北半球平流层极涡是指北半球冬季（12月-次年2月）平流层区域的一个气旋性系统。辐射冷却和动力增温过程的能量平衡形成了极涡。平流层极涡又可以反过来在多种时间尺度上影响对流层过程;在天气时间尺度上，平流层的行星波反射会引起对流层阻塞高压的异常增长，进而影响其下游的天气过程;而在年代际时间尺度上，平流层臭氧的损耗会使得直接入射地表面的太阳辐射增多，并且会引起风暴轴的向两极的偏移。对气候模式模拟能力的研究有诸多文献，但对模式中极涡模拟能力的评估和影响该模拟能力的因素的分析较少。研究表明气候模式中模式顶的高度、碳氮循环的处理方式等对极涡的模拟能力有重要的影响。本文的主要目的在于分析和评估第五次全球耦合模式比较计划(CMIP5)模式中北半球冬季平流层极涡的模拟能力，包括其气候态和年际变化的模拟，并对影响模式中平流层极涡模拟能力的可能原因进行多方面的分析。此外，本文还研究了两种排放情景下CMIP5模式对21世纪末的北半球冬季平流层极涡的预估以及极涡模拟能力对近地面气候的影响。本文得到的主要研究结果总结如下:　　(1) CMIP5高顶模式历史模拟中北半球冬季平流层极涡比CMIP3集合平均要更接近再分析资料。大部分CMIP3模式中存在的冷极问题，在CMIP5的绝大部分低顶模式中依然很严重。在高顶模式中极夜急流的强度也更接近观测值，而低顶模式中极夜急流强度则比再分析资料高出约9％。空间和时间评分系统都显示，包含完整平流层，平流层垂直分辨率更高，以及加入非地形重力波参数方案的高顶地球系统模式大都能够更好的模拟平流层极涡的气候态。在这些模式中，行星波的极地波导要强于其余的模式，具体表现为上传到平流层的行星波热通量（Eliassen-Palm通量的垂直分量）更强。而低顶模式中，过强的极夜急流改变了行星波的折射传播，使得行星波能量被折射到中纬度平流层。向上垂直分量的减弱和平流层向中纬度折射增强两者的综合作用使得极涡区的净能量输入弱于高顶模式，从而造成较严重的冷极问题。　　(2) CMIP5高顶模式中模拟的平流层极涡区高度场和极夜急流的年际变化和再分析资料基本相当，但是低顶模式中则弱得多。进一步的分组对比得分发现非地形重力波等因素的加入能有效改进模式中年际变化的模拟。结果还发现，模式模拟的极涡年际变率的强弱会影响到模拟的平流层对对流层过程的作用。首先，近地面气温对极涡指数的回归场上，在低顶模式中北美地区的负异常中心非常弱。其次，在海平面气压的回归场上，低顶模式中位于北大西洋和北太平洋上的两个高压异常中心也非常的弱。在区域气候上，东亚冬季风的第二模态与极涡的相关关系受到极夜急流年际变率强度变化的调控。　　(3) CMIP5模式预估的RCP45和RCP85两种情景下21世纪末的北半球冬季平流层极涡的气候态和年际变化分别与历史试验的20世纪末模拟结果差异并不显著，但比历史试验中气温略有降低。西风急流的变化也不显著。Brewer—Dobson环流则表现出增强的趋势，并且在RCP85情景下更强。这些是全球变暖情景下平流层过程的长期响应。另一方面，在两种情景下，CMIP5高顶模式与低顶模式间极涡的差异仍然非常显著。在RCP45、RCP85以及历史试验中，这两类模式之间的纬向平均气温和纬向风在极涡区的差异都基本相当，这说明模式间极涡模拟的差异主要来源于模式自身的系统性误差，即一个完整的平流层、非地形重力波的参数化和更高的平流层垂直分辨率等参数的设置对于模式中极涡模拟有非常重要的作用。高低顶模式之间在两种情景下预估的平流层极涡对近地面气候的作用与历史试验有相似的差异。此外，高顶模式预估的21世纪末北太平洋海平面气压对极涡的响应比历史试验更强烈。　　总之，为了更好的模拟北半球冬季平流层极涡的气候态及其年际变化，需要在模式中包含完整的平流层并提高平流层垂直分辨率。并且，当模式自身不能形成非地形重力波时采用合适的参数化方案能有效提高模式模拟的冬季极涡区的气温并且使模拟的极夜急流强度更接近观测值。此外，对于气候系统模式而言，完善地球系统的碳氮循环并耦合到模式中也有助于平流层过程模拟能力的提升。平流层极涡模拟得较好的模式中平流层对近地面气候的影响也更强，主要表现在近地面气温和海平面气压场上，这种差异在历史试验和两种排放情景下都非常显著。因此，当讨论CMIP5模式间的近地面气候差异时尤其需要考量模式中平流层极涡模拟能力的差异。