对水循环要素的准确监测是制定合理水资源管理办法,增强水资源管理能力的基础性工作。尤其是在经济社会不断发展,人水关系日益紧张的条件下,提高对流域水循环多种要素的模拟能力,分析水循环各要素在空间和时间的变化过程及趋势,把握流域水资源动态变化,对提高流域水资源管理水平,具有重要的现实意义。提升水循环多种要素的模拟能力,不仅要观测某一种要素,而且要同时实现对多种要素较为准确的观测。传统的流域水文模拟以径流要素为主要研究对象,但仅有径流信息尚不能完整体现流域范围内整体的水资源状况。本研究主要针对天然水循环要素,开展蒸散发和土壤含水量要素模拟的联合同化研究。在水文模拟用到的径流数据以水文站观测为基础;蒸散发则由于遥感反演的参数众多,目前在较大空间尺度上的蒸散发观测以相关的模型计算为主;而对于土壤含水量的观测,虽有较多的遥感产品,但因分辨率较低而难以直接为水资源管理服务。此外,由遥感反演的蒸散发和土壤含水量产品还会受反演过程的误差影响。数据同化是提高遥感产品时空连续性和分辨率的重要手段,但当前对上述三种要素的同化研究多以提高径流的模拟精度为目标,或者是为了提高水循环要素遥感产品的数据质量。但以某一种水循环要素为目标来率定模型,常容易忽略其他要素的模拟精度,而从水循环系统整体性的角度提升上述三种要素观测精度的研究尚少,难以同时形成对多种要素的准确观测和模拟。因此,需要从水循环系统最优的角度来对这些要素进行多要素的联合同化。基于上述问题,本文主要开展的研究包括:(1)系统梳理当前流域蒸散发和土壤含水量要素的观测方法、水文模型参数率定和水文模型同化的研究进展,分析从水循环系统角度进行多要素的联合同化研究需求;(2)构建从水循环多要素监测、水文模型的多目标率定到多要素同化的总体框架,从水循环系统的角度,建立提升多种水循环要素观测能力的研究方法;(3)分析地形特征及与地形关系密切的降雨和潜在蒸散发等对土壤含水量变化的影响,发展基于遥感学方法进行土壤含水量空间降尺度的方法,并利用遥感方法反演流域蒸散发,为水文模型的多目标参数优化提供数据基础;(4)对于WEP-L水文模型,提出改进的单要素率定多参数区间优选办法,然后分别对径流、蒸散发和土壤含水量的模拟建立目标函数,形成多目标优化问题,并基于NSGA-II优化算法对WEP-L水文模型的参数进行优化;(5)利用多目标优化的参数结果,建立基于EnKF同化算法的多要素联合同化方案,并以白河流域为研究区进行应用。主要结论是:(1)在使用遥感学方法进行土壤含水量的空间降尺度时,考虑与地形关系密切的降雨和潜在蒸散发要素对土壤含水量的影响,能进一步提高土壤含水量的降尺度结果与地面实测数据间的相关性,提高降尺度结果的精度。(2)水文模型的参数率定中,不同参数在率定过程中会产生相互作用,而这种作用会影响参数取值,通过分析参数的敏感性和率定过程中的参数间的相互作用来确定各参数的取值区间,可使模型模拟精度得到进一步提高。该方法对多参数的分布式水文模型的参数率定具有一定的参考价值。(3)以多种水循环要素观测和模拟值之间的误差建立目标函数,利用多目标优化算法对WEP-L水文模型进行多目标优化,可获得使多种要素最优的模型参数,从水循环系统的角度优化模型对多种要素的模拟能力。在此基础上进行多要素联合同化,可进一步提高水循环要素的模拟精度。