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甲烷(CH4)是大气中温室效应仅次于二氧化碳(CO2)重要温室气体，其浓度的增加会影响大气能量收支平衡和全球气候变化。相比于低覆盖率的地基观测，卫星遥感能够实现全球CH4浓度分布的监测。反演是解析卫星探测光谱，获取CH4浓度的重要手段。因此，对高精度反演算法的研究具有重要意义。 本研究耦合了LBLRTM(Line-By-Line Radiative Transfer Model)和VLIDORT（Vector Linearized Discrete Ordinate Radiative Transfer Model）辐射传输模式，建立了一套高精度正演模型，用于模拟太阳辐射在大气中的传输过程和计算大气状态参量的权重函数，此模型中考虑了大气成分吸收、分子散射、气溶胶散射和地表反射等过程对大气顶辐亮度的影响。基于超高光谱分辨率光谱仪的探测原理，建立模拟仪器探测模块，用于模拟星载仪器的探测光谱。 基于最优估计理论和信息理论，分析了反演波段，发现利用5990-6120cm-1波段有利于降低水汽对反演精度的影响。大气和地表敏感性分析实验表明水汽、温度、气溶胶和地表反照率等参数对CH4反演结果的影响超过了1％的精度需求，通过同步反演相关参数可以有效减小反演误差。在此基础上，耦合正演模型，建立CH4大气柱平均干空气混合比(XCH4)反演算法。此外，针对仪器光谱分辨率和信噪比等参数，分析反演误差，为未来仪器的设计指标提供参考资料。 利用日本GOSAT(Greenhouse Gases Observing SATellite)卫星的观测光谱数据，进行了反演实验，反演结果与GOSAT标准产品和TCCON(Total ColumnCarbon Observing Network)地基观测网结果进行了对比和验证，反演结果与GOSAT标准产品一致性较好。95％的反演结果误差在1％以内。通过对反演结果的分析，发现5个不同纬度站点上反演结果偏差范围为-0.2％～-0.6％，标准差为0.3％～0.9％;观测信息对太阳天项角变化敏感，当太阳天顶角小于60°时，反演结果受先验值约束较小，观测可以为反演提供有效信息。