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欧亚大陆人口众多，气候变异过程复杂，冬季气候异常对该地区的工、农业生产和人们生活具有显著的影响。因此，开展该地区冬季气候的变异机理研究、探寻潜在的预测因子具有重要的科学和现实意义。利用罗格斯全球冰雪实验室(Rutgers Global Snow Laboratory)的北半球积雪数据、CRU(Climatic Research Unit)的表面气温和降水数据、ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的ERA-Interim再分析数据以及全球耦合模式比较计划第五阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase5，CMIP5）模式的历史模拟数据，本论文首先研究了欧亚大陆秋季积雪异常对冬季欧亚大陆表面气温主要模态的影响及物理机制;考虑到降水变化较强的区域性特征，本论文进一步以中国所在的东亚地区的冬季降水主要模态为对象，探究了影响其变异的前期秋季欧亚大陆积雪异常关键区及影响的物理过程。本论文得到的主要结论如下:
(1)欧亚大陆秋季积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温的主要模态存在显著联系。欧亚大陆冬季表面气温EOF(Empirical Orthogonal Function)第一模态主要呈现的是欧亚大陆北部地区冬季表面气温的变化;第二模态主要表现为欧亚大陆60°N以北区域和以南的欧亚大陆中纬度地区冬季表面气温的反向变化。其中，欧亚大陆冬季表面气温EOF第一模态与11月欧亚大陆中纬度地区纬向偶极型积雪异常关系密切。机理研究显示，该积雪异常能够引起北半球中纬度地区垂直波作用通量的异常，进而导致平流层极涡的变化，在后期冬季，异常的平流层极涡信号向下传播到对流层，在低层引起类似北极涛动(Arctic Oscillation，AO)模态的环流异常，从而导致欧亚大陆40°N以北区域冬季表面气温异常。欧亚大陆冬季表面气温EOF第二模态与10月乌拉尔山以东地区积雪异常之间存在显著相关。机理研究显示，乌拉尔山以东地区积雪异常具有较好的季节持续性，可以从10月持续到后期冬季。冬季乌拉尔山以东地区积雪异常可以激发对流层中高层从乌拉尔山向欧亚大陆中纬度地区传播的波列，从而导致欧亚大陆中高纬度地区冬季表面气温的反向变化。本论文揭示的10月和11月积雪的异常信号可以为欧亚大陆中高纬地区冬季表面气温异常的预测提供重要的信息。
(2)本论文所使用的12个CMIP5耦合模式中有4个模式可以较好地模拟出11月欧亚大陆中纬度地区纬向偶极型积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温EOF第一模态的关系，而其余8个模式对此关系的模拟较差。对比模拟性能较好的4个模式集合平均(MME-4)和模拟性能较差的8个模式集合平均(MME-8)的动力诊断结果显示，对流层-平流层相互作用可能是再现上述联系的重要物理机制。MME-4可以较好地模拟出观测中11月欧亚大陆中纬度地区纬向偶极型积雪异常引起的同期11月和后期冬季北半球中高纬度地区平流层中Eliassen-Palm(E-P)通量及其辐合异常、平流层极涡异常及其在冬季向下传播引起的对流层低层AO型环流异常，从而造成欧亚大陆40°N以北区域的冬季表面气温异常;而MME-8不能再现上述物理过程。针对10月乌拉尔山以东地区积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温EOF第二模态关系的模拟评估结果显示，这12个CMIP5模式不能较好地再现观测中二者之间的关系。12个模式集合平均(MME-12)的结果对欧亚大陆10月积雪的变率的模拟存在较大偏差，同时模式也不能再现观测中乌拉尔山以东地区10月积雪异常较好的持续性。上述两点可能是模式未能模拟出10月乌拉尔山以东地区积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温EOF第二模态关系的重要原因。
(3)东亚冬季降水EOF第一模态与前期秋季欧亚大陆积雪异常的关系比较复杂，月际差异较大，其中11月东北亚地区积雪异常与东亚后期1月降水EOF第一模态存在显著的负相关。东亚1月降水EOF第一模态主要反映了东亚南部（特别是中国南方）地区降水的变化情况。当11月东北亚地区积雪偏多时，同期11月北半球中高纬度地区E-P通量的向上传播加强;此外，积雪偏多导致的异常冷却能够减弱亚洲高纬度地区的经向温度梯度，从而减弱高纬度地区对流层高层的纬向西风，有利于北半球中高纬度地区E-P通量向上传播进入平流层。另一方面，E-P通量的向上传播及辐合异常会进一步减弱中高纬度地区的纬向西风气流。纬向西风异常和波活动垂直传播异常的正反馈可以将11月东北亚地区积雪异常的影响持续到12月，并引起平流层极涡减弱。异常的平流层极涡一般具有1-2个月的持续性。到1月时，平流层异常极涡信号向下传播到对流层低层，引起贝加尔湖以东地区的低压异常。该低压异常可以引导冷空气向中国南方地区侵袭，从而减少该地区1月降水。
