本文利用Liang＆Anderson（2007）创建的泛函工具多尺度子空间变换（MWT）以及基于多尺度子空间变换的正则传输理论（Liang,2016）和局地多尺度能量与涡度分析方法（MS-EVA）对北半球各大陆上的几次极端寒潮事件的动力机制进行了研究。研究表明,北半球冬季发生在北美、东亚以及欧洲这几个地区的这几次寒潮背后的动力机制完全不同。本文将寒潮过程中的各个变量场重构到了两个或三个正交的子空间上,各个子空间包含互不重叠的时间尺度范围,又都具有时空局地性。经过重构后的变量场可以将寒潮事件完全地从其它子空间中剥离出来,更直观、信实地反映出寒潮事件的本质。研究结果表明,发生在2019年1月的北美地区的极端寒潮并非如广泛报道的北极冷空气南下那么简单的冷事件,在寒潮子空间重构场上,它是一个自西向东分别表现为暖-冷-暖位相的定常波,大众关注的只是位于美国中西部及加拿大部分地区的寒潮中心,实际上其两边的大气是增温的,两个暖中心分别位于北美西部和大西洋上空。这次极端寒潮虽然是由于极地冷空气南下触发的,但造成北美气温奇低且时间持久的根本原因则是北美地区发生的强斜压不稳定,而斜压失稳又是由在北美大槽的构架下温度异常和风异常的同步化造成的。温度场和风场之间的同步化使得斜压失稳达到极值,从而使这个定常波的振幅达到最大值,促使寒潮爆发式地增长。研究还指出,用温、流同步化可以作为此类寒潮的一个预报指示因子。2016年发生在东亚地区的一次寒潮事件则与乌拉尔山地区的阻塞形势有关,北半球欧亚大陆上空的倒Ω流场为冷空气的堆积提供了很好的环流形势;造成冷空气大幅南移的动力因子是东亚地区发生的强混合不稳定。换言之,此寒潮期间东亚地区大气系统既发生了斜压失稳,又有正压失稳。不同于前两者,2018年2月末欧洲地区的一次极端寒潮的成因则与北大西洋涛动的位相转变有关。在寒潮发生前,北大西洋涛动一直是正位相;寒潮爆发时,北大西洋涛动由正位相转为了负位相。本研究进一步借助梁氏因果分析方法证明了负位相的北大西洋涛动是影响欧洲地区温度变化的一个因（通过了90%的显著性检验）,这种因果关系无论在高空还是地面都很显著。这也就是说,此次发生在欧洲地区的寒潮事件其实是由北大西洋涛动由正位相转为负位相造成的。总之,本文通过对北半球中高纬度三个大洲上的三个极端寒潮案例进行研究,发现北半球冬季北美、东亚以及欧洲地区的寒潮有着完全不同的动力学机制。从流场的角度来看,北美地区的寒潮本质是一个定常波,东亚地区的寒潮是由于乌拉尔山阻高的形变造成的,而欧洲这个寒潮的形成则与北大西洋涛动有关。从其物理场背后动力机制的角度来看,北美寒潮是由温-流同步使得波列区斜压失稳最大化造成的,东亚寒潮爆发是由于东亚地区发生了强混合失稳,而欧洲寒潮则与北大西洋涛动的位相转变（由正转负）有关。在北美寒潮中,我们还提供了一个动力预报因子,即可以利用温度和流场的同步作为快速降温预报的一个指示因子,且利用温-流之间的同步可以至少提前一周对寒潮做出预报。