对净辐射通量（Rn）、土壤热通量（G）、感热通量（H）和潜热通量（LE）等地表能量平衡分量的观测和研究,在陆面过程模式模拟和气候预测,解决气象、环境、农业、社会和经济等问题中占有极其重要的地位。地球表面能量和物质交换影响着区域气候格局以及气候变化过程。净辐射通量（Rn）是地球表面的主要能量来源,从能量平衡角度理解,它主要作用于以下几方面:一部分能量用于加热空气,被称为感热通量（H）;一部分能量参与蒸散发过程,用于水体蒸发和植物蒸腾,这部分能量被称为潜热通量（LE）,剩余部分能量进入土壤,被称为土壤热通量（G）。除此之外,还有少部分能量以对流和蓄热的形式储存于土壤上层和植物中。统一地表通量观测数据的标准是非常重要的,而涡度相关仪（EC）和大孔径闪烁仪（LAS）是当前公认的通量精确观测技术。当前该方面研究被广泛关注的问题和挑战包括:1)地表能量平衡分量的动力学问题;2)地表能量平衡不闭合问题,这还没有解决;3)生态系统中的能量分配问题,4)卫星观测的地表通量在区域和全球尺度上的验证问题。基于这些问题,本研究的主要目标可以概括为:1)对当前基于地面观测和遥感反演的地表能量平衡分量估算方法进行归纳总结;2)利用长期的通量观测和微气象资料,对半干旱生态系统的华北地区其能量和水汽通量的季节性和年际变化进行评估;3)探究能量平衡闭合问题,并揭示地表能量平衡不闭合现象的成因;4)探究能量分配与天气条件和季节性的关系;5)基于遥感数据对中国西北区域的地表通量进行区域尺度估算,利用LAS、EC等观测仪器进行验证,并探究不同下垫面对通量估算的影响。本研究在文献综述部分对已有的估计方法和模型研究进行了评述,阐明它们的优点、不足。讨论了能量通量估算中的不确定因素和进一步研究的一些关键方向,包括区域和全球范围内地基观测的现状以及为更精确地量化地表能量平衡分量而出现的遥感监测技术。现有文献研究表明,进一步发展全球卫星遥感观测和地面测量网络技术,有助于提高地表能量平衡参数估算能力和全球水资源和能源循环监测能力,推动环境科学研究的发展。在数据收集、处理和分析部分,本研究利用2014-2015年通量气象观测资料,评估了中国华北半干旱农业地区的季节性和年际地表能量通量的变化,分析了该地区能量闭合状况,探究了能量平衡不闭合原因及能量分配情况。通过最小二乘法（OLS）和能量平衡比率法（EBR）对湍流通量和有效能量进行回归分析,研究该地区能量平衡闭合特征。结果表明能量平衡闭合程度在0.63～0.78之间,平均闭合程度为0.74,计算出的基于逐日数据能量平衡闭合程度优于基于30分钟平均值数据的结果。造成能量平衡不闭合的主要原因包括:1)对蓄热条件（土壤和冠层）的忽视,结果表明它对能量平衡闭合程度影响约7%;2)植被和地表非均质性的影响;3)对流影响了能量平衡,使得能量闭合程度降低,这点也是本论文的一个新发现。采用残差法和两种比值法（感热通量/净辐射通量和潜热通量/净辐射通量）对能量分配进行了研究,结果表明,感热通量在干旱期占主导地位,潜热通量在湿润期占主导地位,它们主要由水资源、植被和天气条件所决定。能量分配的结果也暗示研究区域没有干旱的危险。在模型应用和验证方面,本研究关注基于遥感数据的感热通量和净辐射通量估算和验证。主要利用2015年5月到9月期间的TERRA-MODIS数据和气象观测数据,对中国西北区域三种不同的地表覆盖类型进行验证,并在区域尺度上估算了感热通量和土壤热通量的空间格局。将遥感反演的感热通量值（MODIS＿H）与大孔径闪烁仪测得的感热通量值（LAS＿H）和涡度相关仪测得的感热通量值（EC＿H）进行比较。MODIS＿H相对于LAS＿H的均方根误差（RMSE）在高寒草地上为31.63 W/m2,在农田上为44.07W/m2,在混合林上为112.98 W/m2。5-9月均值和标准差表明,遥感反演的感热通量结果MODIS＿H在高寒草原上为中度高估但离散较小,在农田上略微高估且离散较小,而在混合林上高度高估且离散较大。较大的均方根误差和高估的误差主要来源于植被非均质性、高风速、复杂热力学状态的粗略计算和表面发射率的近似计算。基于卫星数据（TERRA/MODIS）建立了遥感地表能量平衡模型,并对净辐射通量（Rn）进行估算。结果表明,基于遥感数据估算的净辐射通量与实测结果吻合较好,在研究区上游站点平均相对误差为9.33%,中游站点平均相对误差为13.95%,下游站点平均相对误差为11.63%。此外研究区净辐射通量的空间分布格局与观测结果也具有很好的一致性。这些结果对于揭示生态系统中地表能量平衡特征和能量分配过程具有重要意义,对基于遥感获得不同地表覆盖类型下能量通量估计和验证方法也提供参考依据。