对于数值模式的长期积分来说,质量场的守恒性非常重要。中国气象局自主研发的GRAPES＿GFS全球预报系统近几年在取得长足进步的同时,还存以下基本问题:1)动力框架中现在采用的准单调半拉格朗日平流方案精度不高,且不能保证标量场的守恒性;2)动力框架在长期积分的过程中无法严格保证干大气总质量的守恒性。针对以上问题,本论文的研究工作分为以下两个部分:湿动力过程的守恒改造:在数值模拟中如何更好地计算水物质的分布,并保证在没有源汇情况下的质量守恒性,对于数值模式预报效果的改进,特别是对于降水过程的模拟,具有重要的意义。数值模式中的标量平流计算一般要求做到高精度、守恒、正定、保形,但GRAPES＿GFS中现在采用的QMSL（Quasi-Monotone Semi-Lagrangian）平流方案在水汽的梯度大、不连续的区域计算精度较低,而且不能做到严格守恒。本部分的研究工作借鉴计算流体力学领域最新的研究进展,将基于分段有理函数的标量平流方案PRM（Piecewise Rational Method）引入GRAPES＿GFS,改用通量形式求解水汽方程,并在极区计算的时候采用了混合等技术处理。通过一系列的理想试验对两种平流方案的性能进行了对比,验证了PRM方案精度更较高,特别在水汽梯度大的区域优势明显,频散和耗散误差较小,守恒和保形性也好于QMSL方案。进一步通过GRAPES＿GFS中批量预报试验的检验,证明了PRM方案可以有效地改进水物质分布的模拟,提高降水的预报效果,对模式的综合预报性能也有明显的提高。干动力过程的守恒改造:如何在长期积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一,对于半拉格朗日动力框架来说在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难。GRAPES＿GFS预报系统在长期积分过程中质量损失的问题较为明显,为了解决这一问题,本部分的研究工作在广泛调研世界各国业务中心的模式框架之后,在GRAPES＿GFS的框架中引入密度做为新的预报变量,按照欧拉通量形式计算连续方程,重新求解整个动力过程,希望从理论上得到一个质量守恒型的动力框架,但暂时还没有得到合理的试验结果。另一方面,本部分的研究工作借鉴C-CAM（Climate-Community Atmosphere Model）模式中对地面气压进行订正来控制模式质量守恒的思路,在GRAPES＿GFS中开发了一种对每个网格点的质量按照不同的权重系数进行调整,来控制模式大气总质量守恒的算法。经过一系列的理想试验、个例预报试验、批量的循环预报试验验证了该方法在GRAPES＿GFS中的可行性,在保证模式质量守恒的情况下可以有效的减小高度场的预报偏差,缓解模式预报结果中天气系统偏弱的问题,在实际业务预报中有一定的应用价值。