热带年际变化是全球气候变化最强的信号,不但会显著影响热带区域的气候,而且会通过大气的遥相关响应影响全球气候。因此,研究热带海洋年际变化的物理机制以及预测热带年际变化是近几十年来的研究热点。本文通过不同复杂程度的模式和模型,对热带年际变化的模拟、可预测性以及热带太平洋年际变化对全球变暖的非线性响应进行了研究。首先,以Zebiak-Cane模式(ZC模式)的物理框架为基础,建立了一个覆盖整个热带海洋的中等复杂程度海气耦合模式,并评估了模式的模拟效果。相比于ZC模式,热带海气耦合模式最大的改进之处是:1、在混合层温度方程中加入了简单的热通量参数化;2、利用模式输出统计修正方法(MOS),对模式产生的风场进行了修正。其次,本文利用多种数值试验考察了这一模式对热带年际变化的模拟效果。强迫试验和耦合试验表明,该模式能够较好地模拟出热带区域产生的主要年际变化模态,例如ENSO、印度洋海盆模(IOBM)和印度洋偶极子模态(IOD)。模式再现的印度洋和太平洋之间的紧密关系与观测资料相似,但是模式高估了热带太平洋和大西洋之间的关系,这导致了模式模拟的大西洋Ninno现象有一定的系统偏差。热带海洋模式对热带年际变化合理的模拟结果表明这一模式能够成为研究和预测热带年际变化的有力工具。然后,本文通过13 6年的回报试验研究了模式对热带年际变化的预测技巧和模式对ENSO和IOD预测技巧年代际变化。结果显示,模式能够提前一年以上对ENSO事件做出有效的预测。在热带印度洋,模式对西印度洋的预测技巧要明显高于东印度洋。而对于IOD事件,模式的有效预测时效约为5个月。模式对ENSO和IOD的预测技巧与现今主流模式相当。ENSO和IOD事件的可预测性均存在年代际的变化。ENSO自身的强度是影响ENSO可预测性的重要因子。IOD的可预测性在1981-2000年代和1921-1940年代的预测技巧较高,而在1941-1960年代和1961-1980年代IOD的预测技巧相对较低。与ENSO不同,影响IOD可预测性的主要因子是ENSO-IOD之间的关系,而IOD和ENSO本身强度的影响较弱。最后,本文利用不同复杂程度的模式和模型(ZC模式和概念模型)研究了热带太平洋对全球变暖的响应。结果表明,在ZC模式和简单的耦合模型中,热带太平洋对全球变暖的响应符合“海洋动力恒温机制”(ocean dynamical thermostat),其特征为:在全球变暖的情况下,东西太平洋温度梯度将会增强,形成La Ninna型的响应。产生这种响应的原因是东西赤道太平洋气候态上升流强度的不同。在线性条件下,增强的东西温度梯度将增加热带太平洋的不稳定性,进而增强ENSO事件的强度。而当考虑次表层温度对温跃层异常响应的非线性后,“海洋动力恒温机制”造成的东太平洋温跃层上升将减弱SST对温跃层变化的响应,从而减弱ENSO的强度。对概念模型进行分岔分析表明,对于特定的耦合强度,存在一个临界外强迫热通量。当实际外强迫热通量超过该临界值时,耦合系统将从自我维持的振荡状态转变为稳定的La Ninna平衡态。这一状态的转变将导致温度梯度的非线性变化。目前的热带气候状态处于临界值附近,因此,耦合系统对随机过程和耦合强度的变化十分敏感。