温室气体大量排放对地球环境的危害较为深远,其中占据主导地位的是大气CO2,它是气候变化研究和节能减碳相关政策制定的主要对象,而准确探测CO2浓度变化是开展这些工作的基础,卫星遥感凭借其全球探测能力而具有其它技术不可替代的作用。大气中CO2含量低、梯度小,而气候变化等研究对大气CO2含量反演精度的要求高。因此,卫星CO2遥感关键问题在于探测的高精度,其中反演作为遥感的重要环节,则成为这一技术的关键。目前,卫星遥感反演存在着精度难以提高和结果不够稳定的问题,且未涉及大气CO2来源。本文针对大气CO2反演所面临的问题,从中波红外光谱特性入手,基于模拟分析和反演实验两方面进行探索,以提高大气CO2浓度反演精度和解决碳来源遥感问题。鉴于大气CO2在中红外波段处的强吸收对CO2含量变化较为敏感的特点,分析了 4.3 μm处的中红外波段辐亮度光谱特性以及气溶胶、温度、氧化亚氮和水汽等主要环境要素的影响,发现该波段基本不受气溶胶与地表的影响,主要光谱辐射来自于大气自身热发射,且具有非常明显的CO2吸收特征等规律。通过不同波段的特性对比,发现中红外相比于近红外波段,对不同高度层CO2浓度变化的敏感性不同,其在5～15km处较为敏感;相比于热红外波段,受水汽吸收的影响较小。鉴于中红外波段大气CO2的这些辐射特点,设计了基于中波红外的大气CO2反演算法。由于现阶段缺少实测的卫星中红外超光谱数据,反演采用基于仿真的光谱进行实验,结果表明,5～15km处的中高层大气CO2廓线与真值廓线的一致性较好。大气中13CO2含量的监测是区分碳排放是自然源还是人为源的重要依据,这种区分在气候研究上具有重要意义。研究发现,中波红外包含碳同位素13CO2的强吸收特征波段,并且该波段与12CO2波段是分离的。由于13CO2在大气中的含量较低,中红外较强的吸收特性能够很好地反映大气中13CO2的浓度变化。同时大气对流和环流作用,使得5～15 km的中高层大气13CO2与地表碳排放关系密切,中红外对这一高度大气的敏感性使其具有遥感探测13CO2的潜力。本文基于理论研究表明13CO2探测要求较高,如温度廓线精度需要满足高于0.03 K;氧化亚氮廓线精度需要高于5ppb;仪器的信噪比需要高于600[1]。通过13CO2浓度反演方法设计和模拟实验,优化了环境参量精度对反演结果的影响程度:温度增加1 K会带来约0.4 ppm的反演误差;30%的水汽廓线误差会带来约0.05 ppm的反演误差;N2O含量增加20ppb会导致反演结果增加约0.4ppm。这些结果是新一代卫星遥感探测和反演方法设计的重要基础。提高卫星遥感监测结果的应用能力,大气CO2反演精度和结果稳定性是关键性的问题。通过分析现有算法,发现反演结果的优劣在很大程度上取决于反演过程初始赋值准确性和反演所选通道光谱特性。本文采用算法协同与波段联合两种方式对反演算法进行了优化。在协同算法上,以我国大气环境为研究对象,根据中国区域特性差异对CO2廓线样本进行统计,构建了适合中国区域特征、具有代表性的样本集,并将统计反演得到的CO2廓线作为初始值代入物理反演方法中,形成统计和物理反演方法的协同算法。通过对高分5号卫星大气主要温室气体监测仪（GMI）遥感数据的反演实验,结果显示协同反演算法相比于单一物理反演算法的精度提高了 47.7%。在波段联合算法研究中,利用近红外与中红外波段对不同高度大气CO2浓度变化敏感性不同的特点,采取不同探测高度互为补充的方式,开展近红外与中红外波段联合反演0～15 km CO2浓度廓线的算法模拟实验。实验结果显示,波段联合通过提高光谱信息量与增强反演廓线约束,可以明显提高大气CO2浓度廓线的反演精度。