随着全球经济发展、人口扩张和工业活动增多,越来越多的人为排放物进入到大气层中,导致气候变暖和空气质量恶化。其中大气气溶胶对气候和环境的影响是不容小觑的。气溶胶对全球大气环境的影响主要表现在三个方面:首先,气溶胶对太阳入射光具有吸收和散射特性,可以通过改变太阳辐射收支平衡来影响全球和区域气候变化。同时,气溶胶还能导致环境问题,引起区域灰霾和沙尘污染,对人体健康产生不利影响。最后,气溶胶可以作为云的凝结核,影响大气环境的水循环。因此,对大气气溶胶的含量和特性进行长期准确的观测和研究是必不可少的。大气探测激光雷达由于具有很高的时间和空间分辨率,能有效的获取气溶胶的光学和物理特性,已被到广泛的应用在大气环境研究领域。本文以中国中部武汉地区为实验场地,基于自主研制的地基大气探测激光雷达的长期观测数据,研究了武汉地区的大气边界层高度变化,以及边界层内气溶胶和污染物的光学和物理特性;同时联合当地环境监测站点和卫星的多源观测数据,揭示了武汉地区冬季灰霾污染产生的机制。本文的主要研究内容如下:1)地基大气探测激光雷达的研制。针对传统单波长单功能的大气探测激光雷达反演大气气溶胶参数较少的问题,自主设计和研制了一套双波长偏振大气探测激光雷达系统,可以有效的获取气溶胶色比和退偏比等物理信息;并采取同轴设计,极大的降低了近地面信号重叠因子的影响。同时对整套系统进行了通道定标和数据矫正。2)激光雷达大气边界层高度反演算法研究。为了克服复杂大气状态对边界层高度反演的影响,提出基于粒子特性的边界层高度求解方法。首先,基于多层次气溶胶影响边界层高度查找不准确的问题,利用地基激光雷达反演的到色比信息和退偏比信息,计算大气粒子在垂直方向上的二维分布,并利用查找粒子最大差异度的方式,解决边界层高度求解中,多层次气溶胶带来的影响。然后,基于残余层气溶胶影响边界层高度查找不准确的问题,提出利用地基激光雷达反演的到色比信息和后向散射比信息,通过粒子聚类的方式,区分出气溶胶层和自由大气层,反演出边界层高度,有效的克服残余层气溶胶带来的影响。3)武汉地区边界层内气溶胶特性研究。为了更好地理解气溶胶的产生及其对人类生活的影响,对气溶胶的观测是必不可少的。基于长期的激光雷达观测数据,分析了武汉地区边界层内的气溶胶的光学和物理特性,得到气溶胶色比和退偏比的二维分布,并进一步对气溶胶物理参数进行统计分析,提出一种基于粒子尺度大小的污染程度划分标准。4)不同污染时期的气溶胶特性研究。基于武汉站点的观测数据,分析了武汉地区的气溶胶特性在不同污染时期的变化。同时还研究了温度、湿度、风和气压等气象参数对气溶胶光学特性的影响。最后,分析了高污染时期,黑炭气溶胶与大气边界层的相互作用机制。5)武汉地区冬季灰霾污染研究。通过地基观测数据,分析不同污染时期的气溶胶尺度和含量;然后利用CALIPSO卫星分析区域大气污染状态,以及大气气溶胶类别;最后通过后向散射轨迹模型,模拟出重污染天气条件下,大气气团的运动轨迹,得出污染物的来源。通过综合数据,研究中部地区灰霾事件中气溶胶的特性和来源,揭示武汉地区污染的形成机理。