对CMIP5中12个耦合模式进行评估，有3个模式可以基本模拟出11月东北亚地区积雪异常与东亚后期1月降水EOF第一模态的关系。这3个模式集合平均（MME-PRE-3）的结果基本再现了观测中11月东北亚地区积雪异常引起的对流层-平流层相互作用过程，即模拟出了与该积雪异常相联系的同期11月到后期1月E-P通量和大气环流异常，但模拟的异常强度偏弱，从而导致其对该积雪异常引起的东亚后期1月降水异常的模拟弱于观测。其他9个模式集合平均(MME-PRE-9)的结果虽然也能模拟出11月东北亚地区积雪异常引起的同期11月E-P通量和平流层极涡异常，但不能再现1月平流层极涡异常的向下传播，导致其不能再现该积雪异常对东亚后期1月降水的影响。此外，11月东北亚地区积雪的异常信号提前东亚后期1月降水约两个月，因此对其具有一定的预测价值。
(1)欧亚大陆秋季积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温的主要模态存在显著联系。欧亚大陆冬季表面气温EOF(Empirical Orthogonal Function)第一模态主要呈现的是欧亚大陆北部地区冬季表面气温的变化;第二模态主要表现为欧亚大陆60°N以北区域和以南的欧亚大陆中纬度地区冬季表面气温的反向变化。其中，欧亚大陆冬季表面气温EOF第一模态与11月欧亚大陆中纬度地区纬向偶极型积雪异常关系密切。机理研究显示，该积雪异常能够引起北半球中纬度地区垂直波作用通量的异常，进而导致平流层极涡的变化，在后期冬季，异常的平流层极涡信号向下传播到对流层，在低层引起类似北极涛动(Arctic Oscillation，AO)模态的环流异常，从而导致欧亚大陆40°N以北区域冬季表面气温异常。欧亚大陆冬季表面气温EOF第二模态与10月乌拉尔山以东地区积雪异常之间存在显著相关。机理研究显示，乌拉尔山以东地区积雪异常具有较好的季节持续性，可以从10月持续到后期冬季。冬季乌拉尔山以东地区积雪异常可以激发对流层中高层从乌拉尔山向欧亚大陆中纬度地区传播的波列，从而导致欧亚大陆中高纬度地区冬季表面气温的反向变化。本论文揭示的10月和11月积雪的异常信号可以为欧亚大陆中高纬地区冬季表面气温异常的预测提供重要的信息。
(2)本论文所使用的12个CMIP5耦合模式中有4个模式可以较好地模拟出11月欧亚大陆中纬度地区纬向偶极型积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温EOF第一模态的关系，而其余8个模式对此关系的模拟较差。对比模拟性能较好的4个模式集合平均(MME-4)和模拟性能较差的8个模式集合平均(MME-8)的动力诊断结果显示，对流层-平流层相互作用可能是再现上述联系的重要物理机制。MME-4可以较好地模拟出观测中11月欧亚大陆中纬度地区纬向偶极型积雪异常引起的同期11月和后期冬季北半球中高纬度地区平流层中Eliassen-Palm(E-P)通量及其辐合异常、平流层极涡异常及其在冬季向下传播引起的对流层低层AO型环流异常，从而造成欧亚大陆40°N以北区域的冬季表面气温异常;而MME-8不能再现上述物理过程。针对10月乌拉尔山以东地区积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温EOF第二模态关系的模拟评估结果显示，这12个CMIP5模式不能较好地再现观测中二者之间的关系。12个模式集合平均(MME-12)的结果对欧亚大陆10月积雪的变率的模拟存在较大偏差，同时模式也不能再现观测中乌拉尔山以东地区10月积雪异常较好的持续性。上述两点可能是模式未能模拟出10月乌拉尔山以东地区积雪异常与欧亚大陆后期冬季表面气温EOF第二模态关系的重要原因。
(3)东亚冬季降水EOF第一模态与前期秋季欧亚大陆积雪异常的关系比较复杂，月际差异较大，其中11月东北亚地区积雪异常与东亚后期1月降水EOF第一模态存在显著的负相关。东亚1月降水EOF第一模态主要反映了东亚南部（特别是中国南方）地区降水的变化情况。当11月东北亚地区积雪偏多时，同期11月北半球中高纬度地区E-P通量的向上传播加强;此外，积雪偏多导致的异常冷却能够减弱亚洲高纬度地区的经向温度梯度，从而减弱高纬度地区对流层高层的纬向西风，有利于北半球中高纬度地区E-P通量向上传播进入平流层。另一方面，E-P通量的向上传播及辐合异常会进一步减弱中高纬度地区的纬向西风气流。纬向西风异常和波活动垂直传播异常的正反馈可以将11月东北亚地区积雪异常的影响持续到12月，并引起平流层极涡减弱。异常的平流层极涡一般具有1-2个月的持续性。到1月时，平流层异常极涡信号向下传播到对流层低层，引起贝加尔湖以东地区的低压异常。该低压异常可以引导冷空气向中国南方地区侵袭，从而减少该地区1月降水。
对CMIP5中12个耦合模式进行评估，有3个模式可以基本模拟出11月东北亚地区积雪异常与东亚后期1月降水EOF第一模态的关系。这3个模式集合平均（MME-PRE-3）的结果基本再现了观测中11月东北亚地区积雪异常引起的对流层-平流层相互作用过程，即模拟出了与该积雪异常相联系的同期11月到后期1月E-P通量和大气环流异常，但模拟的异常强度偏弱，从而导致其对该积雪异常引起的东亚后期1月降水异常的模拟弱于观测。其他9个模式集合平均(MME-PRE-9)的结果虽然也能模拟出11月东北亚地区积雪异常引起的同期11月E-P通量和平流层极涡异常，但不能再现1月平流层极涡异常的向下传播，导致其不能再现该积雪异常对东亚后期1月降水的影响。此外，11月东北亚地区积雪的异常信号提前东亚后期1月降水约两个月，因此对其具有一定的预测价值。