。从224 h的观测数据中共计提取到重力波384个波次。在这些重力波事件中，53.9%的垂直传播方向为向上。风速和温度的波动幅度分别集中在10~20 m/s和10~20 K，70%以上的垂直波长在5~10 km范围内，极少出现15 km以上的波动；水平波长在100～200 km左右，固有周期<5 h的波动占比较大，水平传播方向以西偏北20°和东偏南20°的相向的方向为主导。

对于平流层的高空间分辨率的重力波连续测量和研究非常稀少。近几年中国科学技术大学的瑞利多普勒激光雷达观测了大量的重力波事件, 这得益于激光雷达系统在重力波研究中的优越特性。文中对激光雷达系统作出了一个简单的介绍, 并且展示了位于中国酒泉(39.741°N, 98.495°E), 垂直高度范围在15~60 km, 自2015年10月7日起持续了两个月的重力波夜间观测结果。在对一些重力波事件分析过程中, 对中尺度的水平风速进行了二维波谱分析之后, 发现重力波波动非常明显, 这些波动的波长范围主要集中在3~6 km, 而周期大约为10 h。这些观测结果都肯定了瑞利多普勒激光雷达在重力波观测应用方面的优势。

为了分析中国陆地区域深对流激发平流层重力波的特征，针对2010年7月20日发生在吉林上空的一次暴雨事件，利用Aqua卫星高光谱大气红外探测器（Atmospheric Infrared Sounder, AIRS）的观测数据并结合ERA-interim高空背景场数据和S变换小波分析方法，分析了与暴雨相伴的深对流激发平流层重力波的传播特征，进一步讨论了重力波上传过程对暴雨发展的可能影响。

利用2011~2013年期间60 h的钠荧光多普勒激光雷达温度和风场数据, 采用矢端曲线法提取廊坊上空85~95 km中层顶区域准单色惯性重力波的所有参量,并统计准单色大气重力波的活动特性。获得的85次准单色重力波事件中, 上传(下传)重力波64次(21次), 占总数的75.29%(24.71%)。垂直波长(水平波长)和观测周期平均值分别为6.6 km (727.8 km)和7.4 h, 分别集中在6~9 km(200~800 km)和2~7 h, 固有周期平均值为7.76 h, 主要集中在3~9 h, 水平传播方向分布比较均匀, 没有占主导的传播方向。对于上传重力波, 水平背景风在大气重力波水平传播方向上的分量取正值和取负值的概率大致相等, 但对于下传重力波, 该风场分量取正值的概率大约是取负值的2倍, 说明观测到的下传大气重力波在中层顶区域多为顺风传播。

利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站(廊坊, 39°N, 116°E)的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层(SSL)进行了研究。首先从大气重力波方程出发, 计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之间的相位关系; 其次利用了钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的实测数据对大气重力波引起的偶发钠层进行了分析研究; 经研究分析可知, 由于大气重力波引起强的水平风切变和垂直风场风向反转的共同作用, 其堆积效应使得钠原子密度增强, 形成了偶发钠层。

基于子午工程项目北京钠激光雷达的长期观测数据(2010年4月到2011年9月), 采用Yang等人(2008)的重力波参数提取方法，提取了在253个夜晚2 208 h的有效观测时间里出现的162个钠层单色重力波的垂直波长、周期、幅度值和幅度增长因子参数值。统计分析显示激光雷达所观测到的中层顶区域重力波具有系统性的参数关系，λ_z=0.226T^0.530_ob、KE=6.66×10^-10 k^-3.091_z和KE=8.97×10^-6 ×f^-1.696_ob。这些实验观测结果验证了Gardner(1994)扩散滤波理论的结果，但同时发现仅认为波致涡流扩散是重力波衰减的主要途径是不完全正确的，其它因素引起的衰减在重力波的饱和和耗散机制中也起到了重要作用。

基于国家子午工程项目钠激光雷达的长期观测数据, 统计分析了北京和海南两地出现的钠层密度翻转现象,发 现这种现象往往出现在钠层的下部,宽度在2?7 km范围,持续时间约为2?8 h。观测结果显示,钠层密度翻转结 构的出现常伴随着大尺度重力波的传播活动,且钠层密度翻转结构的消失过程也和较大尺度 重力波的破碎过程有较好的对应关系。这表明,除风剪切和自身动力学不稳定因素外,大尺度和小 尺度重力波相互作用引起的垂直对流不稳定效应可能是大尺度重力波破碎的另一个重要原因。

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。