地球系统中的各个分量之间具有紧密的相互作用,其中大气和海洋是两个最重要也最活跃的分量系统。随着海气耦合模式在天气气候研究中的广泛应用,人们对海气耦合资料同化的需求随之兴起。基于耦合模式框架,耦合资料同化可将多个分量中的观测信息吸收到耦合系统中,并允许观测信息在不同分量间进行传递和交换,因而理论上能够为耦合模式提供更加平衡和协调的耦合状态估计。耦合资料同化一般可分为弱耦合同化和强耦合同化,其中弱耦合同化只允许不同分量中的观测信息在模式预报阶段以动力方式传递到其它分量,而强耦合同化中耦合交叉误差协方差的使用,使得一个分量中的观测信息既可在预报阶段以动力方式又可在分析阶段以统计方式影响其它分量。本文以基于集合滤波算法的海气耦合资料同化为研究对象,主要关注弱耦合同化在气候动力学研究中的应用、模式偏差对强耦合同化的影响机制以及面向高分辨率地球系统模拟的并行高效耦合同化系统研发。目前,海气弱耦合同化在业务应用中已取得了较为显著的进展。将弱耦合同化应用于气候动力学研究既是对耦合同化应用场景的有效拓展,又是对气候动力学研究方法的一个重要补充,并仍有待进一步探索。基于低分辨率耦合模式中的集合海气弱耦合同化系统,本文首先系统比较了非耦合同化与弱耦合同化的性能表现。结果表明,同非耦合同化相比,弱耦合同化可进一步提高观测利用率,并可在大气和海洋中均显著提高分析场的质量。在此基础上,本文基于弱耦合同化技术提出了一种在耦合气候系统中对经向遥相关作用进行定量分离的新方法,新方法被用于在不同纬度上将热带外大气对热带太平洋年际变率的影响定量分离到大气、海洋和海气耦合遥相关三条通路上,这是首次在耦合环流模式中将热带外地区对热带气候的影响定量分离到三条遥相关通路。结果表明,在经向20°以外,热带外影响主要由大气遥相关主导;当距离赤道更近时,大气通路的贡献显著减小,而海气耦合通路的影响显著增大。ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）事件的复合分析结果显示,近赤道交界面耦合作用可通过调节太平洋经向模态和赤道太平洋热含量的预条件而显著影响ENSO的发生。强耦合同化目前处于发展的初始阶段,仍有许多因素制约着强耦合同化的成功实现。其中,模式中不可避免存在的模式偏差是一个重要的影响因素。基于低分辨率耦合模式中的集合海气强耦合同化系统,本文以真实世界再分析数据作为观测,系统探讨了耦合模式偏差对强耦合同化性能的影响机制。这是第一次成功地在耦合环流模式中将强耦合同化应用于真实世界再分析数据的同化。以弱耦合同化为基准,本文设计了四组对比方案并采用了多种形式的分析统计量,以系统比较分析在具有显著模式偏差情况下弱耦合与强耦合同化的相对表现。结果表明,耦合模式偏差的存在可显著影响强耦合同化的同化效果,并使分析场质量表现得更为复杂。同弱耦合同化相比,强耦合同化在海洋和大气中均可显著提高模式变量的异常相关系数,模式的气候态偏差也可得到明显修正。虽然强耦合同化对变量异常误差的提高不如异常相关系数明显,但仍可在大量区域有效降低变量的异常误差。在更接近现实的先进地球系统模式中开发面向高分辨率地球系统模拟的计算高效的耦合同化系统是目前资料同化领域一个重要的研究课题。集合滤波算法因能够很好规避耦合模式自身的复杂性,因而成为了实现海气耦合同化的一个良好选择。然而,如何设计将耦合模式与集合滤波算法相结合的高效计算方案,仍是实现集合耦合同化系统时面临的一个重大挑战。本文基于天气气候领域使用最为广泛的CESM（Community Earth System Model）地球系统模式,开发面向高分辨率地球系统模拟的计算高效的在线集合海气耦合同化系统。该系统以弱耦合同化方式运行,具体包括基于CAM（Community Atmosphere Model）大气模式的大气同化系统和基于POP（Parallel Ocean Program）海洋模式的海洋同化系统。CESM集合耦合同化系统采用基于超并行技术的全局处理器单元布局方案和基于内存读写的在线数据交互方式,超并行技术保证了对计算资源的充分利用,而在线交互方式可实现数据在积分空间与分析空间之间的高效相互转换。对CESM在线集合弱耦合同化系统的验证与评估试验表明,该系统能够成功同化大气和海洋中的观测数据并可实现观测信息在预报阶段以动力方式在两个分量间的相互传递。