本文基于我国东部沿海岸线分布的Beijing-RADI、Beijing-CAMS、Xuzhou-CUMT、Taihu、Hong_Kong_PolyU、Hong_Kong_Sheung六个AERONET长期观测站点的光学厚度（AOD）、Angstrom指数（AE）、单次散射反照率（SSA）、细粒子百分比（FMF）四种气溶胶的物理光学特性观测产品，结合Terra/Aqua MODIS Level2 C6 AOD产品，研究了我国东部地区气溶胶时空变化特性及类型特性。研究表明：1）北京、徐州、太湖、香港四个地区地基的AOD年均值徐州>太湖>北京>香港，依次为0.805±0.129、0.775±0.069、0.664±0.197、0.519±0.125；2）在AERONET站点处，MODIS AOD年均值检测值太湖>徐州>香港>北京，依次为0.902±0.227、0.772±0.082、0.547±0.064、0.517±0.234，与地基检测值依次相差22.2%、4.1%、5.5%、16.3%；3）AE年均值香港>太湖>徐州>北京，依次为1.314±0.054、1.213±0.084、1.198±0.104、1.118±0.078，表明中国东部地区污染物的粒径从北往南逐渐减小；4）北京、徐州、太湖、香港四个地区均以弱吸收型细粒子所占比重最大，依次为38.29%、44.99%、44.30%、48.14%，中度吸收型细粒子和强散射细粒子次之，其他类型的粒子均较少。

黑碳 (BC) 和棕碳 (BrC) 是大气中重要的吸光物质。近年来, 大气棕碳光吸收贡献已成为国内外研究热点之一。2014 年青奥会期间在位于南京江心洲的南京市气象局, 利用三波长光声黑碳光度仪 (PASS-3), 热熔蚀器 (TD), 气溶胶质量分析仪 (APM), 扫描电迁移率粒径谱仪 (SMPS) 和空气动力学粒径谱仪 (APS) 进行了大气实时观测。基于 Mie 模型和 AAE方法, 计算得出 BrC 在 405 nm 和 532 nm 处的平均光吸收系数分别为 (8.5±4.5) Mm－1 和 (3.2±2.1) Mm－1, 相应的平均光吸收贡献分别为 (22.7±12.0)% 和 (13.6±9.2)%, 说明 BrC 的光吸收能力具有波长依赖性。进而对核-壳和外混两种模型中 αBC 随复折射指数变化做了敏感性分析。在这两种模型中, αBC 均对 BC 核复折射指数虚部最为敏感, 其次是 BC 核复折射指数的实部; 不同的是, 在外混模型中非吸光物质复折射指数实部的改变不会影响 αBC。

利用Nd∶YAG激光器产生的10 Hz中心波长为355 nm和266 nm的激光束作为光源,研制了用于对流层大气气溶胶探测的紫外双波长激光雷达,实现了气溶胶Mie散射信号在紫外波段的精细分离和提取。利用266 nm信号探测气溶胶光学特性时不受太阳背景光的影响。对双波长Mie散射信号日间和夜间探测信噪比的数值仿真结果和实际探测信噪比作对比分析,得出日间探测时355 nm信号的信噪比较低,夜间探测时266 nm信号的信噪比较低,这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为10时的数据,得到该系统日间探测时266 nm信号的探测高度可达2 km,夜间探测时355 nm信号的探测高度可达5 km。利用该激光雷达对西安地区的晴天和雾霾天气进行初步探测,研究分析了晴天和雾霾天气的气溶胶光学特性、臭氧浓度和消光系数。分析了臭氧浓度对反演消光系数和Angstrom指数的影响。结果表明,臭氧浓度越大,消光系数的反演误差越大。雾霾天气气溶胶的消光系数大于晴天气溶胶的消光系数。

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。

为了研究测污激光雷达对水平能见度和垂直气溶胶消光系数变化趋势的探测, 采用污染气体探测激光雷达, 以斜率法和Fernald方法, 反演了301.5nm和446.6nm在水平及垂直方向的消光系数, 以及波长的Angstrom指数。结果表明, 水平方向上, 301.5nm和446.6nm的消光系数和能见度随时间变化均保持一致性; 垂直方向上, 301.5nm和446.6nm气溶胶消光系数随时空变化趋势相同, Angstrom指数随着时间的推移有所变化, 但空间变化趋势相同。该结果对分析差分吸收激光雷达修正气溶胶的影响是有所帮助的。

气溶胶光学性质对于气候、环境以及卫星遥感具有重要意义。利用CE317太阳光度计定点观测了天津近岸2014年3～5月气溶胶光学数据, 分析了渤海湾近岸地区春季气溶胶光学特性。结果表明:气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)光谱基本满足Angstrom关系; AOD日变化基本有三种变化趋势:上升型、平稳型、下降型;春季440 nm波段AOD均值为0.776, Angstrom指数α均值为1.011,浑 浊度系数β均值为0.344。将该结果与黄海近岸青岛地区的数据进行了比较分析,表明了气溶胶光学性质的区域性。

大气中气溶胶光学厚度和可降水量情况为天文选址提供必不可少的评价依据,为天文观测提供重要参考。利用DTF型太阳辐射计对青海德令哈进行 观测,获得2013年9月至2015年1月晴天无云条件下的观测结果,进而得到该地区观测期间气溶胶光学厚度、ngstrm指数和大气可降水量的 日变化与季节变化特征。该地区的气溶胶光学厚度和可降水量日变化类型较多,可分为六种,有一定的季节性特征。不同季节中,秋季气溶胶光学 厚度最小,其他季节相当,而可降水量在夏季最大,明显高于其他季节。ngstrm指数春季最小,夏季和秋季次之,冬季最大。总体来说青海德令哈 的气溶胶光学厚度和可降水量都较小,大气较干净稳定,适合天文观测。

利用云和气溶胶粒子的光学特性软件包(OPAC)对陆地型、海洋型、沙漠型和极地型四种典型类型气溶胶的吸收光学厚度进行了计算统计分析, 根据每一种类型气溶胶成分的差异, 分析了气溶胶吸收光学厚度随波长及相对湿度变化的规律, 建立了四种典型类型气溶胶吸收光学厚度与波长、相对湿度的定标关系。气溶胶吸收光学厚度随波长的幂指数衰减规律并不是在所有波长范围内均满足, 不同类型的气溶胶, 其适用的范围不同；气溶胶吸收光学厚度随波长和相对湿度的变化主要受气溶胶成分影响, 相对湿度的增大会导致气溶胶吸收特性的降低, 并会对吸收Angstrom指数造成影响。根据建立的气溶胶吸收光学厚度的定标关系, 可由气溶胶激光雷达等设备实测的某一波长的光学参量计算光电系统对应波长、不同相对湿度情况下的光学特性。

采用基于逐次散射法的矢量辐射传输模型，通过求解矢量辐射传输方程，分析了影响海面上空气溶胶光学参数反演的主要因素。根据海洋大气气溶胶模型，通过构建多参数的反射率和偏振反射率查找表，给出了用于海上气溶胶光学参数反演的查找表迭代查找法。利用自主研制的多角度航空偏振相机在渤海湾上空航拍的偏振辐射数据，反演获得了该海域550 nm波段的气溶胶光学厚度和ngstrm波长指数，其均值分别为0.441和1.15。通过与布置在京津塘周边的多个地基CE318太阳辐射计同步观测数据进行的对比校验发现，两者间具有很好的一致性，说明反演方法针对海天背景的实际问题的考虑和处理过程切实可行。