2002年以来重力恢复和气候试验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）与后继卫星GRACE-FO的发射为研究全球中长尺度的地表质量变化提供了重要观测手段。积累的近20年间全球时变重力场与静态重力场数据产品,该产品已在地震、陆地水储量变化、冰川运动、地表负荷形变、海平面变化等质量迁移运动中得到广泛应用。地球表层水循环对生态环境保护和人类生产生活具有重要意义。GRACE时变重力场模型对中长尺度的水质量运移较为敏感,可进行区域水储量变化监测。本学位论文主要通过GRACE时变重力场模型与地表水文模型以及GNSS地表高程变化分析研究区域地下水储量变化。首先总结时变重力场用于地下水储量变化监测以及GNSS高程变化反演地下水储量变化国内外研究进展,而后介绍了时变重力场数据处理和GNSS高程时序分析理论方法。基于上述理论,对我国华北平原和美国加州地区的地下水储量变化进行了研究分析。论文实验分析主要包括以下两方面:（1）我国华北平原时变重力场地下水储量变化监测利用时变重力场与地表水文模型,利用尺度因子法分析了2002年以来华北平原地下水储量时空变化,定量计算了区域地下水变化长期趋势。2002年4月-2020年5月间地下水呈持续亏损状态,地下水亏损速率为-22.9±1.04mm/yr。2002-2014年间地下水储量变化为-21.0±2.1mm/yr,2015年1月-2020年5月地下水亏损速率为-12.8±5.4mm/yr;（2）美国加州地区时变重力场地下水储量变化监测针对美国加州地区数据多源、易获取的特点,本文联合时变重力场、地表水文模型、降水、水井、GNSS测站等资料分析研究了加州地区地下水储量时空变化,计算了地下水的长期变化趋势。2002年4月-2016年8月地下水呈持续下降状态,最大亏损区域主要位于加州中部,地下水亏损速率为-9.4±2.1mm/yr,同期降水变化速率为-1.0mm/yr。2006-2010年,美国经历大旱,地下水储量年均变化-39.4±10mm/yr,同期降水变化速率为-5.88mm/yr,2012-2015年间的二次干旱,地下水储量亏损速率为-44.8±7.4mm/yr,同期降水变化速率为-1.26mm/yr。经GNSS测站解算分析,位于加州中部的沉降量最为异常的P566测站2014-2017年间累计形变量达到-52.3mm,年均-13.1mm/yr,其附近的362985N1192201W001号水井四年间水位下降约-76.5cm,年均-25.65cm/yr两者的相关系数达到0.96。GRACE反演结果与GNSS垂向时序季节性周期变化较为一致。