冰晶粒子虽然只占悬浮的水汽凝结体的很少部分,但它强烈影响地球辐射平衡和气候,以及云电极化和降水,是当前科学研究的重点。初始冰晶的形成是一种核化过程。目前冰晶的核化理论并不完善,特别是异质核化过程,受气溶胶和大气环境的影响。大气中冰晶形成过程极其复杂且未被完全认知,其内在的实际主导机制以及环境条件,气溶胶特征和冰晶进一步增长之间的清晰联系并未建立。当前对云内冰晶形成的外场观测很少,特别是初始的冰晶形成过程缺乏有效的观测手段。激光雷达作为一种先进的大气主动遥感手段,被广泛用于大气探测。激光雷达具有非常高的时间和空间分辨率,且相对于其他主动遥感手段是唯一能识别气溶胶的仪器。地基激光雷达对于固定目标区域持续探测的能力,使其对于初始冰晶的形成过程研究是最适合的手段。本论文利用武汉大学三套地基激光雷达系统结合常规的无线电探空仪对武汉上空的冰晶形成事件进行了分析。这是世界上第一次云内初始冰晶形成过程的观测,展示了从液水增长到初始冰晶形成过程级别的图像,以及初始冰晶的形成位置（位于云顶）,为自然大气中冰晶的形成过程提供了新的认知。论文研究内容主要包括:1)简单介绍了大气中冰晶核化过程,并总结了当前不同研究者提出的各种核化机制,表明了冰晶形成的外场观测对研究冰晶核化过程的重要性。分析了对云观测常见方法的优缺点,表明了地基激光雷达在当前初始冰晶形成过程研究中的适合性,是飞机原位测量以及微波雷达主动遥感无法比拟的。2)介绍了当前研究所用的仪器和数据。偏振激光雷达超高的时间和空间分辨率（1分钟和30m）,可以提供消光系数和后向散射系数等光学特性和云相态信息。高精度的水汽拉曼激光雷达可以提供层内详细的水汽信息。此外,谱分辩拉曼激光雷达作为世界第二台全水谱激光雷达提供了独有的液水信息。这三台地基激光雷达结合武汉地区常规无线电探空仪的温度和相对湿度数据为气溶胶/液水层内冰晶形成过程提供了比较全面的光学特征和气象信息。3)估量了多次散射效应对云内退偏比的影响。多次散射会引起退偏比随激光在云内穿透深度增加而增加,且视场越大,多次散射引入的退偏比会越大。基于传统的蒙特卡罗方法,利用我们观测相关的数据计算发现液水云里的退偏比随激光的穿透深度增加而逐渐平滑增加,且有一个最大值～0.2。此外,在其他激光雷达站点的观测也表明多次散射对小视场激光雷达（～1mrad）引入的退偏比增加不超过0.1。因此,在当前研究中退偏比大于0.3是冰晶出现的标志而不是多次散射的影响。4)基于3年的激光雷达常规观测数据对武汉上空捕捉到的9个缓慢上升的气溶胶/液水层里的冰晶形成过程进行了研究。分析表明,这些气溶胶/液7J水层全部出现在冬天,高度位于2-4km处。每个层最初都是几乎光学透明的且后向散射比远小于7.0,退偏比小于0.03。伴随着层的高度有一个轻微的抬升且层内水汽和液水含量逐渐增加,层的上部逐渐变成了一个几乎不透明的液水云,当液水含量增长到非常高的时候冰晶在云层的高边缘突然形成了。这些新形成的冰晶可能来自于液水滴的冻结。结合同时观测的无线电探空仪,发现冻结温度在-3到-80C,并且气溶胶/液水层（和随后生成的云层）总是位于逆温层以下。对于两个长时间存在的（>16小时）事件详细分析还表明,冰在层内形成之后伴随有降雨产生。