数十年来,人类活动导致大气中的温室气体和污染物浓度急剧增加,温室气体特别是二氧化碳的大量增加对全球气候产生了重大影响。目前,人们对二氧化碳的温室效应是引起全球变化的重要因素这一观点,已达成共识。因此,加强对全球碳循环的科学观测和机制理解具有十分重要的意义。然而缺乏准确、可靠的陆地生态系统碳通量测量资料极大地阻碍了人类对碳循环机制的理解,同时也难以使各国在碳减排议题上达成共识。因此,只有对二氧化碳气体的人为、自然源汇进行准确的、完整的测量,获得长期的、有效的观测资料,才能支撑后续的分析和归纳研究,以期获得对全球碳循环的最准确的认识。就现有的技术手段而言,地面或机载测量观测站点探测精度较高但分布稀疏,基于大气传输模型的针对大陆内部的碳通量估算结果具有很高的不确定度。被动卫星遥感(SCIAMACHY、TES、AIRS、IASI、GOSAT、OCO-2 和 TANSAT)能够获得稠密的CO2观测资料,在一定程度的提高了人类对全球CO2分布的了解,但是也暴露一些明显的缺陷。而差分吸收激光雷达技术探测大气组成分气体,在探测机制上能有效弥补被动卫星观测缺陷,能供更精确估算碳通量,对碳循环研究做出更重要的贡献。然而,目前国际上关于主卫星遥感的发展尚处于初步阶段,美国NASA前沿技术实现机载多波长差分吸收激光雷达系统的样机研制并获得了较为成功的实验,但星载激光雷达系统研制困难且反演过程会因为大气温度压强的分布变化而产生误差。基于此,本论文主要做了如下方面的工作:(1)提出了被动卫星观测大气二氧化碳浓度数据的验证和对比方法。由于目前在轨温室气体卫星GOSAT和OCO-2卫星探测机理的限制,观测资料XC02数据反演准确度有待考量。针对XC02浓度在不同纬度带、不同地表条件分布特征的不同,利用地基TCCON观测网数据,做了完整的验证和对比工作,评估了被动卫星在不同观测模式、不同纬度带、不同地表覆盖下观测数据大气二氧化碳浓度的精度和准确度,获取了准确的评估数据。同时利用多源遥感数据(再分析气象数据,MODIS地面参数等),分析卫星探测二氧化碳精度和准确度对于大气与地面多种参数的敏感性,为提供数据校正方法提供有效资料。(2)提出了星载多波长差分吸收激光雷达反演大气二氧化碳浓度的方法。基于双波长差分吸收激光雷达探测大气二氧化碳的技术,提出了改进的多波长差分吸收激光雷达反演方法。此反演方法能够在满足一定条件的信噪比和波长数量上,反演获取高精度的二氧化碳柱浓度和分层廓线浓度。通过修改信噪比和实验波长数量,对比模拟实验结果,评估了改进的多波长差分吸收激光雷达反演方法的性能。模拟实验反演数据准确度在0.07 ppm以内。对比其他的多波长反演算法有更准确更精确的实验结果。(3)提出了结合多种环境遥感参数,对卫星大气二氧化碳浓度数据的的空间分布和变化进行成因分析。首先,进行了 GOSAT与OCO-2卫星共同观测期的观测数据对比。分析两颗卫星在全球探测大气二氧化碳浓度分布的差别,包括空间覆盖率、不同地表观测数据偏差等。然后利用卫星长期观测数据,对全球大气二氧化碳浓度分布和变化进行了分析。最后结合卫星同步反演的叶绿素荧光数据,以及其他多源遥感数据(如土地覆盖、植被总生产力等),全球尺度和中国地区上分析二氧化碳时空分布、季节变化特点,并分析了二氧化碳浓度和植被荧光变化等其他反映植被的参数之间的相关关系。(4)最后,总结了本文所有工作,并根据研究内容对主被动卫星联合二氧化碳观测研究的下一阶段工作提出了新的要求和展望。