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CO2是对全球变暖贡献最大的温室气体,人为活动产生的CO2排放是大气CO2浓度升高的主要原因。大气CO2浓度的变化反映了由人为和自然排放的CO2分子滞留在大气中的情况,可以作为全球碳盘点和衡量“双碳”目标实施情况的重要依据之一。温室气体卫星观测的大气CO2浓度数据以全球范围统一观测的优势为监测全球和区域大气CO2浓度变化提供了重要数据源。利用卫星观测数据“自上而下”反演温室气体排放量正在成为核算并验证“自下而上”人为排放清单的一种重要手段。目前在轨运行的大气CO2多源遥感观测卫星（GOSAT、OCO-2、OCO-3）提供了2009年以来大气CO2柱浓度（XCO2）数据。然而,这些卫星观测反演的XCO2数据存在多源数据不一致、时空不连续且分布不均匀的问题,限制了全球和区域人为CO2排放定量监测和减排效果评估等方面的应用研究。为了开拓多源遥感卫星观测“自上而下”的温室气体排放检测研究,本文针对多源卫星数据存在的问题,开展了长时序XCO2数据的归一整合方法和全球XCO2时空连续数据生成方法的研究,基于2009年4月～2021年10月GOSAT、OCO-2和OCO-3卫星观测数据生成了全球XCO2时空连续数据集（Mapping-XCO2）。本文利用Mapping-XCO2数据解析2009～2021年全球大气CO2浓度时空变化特征,在全球和区域不同空间尺度上研究大气CO2浓度升高的异常变化对人为CO2排放的响应特征。主要研究内容和结果如下:（1）多源卫星观测数据的偏差分析与时空地统计分析本文针对GOSAT、OCO-2和OCO-3在传感器敏感性、过境观测时间、时空分辨率和反演XCO2的先验信息等方面存在的差异,对比分析了不同卫星观测反演XCO2数据之间的偏差,并提出长时序XCO2数据一致性的整合方法,生成时空单位统一的XCO2数据集（3天/10 km）。受传感器衰减和数据精度的影响,GOSAT的XCO2数据相对于OCO-2和OCO-3数据具有较大偏差。不同卫星数据归一处理的结果显示2014～2019年GOSAT的XCO2变化量存在每年0.05 ppm的长期上升趋势。在此基础上,本文研究全球XCO2时空地统计建模与制图方法,对不同大陆区域的XCO2数据进行时空相关性分析和插值处理,生成2009～2021年全球陆地XCO2时空连续数据集（Mapping-XCO2,3天/1°格网）,并对数据集的精度进行验证。结果显示,格网XCO2插值的不确定性整体上小于1.6 ppm,Mapping-XCO2数据与Carbon Tracker模型模拟数据和TCCON地面观测数据对比的整体偏差分别为-0.01±1.14 ppm、-0.29±1.04 ppm。该数据集为研究全球大气CO2浓度时空变化特征和检测区域人为CO2排放提供了数据基础。（2）全球大气CO2浓度升高和人为排放的时空特征研究本文利用Mapping-XCO2数据解析全球大气CO2浓度时空变化特征,并与地面观测和模型模拟数据进行了对比分析,结合人为排放清单、陆地生态遥感参数和气象再分析数据,研究全球大气CO2浓度时空异常变化与人为排放的关系。结果显示,相对于人为排放每年平稳上升的趋势,卫星观测的全球大气CO2增长率呈明显年际波动变化,其变化趋势与地面观测的结果一致。大气CO2年平均增长率与ENSO指数呈显著相关,反映了年际波动变化主要与厄尔尼诺事件引起的自然生态异常CO2排放/吸收有关。受自然植被覆盖和大气风场传输的共同影响,研究发现全球XCO2季节变化空间格局具有纬度梯度特征。在剔除全球背景浓度后,XCO2异常值揭示了人为CO2排放和季节性生物质燃烧导致的大气CO2浓度升高1～3 ppm的时空分布特征。高人为排放的中国区域大气CO2浓度高于全球平均水平0.73±0.12 ppm,年平均XCO2与排放清单统计的人为排放量在省级尺度上呈显著正相关。（3）城市群大气CO2浓度变化对人为排放的响应本文聚焦中国城市群（京津冀及周边“2+26”城市、长江三角洲城市群）,利用多源卫星遥感数据和模型模拟的大气传输轨迹,研究区域大气CO2浓度变化增量的检测及其对人为CO2排放的响应。结果显示,Mapping-XCO2数据在两个城市群可检测到多年平均的区域XCO2增量分别为1.12±0.20 ppm、1.29±0.21ppm,冬季时期为2.27±0.31 ppm、1.85±0.36 ppm。利用高分辨率的OCO-2和OCO-3观测点数据在北京、天津、上海等大城市和铜陵-芜湖-马鞍山-镇江、南通-无锡-苏州等工业排放源密集分布地区可检测到6.69 ppm以内的局部XCO2增量。结合大气NO2和CO卫星观测数据、人为排放清单,统计分析了大气CO2和污染物浓度的变化与人为排放的相关性。在人为活动大幅度下降的新冠肺炎疫情（COVID-19）时期,研究发现京津冀区域XCO2异常值和大气NO2浓度的降低均小于长三角地区。城市尺度的XCO2异常值和NO2变化的协同分析结果揭示了京津冀和长三角城市群不同地区大气CO2浓度对人为CO2排放活动的变化响应特征。总结以上研究,本文提出了多源卫星XCO2数据的再分析与处理方法,生成了首套基于GOSAT、OCO-2和OCO-3卫星观测数据的全球XCO2时空连续数据集,并利用该数据集开展了全球和区域大气CO2变化检测及对人为排放响应的应用研究。在多源碳卫星数据应用方面,本文以中国城市群为研究对象,提供了卫星遥感检测的区域人为CO2排放和大气污染成分协同分析的研究案例,为多源卫星遥感数据驱动的区域人为CO2排放的估算研究提供了数据和理论基础。