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平流层北极极涡的崩溃可以引起对流层极地反气旋性异常，平流层环流异常可通过向下层的传播影响对流层环流，进而影响对流层的天气和气候系统。北半球冬季平流层大气环流的最主要模态是北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode，NAM)，因此对NAM的认识与分析可以推动平流层-对流层相互作用的研究。不少学者从相关性的角度研究了平流层、对流层NAM与各气象要素的相关性，结果表明平流层NAM能够作为先兆因子延长对流层天气预报时效。平流层NAM异常领先于地面温度的变化，平流层NAM负位相异常与东北亚地区冬季地面气温之间存在20～40天的滞后相关，而NAM正位相异常与冬季地面气温之间存在20天的滞后相关。此外，也有许多学者通过天气和统计学方法（如相关分析、合成分析和回归分析等）研究了NAM对温度、降水、积雪等气象要素以及极端天气气候的影响。
之前的研究工作鲜少从因果关系的角度分析对流层、平流层NAM对天气气候的影响。统计学上，相关性指两个变量的线性相关程度。具有高相关的两个变量，一个变量发生变化时另一个变量也会随之发生改变，但是两者之间不一定具有物理上的因果关系。因果关系是指一个变量是另一个变量改变的驱动力。此外，具有因果关系的两个变量之间也可能不具有线性相关关系。现有的研究方法基本上依赖于统计方法对观测资料进行分析，这种方法可以对物理过程的机理给出一些有启发意义的指示，但是它无法真正地证明过程中是否存在因果关系。本文从因果关系分析的角度出发，通过以状态空间重构和Takens嵌入定理为基础的收敛交叉映射算法(Convergent Cross Mapping，CCM)和扩展收敛交叉映射算法（Extended Convergent Cross Mapping，Extended CCM）利用观测资料分析对流层、平流层NAM与东北亚地区冬季地面气温(Surface Air Temperature，SAT)之间的因果关系，NAM、西伯利亚高压(Siberian High，SH)和东北亚地区冬季SAT之间的信息传递，以及平流层、对流层NAM对冬季日平均SAT的超前影响。本文主要结论如下:
1、利用CCM算法分析平流层、对流层NAM与东北亚地区冬季SAT之间的因果关系。研究结果表明，冬季SAT和NAM均为非线性动力系统，对流层、平流层NAM与冬季SAT之间存在单向因果关系。我们发现对流层、平流层NAM信号存在于冬季SAT动力系统中，NAM可以作为冬季SAT的自变量影响冬季SAT。但在对流层、平流层NAM动力系统中并没有找到冬季SAT的信号，因此冬季SAT不是对流层、平流层NAM变化的原因。此外，当NAM处于正位相时，极区低气压异常伴随极区急流偏强，中低纬的高压异常配合中纬度西风增强，最终导致中纬度地区温度偏高。综上所述，我们可以利用对流层、平流层NAM提高对东北亚地区冬季SAT的预测能力。
2、利用CCM算法分析了NAM、SH和东北亚地区冬季SAT之间的信息传递。研究结果表明，在冬季NAM与SH、SAT之间存在单向因果关系，NAM能够同时影响SH和SAT，但是SH和SAT不是NAM变化的原因。值得注意的是，SH与SAT之间存在双向因果关系，两者相互影响。此外，分析了SH各特征量与冬季SAT的因果关系。结果表明SH各特征量对冬季SAT的影响从大到小依次为:SH面积、东界位置、强度、南界位置。此外，冬季SAT对SH各特征量的影响从大到小依次为:SH面积、强度、东界位置、南界位置。我们分析了SH与冬季SAT互为因果关系的可能物理机制。当SH强盛时，海平面气压1028hPa特征线向东向南扩展，东亚大槽加深、欧亚脊增强，冬季温度降低。当温度增高（降低）时，通过对下垫面的加热（冷却）导致其上方空气膨胀（收缩），进而影响SH的建立和发展。因此可以通过NAM与SH提高对东北亚地区冬季温度的预测能力。
