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区域尺度气候变化预估和可持续发展战略需要完善的数值模式和高质量的数据提供科学支撑。区域地球系统模式是认识区域尺度地球系统多圈层相互作用、开展全球变化背景下未来气候变化预估的重要工具。陆面模式是区域地球系统模式的重要组成部分，可通过参数化方案的形式量化、模拟陆地能量和物质循环。参数化区域地球生物化学循环是区域地球系统和陆面过程模式研发的重点，然而陆地氮循环及其与碳、水循环的相互作用仍尚未被充分考虑。因此发展陆地氮循环过程参数化方案、模拟研究区域氮循环与碳水循环的相互作用具有重要意义。此外，由于模式参数化方案不完善等问题，模式模拟还存在显著的不确定性，亟需同化多源卫星观测数据，改进对陆地状态变量的估计。因此，本论文研究目标是:发展可用于区域地球系统模式中的包含氮循环过程的陆面过程模式，模拟陆地碳-氮-水相互作用;在此基础上，搭建陆地数据同化系统平台，同化多源卫星观测，提供高质量的陆地状态数据。围绕上述研究目标，本论文在模式评估、模式发展以及模式应用方面开展研究工作，主要结果如下:
(1)系统评估了Noah-MP陆面过程模式对中国区域陆地水循环过程的模拟能力，结果表明该模式在多种下垫面类型和气候条件下可较好地模拟土壤湿度、蒸散发、径流以及陆地水储量这四种水文变量。具体来说，研究通过对比土壤湿度模拟结果与站点观测数据集，发现模式模拟的空间分布格局与观测较为一致，但模拟结果仍在大多数地区表现出对于土壤湿度明显的高估。进行区域距平值评估后发现，模拟与观测数据之间多呈现较高的（大于0.4）相关系数以及较小的（小于0.1）均方根误差（RMSE）。对于径流以及蒸散发(ET,Evapotranspiration)模拟而言，模式总体上可以再现研究区域中观测数据的空间分布格局，并在六个主要流域呈现较优的相关系数（多大于0.8），以及均大于0.5的Nash Sutcliffe模型效率系数(NSE)，其中模式模拟性能在淮河流域表现最好。此外，模式模拟的陆地水储量距平值的时间变化趋势与观测数据吻合较好。
(2)将耦合了氮循环参数化方案的Noah-MP-CN陆面过程模式从单点扩展至区域;模拟了中国区域陆地碳氮水过程，探究了氮循环和碳水循环的相互作用，分析了施肥对生态系统生产力和环境的影响。Noah-MP-CN通过参数化叶片氮可利用率对光合作用的限制作用实现对陆地碳、氮、水循环的耦合。与原始Noah-MP模式模拟结果的比较表明，引入氮循环可以改善模式对于碳循环相关变量的模拟。在中国大部分地区，Noah-MP-CN在模拟叶面积指数（LAI，Leaf Area Index）以及总初级生产力(GPP,Gross Primary Production)方面优于Noah-MP，特别是在南方温暖湿润的地区。而陆地氮循环对于水循环的影响较为间接，Noah-MP-CN仅在土壤湿度和蒸散发模拟方面相较于Noah-MP有轻微改善。在系统评估Noah-MP-CN对陆地碳氮水循环模拟能力的基础上，开展了施肥量敏感性试验，探究了不同农田施肥量对土壤固碳、耗水量和氮淋失量的影响。结果发现与实际施肥量的试验相比，减半施肥量试验对固碳量的影响很小，但同时以5.08％的比例降低了氮淋失量。这表明，目前的氮肥施用水平对于环境污染有着潜在的威胁。
(3)构建了基于Noah-MP陆面过程模式以及数据同化研究平台的陆地数据同化系统，同化了多源卫星观测数据，改善了对全球陆地水文状态的估计。同化试验使用由美国大气研究中心(NCAR)提供的40组大气强迫数据集以驱动Noah-MP模式开展全球尺度的陆面过程模拟试验。同化的卫星观测数据包括Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)反演得到的积雪覆盖率(SCF,Snow Cover Fraction)以及Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE)反演得到的陆地水储量（TWS，Terrestrial Water Storage）。