本文首先利用NOAA地表温度资料、NCEP/NCAR再分析资料和20世纪再分析资料以及GPCC降水资料,采用合成分析等方法,分析研究了 1949-2014年和1904-2014年观测的冬季大气对太平洋低频海温变率极端位相的线性和非线性响应。其次利用GFDL AM2.1和CAM4两个大气环流模式太平洋低频海温异常强迫模拟资料,分析研究了模拟的冬季大气对太平洋低频海温极端异常强迫的线性和非线性响应,并比较模拟和观测结果的异同。另外,把太平洋低频海温模态分为热带太平洋、热带印度洋、北太平洋和南太平洋4个区域,利用CAM4探究冬季大气对4个区域低频海温异常强迫的线性和非线性响应。最后利用CAM4的2倍和1倍太平洋低频海温异常强迫模拟资料,探究冬季大气对太平洋低频海温异常强迫产生非线性响应的机制。主要结论如下:第一,对1949-2014年和1904-2014年太平洋低频海温变率极端位相的观测合成分析结果表明,冬季500-hPa高度场线性响应主要包括太平洋-北美区域显著的正位相PNA型遥相关,北大西洋-欧洲区域显著的正位相准NAO型遥相关,以及欧亚大陆显著的偶极子。欧亚大陆偶极子正异常中心在贝加尔湖附近,负异常中心在欧亚大陆高纬毗邻北冰洋地区,该偶极子是欧亚大陆中部地表显著线性增暖的原因。冬季500-hPa高度场非线性响应主要包括显著的正位相准PNA型遥相关,正异常中心位于北美洲东部,负异常中心位于沿北美洲西岸附近,以及显著的正位相准NAO型遥相关。第二,GFDLAM2.1和CAM4两个大气环流模式基本模拟出了北美洲和南半球陆地区域观测的冬季大气对太平洋低频海温变率极端位相的线性和非线性响应特征,包括太平洋-北美区域显著的正位相PNA型线性响应和非线性响应,北美洲北部的地表线性增暖和北美洲南部的降水线性增加,以及南半球陆地的地表线性增暖响应。但是,GFDLAM2.1和CAM4没有模拟出观测中北大西洋-欧洲区域显著的正位相准NAO型线性响应和正位相准NAO型非线性响应以及欧亚大陆的偶极子,也没有模拟出观测中欧亚大陆中部显著的线性增暖现象。太平洋低频海温模态中热带太平洋区域海温异常强迫试验不仅模拟出了显著的正位相PNA型线性响应和非线性响应,还模拟出了显著的正位相准NAO型非线性响应,但是也没有模拟出观测的正位相准NAO型线性响应。利用CAM4的200年模拟资料,分析结果表明,至少需要100-200年才能模拟出显著的稳定的PNA型非线性响应,两个模式模拟结果的差异可能与GFDLAM2.1模拟时长只有50年有关。第三,CAM4模拟结果表明,在冬季大气对太平洋低频海温极端异常强迫的响应中,热带太平洋区域的海温异常强迫起到主要作用。热带印度洋区域海温异常强迫主要对欧亚大陆、非洲和澳大利亚有影响,对其他区域影响较小。尽管北太平洋海温异常是太平洋低频海温变率中最强的信号,但北太平洋和南太平洋海温异常强迫对中高纬大气环流的影响比较弱。第四,CAM4的2倍和1倍太平洋低频海温异常强迫模拟结果表明,热带西太平洋降水对太平洋低频暖海温强迫的响应是准线性的,对太平洋低频冷海温强迫的响应是非线性的。太平洋低频海温极端异常强迫模拟结果表明,太平洋-北美区域产生500-hPa高度场的PNA型非线性响应与两个因素有关,一是热带西太平洋降水对太平洋低频海温极端异常强迫响应的非线性,热带西太平洋降水对暖海温异常强迫的响应比对冷海温异常强迫的响应更强,二是太平洋-北美区域天气尺度瞬变涡旋反馈对太平洋低频海温极端暖强迫的响应更强。热带太平洋区域海温极端异常强迫模拟结果表明,北大西洋-欧洲区域产生500-hPa高度场的负位相NAO型线性响应和正位相NAO型非线性响应与两个因素有关,一是热带西太平洋降水对热带太平洋海温极端异常强迫响应的非线性,热带西太平洋降水对暖海温异常强迫的响应比对冷海温异常强迫的响应更强,二是北大西洋-欧洲区域天气尺度瞬变涡旋反馈对热带太平洋区域海温极端冷强迫的响应更强。