3、利用扩展CCM算法分析了2009/2010年冬季NAM对东北地区日平均SAT的超前因果影响。研究结果表明，冬季SAT动力系统中存在对流层中低层NAM的同期信号，因此对流层中低层NAM可以影响同期SAT。此外，我们分析了平流层NAM，研究结果表明50hPa NAM的信号存在于SAT动力系统中，能够影响大约10天之后的SAT。通过分析NAM日间变化、60°N以北的位势高度和纬向风，我们发现平流层NAM可以下传到对流层，进而影响地面气温。因此，平流层NAM对SAT的影响存在时间延迟，这与CCM的结果一致。平流层、对流层NAM负异常伴随纬向风异常，极区极涡减弱，冷空气流向中纬度地区，导致地面气温降低。综上所述，可以将平流层NAM作为先兆因子对东北地区冬季日平均SAT进行预测。
之前的研究工作鲜少从因果关系的角度分析对流层、平流层NAM对天气气候的影响。统计学上，相关性指两个变量的线性相关程度。具有高相关的两个变量，一个变量发生变化时另一个变量也会随之发生改变，但是两者之间不一定具有物理上的因果关系。因果关系是指一个变量是另一个变量改变的驱动力。此外，具有因果关系的两个变量之间也可能不具有线性相关关系。现有的研究方法基本上依赖于统计方法对观测资料进行分析，这种方法可以对物理过程的机理给出一些有启发意义的指示，但是它无法真正地证明过程中是否存在因果关系。本文从因果关系分析的角度出发，通过以状态空间重构和Takens嵌入定理为基础的收敛交叉映射算法(Convergent Cross Mapping，CCM)和扩展收敛交叉映射算法（Extended Convergent Cross Mapping，Extended CCM）利用观测资料分析对流层、平流层NAM与东北亚地区冬季地面气温(Surface Air Temperature，SAT)之间的因果关系，NAM、西伯利亚高压(Siberian High，SH)和东北亚地区冬季SAT之间的信息传递，以及平流层、对流层NAM对冬季日平均SAT的超前影响。本文主要结论如下:
1、利用CCM算法分析平流层、对流层NAM与东北亚地区冬季SAT之间的因果关系。研究结果表明，冬季SAT和NAM均为非线性动力系统，对流层、平流层NAM与冬季SAT之间存在单向因果关系。我们发现对流层、平流层NAM信号存在于冬季SAT动力系统中，NAM可以作为冬季SAT的自变量影响冬季SAT。但在对流层、平流层NAM动力系统中并没有找到冬季SAT的信号，因此冬季SAT不是对流层、平流层NAM变化的原因。此外，当NAM处于正位相时，极区低气压异常伴随极区急流偏强，中低纬的高压异常配合中纬度西风增强，最终导致中纬度地区温度偏高。综上所述，我们可以利用对流层、平流层NAM提高对东北亚地区冬季SAT的预测能力。
2、利用CCM算法分析了NAM、SH和东北亚地区冬季SAT之间的信息传递。研究结果表明，在冬季NAM与SH、SAT之间存在单向因果关系，NAM能够同时影响SH和SAT，但是SH和SAT不是NAM变化的原因。值得注意的是，SH与SAT之间存在双向因果关系，两者相互影响。此外，分析了SH各特征量与冬季SAT的因果关系。结果表明SH各特征量对冬季SAT的影响从大到小依次为:SH面积、东界位置、强度、南界位置。此外，冬季SAT对SH各特征量的影响从大到小依次为:SH面积、强度、东界位置、南界位置。我们分析了SH与冬季SAT互为因果关系的可能物理机制。当SH强盛时，海平面气压1028hPa特征线向东向南扩展，东亚大槽加深、欧亚脊增强，冬季温度降低。当温度增高（降低）时，通过对下垫面的加热（冷却）导致其上方空气膨胀（收缩），进而影响SH的建立和发展。因此可以通过NAM与SH提高对东北亚地区冬季温度的预测能力。
3、利用扩展CCM算法分析了2009/2010年冬季NAM对东北地区日平均SAT的超前因果影响。研究结果表明，冬季SAT动力系统中存在对流层中低层NAM的同期信号，因此对流层中低层NAM可以影响同期SAT。此外，我们分析了平流层NAM，研究结果表明50hPa NAM的信号存在于SAT动力系统中，能够影响大约10天之后的SAT。通过分析NAM日间变化、60°N以北的位势高度和纬向风，我们发现平流层NAM可以下传到对流层，进而影响地面气温。因此，平流层NAM对SAT的影响存在时间延迟，这与CCM的结果一致。平流层、对流层NAM负异常伴随纬向风异常，极区极涡减弱，冷空气流向中纬度地区，导致地面气温降低。综上所述，可以将平流层NAM作为先兆因子对东北地区冬季日平均SAT进行预测。