气候变化是多时间尺度变率的集合。海洋得益于其巨大的热惯性成为年代际尺度变率的重要载体，大西洋和太平洋地区均存在典型的年代际尺度海温模态，对区域和全球的气温、降水的等气候变率产生广泛的影响。研究年代际尺度海气相互作用的机理，从而提高对年代际尺度气候变化的预测能力具有重要的科学意义和实用价值。随机气候理论着眼于大气随机强迫在低频气候变率形成中的重要作用，被越来越多地应用于解释太平洋和大西洋地区年代际尺度气候变率的驱动机制。本文主要围绕年代际海气相互作用这一核心问题，从随机气候理论的角度开展研究。　　[1]探究了随机强迫模型响应的频谱特性，揭示了由随机强迫的频谱结构以及海气系统的反馈过程所决定的响应的尺度锁频性。　　随机强迫气候模型中，系统达到平衡之后响应的振幅受随机强迫振幅和系统阻尼特性的共同影响。响应的概率密度分布呈现正态分布特征，且不依赖于强迫的分布型。大气随机强迫的低频结构以及海洋的反馈特性对响应的谱结构具有关键的作用，决定了是否能产生偏好时间尺度。响应通过将持续的随机强迫作用进行积分整合，使强迫中的慢变分量大大增强，强迫中原本不显著的低频分量可以在合适的负反馈作用下产生显著的准周期响应。并且阻尼系数较大的系统，更容易产生显著的慢变准周期。响应所包含的频率成分依赖于强迫的频谱结构，最终响应的功率谱等于不同强迫分量各自导致的响应谱的线性叠加。　　[2]给出了全球海温异常的衰减时间尺度，提出了基于随机气候模型的方法以识别特定海温变率的大气强迫源以及特定大气强迫的海温响应。　　当只考虑海气界面湍流热通量对海温的耗散时，海温响应的衰减速度主要取决于海洋混合层深度和海气界面的风速。海温衰减时间最长的区域位于南、北大西洋的副极地地区。海温衰减时间尺度大值区与年代际海温变率方差的大值区基本对应，衰减缓慢的海温异常为长时间尺度的海温模态的存在提供了可能。　　随机强迫理论建立了大气快变强迫与海温慢变响应之间的联系，从随机强迫模型出发通过积分和线性回归的方法可以实现由响应“反演”其大气强迫源，以及对大气强迫的海温响应的识别。本文采用这一方法寻找了影响北大西洋多年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation; AMO)、太平洋年代际振荡(PacificDecadal Oscillation; PDO)以及厄尔尼诺-南方涛动(El Ni(n)o-Southern Oscillation;ENSO)变率的海平面气压关键区，并识别了北大西洋涛动(North AtlanticOscillation; NAO)和南半球环状模(Southern Hemisphere annular mode; SAM)可能的海温响应。所得的部分结果在前人的相关研究中得到了印证，说明了这一方法的有效性。此外，随机强迫理论反映了相对高频变率的累积导致相对低频变率的增强的过程，也适用于年代际之外其他尺度的气候变率研究。　　[3]评估了CMIP5模式对NAO变率及其与NHT关系的模拟能力，揭示了模拟好与AMO有关的物理过程是再现NHT对NAO延迟的响应的关键。　　NAO是北半球最重要的大气遥相关型之一，近期有研究表明NAO是北半球平均温度(Northern Hemisphere mean surface temperature; NHT)多年代际自然变率的一个重要的来源和预测因子。基于这项研究，本文首先考察了参与国际耦合模式比较计划第五阶段（Phase5 of the Coupled Model Intercomparison Project;CMIP5）的40个海气耦合气候模式对历史NAO和NHT变率的模拟能力。结果表明，所有的模式均可以较合理地再现年际NAO空间型的基本特征，而模拟的年代际NAO空间型与观测差异相对较大。NAO年代际尺度的振幅被绝大多数模式低估。NHT方面，模式总体上对其强迫变率部分的模拟效果较好，但倾向于低估多年代际NHT的内部变率。本文接下来考察了模式对NAO与NHT超前滞后关系的模拟能力。研究表明，14个模式基本上能够再现观测中NAO对NHT的年代尺度超前影响。进一步分析表明，模式间对两者关系模拟的差异主要与它们对其中涉及到AMO以及北大西洋经圈翻转流(Atlantic meridional overturningcirculation; AMOC)的物理过程的模拟效果有关。这一结论为提高耦合模式对NHT变率的模拟能力提供了新的思路，即未来需要加强对NAO多年代际变率以及NAO通过海洋慢过程超前影响NHT内部变率的物理过程的模拟。