臭氧,作为大气成分中的一种微量气体,对太阳发出的高能紫外辐射具有强烈吸收作用,从而成为保护地球上人类和其他生命体健康的重要屏障。工业革命后,随着人类对氟氯烷烃等化学物质的大量使用,臭氧与此类物质在紫外线的照射下发生光化学反应,造成高空臭氧大量消耗,从而形成了大面积的臭氧稀薄区。此现象在南半球极区尤为严重,部分区域臭氧几乎完全消失,形成了著名的“臭氧空洞”效应。臭氧空洞的出现,不仅造成了大量高能紫外辐射到达地表,对人类和其他生命体健康造成威胁。同时,臭氧的大量消耗改变了区域辐射收支平衡,进而导致区域气候的改变。随着蒙特利尔等协定的顺利实施,大气臭氧层在全球也开始逐步出现恢复态势,该恢复将导致新一轮的区域气候变化。因此,分析全球大气臭氧总量的长期变化趋势、预测未来大气臭氧总量的时空变化特征、探究大气臭氧总量变化对区域气候变化的影响机制,将对准确预测未来全球及区域气候变化并制定合理的气候变化应对措施具有重要的指导意义。针对上述内容,本论文开展了相关科学研究,并取得了一定的进展与突破。主要研究结果与结论如下：1)多源卫星紫外遥感反演的大气臭氧总量数据间存在显著的非线性和非稳态偏差,且此类偏差存在明显的季节和纬度分异。为了去除多源卫星遥感反演大气臭氧总量数据间的非线性和非稳态偏差,本研究基于累计分布函数匹配的原理,设计了一种能够高效去除此类偏差的误差订正算法。结果显示,该算法能够对观测到的非线性偏差进行有效订正,从而大幅提升多源卫星遥感大气臭氧总量数据间的一致性；2)为了分析全球大气臭氧总量在1979-2015年间的长期变化趋势,本研究选取了一种具有自适应特征的时间序列分析工具-Singular Spectrum Analysis,用以提取各个格点臭氧总量的十年际变化趋势；在此之前,本研究对比分析了SSA与另外一种类似的时间序列分析方法-Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD)的精度与稳定性,结果表明SSA较EEMD更加高效与稳定；基于SSA提取的十年际变化趋势及量化的年际臭氧总量变化速率,本研究发现全球大气臭氧总量在过去36年间的变化可以划分为3个阶段,即臭氧总量大幅下降阶段(1979-1994年)、过渡阶段(1995-2005年)和臭氧恢复阶段(2006-2015)；3)基于Dynamic Harmonic Regression (DHR)模型对未来臭氧总量变化的预测发现：在保持大气臭氧总量对蒙特利尔协定响应不变的前提下,北半球臭氧层将于2030年左右恢复到其1980年的水平；南半球臭氧层将于2040年左右恢复到其1980年水准；4)基于Maximum Covariance Analysis (MCA)和Extreme Learning Machine (ELM),本研究以观测到的南半球中高纬度带降水增加为例,模拟分析了南极臭氧空洞对区域气候变化的影响机制。结果发现：南极臭氧空洞是导致南半球中高纬度带降水增加的主导因素,同时,赤道区域海温异常波动也对该区域降水变化具有重要的年际调控作用。此外,气候模式模拟突出的二氧化碳等温室气体对南半球气候的影响在本研究中有所淡化,需进一步利用气候模式模拟研究予以确认;通过探究南极臭氧总量变化与南半球风场的变化,研究发现南极臭氧空洞对南半球气候的影响机制为臭氧空洞产生的辐射强迫改变了南半球大气环流模式,导致原大气环流模式逐渐向南半球高纬度区域移动,从而改变了区域气候；