陆面与上覆大气是一个紧密联系的系统,二者之间在进行水分与能量交换的同时,影响着大气状态和陆面水文过程。开展陆-气反馈研究,对提高大气和水文模拟能力具有重要意义。传统水文模拟方法将陆面水文系统视作独立、开放性系统,侧重于描述水文系统对外界干扰的被动响应,忽视了陆-气反馈作用对陆面水文过程的进一步影响。基于物理过程的气候模式能够实现复杂陆-气反馈作用的模拟,但存在工作量庞大、模拟结果具有不确定性等难题。本文尝试从实测资料中识别陆、气关键变量之间的反馈关系,将复杂的陆-气反馈过程简化为统计关系;在此基础上构建一个灵活高效的陆-气双向耦合模型,实现陆-气反馈作用下的水文过程模拟,从而加深对水文循环的理解,为水资源的科学利用提供理论基础和技术支撑。论文的主要研究内容和结果如下:（1）识别了陆（土壤湿度、蒸散发）-气（降水、气温）反馈关系的统计特征。选取陆-气反馈典型区域（美国伊利诺伊州）为研究对象,基于站点观测数据,通过广义线性模型分析了土壤湿度和蒸散发对次日降水（降水转移概率、降水量）和气温（日最高、最低气温）的反馈作用。首先,通过逐步回归方法筛选了研究区域降水和气温变量的主要影响因素,这些因素包括大气系统的季节性周期变化规律、日尺度上气象变量的自相关作用以及以并行或延迟形式存在的变量之间的互相关作用,同时还包括陆面水文变量（土壤湿度和蒸散发）的反馈作用。然后,分别构建排除与包含陆面反馈作用的气象变量广义线性模型,根据AIC准则说明包含陆面变量的模型拟合效果更好;同时显示土壤湿度和蒸散发对降水的触发和降水量存在正反馈作用,而对日最高气温存在负反馈作用;对模型拟合结果进行误差分析,结果表明模型在不同时空尺度上拟合程度较好。最后,根据实测资料,对比了有无陆面反馈作用的模型的模拟效果,证明了后者具有更好的模拟能力。（2）构建了基于陆-气反馈统计关系的双向耦合模型。首先针对研究区域构建了可变下渗能力（VIC）陆面水文模型,并根据陆-气实时反馈的需求将模型运算顺序由“时间-空间”修改为“空间-时间”。其次,基于气象与前期陆面变量之间的反馈关系构建了天气发生器（WG）。为考虑降水在空间上的连续性,分别采用降水状态和降水量在空间上的联合分布开展降水模拟。此外,添加了独立风速模型满足驱动VIC模型的需求。于是,天气发生器与陆面水文模型之间以降水、气温、土壤湿度和蒸散发为纽带实现双向耦合。最后,根据实测数据对WG-VIC耦合模型的模拟效果进行了评价,结果表明该模型能够较好地模拟降水、气温和土壤湿度的时空分布。（3）将陆-气双向耦合模型进行应用研究。考虑土地利用和气候变化的不同情景,采用WG-VIC双向耦合模型进行模拟,并与陆-气单向耦合下VIC模型模拟结果进行对比。在土地利用变化模拟中,根据伊利诺伊州2050年土地利用情景对VIC模块中的植被参数进行修改,研究表明:未来土地利用情景下,陆-气反馈作用会导致当地降水频率显著增加、气温显著降低;同时,单向耦合方案模拟结果显示地表径流量下降,而双向耦合模拟方案揭示出相反的结果-地表径流量显著升高。在气候变化模拟中,根据未来两种典型浓度路径（RCP）气候情景对WG模块参数进行修改,研究表明:未来气候情景下,该地区降水量增加5～10%,气温升高10～15%。VIC模型模拟结果显示土壤湿度降低2%,地表径流量降低5～10%,两种气候情景下各变量变化差异较小;WG-VIC双向耦合方案模拟结果显示,RCP 4.5情景下,陆-气反馈作用的存在对降水和径流的减少有一定的缓冲作用（如降水和地表径流变幅分别由8%和7%降低至5%和3%）,对气温的升高有一定的放大作用（变幅由13%增大至16%）;然而在RCP 8.5情景下,陆-气反馈作用却可能加速该地区陆-气水循环,使该地区维持在较为湿润的状态,降水、地表径流和土壤湿度均高于现状。WG-VIC耦合模型的应用研究表明:在水文模拟中,双向陆-气耦合与传统单向耦合方法之间差异显著。