近地面气象状况与人类活动息息相关,对人们生产生活具有重要影响,是天气预报的重点。全球在世界气象组织（World Meteorological Organization,WMO）的协调下建立了完善的地面观测网络和观测资料交换系统,每天可获取10000个天气报及5000个机场报站点观测。开展地面观测资料在全球数值模式中的同化应用研究,具有重要的科学和应用价值。然而,地面观测资料在全球数值预报业务中的同化应用还不充分,全球大气同化系统一般只同化气压观测资料,气温、湿度等观测资料则通过陆面同化系统间接使用（如欧洲中期天气预报中心,ECMWF）,只有少数数值预报中心（如英国气象局,UKMO）在其全球大气同化系统中使用地面气温、湿度和风场观测。UKMO和ECMWF的地面观测资料业务应用经验来看,大气和陆面的协同同化是地面资料同化的关键。本论文以GFS/GSI全球循环同化系统为基础,提出了“全球近地面同化+全球陆面同化+全球大气同化”的地面观测资料大气和陆面协同同化方案。该方案主要包括三个步骤:1)利用LETKF集合同化技术,将大气模式输出的近地面气温、湿度和风场与观测资料进行融合,获得全球近地面气象分析场;2)利用全球近地面气象分析场驱动全球陆面模式,并利用En OI技术实现对土壤湿度观测资料的同化,获得全球陆面分析场;3)将全球近地面观测增量应用于大气模式最底层,基于四维集合变分混合同化（Hybrid-4DEn Var）技术开展全球大气同化,获得全球大气分析场。基于该方案,论文建立了全球大气和陆面弱耦合同化系统,实现了对地面观测资料的大气和陆面协同同化。与地面观测资料大气和陆面协同同化方案三个步骤相对应,该弱耦合同化系统由以下三部分组成:（1）基于LETKF集合同化算法建立了考虑近地面气象要素“流依赖”特征的近地面分析系统,通过融合地面气温、湿度和风场观测资料,使近地面气象要素分析场偏差减小50%以上,均方根误差降低25%以上。（2）在对土壤湿度空间相关性深入研究的基础上,发展了土壤湿度地面站点观测资料的二维En OI融合系统。利用近地面气象要素分析场驱动全球陆面模式,并通过2D-En OI融合土壤湿度地面观测资料,进一步优化土壤湿度质量,获得与地面观测资料更加接近的全球陆面初始场。2016年5-9月的长序列同化试验表明,同化土壤湿度地面观测资料可以显著改进陆面模式土壤湿度模拟偏差和均方根误差。（3）提出了将近地面观测增量应用于大气模式最底层,通过四维集合变分混合同化技术将地面观测资料同化应用于大气模式的技术思路,基于GSI系统实现了地面观测资料的Hybrid-4DEn Var同化。单点观测同化试验表明,Hybrid-4DEn Var的同化增量在水平和垂直结构上比3DVar更合理,且更具有“流依赖”特性。利用发展的全球地面观测资料大气和陆面弱耦合同化系统和真实观测资料,开展了10天以上循环同化对比试验。结果显示地面观测气温、湿度和风场等资料的同化,能够显著改进近地面气温、湿度和风场的0h预报质量,全球平均气温、湿度和风场RMSE误差降幅分别达17.4%、25.5%和17.6%。对12h预报而言,气温和湿度能够较好保持明显的误差降低,RMSE误差降低分别约3.2%和10.2%。随着预报时效的增加,风场误差预报误差降幅越来越小,12h预报风场误差降幅约在1%左右。研究发现,地面观测资料同化对500h Pa以下气温廓线短期预报有改进。本论文基于GFS/GSI全球同化系统建立了具备地面气温、湿度和风场等观测资料同化能力的全球大气和陆面弱耦合同化系统,并开展一系列数值同化试验,在地面观测资料同化领域取得的研究成果对改进全球数值模式预报和资料再分析水平具有重要意义。