作为地气系统能量交换的重要形式，地表长波辐射是地表辐射平衡的重要组成部分。在清晨、夜间或阴天时，地表长波辐射的强度一般大于短波辐射，是影响夜间地表蒸散的重要因子。在高海拔（如青藏高原）和极地地区，大部分时间段地表净辐射由长波主导，地表长波辐射是该区域物质和能量循环的重要驱动力和纽带。精准的地表长波辐射数据对地表、大气层顶模型的建立以及全球生态环境和气象气候的研究极其重要。卫星遥感能够提供空间和时间连续性的地表信息，为分析和定量化地表长波辐射提供新途径。目前已有相关的利用卫星数据估算地表长波辐射的方法，并取得了一定的效果。大多数关于长波辐射的研究集中于大气下行辐射估算，且多以晴空条件为前提，不同气溶胶类型和含量以及高空薄云对大气下行辐射反演的影响鲜为人们所关注。　　本论文首先分析了气溶胶对大气下行的强迫作用及对大气出射辐射和MODIS热红外通道亮温的影响，从理论上将晴天大气下行辐射反演模型拓展到沙尘气溶胶影响的大气条件下;根据不同性质的高空薄云对反演大气下行辐射的影响，构建了热红外通道亮温以及表征高空薄云性质的参数组成的模拟数据集，以此作为训练数据集，借助ANN和SVM机器学习法，发展了适用于高空薄云条件下的大气下行辐射估算方法，以提高特殊天气条件下的大气下行辐射反演精度。最后针对地表上行辐射能量分布的特点，建立了新的基于“分裂窗”算法的地表上行辐射反演模型;本论文的主要工作如下:　　(1)由于气溶胶散射、吸收机制的复杂性和异质性，目前还没有考虑各种气溶胶影响的业务化运行的大气下行辐射反演算法。本文在分析了多种气溶胶类型和含量对大气下行辐射强迫和大气出射辐射影响的基础上，提出了量化气溶胶强迫的方法。由于沙尘气溶胶影响长波辐射机制的特殊性，在利用其光学性质和大气水汽含量量化沙尘气溶胶长波强迫作用的基础上，建立了适用于沙尘气溶胶条件下的大气下行辐射估算模型。通过本论文的研究可显著提高沙尘气溶胶影响下大气下行辐射的反演精度，减少长波辐射应用中的不确定性。　　(2)高空薄云对红外辐射具有不完全通透性，地表信息部分被云削减透过云层到达传感器。由于云体温度极低，可明显降低传感器观测的星上亮温，加上其复杂的微物理学属性和多变的分布特征，对大气下行辐射的反演造成很大影响。通过研究不同性质（光学厚度、等效粒径、云顶高度）的高空薄云对热红外通道亮温的削弱作用以及对大气下行辐射的影响，利用小样本理论建立了基于ANN和SVM的高空薄云条件下的大气下行辐射估算方法。并利用SURFRAD站点实测数据对模型反演结果的精度进行检验，结果表明，两种算法模型基本达到瞬时长波辐射研究的精度，SVM算法反演得到的结果相对较好。　　(3)目前利用卫星数据反演地表上行长波辐射主要是参数化方法和混合模型。参数化方法相对稳定，但需要知道地表温度、宽波段发射率和大气下行辐射，由于地表温度和地表发射率的耦合性质，很难从地表观测的辐射亮度中分离出地表温度和地表发射率;另外，由于缺乏对辐射传输机制的了解和大气自身的复杂性，难以获取精确的大气下行辐射数据也对其精确估算造成困难。本文通过研究不同地表参量和大气条件下的地表上行长波辐射能量随波长变化规律，建立了一种新的基于“分裂窗”算法的地表长波上行辐射反演模型，该方法简单快捷，在实际应用中取得较好的效果。