冰川不仅是自然界中最宝贵的淡水资源,也是全球气候变化的敏感指示器。随着全球气候变暖,山岳冰川大部分持续消融,特别是作为“亚洲水塔”的青藏高原,其冰川变化不仅对河流径流产生重要影响,而且还可揭示青藏高原地区气候模态,因此,研究青藏高原冰川变化对于了解冰川径流及未来气候变化具有重要意义。与此同时,青藏高原为长江流域河流源头,是长江流域的重要给水源。长江流域作为中国重要的经济政治区域中心地带,随着社会经济的快速发展,水资源供求状况将是一个十分突出的制约因素,因此研究长江流域水储量变化及未来水资源可持续利用问题具有科学和现实意义。本文针对传统测量方法(冰川测量、累积面积比方法、水文学方法等)确定冰川质量变化的不足(如时间相对较短,难于对远区冰川测量,依赖于多年间可用冰川质量平衡和水文观测结果等),传统水文观测的局限性(如分辨率低,难以作大尺度大范围精确定量评估),卫星重力-GRACE存在的关键性问题(如时空分辨率低,高阶项噪声大,信号泄漏,难以验证和分离结果及GIA改正)等,系统的研究了联合空间遥感技术和地面观测数据确定地表质量变化的理论模型、实用算法及关键技术,全面分析了其中的关键问题,提出了多项新方法及新思路,建立了一整套数值计算模型和软件系统。本文的主要研究工作及贡献如下：(1)研究了基于GRACE卫星重力确定地表质量迁移的理论和方法。阐述并推导了位理论法、质量瘤法、点质量模型法、球谐系数法和最优先验模型法,并比较分析了这些方法的优劣性及适用范围；深入研究了GRACE后精化处理技术：高斯滤波,Wiener滤波,改进的高斯滤波,扇形滤波,经验正交函数EOF滤波,RMS滤波,滑动窗口去相关滤波,提出了一种新的空间平滑方法-各向异性组合滤波；针对信号泄漏改正,详细的给出了信号分离法,先验模型法,非线性法,四步法,尺度因子法等方法的数值计算步骤；基于10种冰川均衡调整(GIA)模型,分析了其对全球的影响,优选了在中国区域最为明显的Pel-5-VM4-R模型；给出了获取地表质量变化的季节性信号(周年和半周年),S2分潮(周期为161天),K2分潮(周期为3.73年),趋势和加速度项信号的函数模型。(2)针对GRACE时空分辨率的不足,提出了一种既能减小卫星测量误差又能在大尺度范围内削弱信号泄漏误差的多核拉格朗日乘数法；通过将多核拉格朗日乘数核与高斯平滑核法对比,验证了多核拉格朗日乘数法在减少信号泄漏误差及确定大区域表面质量变化时效果更为明显的优点；最后,基于多核拉格朗日乘数法确定了长江流域及其主要支流的水储量变化,进一步,与水文数据对比,结果显示,两类水储量变化相关性很强,且变化趋势基本吻合。(3)基于多核拉格朗日乘数法确定的长江流域水储量变化,利用前置自回归模型,研究了长江流域发生洪水的可能性,结果表明,基于GRACE总的水储量变化,可以提前3-6月对长江流域发生洪水的可能性进行预测。相比于传统测量,GRACE观测结果可对流域的高流量事件进行预报,为预报洪水灾害提供了一种新的有效途径。(4)基于拉格朗日乘数法研究中国西南区陆地水储量变化特征,并由此分析了该区域的干旱特性,提出利用GRACE卫星时变重力数据探测中国西南干旱事件所引起的陆地水储量变化的新方法；基于非季节性水储量不足可进一步量化干旱特性的思想,为研究水文干旱事件提供新的有利工具。(5)研究了长江流域水储量变化,大通流量及降水与ENSO的相关性,结果表明,在厄尔尼诺年夏季之前,长江流域降水量减少,河流径流量减小,总的水储量减少,此时,就很可能发生干旱事件；在厄尔尼诺年夏季或夏季之后,长江流域降水量增加,河流径流量增加,总的水储量增加,此时,就很可能发生洪涝灾害。因此,监测和预测厄尔尼诺,对预防长江流域洪涝和干旱具有重要意义。(6)提出了联合遥感影像数据(包括Landsat7、中国冰川目录CGI和Google影像)、ICESat与SRTM数据,监测青藏高原冰川质量变化的方法,给出了数据处理(包括冰川脚点确定,ICESat数据预处理,SRTM三种改正方法)及计算流程,并基于此建立了喀喇昆仑山及青藏高原东部冰川高程变化的时间序列。(7)联合GRACE, GPS,降水资料以及喀喇昆仑山周边水系的水文观测数据,验证了喀喇昆仑山冰川质量增加的事实,进一步,联合大气模型(CAM)和陆地模型(CLM),分析给出了喀喇昆仑山冰川质量异常的原因,即中东地区大面积浅层地表水蒸发质量亏损,在加强的西风作用下,该亏损质量迁移到喀喇昆仑山,形成降雪,使得该地区冰川冻结增加。(8)联合遥感影像数据、ICESat和SRTM数据,确定了青藏高原东部整个区域,各拉丹东(子区域：A,B,C),唐古拉山(子区域：A, B, C, D, E, F)及横断山(子区域：A)冰川高程变化,结果表明,各拉丹冬冰川、唐古拉山冰川及横断山冰川均在快速消融,且以横断山A区域消融最为明显。(9)利用大地测量学方法与水文学方法研究了青藏高原长江源头东部冰川消融对长江流域水储量的贡献,结果表明,青藏高原东部冰川呈现快速消融,长江流域水储量呈现增加的趋势,两者表现出中度负相关性；整个青藏高原东部冰川消融对长江流域水储量的贡献接近20%,其中唐古拉山为15.35%；利用水文观测站获取的标准化融化因子-NMI接近0.25；长江上游(金沙江)屏山水文站和长江流域大通水文站降水变化基本吻合,其中2003～2010年间均有缓慢增加的趋势。(10)提出长江流域河流表现为季节特性,其水储量变化主要来源于降水,其次为青藏高原冰雪融水的贡献。