中纬度海温异常如何影响大气仍然是没有认识清楚的科学问题,其中与海温异常相关的海洋锋区被认为可能是中纬度海洋影响大气的关键区。研究海洋锋变异及其对大气的影响对于理解中纬度海气相互作用及年代际气候变异的机理具有重要科学意义。本文使用1960-2011年HadISST月平均海表温度资料、1982-2011年OISST日平均海表温度资料以及1960-2011年NCEP/NCAR日平均再分析资料,通过资料诊断,数值模拟和动力学分析,对冬季北太平洋海盆尺度海洋锋的变异特征、海洋锋变异与大气的相互作用以及其中的动力学过程等进行了系统研究。得到如下主要创新结果:(一)定义了表征冬季北太平洋海盆尺度海洋锋变异的新指数针对冬季北太平洋两条海盆尺度海洋锋区,即副热带锋和副极地锋,定义了新的特征指数,分别定量表征海洋锋的强度和经向位置。定义的海洋锋特征指数分别为:副热带锋强度指数(ITS-STFZ)、副热带锋位置指数(LCT_STFZ)、副极地锋强度指数(ITS_SAFZ)和副极地锋位置指数(LCT_SAFZ)。海洋锋特征指数可以直观反映冬季北太平海盆尺度洋海洋锋的变异特征。副热带和副极地锋的强度和位置变异均具有显著的年际(2～3年)和年代际(约12年)周期。(二)发现了北太平洋海盆尺度海洋锋变异对大气影响的两种不同模态在季节平均时间尺度上,海洋锋特征指数和海温、大气的同期关系表明:海洋锋的变异主要与两种不同模态的大尺度海温和大气异常有关。当北太平洋海温异常表现为太平洋年代际振荡(PDO)正位相时,副热带锋增强而副极地锋南移;此时对应上空具有相当正压结构的西风急流加速。而当北太平洋海温异常为北太平洋涡旋振荡(NPGO)正位相时,副极地锋增强且副热带锋向北移动;此时对应着上空整层西风急流的极向位移。超前、滞后相关分析表明:北太平洋冬季海洋锋变异与海表热通量之间存在相互作用过程。超前的海气交换热通量变异通过影响局地海温变异,导致海洋锋的变异。这个过程主要是大气异常通过热通量作用于海洋锋。而在海洋锋变异之后的20～40天内,海温异常可以显著影响局地热通量。这个过程主要是海温异常通过海洋锋影响热通量,进而影响大气异常。月平均平均的海洋锋指数与月平均大气的超前、滞后关系表明,冬季北太平洋海洋锋变异对大气的影响也主要表现为两种模态:(1)副热带锋的增强(或副极地锋南移)在1个月后,显著影响海气热通量,并导致40°N附近具有相当正压结构的西风加速。(2)副极地锋强度的增强(或副热带锋北移)在1个月后,造成热通量显著变化,并有效地维持西风急流相当正压的极向移动。(三)揭示了北太平洋海盆尺度海洋锋变异影响大气的动力学机理通过准地转位涡方程的诊断分析,研究了在海洋锋变异影响急流的过程中,大气非绝热加热、瞬变涡旋扰动的热力强迫和涡度强迫的分别贡献。就气候平均态而言,在冬季,大气非绝热加热和瞬变扰动的热力强迫对纬向风的强迫作用均为斜压结构,减弱西风急流的垂直切变。而瞬变扰动的涡度强迫对纬向风的影响是相当正压结构的,在40°N附近形成深厚的中纬度急流。海洋锋变异造成的大气非绝热加热强迫和瞬变涡旋扰动的热力强迫的异常也是斜压结构的。显然这两项的作用并不是相当正压结构的西风急流异常形成的主要原因。而海洋锋变异可以导致具有相当正压结构的瞬变涡旋扰动的涡度强迫异常,从而导致具有相当正压结构的西风急流异常。其具体表现为:(1)副热带海洋锋增强(或副极地海洋锋南移)引起了低层大气斜压性及大气瞬变涡旋扰动加强,增强的大气瞬变涡旋活动通过其涡度强迫,形成了具有相当正压结构的西风急流加速;(2)而副极地海洋锋增强(或副热带海洋锋北移)则维持低层大气温度梯度和斜压区向北移动,通过大气瞬变涡旋扰动的涡度强迫异常有效地维持了具有相当正压结构的西风急流向极移动。因此,大气低层斜压性、大气瞬变涡旋活动及其涡度强迫是海洋锋变异影响中纬度西风急流异常的关键动力学途径。数值模拟试验结果也验证了观测分析提出的副热带海洋锋影响大气的这一机理。