温室气体排放引起的全球气候变化已经成为人类最关心的环境问题。对于各类陆地生态系统主要温室气体浓度的变化规律，碳源与碳汇的分布规律研究，是了解当前全球气候、环境变化发展规律的重要途径。近地面地气间动量、热量和水分的交换是地圈-生物圈-大气圈能量交换的主要形式。对这些交换特别是显热通量和潜热通量交换的定量认识，对天气气候预报、农业生产和水资源管理等意义重大。　　 为了满足近地面水热通量和痕量气体通量的连续监测的需要，论文开展了基于开放光路的光学遥测方法研究，采用了大口径闪烁仪、开放光路可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)与折射法近地面大气温度梯度测量仪三种仪器相结合的方法，最终反演出水热通量和碳通量。光学遥测方法具有区域代表性大、对湍流运动不造成扰动、响应速度快，能够同时测量水热通量和痕量气体通量等特点，是测量复杂非均匀下垫面物质通量的新方法。　　 首先，介绍了光学遥测方法所需的大气光闪烁理论、相似理论和开放光路TDLAS原理，对三种仪器的性能指标进行了介绍；其次，根据三种仪器的特点，提出了适合大区域联合反演通量的模型，并对反演算法进行了研究；接着对反演模型中的关键问题进行了研究，用实验和理论分析的方法证实了模型中假设条件成立的合理性，对计算中的所需参数进行了计算，分析这些参数对模型的影响大小，并根据大气湍流的特性，对开路TDLAS的仪器结构和性能参数进行了理论分析；最后在河南封丘对复杂下垫面水热和碳通量光学遥测方法进行了外场试验研究，成功反演出该农田小气候的显热、潜热和碳通量，应用该数据对该生态系统能量平衡问题进行了研究，结果表明空间平均光学遥测仪器能够改善能量闭合率，同时对农田碳通量进行了分析，给出了碳浓度的日变化和浓度廓线，并对碳通量和水热通量的内在关系进行了分析。　　 实验表明，所研制的光学遥测技术系统能够满足区域通量水热和碳通量的反演要求，为研究区域水热平衡和碳源碳汇的分布提供了新的技术手段。