地下水侧向流动和人类取水用水改变土壤含水量，影响陆面和大气之间的水分能量交换，从而影响气候。然而，现有的用于气候模拟的陆面过程和气候系统模式缺乏对地下水侧向流动和人类取水用水过程的描述。本博士论文的研究目标是构建考虑地下水侧向流动和人类取水用水作用的陆面过程和气候系统模式，研究并揭示地下水侧向流和人类取水用水活动对陆面过程以及全球气候的影响。围绕上述研究目标，本论文在模型发展，模型验证以及模型应用等方面开展研究，主要结果与结论如下:　　(1)研制了考虑河流输水影响的河岸生态水文模式。将土壤水流分解为以垂向流为主的非饱和土壤水运动和侧向流为主的地下水运动，由此将河岸剖面地下水埋深与土壤含水量估计归结为求解二维运动边界问题得到拟二维地下水流模型，并将其与陆面过程模式CLM4.5耦合，构建考虑河流输水影响的河岸生态水文模式。将其应用于干旱区黑河中下游5个河流断面2012-2013年进行数值模拟与验证，模式运行分辨率为60m，结果显示，河流输水作用显著改变河岸水循环过程。干旱区河水对地下水的侧向补给抬升河岸地下水位(最高20m)，增加土壤含水量～0.1m-3m3和蒸散发～3mm day-1，改善河岸生态环境。河道输水提高河流两岸植被总初级生产力0.03mgC m-2s-1和净初级生产力0.01mgC m-2s-1。河道侧向补给的影响范围大约在距离河道1-km内的河岸，距离河道越近，侧向补给效应越强。研究结果加深了对干旱区河岸碳水循环过程的认识，为合理生态输水提供了科学支持。　　(2)构建了考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的流域生态水文模式。将饱和土壤水分运动分解为以垂向流为主一维非饱和土壤水运动和以侧向流为主的水平二维地下水运动，从而构建拟三维地下水流模型，并将其与陆面过程模式CLM4.5相耦合，针对黑河流域研制考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的流域生态水文模式。将所研制模式应用于干旱区黑河流域2003-2013年进行数值模拟与验证，模式运行分辨率为1-km，结果显示模型模拟的合理性，且地下水侧向流使黑河流域上游山脊地区地下水位埋深变深，上游山谷地区和中下游平原地区地下水位埋深变浅。在模拟时段内，人类地下水抽取使中游开采区地下水位下降～2m，陆地水储量减少，人类河道引水使中下游河道流量降低。农业灌溉使灌区土壤湿度升高～0.1m3m-3，蒸散发升高～60W m-2。地下水侧向流可以补给地下水超采产生的地下水漏斗，减缓水位下降趋势。　　(3)研制了考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的全球陆面过程模式。基于发展的流域生态水文模式，将陆面模式分辨率加粗为1°，地下水模型分辨率保持为1-km，设计尺度转换方案、并行方案、海陆边界交换方案，将模式从流域托管至全球，并对1965-2010年进行数值模拟与验证。结果显示，模式能够较好地模拟地下水位动态变化。在模拟时段内，地下水超采使美国中部、中国华北和印度北部地区水位降低0-7m，陆地水储量减少。灌溉使灌区土壤含水量和潜热通量升高，地表温度和感热通量降低，地表径流增加。地下水侧向流对地下水漏斗的补给能力与含水层厚度有密切联系:当含水层厚度小于7m时，地下水侧向流对地下水漏斗的补给能力随着含水层厚度而增加;当含水层厚度大于7m时，地下水侧向流对地下水漏斗的补给能力固定在200-400mm yr-1之间。研究结果表明在全球关键区域，如美国、中国和印度，水资源可持续利用面临严峻挑战。　　(4)发展了考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的气候系统模式。将发展的陆面模式作为气候系统模式CESM1.2的陆面分量，发展了考虑地下水侧向流和人类取用水的全球气候系统模式，将其应用于1976-2005年进行陆-气耦合模拟。陆面和大气模式运行分辨率为1°，地下水模型为1-km。结果显示，地下水侧向流动使南美洲北部地区和中东北部地区850hPa等压面降温0-0.4℃，南美洲北部哥伦比亚、委内瑞拉、乌拉圭等地区夏季降水增加～1mm day-1，巴西北部亚马逊流域地区和美国西部地区夏季降水减少～1mm day-1.人类地下水取用水使印度北部地区850hPa等压面降温0-0.4℃.在地下水开采严重区，美国中部和中国华北地区夏季降水增加0.1-0.3mm day-1，这是灌溉增强蒸散发再通过陆-气相互作用增强对流性降水导致的;印度北部地区降水减少0.1-0.5mm day-1，这是灌溉减少海陆热力差异从而减弱印度季风导致的。