大气模式除应用于预报外，还可以用来对复杂的大气系统的各种热力学、动力学包括物理、化学过程进行理论模拟和诊断。在利用大气模式进行理论模拟和诊断时，我们不妨将大气模式看成是建立在计算机上的大气实验室，通过改变和简化影响大气运动的作用因子，或施加作用因子来分析、诊断、模拟在不同条件下大气运动的状态和机制。如图3.5就是一个很好的模拟东亚季风的例子。众所周知，季风是指在一个地区冬夏之间盛行风有显著季节性变化的现象。图中显示的是在有无地形影响情况下模拟东亚季风随季节变化的结果。通过比较分别施加或消除地形影响的两种不同情况。不难发现在地形作用情况下，夏季风在六月形成，而冬季风在十月突然建立。这与季风爆发长期的观测事实相吻合。这个模拟实验反过来告诉我们，东亚季风环流突变的触发机制是地形；东亚地形，特别是青藏高原的存在是东亚季风迥异于世界其他地区季风的根本原因。在第六章中，我们将详细讨论季风环流。

    除了所述的统计、理论分析诊断和数值模拟方法外，在第二章我们还讨论过尺度和量纲分析。这些方法在本章中都有重要的应用。例如，统计和尺度分析可以用来揭示大气环流的基本事实和基本状态，理论分析诊断和数值模拟可以帮助了解大气环流的形成、维持和演变的基本规律。

    另一方面，造成实际大气环流的形成、维持和演变过程的复杂性在于：①地球大气流体的层结性和旋转性；②各种尺度的运动及其相互作用。为了便于分析和实际预报，有必要首先理解简化的大气环流模型。这种理想的大气环流模型建立在分别考虑了单纯化的大气热力、动力学过程上，例如我们可以分步骤考虑大气流体的热力层结性、旋转性以及摩擦、地形、海陆分布等影响大气环流的因子，这种由表及里、由浅入深，分层次地讨论可以使我们深刻了解大气环流形成和演变的规律。

    实际大气运动包含各种尺度的运动及其相互作用，是造成实际大气运动复杂性的一个重要原因。同时这种复杂性也必然会反映在大气的观测上。因此首先需要从其大气运动复杂形态中分离出全球尺度的大气环流。尽管存在多种不同的尺度分解方法，但最简便的方法还是在大气环流特征尺度上计算实际观测值的平均，用来表征大气平均环流，然后再从实际观测值减去平均值，即得到大气平均环流的距平值。大气环流研究的一个基本出发点，就是将大气环流看成是相对较小尺度流体运动的平均背景场，而较小尺度运动则是大气平均环流场上叠加的扰动流场。例如，天气尺度涡旋和中小尺度局地环流，相对于全球尺度的大气环流，均被认为是平均环流背景场上叠加的次尺度涡动(扰动)部分。所谓涡动，即距平，或在平均值附近的有限振荡。如图3.6是求算实测风沿纬圈(事实上大气环流的空间特征尺度可以用部分或整个纬圈的长度L表示)的平均值和距平值的示意图。以公式表达

A＝[A]＋A*

    (3.1)

    τ代表所取平均的时间长度。值得强调的是，相对于时间平均的扰动部分(即类似于对纬圈平均时称为涡动的部分)，称为瞬变量，记为A′，

    着时间τ应大于天气系统的典型生命期。在中纬度，τ应当大于15～20天；在热带，τ要小些。就全球环流而言，τ要小于季节循环周期，即3个月约91～92天。

    同样的，纬向平均、时间平均的距平值的统计平均在大气环流研究中也有重要的应用。例如图3.7，我们可以通过计算位势高度的瞬变扰动平均

    两个极大值伸展区域，一个位于大西洋，另一个位于太平洋。位势高度瞬变项的极值区说明那里是无气系统活跃的地区。如图3.7b所示，北大西洋中纬度地区的风暴轴(stormtrack，即风暴出现频率高的地区)中心地区正好与位势高度瞬变项的极值区相吻合。