在变分资料同化中,背景误差协方差矩阵的结构一般通过物理变换和空间变换隐式表达。其中,物理变换抽取了变量间的动力平衡约束,反映的是背景误差协方差矩阵中的误差交叉协相关关系。这些交叉协相关关系控制着观测信息在不同变量之间的传播,并能抑制同化分析场中的高频重力波,对于同化分析十分重要。GRAPES模式面三维变分同化框架下原有的物理变换方案采用线性平衡方程来约束风场和质量场之间的分析,并引入了一组参考等压面解决平衡方程在高度地形追随模式面上求解困难的问题。该方案在操作中涉及反复垂直插值,并且线性平衡方程的适用范围也有一定的限制。此外,原方案只考虑旋转风和质量之间的动力平衡,这使得背景误差协方差矩阵中的交叉协相关结构在边界层等特殊区域略嫌简单。为解决原有方案存在的问题,本研究在这一同化框架中引入了一个新的物理变换方案,以优化变分框架中背景误差协方差矩阵的结构。新方案采用模式面上统计得到的流函数和无量纲气压之间的平衡算子N代替原方案中的线性平衡方程,来表达旋转风和质量之间的平衡关系；采用模式面上统计得到的流函数和势函数之间的平衡算子M,补充表达了原方案中所没有的旋转风和散度风之间的平衡关系,统计样本采用NMC方法获得。N算子的统计采用单层相关和多层相关两种模型进行比较,并最终选用了单层相关结果进入到新的物理变换方案；M算子的统计直接采用的是单层相关模型。新的物理变换方案可以直接在模式面上实施,避免了额外插值。统计结果表明,流函数和无量纲气压之间的动力平衡约束在赤道外对流层顶以下最强,在赤道地区很弱。而流函数与势函数的动力平衡约束相对要小很多,且大值区主要位于两个半球中高纬边界层地区。通过随机扰动试验和单点试验可以发现,在地转关系成立较好的区域,新方案的性能和原方案十分接近；而在地转关系不适用的区域,新方案可以有效减小旋转风和质量的耦合程度,使得这些地区的风场和质量场的分析更加独立。单点试验结果还表明,由于新方案中添加了旋转风和散度风之间的动力平衡约束,边界层的风场分析结构更加完善。同化预报循环试验表明,在同化常规观测资料的情况下,新的物理变换方案对于提高南北半球的同化分析场以及东亚地区短期预报场的质量有正效果。