纯转动拉曼-米散射激光雷达是一种通过大气分子的纯转动拉曼散射和大气气溶胶颗粒的米散射对大气气溶胶进行测量的激光雷达系统,能够提供高时空分辨率和高精度的大气气溶胶廓线数据,对于气候学、气象学的研究具有重要意义。论文针对实验室自行研制的纯转动拉曼-米散射激光雷达系统进行数据高精度反演和应用研究。一方面致力于激光雷达仿真设计以探究激光雷达系统探测性能的参数模型,并验证各种改进反演算法的可实施性;另一方面针对传统反演算法的各种反演精度影响因素及地基激光雷达系统回波信号噪声对反演结果的特殊影响,提出相应的去噪方案、几何因子校正方案、临界值标定方案以及气溶胶激光雷达比的廓线获取方案,并将之应用于特殊雾霾天气观测数据的处理。本文主要创新性内容包括以下四个方面:1.提出一种改善回波信号质量及提高低信噪比区域和近地面气溶胶后向散射系数反演精度的改进去噪算法。仿真与实验分析表明改进去噪算法得到的近地面气溶胶后向散射系数精度比传统去噪算法提高约4-10倍,并有效改善了实际探测高度。2.针对已有方法中对米散射通道迭代计算和不精确标定两项误差来源,提出了准确度更高的米散射通道几何因子校正算法和临界值标定算法。实验结果表明,新的几何因子校正算法对于气溶胶激光雷达比的估计误差更不敏感,比目前的主流校正算法的精确度提高2倍以上;改进的临界值标定算法对标定高度的选择依赖性更低,比传统标定方法的反演精度提高约10-14倍。3.提出一种采用迭代原理计算气溶胶激光雷达比廓线并精确反演气溶胶消光系数的反演方法。该迭代算法基于在大气后向散射系数和气溶胶激光雷达比之间推导出的反比关系,通过仿真和实测数据反演发现,可避免传统假设激光雷达比数值引起的不充分误差以及微分计算引起的不连贯误差,从而在近地面以及高浓度气溶胶层中获得更准确更连贯的气溶胶消光系数廓线。4.系统分析了雾霾情况下的高空能见度变化特征及雾霾的二维演变特征。根据之前提出的信号改进处理方法以MATLAB为工具编写了多功能的气溶胶反演软件界面,随后对北京市西北部(39°57′25″N,116°18′55″E)于连续两次的持续雾霾天气回波信号进行了多平台分析,发现高空能见度的变化趋势与PM2.5质量浓度的变化趋势相反,同时非雾霾天的高空能见度大约是雾霾天高空能见度的3-5倍。通过较高位置与较低位置高空能见度的延迟响应可得出污染物的垂直传输特性。此外,垂直雾霾参数(大气边界层、雾霾厚度和气溶胶光学厚度)和水平雾霾参数(高空能见度)之间的相关性可用于研究雾霾现象的二维演变机制。最后分析总结了不同雾霾水平的多参数特征。