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水循环是地球系统中最重要的动态循环系统，水循环的时空变化特征是我们理解地-气相互作用以及全球气候变化过程的关键，而微波辐射是水循环研究的关键要素。微波辐射传输过程是地-气水热交换、气候变化以及天气预报等研究的关键过程和建模基础。同时，微波辐射也是反演陆-气状态参量的重要背景信号。微波辐射亮温数据的前向模拟为海量的全球卫星观测资料的充分利用提供了可能，也为新型微波传感器的预研提供了研究基础和必要手段。 观测与模型模拟是获取陆表-大气状态变量场并对地球系统进行研究的两个重要方法。然而，陆表和大气状态变量在时间、空间上都具有高度的异质性，导致对它们的模拟和观测具有很大的不确定性。同化方法的发展为观测资料与模型模拟的结合提供了必要的技术手段。卫星观测数据的准确模拟是数值模型中卫星资料同化的前提，并为模型的优化发展提供依据。目前，大气和海洋领域的微波辐射亮温卫星观测资料已经较成功的应用到数值模型同化系统中，由于陆表下垫面类型的复杂性，现有的辐射传输算法以及前向模拟算子中对陆表的微波辐射亮温模拟依然存在着较大的误差。因此，陆表的微波辐射亮温观测还较少有效地应用于模型的资料同化中。 针对上述问题，本研究首先在通用辐射传输模型(Community RadiativeTransfer Model，CRTM)的基础上构建了多频微波辐射计卫星数据的前向模拟系统，实现基于卫星视场角的微波辐射亮温模拟。然后，基于CRTM的现有辐射传输方法，改进其中的陆/海表的微波辐射前向模拟算法，以进一步提高卫星微波辐射亮温的模拟精度。最终，基于改进的方法进行模拟试验分析，并实现对全球水循环关键要素卫星计划(Water Cycle Observation Mission，WCOM)中新型传感器的预研。围绕这一目标，本论文的研究内容主要从以下几个方面来开展: 1、设计多频微波辐射计卫星数据的前向模拟平台。基于CRTM微波辐射传输模型的整体框架，分析影响辐射计观测的因素，同时考虑卫星传感器参数以及不同的输入数据源，设计并构建可扩展的微波辐射计卫星亮温数据的前向模拟平台，并兼顾模拟系统运算的准确性、快速性和健壮性。微波辐射亮温的模拟基于卫星传感器视场内的地表信息，根据视场的位置和天线增益等相关参数实现对视场角内高分辨率陆/海表特征信息的积分，然后针对每个观测视场角进行辐射传输的模拟求解。 2、改进陆/海表的微波辐射前向模拟算法以提高模拟精度，主要包括以下三个方面: (1)植被层微波辐射传输模型改进。将植被层看作一个离散介电圆柱和连续介质的混合体，介电圆柱用于表示植被的枝茎部分，连续介质用于表示植被叶子，两者的辐射散射特征分别用无限长介电圆柱近似方法和几何光学模型来求得，然后，合并得到植被层的特征参数。 (2)粗糙土壤地表微波辐射传输模型改进。基于Weng的土壤模型和高级积分方程模型AIEM的高斯相关模拟数据库，同时考虑土壤含水量、入射角度以及地表粗糙度，改进裸露地表的有效反射率。 (3)陆水混合地表微波辐射亮温模拟方法调整。基于CRTM的模拟实验结果分析，根据观测视场角内的水体比例，在合并陆-水混合地表辐射特征时，从数学方法上调整水体部分的权重，将其表示为随水体比例变化的非线性函数。 3、基于改进的多频微波辐射传输模拟算法进行试验分析，并对WCOM的新型微波传感器亮温数据进行模拟预研。首先，基于改进的微波辐射传输算法，利用AMSR-E的微波辐射计参数对中国青藏高原地区的轨道覆盖观测数据进行模拟试验，并对模拟的微波亮温进行对比和敏感性分析。然后，基于WCOM的新型微波传感器参数进行全天亮温数据的初步模拟预研。