在全球气候变化的背景下，陆地水循环也正在发生改变，精确模拟陆地水循环过程对全球气候变化预测和数值天气预报至关重要。陆面过程模型和站点/遥感观测各有优势和劣势，在资料同化(Data Assimilation，DA)或模型-数据融合(Model-Data Fusion，MDF)的框架内将观测和模拟结合在一起可以获得更为精确的地表通量和状态估计。本文以改进陆面过程本身的模拟能力为目标，以“参数化参数优化-再参数化”循环(PCR)这一陆面过程模型发展新思路为指导思想，开展了VIC陆面过程模型改进和基于L波段微波亮温同化的模型状态和参数同步估计等方面的研究工作，所取得的成果和主要创新点总结如下:　　(1)改进了VIC陆面过程模型地表通量计算方案和寒区陆面过程方案。本文将原始VIC模型中的单源通量计算方案修正为双源方案，在青藏高原安多站的数值试验结果表明，改进的双源计算方案能够有效提高VIC模型在该站的地表通量模拟能力。本文发展了一个不稳定层结条件下地表湍流交换系数的非迭代计算方案并将该方案引入到VIC模型中，该方案直接利用整体理查森数对湍流交换系数进行参数化，其结构与原始VIC模型方案中所采用的湍流交换系数稳定度修正方案十分接近;与理论的迭代计算方案和其他最新的非迭代计算方案相比，该方案具有较高的精度;在青藏高原安多站和甘肃敦煌站的数值试验结果表明，新发展的地表湍流交换系数非迭代计算方案能够有效提高VIC模型在不稳定层结条件下地表显热通量的模拟能力。本文通过引入土壤冻融判别时间窗口参数，新发展了一个土壤冻融方案，并将该方案引入到VIC模型中，在黑河阿柔站的数值试验结果表明，新冻融方案能够有效抑制原VIC模型土壤冻融方案所计算的未冻结水量在冻结期出现的过度日变化特征（即冻融日循环），提高了表层土壤水分和地表通量的模拟精度;同时，本文将CoLM/CLM和Ding等(2014)中的雨雪区分方案引入到VIC模型中，并在黑河流域上游开展数值试验，结果表明，新发展的冻融方案和Ding等(2014)的雨雪区分方案可以获得最好的冬季径流模拟精度。　　(2)构建了一个L波段微波亮温正向模拟系统。本文首先构建了一个多参数化方案L波段微波辐射传输模拟平台(MOLMEM)，该模拟平台中包括6种土壤介电常数方案，4种土壤有效温度方案和13种土壤粗糙度纠正方案。进一步，本文将MOLMEM和VIC模型耦合起来构建了L波段微波亮温正向模拟系统。基于SMOSREX-06数据集，本文通过离线和耦合试验开展了微波辐射传输模型中的不确定性评估研究，结果表明，裸土地表微波发射率和亮温模拟的不确定性主要来自于粗糙度纠正方案，不同的粗糙度纠正方案具有不同的偏差特征，且微波辐射传输模型中偏差可能与陆面过程模型中的偏差“相消”或“相长”。为了研究L波段微波亮温对耦合模拟系统中参数的可识别性，本文利用GLUE方法和三种基于方差分析的全局敏感性分析方法(FAST，eFAST和Sobol)分析了耦合模拟系统中的参数敏感程度，结果表明:在本文所选择的L波段微波亮温模拟系统中的15个参数中，VIC模型中计算水力导度的参数b、辐射传输模型中的粗糙度参数h、极化混合因子Q和粗糙度角度依赖因子Np为最敏感参数，各参数的相对敏感程度随入射角度变化而变化。　　(3)构建了一个能够同时同化土壤水分和L波段微波亮温、能够同时进行参数和状态估计的陆面数据同化系统。该系统所包括的顺序滤波同化算法有随机性的EnKF、确定性的ESRFs(包括ETKF，EAKF，EnSRF，SEIK和ESTKF)以及非高斯的PF，所包括的参数-状态同步估计方法有Joint和Dual两种方法。基于EnKF和Joint方案和SMOSREX-06数据集，本文开展了状态和参数同步估计数值试验，包括合成和真实试验。结果表明:在更新状态的同时更新模型参数，有利于提高同化系统的分析精度;同化H极化亮温的分析精度比同化V极化亮温分析精度高，同时同化H极化和V极化亮温可以进一步提高分析精度;除部分单参数估计试验外，同化微波亮温的分析精度比直接同化土壤水分的分析精度低。无论是同化土壤水分还是同化L波段微波亮温合成试验，土壤水力参数估计结果均能合理地收敛到合成的“真实值”，但参数收敛结果随待估计参数数量增大而变差，且系统随机误差对参数估计结果的影响会随着待估计参数数量增大和同化次数增多而逐渐显得突出。由于辐射传输模型的偏差，真实试验中土壤水力参数估计结果不确定性较大，但土壤水分分析精度仍然得到提高。