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气溶胶光学厚度（AOD）是表征气溶胶含量及大气污染程度的关键因素。利用CALIPSO卫星level 2气溶胶廓线产品，分析2009年至2018年全球范围典型区域内AOD的时空变化特征及其变化趋势。结果表明：全球范围的AOD表现出一定的时空差异性。在空间尺度上，AOD高值中心主要分布在印度、沙特阿拉伯等地区；在时间尺度上，也存在明显的季节差异性。印度、沙特阿拉伯及中国北方等典型地区在MAM和DJF时期达到AOD峰值，巴西则在JJA时期达到AOD峰值。每个典型地区也存在显著的AOD趋势差异，印度地区AOD上升趋势最强。

通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。

为了解决现有陆地气溶胶光学厚度(AOD)反演算法精度和空间分辨率较低的问题,基于深度学习的思想,使用深度置信神经网络(DBN),实现了具有30 m空间分辨率的陆地气溶胶光学厚度反演。算法的训练样本包括全球长时间序列的AERONET站点数据以及在时空上与之对应的Landsat8 OLI的观测几何数据和表观反射率数据。为了保证反演的精度和稳定性,研究了AERONET站点数据的处理方法、卫星与站点数据的时空匹配方法以及DBN结构的设置。使用独立于训练样本的AERONET站点数据,对不同地表类型的550 nm处的AOD估算结果进行了整体验证,并对研究区域进行小尺度精度验证。结果表明,该方法的均方根误差和平均绝对误差分别为0.11与0.072。该方法打破了现有的气溶胶光学厚度反演方法依赖于其他遥感产品或者其他时相数据的局面,有效提高了气溶胶光学厚度反演的效率和空间分辨率。

基于单颗粒气溶胶吸湿增长模型,分别建立了亲水性和亲疏水性双颗粒凝聚气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了不同相对湿度时两种凝聚粒子的散射特性。结果表明: 在40%~90%湿度范围内,亲水性双颗粒凝聚气溶胶 [以氯化钠(NaCl)-硝酸钠(NaNO3)颗粒为例]的散射系数存在两次跃变,而散射系数跃变的位置和增幅与NaCl-NaNO3颗粒的体积比密切相关;二次潮解后,不同体积比的亲水性凝聚粒子的散射系数随相对湿度的增加均呈现出指数增长趋势,且NaNO3的体积分数越大,散射系数增长幅度越大。对于不同体积比的亲疏水性双颗粒凝聚粒子 (以NaCl-烟尘颗粒为例),散射系数随相对湿度的增加均呈现指数增长,NaCl的体积比越大,散射系数增长越快,而潮解后亲疏水性粒子的相对位置关系对凝聚粒子散射系数的影响较小。上述结果可为进一步研究多颗粒凝聚气溶胶的吸湿散射特性提供可靠的理论基础。

分别以干燥环境下的平均单位质量气溶胶消光系数和湿环境下烘干气溶胶的散射消光系数为基准,提出了与之对应的两种气溶胶消光吸湿增长因子f1(RH)和f2(RH)。基于成都市2017年10—12月浊度仪和黑碳仪的逐时观测资料以及该时段同时次的环境气象监测数据(大气能见度、相对湿度以及NO2和PM10的质量浓度),针对上述两种气溶胶消光吸湿增长因子进行了系统的对比分析。主要结论如下:1)f1(RH)和f2(RH)均能表征气溶胶吸湿性的光学效应,二者的判决系数为0.90(通过了α=0.01的显著性检验);2)多模型的比对结果表明,二次多项式函数较好地拟合了f1(RH)和f2(RH)随相对湿度的变化特征;3)f1(RH)和f2(RH)的均值之比随相对湿度的增加而增大。进一步研究指出,烘干气溶胶的散射消光系数对相对湿度变化的显著响应关系是导致f1(RH)和f2(RH)非一致性演化的根本原因。

利用PARASOL卫星搭载的多角度偏振地球反射率探测仪-3(POLDER-3)的偏振数据,反演了香河地区细粒子气溶胶光学厚度。反演数据与POLDER、MODIS业务化产品及AERONET数据进行对比分析,POLDER的细粒子气溶胶光学厚度反演效果显著优于MODIS产品,相关系数由0.67升至0.93,平均误差由0.32降至0.15。将POLDER偏振数据与神经元网络方法相结合,相关系数升至0.94,平均误差降为0.11。将该神经网络(NN)训练模型应用于杭州和香港地区进行验证,在杭州地区反演精度相似,在香港地区适用性较差。研究表明,利用POLDER偏振数据结合神经网络方法来提取细粒子气溶胶信息是可行的。

京津冀地区的大气颗粒物污染非常严重,对气候环境和人类健康产生直接影响。为了使用遥感技术对京津冀地区的颗粒物污染进行快速、准确的评价,验证了NASA近期发布的全球1 km分辨率的MCD19A2气溶胶光学厚度(AOD)产品在京津冀地区的精度,明确了卫星产品在该区域应用的可靠性,并分析了AOD产品与空气质量指数(AQI)的相关性,探讨其对空气污染的指示作用。获取2014~2018年京津冀地区的MCD19A2 AOD空间分布数据,以及同步的AERONET实测数据,对两类数据进行了时空转化等处理,以实现数据间的精确匹配。验证结果表明,MCD19A2产品在该区域达到较高的精度及稳定性,相关系数、均方根误差、平均绝对误差和期望误差范围分别为0.9504、0.1243、0.0863和82.26%。基于不同尺度AOD结果,与AQI数据进行相关性分析,二者具有较高的相关性,表明MCD19A2数据对空气污染状况具有直接的指示作用。该研究可为气溶胶特性研究、空气质量监测等方面的工作提供一定的参考。

运用微脉冲激光雷达对气溶胶的垂直分布特征进行遥感观测逐渐普及，但传统观测往往局限于固定站点，无法反映区域内气溶胶整体分布情况。该研究以石家庄市为中心，运用车载便携式激光雷达对城市内部及其周边区域开展大气环境立体走航观测，绘制出气溶胶三维空间分布信息。结果表明：(1) 该地区大气污染受地形影响，西侧太行山阻断了汾河盆地的气溶胶输送，气溶胶于太行山东麓的山前低地汇聚，向东至广阔的平原扩散开；(2)石家庄东北至南部形成气溶胶汇聚区，其聚集程度由东北向南逐渐增强，此外太行山与燕山走向的西北部分的清洁区与污染汇聚区有明显分界；(3)石家庄市区外环线的气溶胶垂直扩散能力强、颗粒物不规则度较高，可能存在多源混合，市区气溶胶聚集高度的空间方位差异可能由污染源分布的不均衡所致。

气溶胶已被确定为辐射强迫评估中的不确定因素之一。激光雷达是气溶胶观测的有效遥感工具。利用车载激光雷达，采用固定垂直探测与移动走航监测相结合的探测方式，对安平县的颗粒物浓度进行了连续探测。固定探测结果与环保部空气质量先上升后下降的趋势一致。移动导航探测能够快速、准确地定位污染源的位置。最后，通过对比喷撒抑尘剂前后的走航监测结果，得出喷撒抑尘剂可以有效降低颗粒物浓度。