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气旋活动显著改变大气中的动量、能量交换与水汽输送过程，增加洪涝等极端灾害风险，对于区域天气气候有重要影响。由于大气斜压不稳定而产生冷心气旋的中高纬气旋活动在天气气候系统中扮演重要角色，认识和理解其年际和年代际变化规律，研究并揭示中高纬气旋活动机理并检验其可预报性，对于改进极端气候事件预报及防灾减灾具有重要意义。围绕上述研究目标，本博士论文针对中高纬气旋活动年际和年代际变化及其可预报性等方面开展工作，阐明了近30年中高纬气旋活动主要格局及长期变化趋势;研究中高纬气旋年际和年代际变化规律并构建考虑海温作用的气旋活动指数;以北美区域2014-15西暖冬冷极端事件(DJF15)为例研究并揭示中高纬气旋活动变化机理以及中高纬气旋变率可预报性。主要成果总结如下: (1)研究并揭示了近30年中高纬气旋活动主要格局、长期变化趋势。利用中高纬度气候态(MCMS)气旋中心频率资料以及包括最大Eady增长率、500-hPa温度方差、极端风速在内的三个气旋活动指标所进行的分析表明:1979-2013年北半球冷季(11月-3月)中高纬气旋主要活动中心包括北太平洋、北大西洋以及南大洋等海上区域，以及美国大陆、东亚、以及欧洲北部及地中海等陆地区域;这其中北太平洋及南大洋冬季气旋活动皆呈现高纬增加、中纬减少的极地移动趋势，而其他区域则呈现气旋活动增加趋势。对上述气旋活动典型区域长期变率的分析表明:各区域气旋活动频率皆呈现显著年际和年代际变率;气旋频率在北太平洋、北大西洋、南大洋、美国大陆及东亚区域并无明显变化趋势，在欧洲北部及地中海区域则呈增长趋势。 (2)研究中高纬气旋年际和年代际变化规律及其与背景场关系，由此构建考虑海温作用的气旋活动指数，并应用于区域气旋频率的统计预报。选取中高纬度气旋活动典型区域—北大西洋-美国东海岸地区，利用相关分析及合成分析等方法，研究该区域气旋频率和大尺度背景场（海表气压、位势高度、风速、高层涡度及海温）关系。结果表明，正的北美东海岸气旋活动异常在年际和年代际尺度上和北半球冷季的类北大西洋涛动(NAO)海表气压、正压式位势高度异常分布、急流轴南移、自10N向北的“负正负”的高层涡度分布、以及北大西洋海温三极子型显著相关;而超前1年以内的北大西洋冬季及春季海温自10N向北的“负正负”海温型和该区域气旋活动频率相联系。利用上述超前海温和气旋活动相关关系，我们构建了由北大西洋5月海温超前导出表征气旋频率的北美东海岸冷季气旋活动指数(CI)，并利用CI以及PDO、ENSO、局地环流等因子对美国东海岸气旋频率进行超前6个月的统计预报，利用评估指标进行检验表明了该预报的合理性。 (3)探究中高纬气旋活动变化机理。北美2014-15西暖冬冷极端事件(DJF15)和气旋活动密切相关，以此极端事件DJF15为例研究中高纬气旋活动机理。利用地球系统模式CESM1.2.1下CAM4和CLM4等同运行设置以及观测海温、海冰强迫进行初值扰动的大样本集合模拟，并对结果样本进行聚类分析的结果表明:其中一个聚类集合可以模拟出DJF15北美的温度偶极子型，但它为低概率聚类集合;与此相反，北美2013-14全美冷冬事件(DJF14)和2015-16全美暖冬事件(DJF16)的大样本集合模拟的温度主要聚类集合及集合平均皆与观测相似。由于模拟集合成员差别仅为大气初始状态不同，可以判定DJF15为一主要由大气内部变率造成的低概率事件，上述影响通过波与基流的非线性相互作用对大尺度环流的影响来体现。进一步利用单独海冰、单独海温、厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)及北太平洋模态(NPM)作为海温、海冰外强迫的模拟试验表明，上述因子皆对DJF15有正贡献，只是比大气内部变率较弱。 (4)研究并揭示气旋变率可预报性。基于地球系统模式CESM1.2.0下CCSM4等同设置运行的年代际预测(DP)试验对于海温模态模拟能力所进行的评估表明该试验对于海温预报的可信度;利用年代际预测试验的海温预测作为海洋驱动，针对北美2014-15冬天极端事件(DJF15)进行大样本初值扰动模拟并进行的聚类分析结果发现预报的DJF15仍为低概率事件，与第四章中利用观测海温模拟下的DJF15概率相同，表明在预测海温下可以预测DJF15低概率事件;利用年代际预测试验结果，结合之前构建的指数及预报方程在超前时间上对于评估该试验对于气旋活动预测技巧表明，DP试验超前2-5年的1979-2013美国东海岸气旋活动预测对于1979-2005年气旋活动预测较好，观测与模拟相关系数可达0.3，而其2005-2013年较差;6-9年预测则效果较2-5年更差。