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译者的话1

前言1

概要1

1 大气科学和其他学科1

2 大气科学的机遇和使命1

2.1 大气科学使命1：提高观测能力1

2.2 大气科学使命2：研制新的观测手段2

3 大气研究建议2

3.1 大气科学研究建议1：解决在大气边界层中和不同尺度气流之间的相互作用2

3.2 大气科学研究建议2：拓展既定预报过程至新的领域2

3.3 大气科学研究建议3：启动新兴问题的研究3

4 对大气科学领域领导和管理的建议3

4.1 领导和管理建议1：发展提供大气信息的战略3

4.2 领导和管理建议2：确保大气信息的通畅获取3

4.3 领导和管理建议3：评估效益和代价4

5 领导和管理计划4

6 学科评估4

6.1 大气物理学研究4

6.2 大气化学研究5

6.3 大气动力学和天气预报研究5

6.4 高层大气和近地空间研究6

6.5 气候和气候变化研究6

第一部分 进入21世纪的大气科学的概述和建议9

Ⅰ.1 引言9

Ⅰ.1.1 四个世纪的历程9

Ⅰ.1.2 大气科学和其他学科10

Ⅰ.1.3 展望21世纪10

Ⅰ.2 大气科学对国家公益的贡献12

Ⅰ.2.1 生命和财产的保护12

Ⅰ.2.1.1 预报和预警的需求13

Ⅰ.2.1.2 气象服务的进步15

Ⅰ.2.2 环境质量保护16

Ⅰ.2.2.1 氯氟碳化物CFCs和氧16

Ⅰ.2.2.2 温室气体和全球变化16

Ⅰ.2.2.3 气溶胶17

Ⅰ.2.2.4 大气科学在环境问题中的作用17

Ⅰ.2.3 增强国家经济活力17

附件 天气和气候服务信息的效益18

Ⅰ.2.4 增强基础认识19

Ⅰ.3 未来几十年的科学迫切需求和建议20

Ⅰ.3.1 大气科学的迫切需求1：优化和集成观测能力21

Ⅰ.3.1.1 新的观测机遇21

Ⅰ.3.1.2 观测系统优化和集成的需求22

Ⅰ.3.1.3 观测系统的模拟实验23

Ⅰ.3.2 大气科学的迫切需求2：发展新的观测能力23

Ⅰ.3.2.1 大气中的水23

Ⅰ.3.2.2 风的观测24

Ⅰ.3.2.3 平流层观测25

Ⅰ.3.2.4 近地空间观测25

Ⅰ.3.3 大气研究建议1：解决大气边界层及不同尺度气流之间的相互作用26

Ⅰ.3.3.1 地表过程26

Ⅰ.3.3.2 与海洋的长期相互作用26

Ⅰ.3.3.3 云及其效应27

Ⅰ.3.3.4 气溶胶和大气化学27

Ⅰ.3.3.5 非线性的基本问题28

Ⅰ.3.4 大气研究建议2：将既有预报过程拓展到新的领域28

Ⅰ.3.5 大气研究建议3：启动新出现问题的研究30

Ⅰ.3.5.1 气候、天气和健康30

Ⅰ.3.5.2 水资源30

Ⅰ.3.5.3 快速增加的大气排放31

Ⅰ.4 未来几十年对领导和管理的挑战32

Ⅰ.4.1 领导和管理的建议1：制定提供大气信息的战略32

Ⅰ.4.1.1 一个提供天气服务的动态系统33

Ⅰ.4.1.2 大气信息的前景33

Ⅰ.4.1.3 分发大气信息服务的意义34

Ⅰ.4.2 领导和管理的建议2：确保大气信息通畅35

Ⅰ.4.3 领导和管理的建议3：评估收益与成本35

附件 大气研究和服务的联邦资助36

Ⅰ.4.4领导和管理规划40

第二部分 学科评估45

Ⅱ.1 进入21世纪的大气物理学研究45

Ⅱ.1.1 概要45

Ⅱ.1.1.1 主要的科学目标和挑战45

Ⅱ.1.1.2 科学战略的关键组成部分45

Ⅱ.1.1.3 支持战略的启动计划46

Ⅱ.1.1.4 对国家利益的预期效益和贡献46

Ⅱ.1.1.5 推荐的大气物理学研究项目46

Ⅱ.1.2 引言48

Ⅱ.1.2.1 任务48

Ⅱ.1.2.2 主要研究课题及历史成就48

Ⅱ.1.2.3 未来前景49

Ⅱ.1.3 科学挑战和问题50

Ⅱ.1.3.1 大气辐射50

Ⅱ.1.3.2 云物理学51

Ⅱ.1.3.3 大气电学53

Ⅱ.1.3.4 边界层气象学54

Ⅱ.1.3.5 小尺度大气动力学56

Ⅱ.1.3.6 学科研究的挑战57

Ⅱ.1.4 对国家目标的贡献70

Ⅱ.2 进入21世纪的大气化学研究71

Ⅱ.2.1 概要71

Ⅱ.2.1.1 主要科学问题和挑战72

Ⅱ.2.1.2 重要研究挑战72

