大气边界层的垂直分层对大气-地球圈层相互作用具有重要影响。这里的地球圈层包括人类活动、生物圈、水圈、冰冻圈和固体地球等。大气边界层的状态对于地球和大气之间的交换过程至关重要，因为大气边界层的分层可以阻碍或改变能量、动量、湿气和微量物质等的垂直和水平传输。因此边界层的分层结构（如大气边界层高度和混合层高度）决定了许多大气模式过程，尤其是对流过程。这些过程对湍流的描述以及对污染物的混合（例如气溶胶分布、对流活动以及云雾形成）至关重要。大气垂直分层的检测研究是研究边界层的主要任务之一，所以本论文主要讨论大气边界层的垂直结构及其演化。
　　边界层高度可以通过探空数据得到，但是探空数据一天一般只有2到4个数据，时间分辨率不够，没有办法反演边界层高度一天的连续变化。边界层高度也可以通过气溶胶数据反演得到。但是罗涛等人指出尽管基于气溶胶的方法在海洋上表现良好，但气溶胶结构通常无法在陆地上提供可靠的边界层高度。对于混合层的高度，可以用垂直风场数据得到，但是传统的固定阈值方差方法在湍流较强时较高而在湍流较弱时较低，并且无法解决存在垂直波时混合层高度的误差问题。由于目前能提供全天候拉曼激光雷达水汽数据的站点不多，并且需要其他相关配套探测（如探空数据、垂直风场数据）等很全，所以本文选择位于俄克拉荷马州中北部的南部大平原站点的多普勒激光雷达和拉曼激光雷达数据作为本文的主要数据来源。本文的主要内容是采用南部大平原站点的数据解决以上算法的问题，并做了一些统计探索:
　　首先，我们基于拉曼激光雷达的水汽数据，使用改进的Douglas-Peucker(DP)算法来反演得到边界层高度。本文首次使用拉曼激光雷达水汽数据来反演多年的边界层高度变化;提出了阈值算法、斜率法和DP算法相结合的优化算法反演边界层高度，并将其结果与探空数据进行比较，结果显示基于拉曼激光雷达探测的边界层高度和探空数据吻合的较好。
　　其次，使用多普勒激光雷达探测的垂直风场数据，通过使用方差和小波算法相结合来反演得到混合层高度。本文提出了一种基于传统方差算法的动态阈值方法，但是这种方法不能解决存在垂直方向波时混合层高度的误差问题。进而改进了动态阈值方法，可以有效的鉴别出垂直波的存在，但得到混合层高度不够平滑。为此我们提出了一种小波算法来计算混合层的高度，结果显示小波方法可以得到准确的混合层高度，但是当湍流的涡流尺度过大时，大尺度涡流可能也被过滤掉，从而造成误差。在此基础上，我们利用小波算法下不同涡流大小的湍流能量分布不同的特性区分大尺度湍流和小尺度湍流，然后在小尺度涡流时用小波算法，在大尺度涡流时用改进的动态阈值法，这样可以最大限度的准确反演出混合层高度。因为湍流的涡流尺度分布对气象学中的模式研究特别重要，我们采用快速傅立叶方法研究了湍流的涡流尺度分布。
　　然后，在以上改进算法工作的基础上，本文利用南部大平原站点拉曼激光雷达和多普勒激光雷达的长期观测数据研究了不同天气条件下边界层高度和混合层高度的日变化，结果显示在晴朗天气下混合层的抬升速度比有云天快;在晴朗天气下日出后混合层高度会迅速抬升和边界层一致，然后混合层和边界层高度一起变化等现象。统计了温暖天气下周平均边界层高度和混合层高度的日变化规律，结果显示混合层的持续时间和起始时间和日照时间一致;夏中边界层高度的日变化比初夏和夏末的边界层高度日变化小等现象。
　　最后，虽然激光雷达技术一直在不断发展，但目前还有很多不足的地方，比如拉曼激光雷达回波信号很弱，白天探测信噪比低，为此本文提出外差放大拉曼激光雷达的技术方案，该方案利用种子光在本地激发本振的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号并通过声光调制器移频后与大气回波信号进行相干探测，此方法在原理上可以大大提高探测的信噪比。另外介绍了可以同时测量大气多种参数的频率梳激光雷达、采用频率梳光源一次性测法布里-珀罗标准具透过率曲线的方法、采用微流芯片中回音壁模式光源测量法布里-珀罗标准具透过率曲线的技术和采用回音壁模式光源测量法布里-珀罗标准具偏振特性的技术。