当前针对复杂构造地区速度建模的应用越来越多,但传统的速度分析方法不能够得到高分辨率的速度模型,而地震全波形反演(Full Waveform Inversion)利用叠前地震波场的运动学和动力学信息建立地层速度模型,能够精确的刻画模型细节,已逐渐成为近年来的研究热点。本论文针对二维时间域全波形反演算法进行了深入的研究,实现了一套比较完整的二维地震时间域多尺度全波形反演方法。反演离不开正演,首先研究了规则网格的高阶有限差分波场模拟方法,推导了不同阶数有限差分的格式,给出了不同阶数有限差分的稳定性条件与频散条件,指出了震源子波对全波形反演实际应用的影响,在边界处采用Clayton-Enguist-majda二阶吸收边界条件,并对简单模型与复杂模型进行了试算,验证了本文正演模拟方法对异常体及复杂速度结构波场模拟的有效性以及对边界较好的吸收效果。对于全波形反演这种强非线性问题,首先推导了经典的梯度法地震全波形反演方法,使用炮点正向波场与检波点处波形残差逆时传播的逆向波场的互相关来构造梯度方向,避免了雅可比矩阵的计算,大大减少了计算量。在梯度法全波形反演的基础上,给出了预条件的共轭梯度法全波形反演的算法流程,考虑到深部构造较难反演的问题,采用基于地震波能量的预处理方法对梯度做预处理,用来改善深部构造的成像,并且推导了迭代步长线性搜索方法。然而使用收敛速度较快的局部优化方法必然会受到局部极值的影响,针对全波形反演这种多极值的特性,本文采用基于Wiener滤波器的多尺度反演策略,利用Wiener低通滤波器将观测地震数据与震源子波滤到不同的频率段,先在大尺度目标函数极值点较少的低频带反演,低频带反演结果作为较高频带反演的初始模型,然后逐频段反演,最高频带数据反演的结果作为整个全波形反演的最终结果。最后基于C++语言实现了整套算法的核心代码,为验证算法的有效性,利用本文算法对异常体模型以及复杂Marmousi模型进行了试算,结果表明本文所述全波形反演方法对异常体模型的反演以及对复杂构造的反演具有不错的效果,这也证实了本文给出的整套时间域全波形反演方法的有效性。