中层大气与对流层密不可分，存在辐射-化学-动力的耦合，并在天气、季节、年际、年代际尺度上存在相互作用，大气模式和耦合模式中引入平流层过程，可以显著改进对流层业务预报和季节性预测的能力，减小气候模式评估和气候预估的不确定性。改进和发展平流层模式，利用可以分辨平流层的大气模式研究平流层的动力环流和变率以及平流层-对流层的耦合机制，具有重要的意义。近年来，模式发展趋势之一就是垂直层数和高度的提高，使模式包含完整的平流层甚至中间层大气。国外著名的模式研发中心纷纷开发中层大气模式，但国内在中层大气模式研发方面有待提高。IAP-AGCM是中科院地球系统模式CAS-ESM的大气分量模式，虽然性能优异，但该模式顶层高度约为35-40km，仅仅包含了对流层和部分平流层大气。
　　本文基于IAP-AGCM4.1研发了中高层大气环流模式，模式层顶高达0.01hPa，包含了完整的对流层、平流层和中间层大气。本文首先对中高层大气环流模式的动力框架进行了检验，然后对中高层大气环流模式的基本气候态的模拟情况进行评估，最后对中高层大气环流模式对准两年振荡(QBO)的模拟（平流层低纬地区变率特征）进行评估分析。在评估与分析的过程中，多与采用新动力框架的低层模式、AMWG（美国大气研究中心大气模式工作组）诊断包后处理的观测或再分析数据以及ERA-Interim、NCEP、NCEP_R2和MERRA-2再分析数据进行对比分析，数据的时间尺度多为月平均资料和每日四次瞬时资料，垂直范围从地表至0.1hPa，即部分中层大气和全部对流层大气。
　　本文首先以IAP-AGCM4.1为基础研发中高层大气环流模式，引入了新的标准层结廓线和新的垂直坐标分布，垂直层数从30层提高至91层(IAPL91)，模式顶高度从2.26hPa提高至0.01hPa，采用RH试验（Rossby-Haurwitz四波为初始场的绝热过程试验）与HS试验（Held-Suarez为强迫场的理想物理过程试验）进行检验。分析和试验结果表明:中高层大气环流模式能够长期保持RH四波的波形及总有效能量的守恒;采用理想物理过程，即HS强迫的驱动下，中高层模式可以模拟出真实大气的基本态和涡动特征，并与IAP-AGCM4.0结果一致;中高层大气模式的初步建立，为后续工作的开展奠定了基础。
　　本文对研发的IAPL91进行评估，主要考察模式对气候态的模拟性能，IAPL91对质量场、温度场、风场、降水场、云量以及辐射通量的模拟均比较合理。在对流层的模拟性能方面，91层模式的模拟性能与30层模式相当，而在平流层的模拟方面，91层模式比30层模式整体更好一些，特别是在气温场和风场方面。91层模式与30层模式之间的差异，一方面主要是垂直分辨率造成的，比如水汽分布、云量、降水以及对流过程，大多局限于对流层大气，另一方面主要是模式顶高度造成的，比如平流层的急流特征、纬向风和气温的分布、中层大气的涡动特征以及辐射过程。
　　本文对模式进行改进，研发了一垂直方向为69层的并兼顾计算效率中高层大气环流模式(IAPL69)，并在其中引入了非地形重力波参数化。IAPL69可以比较合理的模拟出QBO，其周期以及纬向分布特征与ERAI(ERA-Interim)再分析资料的结果基本一致，西风振幅与ERAI相比略大，东风持续时间与ERAI相比略短，这与美国大气研究中心的中高层模式WACCM的70层模式版本相似。此外，QBO引起的间接的经圈环流以及相应的气温的模拟结果与ERAI资料基本一致。本文进一步对QBO形成过程中的动量强迫进行分析:对流致重力波强迫(GWD)，纬向平均经圈环流导致的平流项(ADV)，大尺度波动(WAV)。结果表明，GWD、ADV、WAV在QBO的形成过程中起到了不可替代的作用，本文将模式结果与再分析资料进行对比分析，整体来看二者较为一致，尽管存在不确定性和差异性:(1)GWD强迫项的大小是SUM的1.1-2.5倍，二者几乎同相位变化;(2)ADV项抵消了GWD强迫项大小的30-60％;(3)WAV强迫项可能对SUM有正贡献，二者相位差在0-π/2范围，但是在量值与相位方面存在很大的不确定性。分析表明:这三个过程在形成QBO中所起作用不同，比较模式中各强迫的动量强迫收支以及不同模式间的差异，可以更好的理解QBO形成的物理机制。