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| 編輯推薦： |
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《大气科学研究方法》主要供大气科学的研究人员和业务工作者，高等院校相关专业的大学本科学生和研究生阅读参考。
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| 內容簡介： |
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《大气科学研究方法》收集了大气科学发展过程中一些导致重大科技创新或转折性突破的经典案例，系统总结了这些案例中科学思维的突破、技术或工具的创新，归纳成可供借鉴和运用的大气科学研究方法。特别着重剖析了在大气科学发展史上具有里程碑意义的典型案例，如Rossby波（罗斯贝波）的发现、Lorenz（洛伦茨）混沌理论的提出等。其内容涉及大气探测技术方法、天气预报发展过程、数值天气预报及其理论基础、气候系统概念、海气相互作用、短期气候预测、全球变暖、非线性及可预报性研究等。
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| 目錄：
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序一
序二
前言
第1章 总论
1.1引言
1.2大气科学研究对象和学科组成
1.3大气科学研究方法的特点和地位
1.4大气科学发展历程中的典型案例分析
1.5大气科学研究方法重点
1.6大气科学研究方法的前沿与发展趋势
第2章 大气探测技术方法
2.1引言
2.2百叶箱仪器与无线电气球探空仪
2.3雷达大气探测
2.4飞机大气探测
2.5卫星全球大气遥感
2.6全球大气监测网络
2.7全球气象信息的快速传递与电子计算机
2.8结语
第3章 天气预报发展历程
3.1引言
3.2天气预报
3.3古代天气预报
3.4早期天气预报
3.5近代天气预报
3.6现代天气预报
3.7未来天气预报
3.8结语
第4章 数值天气预报
4.1引言
4.2数值模式（一）--动力框架
4.3数值模式（二）--次网格物理过程参数化
4.4观测资料的分析和同化
4.5集合预报系统
4.6若干里程碑事件的回顾
4.7结语
第5章 天气预报的理论基础--大气Rossby波的发现和大气长波理论
5.1引言
5.2罗斯贝、Rossby波及长波理论建立的背景
5.3大气长波理论的建立
5.4大气长波理论的应用和发展
5.5结语
第6章 对流天气及其预报方法
6.1引言
6.2对流天气基本概况
6.3对流天气系统形成的物理条件
6.4强烈中尺度对流系统
6.5对流天气的预报方法
6.6结语
第7章 气候与气候系统
7.1引言
7.2经典的气候概念
7.3全球气候系统概念的建立
7.4建立全球气候系统概念的科学基础
7.5气候变化的事实
7.6气候变化的预测和预估
7.7结语
第8章 海气相互作用
8.1引言
8.2热带海气相互作用与ENSO
8.3年代际海气相互作用
8.4热带外与ENSO的相互作用
8.5现在的研究发展阶段和未来的方向
8.6结语
第9章 短期气候预测
9.1引言
9.2短期气候预测概念及方法
9.3季度-年际气候预测理论及实时预测
9.4短期气候预测新挑战
9.5结语
第10章 全球变暖
10.1引言
10.2辐射强迫
10.3全球变暖的可能原因
10.4未来气候变化的预估
10.5结语
第11章 轨道时间尺度上过去气候变化与模拟
11.1引言
11.2新生代气候变化简史
11.3末次冰期冰盛期
11.4全新世中期
11.5结语
第12章 洛伦茨的混沌理论与天气预报
12.1引言
12.2天气预报困境--非周期
12.3意外
12.4机遇与奇怪吸引子
12.5简化与抽象
12.6确定性与随机性
12.7偶然性与必然性
12.8技术路线图
12.9结语
第13章 天气、气候可预报性研究的若干动力学方法
13.1引言
13.2可预报性问题
13.3预报误差增长动力学的研究方法
