火星大气和气候研究是火星遥感探测的重要内容,水汽是火星大气的重要组成成分,也是火星气候的重要影响因素。人类自1977年首次观测到火星水汽存在之后,火星水汽探测一直备受瞩目。水汽本身是变化剧烈的痕量气体,伴随着温压和沙尘循环,水汽作为可凝结类型参与地气相互作用,影响火星气候循环。它的分布尤其是垂直分布,通过光化学反应和它产生的云的辐射效应影响其他大气过程。目前对火星水汽的研究工作主要通过火星轨道环绕卫星探测的红外数据开展,近红外1.35μm、中红外2.6μm和热红外20-50μm的水汽吸收通道均用来反演了火星水汽柱含量,其中热红外通道反演受沙尘气溶胶干扰最小,但需要已知准确的温度廓线信息。火星水汽研究的问题之一是目前已获取的水汽数据的时空覆盖不足以详细研究水汽循环的机理。作为2004年进入火星轨道,目前仍在轨运行的行星傅立叶光谱仪（Planetary Fourier Spectrometer,PFS）数据覆盖了水汽吸收热红外通道,但由于数据自身信噪比较差,加上火星先验知识不充足且准确度不高,致使水汽反演精度难以控制,限制了基于PFS数据的水汽反演应用。PFS观测数据空间上覆盖了水汽的可能来源火星极冠,而且数据获取时刻是变动的,为火星水汽日变化分析的提供了可能,因此提高PFS水汽反演算法精度以获取更多的火星水汽数据具有重要意义。在此背景下本文开展了基于PFS数据的火星水汽柱含量遥感反演方法的相关研究,针对PFS干涉图数据进行定标获取辐亮度数据,对PFS分析选取了水汽反演区间并分析水汽反演的影响参数,针对地表参数在水汽反演区间不同通道的敏感性确定了地表参数的计算方法得到地表温度和地表发射率信息,使用667 cm^-1中心通道反演了大气温度廓线进而反演了水汽柱含量。研究内容与成果如下:1)针对欧空局公布的PFS双边干涉图数据,优化了数据定标方法。首先对干涉图使用海明窗函数进行数据切趾来除去旁瓣效应以此减小数据噪音,但同时数据的光谱分辨率从1.3 cm^-1降到了2 cm^-1;之后进行相位纠正去掉相位误差的影响,同时考虑相位纠正方法的效率与效果的前提下选择绝对值法进行相位纠正;最后对傅里叶变换后的光谱灰度值进行数据定标,得到辐亮度信息,数据定标过程中考虑了仪器温度对定标精度的影响,生成了基于仪器温度的定标参数,提高了部分数据的定标精度。2)分析了火星大气和地表参数对PFS观测光谱的影响,确定了水汽反演通道,进而分析了火星大气和地表参数对水汽反演通道的影响。首先介绍了火星大气温度、压强和组成成分对水汽吸收谱线的影响。考虑到火星的季节与区域差异性,分别模拟了南北半球高纬、中纬和低纬地区的夏季与冬季的大气温度、大气压强和水汽垂直分布对水汽反演区间观测辐亮度的影响,发现大气温度和大气压强对PFS-LWC水汽反演通道的影响与水汽含量正相关,水汽含量越高影响越大。最后研究了不同季节的地表温度和地表发射率对观测辐亮度的影响,发现在缺少真实地表温度时,使用相近的地表温度通过水汽吸收带之间的通道调整地表发射率可以得到准确的地表贡献。3)实现了火星水汽柱含量反演。从欧洲火星气候数据库（EMCD）中获取待反演数据的先验大气参数,并针对PFS观测区域的高程与时间计算了待反演区域的火星地表压强。反演的前向模型选用了LBLRTM的行星模式,并将行星模式的重力、大气分子质量等参数值更换为了火星参数。由于单次PFS观测光谱的信噪比不足以反演水汽含量,因此将多次观测合成新的光谱以提高信噪比满足水汽反演的要求。使用合并后的辐亮度,通过水汽吸收带之间的通道估算了地表发射率,联合地表发射率与地表温度准确的消除了地表影响;基于15μm处的CO₂吸收波段基于贝叶斯最优估计法反演了0-50 km内垂直分辨率5 km的大气温度廓线;最后使用Levenberg-Marquardt算法反演了水汽柱含量。结果显示在不同大气状况下水汽含量反演都有较好的结果。4)将划分到5°*2.5°的季节*纬度网格内的PFS长波观测光谱合成新光谱,反演了5个火星年的火星水汽分布图,简单分析了火星水汽的季节变化与纬度变化,数据显示火星水汽循环具有明显的季节性和规律性。将PFS-LWC水汽反演结果与同纬度同季节的EMCD水汽数据和其他卫星（SPICAM和TES）的水汽反演结果进行了对比验证,结果显示反演的水汽与其他水汽产品揭示的水汽时空变化规律一致,水汽含量绝对值也很吻合,表明该反演方法可信。