次网格尺度陆面水文过程在内陆水循环系统中的作用和影响机制一直是水文气象研究领域的热点问题。一方面,陆面水文过程是陆地水循环系统中最为重要的组成部分,调节着陆面和大气间的物质、能量、水分和生态的平衡,也与多变的天气现象、复杂的洪涝灾害息息相关。另一方面,随着计算机技术和观测条件的飞速发展,天气模式分辨率迅速提高,高分辨率模式可以更加精确地预测中小尺度降水系统的发生和发展,同时,非均匀下垫面引起的热力和水汽变化过程也变得越来越重要。而次网格尺度陆面水文过程是模拟非均匀下垫面条件下的大气降水系统所不可忽略的因素,因此,合理描述次网格陆面水文过程对深入理解水文-大气相互作用的机理和改进水文气象预报至关重要。本文围绕淮河上游流域内次网格尺度的陆面水文过程,使用高分辨、分布式、显式物理过程的陆面水文模式作为主要研究工具,从四个方面研究了陆面水文过程的变化在内陆水循环系统中的作用规律。第一部分,基于水文参数的不确定性,探讨陆面非均匀性对水文过程的影响作用;第二部分,通过水文集合预报的后处理方法,研究提高流域径流过程可靠性的有效方案;第三部分,从水文-大气耦合过程的短期气候特征角度,研究次网格尺度陆面水文过程与大气系统的相互作用特征;第四部分,选取典型降水天气过程个例,研究水文-大气相互作用规律,以揭示次网格尺度陆面水文过程对大气降水系统发展的作用机制。本文得到如下几条主要结论:1.土壤水力学参数组对淮河上游流域的径流过程模拟具有很大的不确定性,适合构建水文参数集合预报。由于淮河上游流域平原为主的地形地貌特征和湿润的下垫面条件,土壤内部水分的传导和扩散速率是影响陆面产流过程和地下水对基流补充过程的重要因素。流域内土壤结构的三维分布特征复杂多样,因此,模式土壤水力学参数估算方法存在显著差异,能够直接影响流域内次网格尺度土壤水分的运动规律,给陆面径流预报带来很大的不确定性。基于不同土质转换方法构造的土壤水力学参数集合预报,能够很好地反映出由次网格尺度土壤特征不确定性引起的水文过程变化,并从土壤水分运动速率和土壤蓄水能力两方面解释了地表径流和河道基流的变化原理。同时,土壤水力学参数集合预报的实验结果显示,适当减缓淮河上游流域内土壤水分运动速率,能够增加洪水峰值流量并减少退洪持续时间,从而提高对洪水事件的反应灵敏度和集合预报质量。2.集合预报的后处理方法能够有效改善径流概率预报的质量,不同后处理方法各有优缺点。基于土壤水力学参数组集合得到的径流集合预报的离散度较小,使用逻辑回归和贝叶斯平均后处理方法能够有效改善径流集合预报的欠离散问题。两种后处理方法的实验结果显示,逻辑回归后处理结果在洪峰段具有更好的集合离散度,对洪水事件峰值段的概率预报能力更强,而在中小流量段存在欠离散的现象;贝叶斯平均后处理结果在中小流量段具有很好的集合离散度和可靠性,同时对中小径流变化的响应速度十分敏感,而洪峰段集合离散度略差于逻辑回归。3.次网格尺度陆面水文过程的反馈作用对陆面状态变量和大气降水都有显著影响。淮河上游流域内单双向水文-大气耦合过程的短期气候特征显示,双向耦合过程由于具有次网格尺度陆面水分运动的反馈,流域内土壤湿度整体大于单向耦合过程;空间分布上,流域内部中上游地区土壤湿度增加明显,陆面的水汽通量和潜热通量也随着土壤湿度相应增加,而感热通量相应减少。陆面各状态变量在时空上都表现出和土壤水分变化的强相关性。双向耦合过程的大气降水正反馈于陆面水分变化,大气稳定度变化和陆面水分变化呈现负相关关系;空间分布上,大气降水增量主要分布于流域边缘径流过程强烈的山地地区,而不同于土壤湿度变化最显著的地区。因此,我们认为下垫面水分变化和地形的配合作用是次网格陆面水文过程影响大气降水的主要因素。4.次网格尺度陆面水文过程对大型天气系统主导的降水过程影响有限,对地形引起的对流降水过程影响显著。在以大型天气系统为主导的降水个例中,单双向水文-大气耦合过程的下垫面状态虽然存在明显的差异,但由于大气的水汽含量高,水汽平流输送过程强,因此,下垫面水分和能量的变化对大气水汽源的影响相对较弱。在没有地形作用的平原地区,下垫面水分变化无法影响到大气降水系统的高空环境场。而在以山地地形为主导的区域降水个例中,双向耦合过程由于下垫面径流过程的反馈作用,土壤湿度明显大于单向过程,下垫面水汽通量通过地形的抬升和卷入作用增加了低空大气水汽含量,并一直向上影响到大气降水系统的高空环境场,最终双向耦合过程的降水系统发展强度和降水量都大于单向耦合过程。