为了研究气候变化，并最终预报天气，利用卫星红外资料反演大气参数以及表层温度一直是国际上研究的难点与热点。本文采用物理反演-牛顿非线性迭代法，根据辐射传输方程进行求解大气温度、水汽廓线和表层温度，在反演中同时引入偏差原则最优化选择光滑参数以提高反演速度和精度。首先对MODIS图像进行云的去除以及海陆像元的识别分离，然后讨论了正演问题并对MODIS红外通道敏感性分析，最后将该反演方法应用到MODIS红外资料中反演得到大气温度廓线、大气水汽廓线、K指数、抬升指数、全总指数、500hpa和850hpa温度场、露点温度场、温度露点差和大气可降水量等大气参数和表层温度。　　 反演的温度廓线最大均方根误差不超过1.7 K，反演的水汽廓线(采用物理反演法)均方根误差小于采用统计回归反演法的均方根误差，水汽的误差由反演前(统计回归法)的17.2％降到反演后的11.8％，精度提高60％。反演的表层温度能较好的示意地区地表温度变化，与NASA MOD07产品和风云FY2C产品相近；反演的K指数、抬升指数和全总指数能够较好的示意地区大气层结稳定度；反演的500hpa和850hpa层面上地区温度露点差分布也能够较好的示意地区大气饱和度，反演的大气可降水量分布与NASA MOD07产品相似，这些说明反演结果是准确和可靠的，反演的这些大气参数为天气预报、热力学分析和气候研究提供了重要的参考依据。　　 本文工作为我国未来卫星红外数据产品开发提供了算法储备，具有实际的应用价值。