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土壤湿度在陆-气相互作用中起着重要作用，对天气与气候有重要影响。准确的土壤湿度估计，对于改进天气预报、短期气候预测、水文预报、农业和干旱监测等研究具有重要意义。本博士论文的主要研究目标是针对巴基斯坦区域构建基于陆面过程模式CLM4.5与集合四维变分同化方法PODEn4DVar的土壤湿度数据同化系统，改进土壤湿度估计，并获取高时空分辨率的土壤湿度同化数据集。围绕上述研究目标，本论文在土壤湿度数据同化系统研发及其应用方面开展了研究，取得主要成果如下:
(1)构建了基于陆面过程模式CLM4.5与集合四维变分同化方法PODEn4DVar的巴基斯坦区域土壤湿度数据同化系统。以陆面过程模式CLM4.5作为预报算子，利用基于本征正交分解的集合四维变分同化方法PODEn4DVar同化土壤湿度观测资料，构建了基于陆面过程模式CLM4.5模型和PODEn4DVar同化算法的土壤湿度数据同化系统，并将其应用于巴基斯坦区域，由此研发了巴基斯坦区域土壤湿度数据同化系统;针对巴基斯坦雨季(6-8月)设计了观测系统模拟实验(OSSE)，理想实验的结果土壤湿度同化结果比模型模拟更接近“真值”，从而验证了该同化系统的合理性。
(2)巴基斯坦土壤湿度数据同化系统的验证和评估。针对上述研发的土壤湿度数据同化系统，基于巴基斯坦区域植被和土地覆盖数据等地形和地理信息，应用于代表巴基斯坦不同农业气候区的4个农业观测站点开展同化数值试验。针对4个不同土壤深度(0-5、5-10、10-20和20-30cm)，随机选取土壤湿度站点数据作为“观测”同化到模型，剩余站点观测数据作为独立观测验证土壤湿度同化产品。同化试验结果表明同化结果降低了均方根误差和偏差，提高了相关系数;除此之外，通过同化表层土壤湿度对深层土壤湿度模拟结果也有一定程度改善。
(3)土壤湿度数据同化对土壤温度和表面热通量的影响。本研究还讨论了土壤湿度同化对土壤温度和表面热通量的影响。土壤温度差异的大小因地点和土壤深度而异。根据模拟的（无同化）减去土壤温度的同化值来计算差异。在所有站点之间观察到最大差异为14K，而最小差异为0.9K。土壤温度的这些差异表明土壤湿度同化也显示出对土壤温度的影响。同样，还研究了土壤水分同化对表面热通量的影响，并观察了模拟和同化在潜热通量和显热通量之间的差异。所有实验点之间的潜热通量差在-21.5至152.5W/m2之间变化，而感热通量则在-0.04至115.5W/m2之间变化。土壤温度和表面热通量的这些大的差异可能会对地表相互作用产生显著影响。
(1)构建了基于陆面过程模式CLM4.5与集合四维变分同化方法PODEn4DVar的巴基斯坦区域土壤湿度数据同化系统。以陆面过程模式CLM4.5作为预报算子，利用基于本征正交分解的集合四维变分同化方法PODEn4DVar同化土壤湿度观测资料，构建了基于陆面过程模式CLM4.5模型和PODEn4DVar同化算法的土壤湿度数据同化系统，并将其应用于巴基斯坦区域，由此研发了巴基斯坦区域土壤湿度数据同化系统;针对巴基斯坦雨季(6-8月)设计了观测系统模拟实验(OSSE)，理想实验的结果土壤湿度同化结果比模型模拟更接近“真值”，从而验证了该同化系统的合理性。
(2)巴基斯坦土壤湿度数据同化系统的验证和评估。针对上述研发的土壤湿度数据同化系统，基于巴基斯坦区域植被和土地覆盖数据等地形和地理信息，应用于代表巴基斯坦不同农业气候区的4个农业观测站点开展同化数值试验。针对4个不同土壤深度(0-5、5-10、10-20和20-30cm)，随机选取土壤湿度站点数据作为“观测”同化到模型，剩余站点观测数据作为独立观测验证土壤湿度同化产品。同化试验结果表明同化结果降低了均方根误差和偏差，提高了相关系数;除此之外，通过同化表层土壤湿度对深层土壤湿度模拟结果也有一定程度改善。
(3)土壤湿度数据同化对土壤温度和表面热通量的影响。本研究还讨论了土壤湿度同化对土壤温度和表面热通量的影响。土壤温度差异的大小因地点和土壤深度而异。根据模拟的（无同化）减去土壤温度的同化值来计算差异。在所有站点之间观察到最大差异为14K，而最小差异为0.9K。土壤温度的这些差异表明土壤湿度同化也显示出对土壤温度的影响。同样，还研究了土壤水分同化对表面热通量的影响，并观察了模拟和同化在潜热通量和显热通量之间的差异。所有实验点之间的潜热通量差在-21.5至152.5W/m2之间变化，而感热通量则在-0.04至115.5W/m2之间变化。土壤温度和表面热通量的这些大的差异可能会对地表相互作用产生显著影响。