大气CO2浓度上升是全球变暖的主要原因,而陆地生态系统每年大约吸收全球人类活动排放CO2的四分之一,对减缓大气CO2浓度上升具有重要的作用。受人类活动和气候变化的影响,陆地生态系统碳通量具有强烈的时空变化,准确计算陆地生态系统碳通量是认识全球碳循环过程、预测未来气候变化的前提。本论文针对陆地生态系统碳通量估算存在较大的不确定性这一问题,开展北美陆地生态系统碳通量优化计算研究,发展利用大气观测数据（包括羰基硫OCS和CO2浓度）优化计算区域陆地生态系统光合和呼吸碳通量的方法,结合遥感等数据分析其时空变化特征和对干旱的响应。主要研究内容和成果如下:（1）构建了 CTDAS-Lagrange区域大气碳同化系统在 Carbon Tracker Data Assimilation Shell（CTDAS）框架和卡尔曼滤波平滑同化算法基础上,耦合WRF-STILT拉格朗日粒子扩散模型,构建了高精度和高计算效率的区域大气碳同化系统。该系统不仅优化陆地生态系统碳通量,还对影响碳通量优化计算的区域侧边界条件进行了同步优化。基于观测系统模拟实验和实测数据同化实践,验证了本系统发展的用于通量调节的“加性”膨胀因子在优化生态系统与大气之间碳净交换通量（NEE）时较“乘性”因子具有更好的灵活性。基于模拟数据同化实验与一系列的系统敏感性和不确定性分析试验的结果表明,构建的碳同化系统能有效降低侧边界条件的误差和控制生态系统先验碳通量带来的不确定性。在敏感性和不确定性分析的集合估算结果基础上,得出2010年北美地区陆地生态系统为碳汇,NEE总量为-0.92到-1.26 PgC/yr,该结果与其他大气碳同化系统估算北美地区的结果相近。（2）基于大气OCS和CO2浓度数据的北美2007-2011年陆地生态系统光合和呼吸碳通量优化以及OCS输入通量导致的不确定性分析利用构建的区域大气碳同化系统,进行了仅同化OCS的试验,分析了地表通量输入数据对同化结果的影响。结果表明,优化的GPP对先验植被OCS通量具有较低的依赖性;利用四种不同的土壤通量数据导致GPP优化结果的差异可达67.3%,平均可达42.9%;利用两种人类活动通量数据导致的GPP优化结果的差异达到19.1%;两种海洋OCS通量数据导致的GPP优化结果的差异为7.5%。在此基础上,发展了联合同化OCS和CO2两种观测数据优化计算陆地生态系统光合（GPP）和生态系统总呼吸（Reco）碳通量的方法,分析了两种信号在联合同化中的作用。结果表明,OCS在联合同化中起主导作用;优化的GPP与基于站点通量观测-遥感数据升尺度方法估算的FLUXCOM/MTE-GPP、利用GOME-2日光诱导叶绿素荧光（SIF）优化的GPP数据（GOPT）的季节变化幅度较为接近;优化的美国玉米带夏季GPP峰值的空间分布与VPM和CASA-GFED模型结果、植被SIF遥感和GOPT数据具有很好的一致性。进一步测试发现,同化OCS数据能有效纠正BEPS模型对美国玉米带夏季GPP的系统性低估;与FLUXCOM/MTE-GPP和GOPT数据相比,利用OCS观测数据优化的GPP具有更合理的季节和年际变化特征;优化的Reco的空间分布和季节变化幅度与GPP相似,与FLUXCOM的Reco估算结果在季节变化幅度上具有较好的一致性,但空间分布差异较大。（3）揭示了北美陆地生态系统碳通量的年际变化及其对主要极端干旱事件的响应特征集成大气碳同化系统和陆地生态过程模型结果、FLUXCOM数据、气象、水文和植被遥感多源数据,协同分析了近十年北美陆地生态系统碳通量年际变化及其对干旱的响应。以2008-2010年的平均值作为参考,在2007-2014年间北美GPP和Reco分别呈现0.09±0.26PgC/yr和0.12±0.19 PgC/yr的增长趋势,但生态系统净碳吸收（NEP,NEP=GPP-Reco,NEP=-NEE）略有下降,幅度为-0.03±0.08 PgC/yr。重点剖析了 2011年和2012年北美地区极端干旱事件对陆地生态系统碳通量的影响,结果发现,2011年和2012年干旱都导致北美地区NEP出现幅度相近的明显负异常,但原因迥异。2011年干旱导致区域NEP负异常的原因是GPP的下降（-0.17PgC/yr）和Reco的上升（+0.07PgC/yr）;而2012年的干旱及其发生前的暖春导致GPP和Reco分别上升了 0.31 PgC/yr和0.48PgC/yr;暖春导致的NEP增加能部分抵消后续干旱所导所致的NEP下降,但是暖春也会引起生态系统水分的提前消耗,从而加剧后续夏季干旱对生态系统净碳吸收的不利影响。不同生态类型系统NEP对干旱的响应存在差异,2011年和2012年北温带农作物与草地的NEP明显低于常年值,而东部森林这两年NEP与常年值接近。