作为21世纪初最具价值和应用前景的重力探测技术,卫星重力探测突破了传统重力测量方法的不足,充分展示新一代卫星重力探测的优越性。特别是GRACE卫星计划提供的长期观测及其时变重力场模型,为连续监测中大空间尺度乃至全球重力变化提供了长期有效的技术手段。GRACE卫星作为首个可直接应用于地表物质迁移研究的卫星重力计划,已在全球环境变化中得到了广泛应用。现有应用研究主要基于GRCAE时变重力场反演地表质量变化和GRACE观测数据直接反演区域地表质量变化两大类。本文在深入研究反演地表物质迁移的球谐系数方法和Mascon方法的基础上,反演了几个典型区域地表质量变化。本文的主要工作和研究成果如下：1.阐述了基于GRACE卫星观测数据及重力场模型反演地表物质迁移的方法和研究进展,并对GRACE时变重力场模型在陆地水储量变化、冰川消融、海平面变化以及固体地球形变等方面的应用研究进行了评述,给出了GRACE应用研究在地球科学及其相关研究中的作用和意义。2.深入研究了基于GRACE时变重力场模型反演地表质量变化的球谐系数方法,分析了不同滤波方法对重力场模型误差的处理结果；对国际上不同机构发布的GRACE时变重力场模型进行比较分析,发现各机构发布的最新重力场模型进一步减弱了模型误差,且三大机构发布的模型结果更加趋于一致。研究结果为GRACE时变重力场的应用研究中滤波方法和重力场模型的选取提供参考依据。3.将GRACE时变重力场反演地表质量变化的球谐系数方法成功应用于南极冰盖质量变化和日本地震同震重力变化研究。GRACE反演的南极冰盖质量变化反映了南极冰盖的加速消融趋势,其中东南极冰盖质量趋于平衡,西南极为冰盖消融的主要区域,且在2006年后该区域的冰盖质量消融速率明显增大；南极北部冰盖质量呈现阶跃式增加,且在2009年4月后其质量增加明显。GRACE获取的2011年3月日本地震同震重力变化与同震滑动分布模型模拟的同震重力变化在空间上正负分布的位置一致,且探测到地震重力变化的极大值为-5.30μGal。该结果表明GRACE时变重力场可有效的探测到地表质量变化中的长期趋势变化以及短期事件导致的地表质量突变。4.基于卫星跟踪数据反演地球重力场的动力学方法,根据地球重力场与地表质量变化的关系推导了通过卫星重力观测数据直接反演区域地表质量变化的数学公式,即GRACE重力观测数据反演区域地表质量变化的Mascon方法数学模型。5.研究了Mascon方法实现过程中的若干关键问题,分析了卫星观测数据对地表质量变化的敏感性,结果表明相较于轨道观测数据,KBRR信号残差同区域质量异常的相对位置和大小具有强相关性；分析背景重力场模型对星间距离变率数据的影响,发现不同精度模型得到的星间观测的差异较大,其选取将对重力场模型解算的稳定性和收敛速度会有很大影响；考虑质量块体间的时空相关性建立了时空约束方程,为Mascon参数的求解提供有效约束。6.基于Mascon方法反演区域地表质量的基本原理和数学模型,通过模拟的GRACE卫星观测数据验证了Mascon方法的有效性以及程序的正确性,并针对选取不同参数获取的Mascon参数结果与参考异常场进行对比分析。研究结果表明：考虑信号泄漏和边缘效应对反演区域地表质量变化的结果存在一定程度的影响,计算区域适当大于研究区域范围可削弱这一影响；鉴于相关距离和比例因子决定了时空限制方程和观测法方程间的权重,分析了选取不同相关距离和比例因子的反演结果。以亚马逊流域为例,其计算区域范围较研究区域大于8。范围,同时相关距离和比例因子分别取250km和0.001较为合适；统计分析表明异常质量变化值小于5cm等效水高时,该质量变化几乎无法通过Mascon方法反演出来。7.给出了基于GRACE卫星观测数据利用Mascon方法反演区域地表质量变化的计算方案与步骤,讨论了GRACE Level1B数据观测数据预处理方法和固定参考重力场模型的加速度计校准方法。以亚马逊流域为例,给出了2009年7月以Mascon参数反演的区域地表质量变化,将其与GRACE球谐系数方法获得的结果进行对比,表明两者的空间分布整体上较为一致,且月间隔和10天间隔的地表质量变化均可以反映亚马逊流域2009年7月左右的洪水事件。8.研究了青藏高原的地表质量变化特征,利用全球水文模型和GIA模型对引起地表质量变化的水文效应和冰后回弹效应进行了分析,并将GRACE反演结果和现有模型、水文气象和GPS等多源观测数据对典型区域地表质量变化进行分析,主要包括青藏高原东南部延伸区域、三江源区域以及高山冰川区等。GRACE不仅成功探测到由于2010年中国西南部特大干旱引起的陆地水储量骤减,还捕捉到现有水文模型无法反映的高山冰川消融信息,同时GRACE计算的水文负载引起的地表形变为分离GPS观测中的非构造形变提供有效信息。