青藏高原（以下称高原）被称为地球第三极,是多条河流的源区,对周围大气环境乃至全球气候变化具有重要的影响。全球变暖背景下的高原区域更是发生了巨大的环境变化,成为全球研究的热点问题。由于高海拔复杂地形引起的热力学和动力学问题尚不完全清楚,以及高原边界层结构独特、云降水物理过程复杂,加之高原观测站稀疏、卫星资料不确定性大等问题,严重制约了高原区域天气及气候变化的系统性研究。不仅如此,现有的全球再分析资料分辨率偏低,不足以准确描述高原大气状态,尤其对湿度、高原云和降水的模拟较差,而覆盖高原的高分辨率区域再分析资料还很缺乏。因此,针对高原区域观测稀少条件下的资料同化研究,对发展高原高分辨率区域分析资料及开展高原区域天气、气候和环境变化的系统性研究至关重要。本文紧密围绕高原区域资料同化的科学问题,主要开展了变分质量控制（VarQC）的变分同化方案和集合卡尔曼滤波（EnKF）同化方案的研究。首先,发展建立了既适用于高原复杂地形又可充分发挥高原稀少观测作用的VarQC方案,并揭示了其对高原区域同化分析的潜在改善价值。其次,发展了高原区域具有大气流依赖特征的EnKF同化分析资料集,并研究了卫星辐射资料同化对高原区域同化分析的潜在影响。VarQC方案根据“Gaussian+Flat”和Huber分布的非高斯观测误差分布模型分为两种:Flat-VarQC和Huber-VarQC,它们与三维变分（3DVAR）同化系统同步分析,可有效提升高原观测的利用率,对同化分析及其降水预报有良好的改善效果,而EnKF同化系统对发展高原大气资料集更有优势,尤其在湿度、水循环、高原云和降水的模拟等方面均好于欧洲中期天气预报中心发展的ERA-Interim和ERA5再分析。主要研究结论为:（1）提出了观测资料变分质量控制原理的新概念模型,基于变分同化系统发展建立了两种变分质量控制方案。两种方案的实际观测权重和理论权重函数变化一致且合理。Huber-VarQC方案能够准确识别离群值观测,并有效剔除（吸收）离群值的有害（有用）信息,具有较强的稳健性。基于变分质量控制的位势高度分析比标准3DVAR更准确,尤其对流层中低层表现更好,且Huber-VarQC的性能优于Flat-VarQC。充分验证了两种变分质量控制方案的正确性和有效性,为发展变分质量控制的高原区域分析资料集提供重要科学依据。（2）基于建立的变分质量控制方案发展了高原区域的分析资料集,并为改善变分同化和混合同化方案的高原资料同化提供了优势技术。基于变分质量控制的分析资料相比标准3DVAR有效提高了高原稀少观测的利用率,具有更准确的温湿度场,且风场不逊于标准3DVAR。同时,有效减小了标准3DVAR同化分析的降水预报误差,改善了高原区域降水偏强的问题。（3）构建了同化常规观测资料的夏季高原区域高分辨率的EnKF分析资料集,评估了EnKF资料同化系统的性能。EnKF分析资料集具有比ERA-Interim和ERA5更准确的三维湿度场,其降尺度预报可以模拟出更准确的降水分布和降水强度,并有效消除高原上的虚假降水。降水日变化相比其他再分析的原始降水预报和降尺度降水预报更接近观测降水。EnKF同化方案对改善高原区域同化分析质量展现出巨大优势,但对温度场和风场的分析质量尚需进一步改善。（4）研究了全空卫星辐射资料的EnKF同化对进一步改善高原区域同化分析质量的潜在价值。EnKF同化卫星辐射资料的集合平均预报相比无观测同化的预报对高原东移的MCS（Mesoscale Convective System）具有更准确地模拟,有效减小了对流云的模拟误差,改善了预报24h后的降水形态和强度,并逐渐呈现出对临近短期降水预报的优势,显示了卫星辐射资料的EnKF同化对改善高原区域同化分析质量具有巨大潜力。