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在大尺度天气诊断、数值天气预报和气候变化研究中的一个主要问题是地面和无线电探空常规观测资料的匮乏，卫星遥感观测在很大程度上解决了资料的不足。尽管有些气象卫星数据的空间分辨率或时间分辨率较低，但同常规观测或飞机观测相比，因其可提供各种时间和空间尺度上的连续和均匀的观测数据，而具有其它观测手段无法替代的优势。本文利用Aqua卫星上的高光谱红外探测仪AIRS提供的辐射资料，综合利用MODIS云检测、云相态等辅助资料，开展大气温度廓线、湿度廓线、云顶参数和云微物理特性参数的红外反演研究。
AIRS高光谱红外探测具有通道多、数据量大和信息量丰富等特点。虽然这种新型的高光谱数据信息含量丰富，但是仪器的各个探测通道之间存在很强的相关性，因此本研究在分析AIRS高光谱红外数据的光谱特征的基础上，选择部分AIRS通道参与大气参数反演，建立基于AIRS/MODIS卫星观测资料的大气温度和湿度廓线的物理反演方法。本研究充分利用高水平分辨率(星下点为1公里)的MODIS云检测产品对每个AIRS视场(星下点为13.5公里)进行云判释，建立晴空条件下单个AIRS视场的大气参数物理反演方法，得到了较高精度的反演结果。美国ARM计划野外观测场地的AIRS数据反演试验表明：由物理反演方法得到的大气温度、湿度廓线与RAOB常规观测资料吻合很好，在850hPa以上，温度反演的RMS误差均小于1K，但是近地面层的温度反演精度相对较差，而相对湿度的反演精度基本上在10﹪之内。由大气温度和湿度反演廓线经辐射模式计算得到的亮温与实际的卫星观测亮温很接近，亮温残差与AIRS仪器噪声相当。反演试验还显示大气温度和湿度水平反演场与ECMWF数值预报模式的分析场具有很好的一致性。在部分有云的情况下，采用本论文建立的大气参数物理反演方法，对经过晴空云订正处理后的AIRS辐射观测资料(由AIRS科学小组提供)开展大气温度和湿度的反演试验，近地面层的温度反演精度达3K，其它层次上的误差也在1-2K之间，湿度反演误差在10-20﹪之间。这与同时期、同区域的AIRS标准产品的真实性检验反演精度相当。由于引入经验正交函数，本研究的物理反演结果比AIRS科学小组的标准产品更好地反映出大气廓线垂直结构的细微变化。
本研究利用有云时的红外辐射传输快速计算模式，开展了高光谱红外辐射对云粒子有效尺度、光学厚度和云顶气压等参数的敏感性分析研究试验。相对而言，云粒子有效尺度的敏感性更强一些，特别是在790-970cm-1之间的大气窗区，亮度温度曲线的斜率随粒子有效尺度不同而发生明显变化，显示出高光谱红外辐射资料含有丰富的云信息。利用MODIS云检测、云相态等辅助资料确定AIRS视场的云信息状况，建立单个AIRS视场的云顶气压、有效云量、云粒子有效尺度和光学厚度参数的反演模式。利用有限的激光雷达实测资料直接检验卫星云参数反演的精确程度，结果显示卫星反演云参数与激光雷达HSRL的实测数据较吻合。与此同时，还采用正演辐射传输模式间接验证云反演结果，对于大多数通道而言，亮温残差在1.5K之内，这表明辐射传输模式计算得到的亮温与实际的卫星观测亮温很接近。
本研究开展了高光谱红外卫星观测资料的光谱特征分析和敏感性试验，在此基础上，建立晴空大气情况下的大气温度和湿度廓线的物理反演方法和有云大气时的云顶参数和云微物理特性参数反演方法，并利用实测资料对反演结果进行真实性检验，显示出反演参数的准确度和AIRS资料的丰富信息量。