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流域尺度和田间尺度土壤水分状况的研究有助于加深人们对水文过程的理解，揭示地表水和地下水的复杂交互作用以及相互转化的规律。同时土壤水分作为陆地水循环过程的关键状态变量和土壤的重要组成部分，在地-气界面间物质、能量交换中起着重要的作用，更是当前环境污染、生态水文、气象学等诸多应用研究领域所关注的重要因子和过程参数，因此对土壤水分状况监测和空间格局的研究具有重要的现实意义和科学价值。
流域尺度土壤湿度的研究离不开模型和观测两种手段。通过同化系统集成卫星观测数据于分布式水文模型中，可以提供准确的具有物理一致性的土壤水分含量信息，有利于改进流域尺度土壤湿度尤其是表层湿度的模拟。
因此，本论文的研究目标是构建适合于土壤湿度模拟的，具有土壤水过程动力学描述的分布式水文模型，在流域水文过程模拟和验证的基础上，将其发展成可有效同化遥感土壤湿度信息的分布式水文模型同化平台，利用现有对地观测卫星的资料对水文模型中的关键变量，表层土壤湿度进行四维数据同化处理。通过在典型流域的连续水文模拟和同化实验，评估同化系统模型算子和遥感观测算子的不确定性，获取较高时间精度和空间分辨率的流域土壤湿度时空同化数据集。
据此，论文的研究重点被定位在以下三个方面：
(1)流域尺度表层土壤湿度的遥感估算以沂河流域为研究区，利用2006年获取的ASAR主动微波数据和MODIS遥感数据，分别基于改进的ERS归一化方法和TVDI法反演了沂河流域表层土壤湿度时间序列，研究给出了适合研究区的ASAR湿度估算模型的参数以及MODIS影像TVDI反演方法的经验参数，并利用已有的流域土壤湿度观测资料对反演结果进行了验证，给出了量化的评估结果。并以这一遥感估算结果为基础构建了流域土壤湿度同化系统的观测算子。研究结果表明，主动微波ASAR估算的表层土壤湿度的均方根估算误差(RMSE)为0.063m3/m3，平均偏差(MAE)为0.053 m3/m3。MODIS估算的表层土壤湿度的均方根误差的数值范围在0.049m3/m3到0.102 m3/m3之间，平均误差为0.072 m3/m3。总体精度令人满意。
(2)适用于土壤湿度遥感数据同化的分布式水文模型的构建与验证基于流域土壤参数库，通过蓄满产流与水动力学方法相结合，统一刻画产流和土壤水分运移等水文过程，构建了适于遥感土壤湿度同化的分布式水文模型。首先，利用流域土壤类型差异所决定的不同土壤深度描述了流域蓄水容量空间异质性，通过动态计算流域栅格的缺水深，获得地表产流量。其次，通过连接空间插值的降水输入和蓄满产流机制，计算出土壤时段下渗，基于纵向不饱和土壤水运动方程与土壤物理参数库，详细描述了流域空间尺度上的土壤剖面水分含量及动态运移。这个模型的特点是水文模型框架下得到具有物理一致性的量化表层土壤水分含量模拟结果，解决了水文模型无法直接作为遥感土壤湿度同化的模型算子的问题。最后，将模型应用于江口站控制流域(湿润区流域)和沂河流域(半干旱区流域)的水文过程模拟，并与其他水文模型作了比较验证。研究结果表明，新模型逐日径流模拟效果令人满意，从各统计指标来看，取得和经典模型如新安江模型和TOPMODEL相当的径流模拟结果；土壤湿度的实测验证表明，模型表层土壤湿度模拟结果较好，并具有较高的稳定性，表现在各观测点的表层10cm土壤湿度模拟的误差精度RMSE相差较小，各观测点平均误差精度RMSE为0.083m3/m3，平均模拟偏差MAE为0.071m3/m3。
(3)基于分布式水文模型的流域尺度土壤湿度数据同化研究为得到更加准确的流域表层土壤湿度数据，融合模型模拟和遥感数据反演二者的优势，以沂河流域为研究区，建立了流域土壤湿度同化方案。在利用已建立的分布式流域水文模拟平台对研究区2006年的土壤水分时空动态数值模拟的基础上，结合粒子滤波顺序同化算法，考虑了模拟和遥感反演的误差，同化主动微波ENVISAT-ASAR和MODIS可见光影像反演得到的地表土壤水分信息。顺序同化中得到更新的流域土壤湿度同化数据，将其反馈至分布式水文模型平台中，并通过递推模拟最终得到具有物理一致性的流域表层土壤湿度同化时空数据集。实测验证结果表明，同化结果精度要高于模拟结果的精度，在空间分布上，同化后的表层土壤湿度较好的融合了遥感估算和模型模拟结果的空间特征，与模型模拟值相比土壤湿度的空间异质性增强，表达更为合理；通过流域空间内8个观测站点实测资料的验证，与模拟结果相比，6站点的均方根误差减小，误差值平均降低0.020m3/m3，所有站点总体均方根误差降低0.010 m3/m3。在表层土壤湿度空间误差方面，以ASAR遥感影像和观测数据同时获取的2006年DOY148日为例，同化后湿度的均方根误差由0.081m3/m3降低为0.045m3/m3。