全球气候变暖及其伴随事件,尤其是海平面上升,极端天气频发对人类的生产生活产生一系列影响,准确进行气候变化的预测是制定适应气候变化对策的依据,是指导保障人们活动的关键。极区、亚极区海冰和淡水冰是全球气候系统的重要组成部分之一由于其对气候变化的敏感性和反馈作用,因此一直被认定为物候学指标。而目前研究表明海冰和淡水冰数值模式发展的制约因素已不再局限于模式结构本身,而是倾向于数值算法的改进和参数化方案的优化。本文以2007-2009年两个冬季芬兰淡水湖泊湖冰的生消过程观测,2008-2009年黑龙江省红旗泡水库冬季水库冰的现场观测数据,以及中国第22次南极科学考察度夏和越冬期间(2005年11月至2006年12月)普里兹湾中山站附近固定冰生消过程的观测数据为数据基础；以雪/冰热力学模式和湖热力学模式结合气候预报模式为研究手段,对雪/冰生消过程的数值模拟进行了分析和研究。建立了雪/冰表面非线性离散时滞动力系统和冰底能量平衡系统,利用非线性常微分方程、离散时滞微分方程理论和有界变差函数等证明了系统的解的存在与唯一性等。构造最优辨识模型,证明了模型最优解的存在性和最优性必要条件。构造优化算法,辨识得到雪/冰表面温度与气温变化之间时滞最优值、模拟初冰日和海洋热通量的时间序列,同时得到了雪/冰热力学过程中对雪/冰厚度影响较大的物理参数。本文所研究内容和取得的主要成果概括如下：1.通过数值模拟验证了热红外遥感观测冰表面温度反演冰厚度技术；分别利用估值法和迭代法模拟雪/冰表面温度,分析两种不同计算方法与观测值间的偏差；首次将离散时滞应用到雪/冰表面温度的计算中,建立了计算雪/冰表面温度的非线性离散时滞动力系统,利用时滞微分方程基本理论证明了系统解的存在与唯一性等。构造了以雪/冰表面温度与气温变化之间时滞为参量,计算雪/冰表面温度和观测值差值为目标函数的最优辨识模型,证明了模型最优解的存在性及最优性必要条件。数值模拟结果得到芬兰湖冰的雪/冰表面温度与气温变化之间的最优时滞值为1小时。2.利用简单的冰解析模式得到红旗泡水库冰冰厚上限和下限包络线,为水利工程设计提供数值参考。分析海冰和湖冰热力过程中物理参数差异,将一维高分辨雪/冰热力学数值模式应用到芬兰湖冰的数值模拟中。给出不同的气温变化趋势,根据数值模拟结果分析湖冰对气候变化的敏感性和反馈作用。气温升高1℃,湖冰冰期将缩短13天,年际最大冰厚增大6cm(占总冰厚的17%)。利用一维高分辨雪/冰热力学数值模式和湖热力学模式模拟芬兰雪/湖冰厚度,分析高分辨率计算方法在雪/冰厚度计算中的精确度,以及雪/冰厚度模拟作为湖热力学数值模式一部分的准确性。针对雪/冰热力学数值模式中初冰日模拟的缺乏,给出模拟初冰日的定义。以初冰日为辨识参数,以观测气温和数值模式计算冰厚为约束条件建立最优辨识模型,构造了优化算法,数值结果较好地逼近观测初冰日。3.基于冰底薄层能量平衡方程,建立了冰底薄层能量平衡系统,证明了系统解的存在与唯一性等。以海洋热通量为辨识参量,以观测冰厚和计算冰厚差值为目标函数建立了最优辨识模型,利用有界变差函数理论证明了模型最优解的存在性和最优性必要条件,利用改进的遗传算法求解模型的最优解。此方法仅利用日常常规海冰生消过程的观测项-冰厚观测数据即可计算求得冰底海洋热通量,避免了已有的海洋热通量的计算方法中所需经验参数不确定性及温度的观测误差所带来的海洋热通量的计算偏差。依2006-2007年冰期内南极普里兹湾中山站附近固定冰厚观测数据,由本文给出的辨识模型求得了冰底海洋热通量及海洋热通量关于时间的拟合函数。并依据2005-2006年同一考察区域观测数据,检验了冰底薄层能量平衡系统的有效性。