地震波场正演模拟是研究地震波传播规律的重要途径,也是反演成像的研究基础。提高计算效率和模拟效果,减少存储空间是波场正演研究的核心内容;模拟的物质性质,正演算法与边界条件的选择是模拟效果的关键。本文对地震波波场模拟进行了系统性研究,从正演算法、边界条件以及传播介质三个方向展开。在交错网格有限差分算法中,模型网格剖分原则与正演计算效率密切相关。当模型存在小型非均质体或者低降速层等情况,为保证精度,满足稳定性条件,需缩小网格步长,这样导致局部过采样,计算效率低下。在保证模拟精度的同时保持高计算效率,本文采用变化的空间网格与时间步长相结合的高阶有限差分模拟方法对波场进行模拟。然而,时空双变网格算法存在着交错网格固有缺点,在模拟非均匀性较强的复杂介质波场传播时,需对介质参数进行平均或内插。当弹性模量变化很大时,很容易产生不稳定现象。甚至在部分介质模拟中,交错网格有限差分难以实现。同时,该算法在空间与时间上的变网格实现极为复杂。本文在时空双变网格算法的基础上,采用旋转差分角度的方式,提出了旋转时空双变交错网格算法。该算法既保留了旋转网格和双变网格的优势,又在旋转空间变网格的过程中,简化了过渡区域波场传递和精细点位插值流程。在旋转时间变步长时,不需要对每一精细时间层进行时间层插值,且插值所需的计算点位都在一个全局时间循环内,不需要额外引入存储变量,单独计算大网格下一时刻的波场分量,用于精细时间层的插值。为减少正演模拟时人工边界产生虚假反射,达到更高的模拟精度,应加载吸收边界。边界条件的吸收效果影响正演的模拟精度,且不同的边界条件对正演效率的影响各不相同,本文的研究主旨是提升正演算法的计算效率和模拟效果,因此对吸收边界条件的研究改进也至关重要。作为衰减效果最好的吸收边界,完全匹配层得到了广泛应用,本文对完全匹配层展开了系统性研究。同时以近似完全匹配层为切入点,针对该方法具有不改变方程形式且易于实现等优势,但难以吸收大倾角入射波和瞬逝波的缺点,引入了复频移技术以及多轴技术,提出了多轴复频移近似完全匹配层,提升其吸收效果和稳定性。为进一步提升吸收效果,本文设计新的衰减因子,并在引入多轴复频移技术的基础上,进一步提出了新衰减函数下的尺度因子、频移因子以及稳定性因子设计方案。本文在综合性研究完全匹配层的同时,提出了一种基于残差求取的新的完全匹配层,经过对残差完全匹配层的深入研究,使得该完全匹配层具有最简单的辅助微分方程格式,并与其余完全匹配层进行了对比研究,也实现了多轴技术以及复频移技术的结合实现,发展多轴复频移残差完全匹配层。结果证明,残差完全匹配层不仅拥有良好的吸收性能,实现更为简单,也更有利于推广到时间高精度有限差分中。同时,本文通过不同的方法求解残差完全匹配,将卷积完全匹配层、递归积分完全匹配层、辅助微分方程完全匹配层以及、近似完全匹配层与残差完全匹配层的两种格式联系在一起,实现了对多种完全匹配层的整合研究。本文成功将多种完全匹配层应用于旋转时空双变算法中,包括多轴复频移近似完全匹配层以及残差完全匹配层。并对基于多种完全匹配层下的旋转时空双变网格算法的计算性能进行深入研究,将上述技术推广到各向异性介质地震波模拟中。