寒潮爆发及其伴随的异常低温是北半球冬季出现最为频繁、影响范围最广的天气气候灾害。理解其发生发展机理、寻求有效指示因子，历来是天气气候研究的重要科学难题之一。本文基于大气经向质量环流理论，围绕其天气气候影响，利用多套再分析资料和模式预报资料，揭示了质量环流天气尺度变化与北半球冬季寒潮低温事件的统计关系及物理机制，由此提出了对北半球冬季寒潮低温事件发生时间和强度有先兆指示意义的质量环流指数(WB60N)，并说明了质量环流与北半球主导低频模态AO、NAM以及平流层极涡振荡的关系。本文还研究了平流层质量环流和对流层质量环流的内在联系，评估了平流层质量环流的模式预报水平，探讨了如何利用平流层质量环流的模式预报来改善冬季寒潮低温事件的延伸期预报。主要结论如下:　　WB60N指数定量表征大气高层60°N沿等熵面向极的净质量输送（即向极暖支）强度，其天气尺度变化与低层极区冷空气的向南净输送（向赤道冷支）异常基本一致，可作为北半球冬季寒潮低温事件的先兆指示因子。具体地，质量环流强事件（WB60N指数高）后1-10天为极区冷空气向南爆发阶段，异常强的向赤道冷空气质量输送导致地面温度在中纬度异常偏低、高纬度异常偏高。弱质量环流事件(WB60N指数低)后的1-10天则为冷空气积聚阶段，中纬度异常偏暖，而极区偏冷。平均而言，在WB60N指数高峰值阶段及其后一周内，北半球冬季四个地面定常天气系统均异常偏强，使得气候态冷空气向南爆发路径（分别通过亚洲东部和北美大陆）和气候态暖空气向北输送路径（分别通过北太平洋和北大西洋）均加强，同时由于欧亚大陆高压加强区域偏西，冷空气也可以沿中亚和东欧地区向南侵袭，导致中纬度地区的冷异常主要位于北美、东亚及中亚一东欧这三个地区。冬季中纬度低温事件的另一个主要分布型，即两个大陆其中之一异常偏冷但另一个异常偏暖，也倾向于在强质量环流之后出现。　　对质量环流与北半球主导低频模态AO以及NAM内在联系的分析表明，由于AO（极区整个气柱大气质量）的日变化实质上是由暖支向极和冷支向赤道质量输送之差所决定，而与冬季寒潮低温事件直接相关的是冷支的天气尺度变化（WB60N指数）。因而受冷、暖支天气尺度相对变化的影响，AO在天气尺度上与冬季寒潮低温事件的关系存在较大不确定性。而由于经向质量环流在AO负位相的冬季异常偏强，使得AO负位相与寒潮低温事件在年际尺度上的对应关系较好。对冬季平均AO负位相的形成起主要贡献的是早冬质量环流异常经向输送引起的极区整层气柱的净质量收入，其中早于低层向赤道冷支加强的高层（尤其是平流层）向极暖支的加强起着重要作用。　　在平流层极涡振荡过程中，中纬度波动异常所引起的角动量向下传输（气压力矩）的变化，决定了质量环流三个子环流（热带对流层环流，热带外对流层环流以及平流层环流）之间的内在联系。早在弱极涡事件发生前两个月，随着中纬度地区波动的加强，角动量向下层传输得到加强。其引起的角动量变化使得平流层向极质量环流首先加强，暖空气不断侵蚀极涡，极涡强度减弱;当加强信号下传至平流层低层时，热带外对流层质量环流的暖支和冷支均异常偏弱，有利于空气质量在极区堆积以及AO负位相的形成。进而引起了低层AO负位相与平流层弱极涡的耦合。当弱极涡事件发生后，波动的减弱伴随向下角动量传输的减弱，导致平流层向极暖支减弱，极涡开始恢复，同时对流层冷暖支异常偏强。这使得在弱极涡事件峰值后一个月左右，极区冷空气大规模向南爆发，AO转为正位相并与平流层的强极涡相耦合。　　本文还评估了CFSv2数值预报模式对平流层质量环流以及寒潮爆发伴随的异常低温事件的预报水平，指出CFSv2对2013/2014年冬季平流层质量环流信号的预报时效可长达30-40天;在此基础上提出了北半球寒潮低温事件延伸期预报的新指标——60°N平流层质量环流异常。