结果表明，相较于未进行同化的试验，只同化积雪覆盖率或同时同化积雪覆盖率和陆地水储量均可在大部分地区显著改善模式对积雪覆盖率的估计，特别是在中低纬(25-45°N)地区。然而，只同化陆地水储量未能达到一致的改善效果。对于陆地水储量的估计而言，只同化陆地水储量或同时同化积雪覆盖率和陆地水储量均能在大部分地区显著降低偏差(Bias)和均方根误差。只同化积雪覆盖率对于陆地水储量估计的改善效果不显著。与加拿大气象中心(CMC)的雪深(SD，Snow Depth)观测数据相比，只同化积雪覆盖率或同时同化积雪覆盖率和陆地水储量均能改善模式对雪深的估计;而只同化陆地水储量的改进效果不显著。与青藏高原站点观测的雪水当量(SWE，Snow Water Equivalent)的观测数据相比，只同化积雪覆盖率对雪水当量的估计表现最好，同时同化积雪覆盖率和陆地水储量的表现次之，只同化积雪覆盖率对雪水当量估计的改善效果不显著。
(4)基于耦合包含氮循环的Noah-MP-CN陆面过程模式以及数据同化研究平台的陆地数据同化系统，进行了卫星观测数据同化，改善了对全球陆地水文、生态状态变量的估计。同化试验使用由NCAR提供的40组大气强迫数据集驱动Noah-MP-CN模式开展全球尺度的陆面过程模拟试验。同化的卫星观测数据为Global Land Surface Satellite(GLASS)反演得到的叶面积指数。结果表明，相较于未进行同化的试验，同化试验可在全球大部分地区显著改善对模式对叶面积指数的估计;对于叶面积指数在农田、森林、草地以及灌木这四种主要土地覆盖类型以及全球尺度的区域平均值而言，同化试验均能呈现更小的偏差以及均方根误差。与美国国家航空航天局(NASA)提供的净初级生产力(NPP,Net Primary Production)验证数据相比，同化叶面积指数可在大部分地区显著降低净初级生产力的偏差以及均方根误差;且提高了对除森林地区外的区域平均值的模拟表现。与MODIS提供的总初级生产力观测数据相比，同化试验能在多数地区展现对总初级生产力估计有一定的改善效果;但对区域平均值的估计未能达到一致的效果。研究选取MODIS蒸散发以及GRACE陆地水储量距平值观测数据以评估同化叶面积指数对于水文变量的影响。结果发现同化叶面积指数对蒸散发的估计影响较小;且未提高对区域平均值的模拟表现。但同化叶面积指数可在全球大部分地区显著改善模式对陆地水储量距平值的估计;减小了模拟得到的区域平均值的偏差以及均方根误差，还在一定程度上改善了陆地水储量距平值随时间变化趋势。总体而言，叶面积观测数据与Noah-MP-CN模式模拟有望通过该陆地数据同化系统相结合，以提供一个可靠的全球陆地生物状态变量数据集。
(1)系统评估了Noah-MP陆面过程模式对中国区域陆地水循环过程的模拟能力，结果表明该模式在多种下垫面类型和气候条件下可较好地模拟土壤湿度、蒸散发、径流以及陆地水储量这四种水文变量。具体来说，研究通过对比土壤湿度模拟结果与站点观测数据集，发现模式模拟的空间分布格局与观测较为一致，但模拟结果仍在大多数地区表现出对于土壤湿度明显的高估。进行区域距平值评估后发现，模拟与观测数据之间多呈现较高的（大于0.4）相关系数以及较小的（小于0.1）均方根误差（RMSE）。对于径流以及蒸散发(ET,Evapotranspiration)模拟而言，模式总体上可以再现研究区域中观测数据的空间分布格局，并在六个主要流域呈现较优的相关系数（多大于0.8），以及均大于0.5的Nash Sutcliffe模型效率系数(NSE)，其中模式模拟性能在淮河流域表现最好。此外，模式模拟的陆地水储量距平值的时间变化趋势与观测数据吻合较好。