13.4预报时限的研究方法
13.5结语
第14章 叶笃正的科学贡献及研究方法
14.1引言
14.2大气能量频散
14.3东亚大气环流季节突变
14.4转盘实验
14.5大气运动的演变与适应
14.6青藏高原气象学的创立
14.7全球变化与有序人类适应
14.8与用户结合：未来的天气气候预测体系
14.9结语
参考文献
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| 內容試閱：
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第1章总论
1.1引言
大气圈是人类赖以生存的特殊自然环境，因此大气中发生的各种现象广受关注，人们很早就对这些现象开展观测与分析研究，探究机理，发现规律，逐渐建立了一门科学——气象学。20世纪中叶以后，随着对大气中各种现象研究的深入以及新的观测技术、手段与方法的逐步形成，气象学的研究领域不断拓展，包括了更多的大气物理、大气化学、大气动力学、气候变化等研究内容，发展成为一门系统完整的大气科学。
大气科学是一门多学科交叉的综合性、基础性、应用性学科，既涉及数学、物理和化学等基础学科，又与海洋科学、资源与环境科学、空间科学、生态科学、农业科学、军事科学和社会科学等密切联系。一方面，大气科学为这些学科的发展提出新的研究领域或方向；另一方面，也为在这些学科的应用提供出口。此外，人类活动和经济发展均与天气气候和大气环境密切相关。由于大气科学的这些特点及其与社会经济的紧密关系，它的重要地位不言而喻。
中国是暴雨、台风、雷电、酷暑等灾害性天气频发的国家，每年都要遭受巨大的生命和财产损失。沙尘暴、酸雨、雾霾等大气污染现象已经严重地危害着人体健康，危胁粮食安全。随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，中国对于极端天气气候和大气环境的预测需求日益增强，传统的几天尺度的短期天气预报即将发展为从几个小时到两个星期左右的“无缝隙”天气预报。而短期气候预测也将要从预测季节平均发展到将要针对极端气候事件开展预测技术的研发，大气环境预报也将发展到包含单个城市和城市群的精细大气环境预报。所有这些都对大气科学的研究方法提出了更高的要求和新的挑战。
鉴于现代大气科学的发展对自身基本研究方法的迫切需求，我们编著了本书，旨在结合一些大气科学研究中革命性案例的剖析，对其中的关键性研究方法及其演变过程做进一步梳理与挖掘，并以天气预报、气候预测为主线，阐述“研究方法和手段”在学科发展历史中起到的重大推动作用。同时，通过案例分析，侧重于对若干重大里程碑事件的分析，获得对大气科学研究方法的启迪，提出现代大气科学未来发展趋势，以促进中国大气科学的进步，服务于学科的发展及国家经济社会发展对大气科学日益增长的需求。
1.2大气科学研究对象和学科组成
大气科学研究大气圈内的一切物理、生物和化学过程，并研究大气圈与水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈的相互作用，以及人类活动与天气气候及大气环境的相互影响。人类生活在地球表面的大气圈中，其社会活动，生产活动，以及生命、财产和经济发展都受到发生在大气中的风雨雷电、冷暖阴晴、空气污染等大气现象的制约或影响。大气科学的研究对象就是发生在地球大气层中的各种天气和气候现象。准确的天气和气候预报不仅对减少自然灾害造成的生命财产损失有重要作用，而且对合理有效开发和利用自然资源具有重要的应用价值。
传统的大气科学研究对象是自然发生的大气过程，其首要的任务是摸清大气现象的基本规律及其内在机理，理解并预测未来的现象与过程。但随着大气科学研究对象的日益复杂和研究领域的不断扩展，现代大气科学的定义是系统地研究地球大气的结构、组成、物理和化学过程、演变规律和机制、大气圈与其他地球系统圈层相互作用及其建模预测的一门科学。现代大气科学研究领域不仅仅局限于地球大气，甚至也拓展到对其他行星大气如火星大气的研究。