Ⅱ.2.1.3 学科研究挑战73

Ⅱ.2.1.4 基础设施启动项目73

Ⅱ.2.1.5 对国家利益的预期效益和贡献73

Ⅱ.2.2 前言和综述74

Ⅱ.2.2.1 使命74

Ⅱ.2.2.2 20世纪回顾76

Ⅱ.2.2.3 学科研究挑战80

Ⅱ.2.2.4 突出的研究难题89

Ⅱ.2.2.5 基础设施建设项目90

Ⅱ.2.2.6 结论93

Ⅱ.2.3 环境重要的大气物种：科学问题和研究战略94

Ⅱ.2.3.1 平流层臭氧94

Ⅱ.2.3.2 大气温室气体98

Ⅱ.2.3.3 光化学氧化剂104

Ⅱ.2.3.4 大气气溶胶107

Ⅱ.2.3.5 有毒物质和营养成分109

Ⅱ.3 21世纪大气动力学和天气预报研究112

Ⅱ.3.1 概要112

Ⅱ.3.1.1 新的研究机遇113

Ⅱ.3.1.2 推荐的关键114

Ⅱ.3.2 引言116

Ⅱ.3.2.1 基础研究焦点116

Ⅱ.3.2.2 技术发展123

Ⅱ.3.3 结论129

Ⅱ.4 21世纪的高层大气和近地空间研究131

Ⅱ.4.1 概要131

Ⅱ.4.1.1 主要的科学目标和挑战131

Ⅱ.4.1.2 科学战略的关键部分132

Ⅱ.4.1.3 未来十年及数十年的科学需求132

Ⅱ.4.1.4 对国家福祉的预期效益和贡献133

Ⅱ.4.1.5 高层大气和近地空间研究任务133

Ⅱ.4.2 引言134

Ⅱ.4.2.1 太阳134

Ⅱ.4.2.2 行星际空间134

Ⅱ.4.2.3 磁层135

Ⅱ.4.2.4 电离层和高层大气135

Ⅱ.4.2.5 中层大气136

Ⅱ.4.2.6 宇宙射线136

Ⅱ.4.2.7 优先研究136

Ⅱ.4.3 对气候和生物圈重要的平流层过程139

Ⅱ.4.3.1 平流层臭氧141

Ⅱ.4.3.2 火山效应144

Ⅱ.4.3.3 太阳效应145

Ⅱ.4.3.4 准两年振荡效应145

Ⅱ.4.3.5 飞机的大气效应146

Ⅱ.4.3.6 平流层在气候和天气预报中的作用147

Ⅱ.4.3.7 关键创新点148

Ⅱ.4.3.8 成功的度量149

Ⅱ.4.4 空间天气149

Ⅱ.4.4.1 科学基础151

Ⅱ.4.4.2 关键的科学问题158

Ⅱ.4.4.3 过去和现在的研究活动160

Ⅱ.4.4.4 关键的创新161

Ⅱ.4.5 中高层大气全球变化162

Ⅱ.4.5.1 科学背景163

Ⅱ.4.5.2 关键的科学问题165

Ⅱ.4.5.3 关键创新点165

Ⅱ.4.5.4 对解决社会问题的贡献168

Ⅱ.4.5.5 成功的测度169

Ⅱ.4.6 太阳的影响169

Ⅱ.4.6.1 在一个太阳周期的太阳能量输出170

Ⅱ.4.6.2 区分太阳和人为效应171

Ⅱ.4.6.3 太阳对地球高中层大气的影响174

Ⅱ.4.6.4 太阳活动周期的物理基础176

Ⅱ.4.6.5 太阳行为的长期变化：太阳型恒星solar-type star177

Ⅱ.4.6.6 关键创新点180

Ⅱ.4.6.7 对解决社会问题的贡献180

Ⅱ.5 进入21世纪气候和气候变化研究181

Ⅱ.5.1 概要181

Ⅱ.5.2 引言184

Ⅱ.5.3 使命185

Ⅱ.5.4 21世纪展望185

Ⅱ.5.4.1 20世纪回顾186

Ⅱ.5.4.2 科学问题200

Ⅱ.5.4.3 21世纪气候研究的关键驱动力200

Ⅱ.5.5 气候研究的目标和需求204

Ⅱ.5.5.1 目标1204

Ⅱ.5.5.2 目标2207

Ⅱ.5.5.3 目标3209

Ⅱ.5.5.4 目标4210

Ⅱ.5.5.5 目标5211

Ⅱ.5.5.6 目标6212

Ⅱ.5.5.7 目标7214

Ⅱ.5.6 气候研究优先领域215

Ⅱ.5.6.1 建立一个永久气候观测系统215

Ⅱ.5.6.2 通过集成历史和替代资料的发展扩展器测气候记录216

Ⅱ.5.6.3 继续和加强诊断分析和过程研究以揭示关键气候变率和变化过程216

Ⅱ.5.6.4 建立和评估气候模式，使模式更加综合，包括气候系统的所有主要子系统217

Ⅱ.5.6.5 交叉需求218

Ⅱ.5.7 对国家目标和需求的贡献218

参考文献220

附录A 缩写词索引233

附录B 大气科学委员会和大气科学与气候委员会自1958年以来的报告一览表238

中文索引241