微波辐射计作为空间被动遥感的主要载荷,其在海面风场、降雨率等海洋大气地球物理要素的探测中发挥着重要作用。极化微波辐射计作为一种新型的被动微波探测仪器,近年来,在我国也掀起了对其研究热潮,军民领域都有发射星载极化微波辐射计的需求。本文以极化微波辐射计地面应用需求为主导,对晴空下海面风场以及台风等恶劣气象条件下的海面风场和降雨率反演等科学问题展开研究,以期为我国极化微波辐射计的地面应用系统提供技术支撑。辐射传输模型是一个量化介质辐射能量的解析模型,其在星载微波辐射计海面风场反演和辐射计的交叉定标中有着广泛的应用。作者从大气微波辐射传输理论出发,利用现有成熟的大气吸收模式和海洋双尺度模型构建了一个适用于海面风场反演的参数化辐射传输正演模型,研究发现:在正演模型的计算中,偏差主要来自大气算法部分,频率越高,大气算法计算的偏差越大,不同频率的海洋算法偏差相差不大,在实际应用中,可以利用现场测量数据进行大气算法的偏差校正。此外,作者基于微波辐射传输模型和数值预报的再分析数据,开展了HY2扫描微波辐射计的星上交叉定标研究,分析了传感器观测亮温偏差特征和仪器工作性能的稳定性,提出了一个基于观测亮温的偏差修正公式。根据极化微波辐射传输理论,作者利用美国发射的全球第一个星载全极化微波辐射计WindSat的在轨实测数据反演了晴空下的海面风场、海表面温度、大气水汽含量以及云中液态水含量这四个海洋大气环境要素。研究结果进一步证实了星载全极化微波辐射计遥感海面风场的能力。利用混沌粒子群算法在求解多峰函数极值上的优势,对海面风速和风向进行了精确搜索。海面风向的反演精度一定程度上随着海面风速的增加而增加,针对这一特征,作者提出了一个带风速权重因子的圆中数滤波函数,结合数值预报模式做背景场,实施了最后的风向去模糊过程。与QuikSCAT的风向相比,WindSat反演的海面风向精度优于20o。星载微波辐射计的一个重要应用就是对灾害性天气的监测。在台风等恶劣气象条件下,利用低频通道（6.9和10.7 GHz）的垂直和水平极化亮温仍可以开展降雨下的海面风速研究;由于降水信号和风速信号在亮温中体现的较为相似,直接利用单一通道对风速进行反演往往会引入一定的不确定性。通过不同通道亮温组合方式,以期寻找到一种通道组合其可以最大限度地保留亮温中的风速信号而减少亮温中的降水信号,作者基于这个思路构建了两个与风速相关的亮温截断量W6H和W6V,利用这两个亮温截断量提出了一个反演台风海面风速的新模型。利用三种不同传感器（WindSat、AMSR-E和AMSR2）的6.9和10.7 GHz的水平和垂直极化通道亮温分别对风速反演模型进行建模和验证。模型反演精度高,与H*wind再分析风速以及机载SFMR的风速均具有较好的一致性;同时,典型台风或飓风的个例反演结果表明本文的台风海面风速反演算法可用于监测台风强度的动态变化特征。台风切线风向沿台风半径一周大约变化360o,对称区域风向存在着180o的相位差,这将使得WindSat观测到的TB₃出现正负号的转变,这预示着我们可以利用TB₃来反演台风风向。极化通道的观测亮温主要是经大气衰减的海表面辐射信息,几乎不含有大气上下行辐射的贡献,经过大气校正后的TB₃和TB₄可以用于台风海面风向的研究。实际数据分析表明:TB₃和TB₄随风向表现出了一定程度上的方向性变化特征。其中,10.7 GHz的TB₃在不同风速区间的峰值信号较为明显,当风速在20³0 m/s和30⁴0 m/s变化时,TB₃约有2³ K的峰值信号,10.7 GHz的TB₄有约1¹.5 K的峰值信号,且体现的风向信号主要由第一谐波系数主导。针对这一特征,作者建立了不同观测通道的风向谐波系数模型,并提出了一个反演台风海面风向的技术方案。典型飓风伊莎贝尔、费边和艾琳的风向反演结果与H*wind风向在总体上具有较好的一致性;受强降水和复杂海况的影响,部分海域的风向反演结果与H*wind的风向出现了一定的偏差。被动微波测量可以很好地描述雨滴的发射和冰晶粒子的散射信息,其在全球海面降雨的观测中发挥着重要的作用。在热带气旋控制的海面,即使在较高的风速下,降雨引起的卫星大气层顶部接收到的7.3和6.9 GHz水平极化通道间的亮温差总体上要大于海表面微波辐射的影响。当有一定强度的降雨发生时,7.3和6.9 GHz水平极化通道间的亮温差对一定范围内的降水变化（<25 mm/h）具有较好的敏感性,这在10.7和6.9 GHz以及10.7和7.3 GHz的水平极化通道间的亮温差中也有很好地体现。利用这一特征,作者定义了一个与降雨相关的降雨因子（WRH）,分析发现:当降雨率在0²5 mm/h范围内变化时,WRH的改变幅度约为28 K;在25⁶0 mm/h范围内变化时,WRH的改变幅度约为12 K。利用这个降雨因子,作者建立了一个快速高效的热带气旋海面降雨率反演模型,模型反演结果与GPROF降雨率的一致性较好,相关系数为0.98,均方根偏差优于1.19 mm/h,模型反演的最大雨率可以达到60 mm/h。超强台风夏浪、艾妮莎以及天鹅等降雨反演结果表明本文的降雨模型可以用于监测台风降雨的动态发展。