大气科学是地球科学的一个重要分支，它研究的时空范围很广，空间尺度从微米到全球，时间尺度从数秒到上千年；研究的主要方法包括观测、理论分析、资料诊断、实验和数值模拟等。大气科学作为一个一级学科，其二级学科有气候（系统动力）学、天气学（和大气动力学）、大气物理学、大气化学和全球变化等。大气科学中还包括应用气象学，涉及诸多学科领域，如海洋、生态、环境、水文、军事、农业、航空、医学健康等，也与社会和人文科学紧密结合。
天气学研究的主要方法是根据实际观测资料，通过统计、诊断以及热力学和动力学分析，概括出天气系统或重要天气现象在天气时间尺度上的演变规律和物理过程，以动力气象学为理论基础，运用天气图表及数值模式等手段来制作天气预报。天气学主要研究瞬变的大气现象及其短期天气变化过程。
大气动力学研究特点是应用物理学原理和数学方法来研究大气运动的动力学和热力学过程及其与大气运动的关系，从理论上探索大气运动的基本成因，探讨大气环流、天气系统和其他大气运动演变规律的动力学过程及其形成机制，为数值天气预报奠定理论基础。
大气物理学的研究特点是应用基本物理定律，对大气中观测到的物理现象和过程（云和降水、声、光、电、大气湍流和能量转化等）进行理论解释和定量描述，并为数值天气预报和空气质量预报模式、气候系统模式的设计及其物理过程参数化提供理论基础。
大气化学的研究方法特点是实验室实验、大气化学过程的理论分析、外场观测和数值模拟的结合，早期的大气化学研究较多地关注大气环境，近年来，大气化学与天气、气候研究交叉，这不仅有助于天气、气候研究的深入，也有助于更准确地描述与气象参数密切相关的化学物质的化学反应、排放、传输和沉降过程，并已成为当前国际上研究的热点与前沿。
与天气学不同，气候学主要研究特征时间尺度较长的气候现象及其变化规律。它的研究方法特点是通过对长期观测的气候资料进行诊断分析和动力理论研究，特别是运用超级计算机和研发的气候系统模式进行气候模拟，揭示气候系统的演变规律和成因，并预测或预估未来气候变化。气候学的研究范围涉及气候系统五大圈层（大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈）的相互作用以及外强迫对气候系统的影响。
全球变化是20世纪80年代出现的一个新兴学科领域，是研究全球增暖背景下地球环境变化及机理的一门分支学科。它主要是应用多学科交叉方法来描述和理解人类赖以生存的地球环境系统的运转机制、变化规律以及人类活动的影响，从而提高人们对未来几十年至百年尺度地球环境变化的认识及其预估能力。现阶段，它已经从认识地球系统基本规律的基础研究为主，扩展到与人类社会可持续发展密切相关的一系列生存环境的实际问题研究；从研究人类活动对环境变化的影响，扩展到研究人类如何适应全球环境的变化，并在更高层次上进行地球系统的综合集成研究。
1.3大气科学研究方法的特点和地位
科学方法论概括了主要的科学研究方法，包括了观测、实验、类比、抽象、归纳、演绎、分析、综合等。这些方法应用到各门科学中要用到不同的具体的方法和手段，例如，在观测工具上有的用显微镜，有的用放大镜或望远镜；在实验方法上有的用室内实验法，有的用室外实验法。科学方法论的普遍原理和大气科学发展的紧密结合，既可以增加成果的产出率又可以借鉴他山之石拓展视野，增强对大气学科发展前景的观察和判断能力。
由于大气运动中存在多时空尺度、复杂非线性相互作用，注定了大气科学研究方法的特点为确定性与随机性的统一，这也决定了它的研究方法既有决定论方法也有概率统计方法。大气科学是一门与物理、化学、数学、生态、海洋、信息学科等交叉性很强的学科，对观测技术高度依赖，与人类生活、生产活动关系密切。大气科学作为一门以数学物理方法作为主要研究手段的学科，具有许多值得分析、挖掘和总结的科学问题，这对于指导当前和未来的大气科学研究工作肯定有重要帮助。
始于17世纪的现代大气科学发展的标志是人们发明了重要的气象观测仪器，建立了观测站；18世纪初步创立信风和大气环流理论；20世纪大气动力学得以形成；20世纪上半叶成功实现数值天气预报，20世纪60年代以来当代大气科学蓬勃发展，分支学科发展迅速。可以说，近代大气科学研究更加重视大气圈与水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈之间的相互作用、数值模式的应用、气候变化的全球特征与区域差异、分支学科之间的交叉等。总体来说，大气科学的基本研究方法是观测、分析、理论、模拟、验证和应用相结合。