(2)将耦合了氮循环参数化方案的Noah-MP-CN陆面过程模式从单点扩展至区域;模拟了中国区域陆地碳氮水过程，探究了氮循环和碳水循环的相互作用，分析了施肥对生态系统生产力和环境的影响。Noah-MP-CN通过参数化叶片氮可利用率对光合作用的限制作用实现对陆地碳、氮、水循环的耦合。与原始Noah-MP模式模拟结果的比较表明，引入氮循环可以改善模式对于碳循环相关变量的模拟。在中国大部分地区，Noah-MP-CN在模拟叶面积指数（LAI，Leaf Area Index）以及总初级生产力(GPP,Gross Primary Production)方面优于Noah-MP，特别是在南方温暖湿润的地区。而陆地氮循环对于水循环的影响较为间接，Noah-MP-CN仅在土壤湿度和蒸散发模拟方面相较于Noah-MP有轻微改善。在系统评估Noah-MP-CN对陆地碳氮水循环模拟能力的基础上，开展了施肥量敏感性试验，探究了不同农田施肥量对土壤固碳、耗水量和氮淋失量的影响。结果发现与实际施肥量的试验相比，减半施肥量试验对固碳量的影响很小，但同时以5.08％的比例降低了氮淋失量。这表明，目前的氮肥施用水平对于环境污染有着潜在的威胁。
(3)构建了基于Noah-MP陆面过程模式以及数据同化研究平台的陆地数据同化系统，同化了多源卫星观测数据，改善了对全球陆地水文状态的估计。同化试验使用由美国大气研究中心(NCAR)提供的40组大气强迫数据集以驱动Noah-MP模式开展全球尺度的陆面过程模拟试验。同化的卫星观测数据包括Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)反演得到的积雪覆盖率(SCF,Snow Cover Fraction)以及Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE)反演得到的陆地水储量（TWS，Terrestrial Water Storage）。结果表明，相较于未进行同化的试验，只同化积雪覆盖率或同时同化积雪覆盖率和陆地水储量均可在大部分地区显著改善模式对积雪覆盖率的估计，特别是在中低纬(25-45°N)地区。然而，只同化陆地水储量未能达到一致的改善效果。对于陆地水储量的估计而言，只同化陆地水储量或同时同化积雪覆盖率和陆地水储量均能在大部分地区显著降低偏差(Bias)和均方根误差。只同化积雪覆盖率对于陆地水储量估计的改善效果不显著。与加拿大气象中心(CMC)的雪深(SD，Snow Depth)观测数据相比，只同化积雪覆盖率或同时同化积雪覆盖率和陆地水储量均能改善模式对雪深的估计;而只同化陆地水储量的改进效果不显著。与青藏高原站点观测的雪水当量(SWE，Snow Water Equivalent)的观测数据相比，只同化积雪覆盖率对雪水当量的估计表现最好，同时同化积雪覆盖率和陆地水储量的表现次之，只同化积雪覆盖率对雪水当量估计的改善效果不显著。
(4)基于耦合包含氮循环的Noah-MP-CN陆面过程模式以及数据同化研究平台的陆地数据同化系统，进行了卫星观测数据同化，改善了对全球陆地水文、生态状态变量的估计。同化试验使用由NCAR提供的40组大气强迫数据集驱动Noah-MP-CN模式开展全球尺度的陆面过程模拟试验。同化的卫星观测数据为Global Land Surface Satellite(GLASS)反演得到的叶面积指数。结果表明，相较于未进行同化的试验，同化试验可在全球大部分地区显著改善对模式对叶面积指数的估计;对于叶面积指数在农田、森林、草地以及灌木这四种主要土地覆盖类型以及全球尺度的区域平均值而言，同化试验均能呈现更小的偏差以及均方根误差。与美国国家航空航天局(NASA)提供的净初级生产力(NPP,Net Primary Production)验证数据相比，同化叶面积指数可在大部分地区显著降低净初级生产力的偏差以及均方根误差;且提高了对除森林地区外的区域平均值的模拟表现。与MODIS提供的总初级生产力观测数据相比，同化试验能在多数地区展现对总初级生产力估计有一定的改善效果;但对区域平均值的估计未能达到一致的效果。研究选取MODIS蒸散发以及GRACE陆地水储量距平值观测数据以评估同化叶面积指数对于水文变量的影响。结果发现同化叶面积指数对蒸散发的估计影响较小;且未提高对区域平均值的模拟表现。但同化叶面积指数可在全球大部分地区显著改善模式对陆地水储量距平值的估计;减小了模拟得到的区域平均值的偏差以及均方根误差，还在一定程度上改善了陆地水储量距平值随时间变化趋势。总体而言，叶面积观测数据与Noah-MP-CN模式模拟有望通过该陆地数据同化系统相结合，以提供一个可靠的全球陆地生物状态变量数据集。