资料同化是数值天气预报核心技术之一。其中四维变分资料同化被普遍认为是最有发展潜力的资料同化方法,对于改进高分辨率数值预报模式的预报效果具有十分重要的作用。切线性模式和伴随模式是建立四维变分同化系统的基础和重要组成部分,对于复杂的数值预报业务全球谱模式,其切线性模式和伴随模式的建立仍然是个难题。因此必须对谱模式的切线性和伴随模式进行关键技术研究,解决关键技术问题,才能建立谱模式的切线性和伴随模式。并行计算技术是数值天气预报系统应用实现的重要手段和基础。对于全球业务谱模式及其切线性模式和伴随模式的并行算法研究是四维变分资料同化中的关键并行计算问题。本文对数值天气预报资料同化中的关键技术和并行算法进行研究,设计并实现了基于最优统计插值方法的资料同化系统可扩展并行算法;提出了一种“自动微分+算子特性分析”的切线性模式和伴随模式实现方法;对数值天气预报业务全球谱模式、切线性模式和伴随模式的并行算法进行了研究。本文的主要研究成果概括如下:(1)对基于最优统计插值方法的资料同化系统串行算法进行深入分析,设计了基于跳跃选取策略的分布式可扩展并行算法,实现了基于最优统计插值方法的资料同化系统分布式并行算法;该并行算法具有较好的机器规模可扩展性和问题规模可扩展性;(2)通过对全球谱模式计算过程和数据相关性的深入分析,提出了基于二维数据转置的分布式并行算法;该并行算法在对于高分辨率谱模式使用精简高斯网格时能达到较好的负载平衡,并且具有高效并行可扩展性;实现了业务全球谱模式TL399L31的高效可扩展并行计算;(3)通过深入分析和比较,对于全球谱模式这样复杂的非线性模式提出“自动微分+算子特性分析”的方法,构造业务谱模式TL399L31的切线性模式和伴随模式代码,并对其进行了切线性和伴随检验。结果显示,得到的切线性和伴随模式正确;(4)将“多维球体的等区域划分算法”的特例——三维球体“等面积区域划分算法”引入到格点空间的区域划分中,提出了谱正模式和切线性模式的“类二维数据转置”并行算法,解决了原有二维划分要求处理机数为所谓“好数”的问题,该算法在任意处理机数目情况下,仍能实现负载平衡,取得较高的并行计算效率;实现了业务谱模式TL399L31的切线性模式分布式并行计算;(5)对伴随模式的并行计算进行了研究实现。由于正模式中使用的计算与通信分离技术,以及伴随模式、切线性模式与正模式使用相同的数据剖分、区域分解,伴随实现主要着重于对模式通信层的性能关键程序及其对数据分布的映射程序进行伴随处理,实现TL399L31伴随模式的并行计算;数值测试表明伴随模式的并行实现是成功的,取得较高的相对并行计算效率;(6)对于不可微函数的切线性计算中自动微分无法处理而出现的一类临界点问题创新性地提出了解决方法,该方法能保证临界点问题的整体计算精度。