本文提出了一个利用地面多光谱、多角度和偏振天空测量,反演整层大气气溶胶光学参数和物理性质的方案.反演方案基于带偏振的辐射传输计算,充分利用了偏振测量的优点,能够获得气溶胶偏振光学参数,并有效提高对气溶胶特性的反演能力.反演的参数包括单次散射反照率、散射相函数、偏振相函数、粒子谱分布以及折射指数的实部和虚部,是目前利用信息最全面、获得参数最多的反演方案之一.反演算法是在前人理论研究的基础上发展、扩充和改进而来的.本文在这方面的工作包括:将光谱信息添加到反演算法中,综合利用最多的地面测量信息来进行反演;在反演单次散射反照率时,使用可改变的相函数初始猜测,大大提高了对特殊类型气溶胶的反演效果;反演谱分布时,联合使用大范围内的角度散射信息和光谱消光信息,来提高谱分布的反演;在指出偏振相函数对气溶胶复折射指数(特别是其虚部)敏感的基础上,实现了粒子谱分布与复折射指数的同时反演.与此同时,利用双峰谱分布模型和典型测量不确定性对反演方案进行了重要的数值模拟试验和误差估计,分析了反演方案对不同类型气溶胶的反演精度以及适用情况.然后,基于全球太阳辐射计观测网的测量数据实现了反演方案.此外,使用本方案第一次系统反演了实际大气中的气溶胶偏振相函数,并对其进行了分析,指出与普通相函数相比,气溶胶偏振相函数对气溶胶吸收性质更为敏感,应当将其作为一个重要的气溶胶光学参数进行深入研究.最后通过对一些典型类型气溶胶的反演,以及与其它方案反演结果的对比验证和分析,进一步证明了偏振测量的独特价值;还对北京地区全年的气溶胶光学特性进行了分析研究,指出了人类活动对北京地区气溶胶光学特性的影响.