在上游寒区水文试验区开展微波辐射计、激光雷达、高光谱航空遥感试验。利用机载多波段微波辐射计获取雪深、地表冻融状况和土壤水分；利用机载激光雷达测量雪深和地表粗糙度；从高光谱遥感提取雪盖面积、雪反射率、雪粒径及试验区地表覆盖类型。以航空遥感为桥梁、以地面真实性检验为标准，重点研究卫星数据反演雪水当量和土壤冻融的方法和精度。选择典型小流域同步开展双偏振多普勒雷达降水观测，地基微波辐射计观测，建立寒区水文径流场，加密观测寒区水文过程，定点测量积雪和冻土的各种物理属性和水热变化特征。获取同期的雷达、被动微波、可见光近红外和热红外卫星遥感数据，研究多尺度数据在空间和时间尺度上的转换机制。构建用于发展、改进和验证寒区陆面过程模型和分布式水文模型所需的数据集。

在森林水文试验区开展高光谱、多角度热红外、激光雷达航空遥感试验。从高光谱遥感提取生物物理参数及植被类型；利用多角度热红外遥感器，获取森林、灌丛和草地的观测数据，反演地表和冠层温度；利用激光雷达测量植被的三维结构，并估算生态系统生产力。利用以上观测/反演量提高对森林水文的重要分量――蒸散发、截留、树干径流、透过流的估算精度。获取同期的可见光近红外和热红外卫星遥感数据及雷达降雨观测数据。选择重点小流域加密观测森林水文和生态过程。构建用于发展、改进和验证森林水文模型和生态模型所需的数据集。

在中游干旱区水文试验区开展高光谱、多角度热红外、激光雷达、微波辐射计航空遥感试验。从高光谱遥感提取生物物理参数及地表覆盖类型；利用多角度热红外遥感资料反演地表和冠层温度；利用激光雷达测量植被的三维结构和粗糙度；利用微波辐射计观测土壤水分。获取同期的各类卫星遥感数据及雷达降雨观测数据。配合航空遥感试验开展地面同步观测试验。以临泽内陆河流域研究站（简称临泽站）和张掖国家气候观象台为依托，选择中游典型生态系统样带或样区，开展植被和土壤相关参数的地面加密观测试验。改善从航空遥感和卫星遥感资料反演和间接估计蒸散发的模型和算法，发展地面观测验证反演结果的尺度转换方案。

以现代陆面过程模型和水文水资源模型（包括地下水动态模型）为骨架，构建“大气－水文－生态”综合模拟模型平台。发展流域尺度的陆面/水文数据同化系统，集成观测与模拟结果，生成全流域空间分辨率为1km、时间分辨率为1小时的同化数据集。进一步发展能够实时融合多源遥感观测的数据同化系统，实现卫星遥感对流域水文与生态过程的动态监测。在“数字黑河”基础上，建立黑河遥感试验信息系统，发布原始试验数据、各级数据产品及同化数据。

以建模环境平台为依托，在像元化社会经济要素的基础上，以水量和土地利用为纽带，将生态经济模型纳入集成模型体系；建立黑河流域水土资源可持续利用专家知识库；形成空间显式的、以情景分析为手段的黑河流域水土资源和社会经济资源可持续利用决策支持系统；并以此为基础，探讨黑河流域水土资源的可持续利用对策。