1.3.1大气科学研究的探测方法
确立观测要素和把要素定量化是所有科学研究的两个前提。百叶箱和无线电探空仪的普遍推广使得气象学的四大要素（温度、湿度、气压、风）实现了定量化观测，并在20世纪上半叶逐渐标准化和全球化，使得气象学研究拓展到了三维空间。百叶箱是仪器与大气接触式测量，探空仪也是直接测量后经过无线电传到人们手中，这两种观测方法在大气科学发展上具有里程碑的意义。后来发明的雷达气象观测是接收雷达本身发射电磁波的回波，它不直接接触观测对象，人们称为遥感。这种观测在时间和空间方面有较好的连续性，不再像百叶箱和探空仪那样，只能在时间和空间上观测几个有限点的数值。雷达观测方法是研究暴雨、冰雹和大风等强对流天气最重要的方法，它的出现对这类灾害天气的研究和预报有了飞跃式的发展。20世纪后期人类开始跳出大气层，从宇宙空间来观察地球和大气，这就是人们熟知的气象卫星观测。它为大气探测领域开辟了一个新时代，能较全面地了解全球大气状况，观测更多的要素。卫星观测是近代大气科学研究中不可缺少的工具和方法。卫星观测方法将来一定还会有难以估量的发展。
从地面直接观测到遥感观测反映了大气观测方法的进步。但是这并不是终结，随着科学和技术的进步，新的观测方法还可以被大量发明。此外，新型观测手段不但推动了新的气象资料分析方法的发展，如直接使用卫星辐射观测资料的变分同化方法产生；也促成了一些新学科的产生，如卫星气象学、雷达气象学等。
1.3.2大气科学研究的统计学方法
统计学把表象和描述向前推进了一步。科学的统计方法可以从外部去寻找人们不知道的可能存在的内部相关性以及机理性的因果关系，从大量的信息中总结出新的科学知识。统计方法是大气科学研究的基本方法之一。
民间的谚语和气象预报员的经验都有一定的统计背景，前者是简单的相关统计，后者则复杂得多，因为要把预报员的经验进行科学统计实际上是要对地图上的大气现象进行统计。可以说，大气科学的统计在很大程度上是地图上进行的一种地理统计学。地理科学中大量使用的地图这一个工具对气象学发明天气图方法是有启发的，有如使用望远镜和显微镜的方法在天文学和微生物学的发展中有着巨大的作用。只是它们是放大作用，但地图却是使被观察的对象缩小，拉近观察者和对象之间在时间和空间尺度上的距离，使地球大气现象和变化可以看得一清二楚。使用地图是地理学的看家本领，建立在地图学上的天气图或气候图也是大气科学研究的重要工具和方法。如历史上第一次把各地百叶箱的气象资料集中在地图上就找到了风暴的形成和演变过程，第一次由世界各地高空探测汇集在地图上就看到了西风带。把许多张天气图平均起来所得到的月平均图以及各种时间尺度的平均图也是后来研究气候学最重要的工具和方法。
统计学的大数理论、因子的独立性理论、最小二乘法理论等在所有科学中都起到了作用，在大气科学后来发展的同化方法、集合方法中也有着重要的应用。
1.3.3大气科学的理论研究方法
科学不是描述性的和表象的、不会满足于统计结果。因为统计结果总是给出事物的表象，并不触及事物变化的机理，所以统计研究结论存在很大的局限。人类总是希望能找到解释大气运动的内部固有规律或机理，并由此进一步推断结果。有理论的推断所做的天气预报是有可能打破统计预报和半理论半经验预报水平上限的。
大气是一种流体，大气的力学性质和水的力学性质很接近，很自然地人们就把在近代科学鼻祖牛顿的力学基础上发展出的流体力学方程组引进大气科学。这个方程组用于液体水的实验室研究开始较早，也比较成熟。但是把空气视为一种流体来研究却开展得比较晚。实际上，气体和液体是有差别的，大气密度是水密度的千分之一，它的可压缩性比水强很多。但是它们却都可以具有流动物体的性质。因为大气的运动（风）、压力、温度和密度等的属性和关系都可以同液态水类似。实际上，它们的运动主要是压力差（梯度）所推动，都具有数学上的三维连续性。把大气当做流体并引入流体力学及气体热力学方程是大气科学研究方法的一个重大突破。
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