《条件非线性最优扰动及其在大气-海洋研究中的应用》专著封面
作者：穆穆 徐辉 戴国锟 张坤
大气与海洋系统高度复杂且具有非线性特性，这使得传统线性方法在研究气候异常、极端事件和预报不确定性等方面存在显著局限。面对这一挑战，科研界亟需更科学、更有效的非线性方法和工具。穆穆团队于2003年首创了“条件非线性最优扰动”（Conditional Nonlinear Optimal Perturbations，简称 CNOP）方法，为探索大气海洋系统演变过程中的非线性不稳定机制开辟了新路径。
CNOP方法已广泛应用于ENSO、热带气旋、中高纬阻塞、黑潮等多个高影响海气事件的研究中，深刻推动了非线性理论在大气-海洋科学中的发展。而计算机技术的快速发展，带来丰富的计算资源和超强的计算能力，更为数值求解CNOP、拓展CNOP理论和方法的广泛应用提供了保障。目前，越来越多的研究学者希望学习和应用 CNOP 方法解决相关科学问题。
为了更好地推广CNOP方法、服务科研实践，中国科学院大气物理研究所徐辉副研究员作为第二作者和复旦大学穆穆院士、戴国锟副教授以及中国科学院海洋所张坤副研究员合作，撰写了专著《条件非线性最优扰动及其在大气-海洋研究中的应用》一书，于2025年4月由科学出版社正式出版。本书融合理论与实践，系统介绍了CNOP的理论基础、数值实现方法，并结合大量大气海洋研究案例，详尽展示了其应用价值。书中重点突出了CNOP数值求解的关键环节，帮助读者掌握从选取扰动变量、构建目标函数与约束条件，到选择优化算法、分析优化结果的完整流程。
全书共分8章。第1章是理论篇，介绍CNOP方法的理论基础，对其提出背景、发展历程、理论框架、物理意义以及数值求解方法进行了总体描述。第2章是数值求解篇，结合不同的数值模式，详细介绍用多种不同策略的优化算法数值求解CNOP，包括伴随方法、粒子群优化算法、差分进化算法、梯度定义法等。第3章至第8 章是应用篇，分别介绍CNOP 方法在ENSO春季预报障碍、台风目标观测、阻塞和北大西洋涛动可预报性、大西洋经圈翻转环流研究、黑潮大弯曲路径变异和黑潮入侵南海研究、陆地生态系统模拟不确定性研究中的成功应用。
图1. CNOP方法在黑潮目标观测敏感区识别中的应用。
图中SR1～SR4表示源区黑潮流量季节性下降、黑潮入侵南海、日本南部黑潮大弯曲路径变异与黑潮延伸体模态转变的观测敏感区;在敏感区内强化观测能显著地改进黑潮变异的预测能力。
为培养更多青年学者掌握非线性最优化工具，自2019年起，团队已连续举办三届“非线性最优化方法在大气-海洋科学中的应用”夏季讲习班，课程内容紧扣本书结构，涵盖理论讲解、数值方法和上机实习三个模块，为广大学者系统学习与实践CNOP方法提供了宝贵平台。读者可扫描本书封底二维码，下载第2章数值求解篇用到的程序资源实践学习。
本书的出版，有助于培养更多的优秀人才投入到相关领域的研究中，使得CNOP方法在大气和海洋科学研究中能够发挥更大作用。同时，作者也期望读者能够通过学习本书，将CNOP与大气-海洋科学中的关键问题紧密结合，并从大气与海洋科学中的动力学问题、计算资源的高效利用、可预报性、目标观测、集合预报、人工智能和深度学习等方面，进一步推广CNOP方法在大气与海洋科学研究中的应用；同时为实际的业务预报和预测作出贡献，提高我国天气和气候的预测水平。
本书撰写过程中，得到了众多专家学者的大力支持和热心帮助，特别鸣谢段晚锁、郑琴、袁时金、姜智娜、孙国栋、周菲凡、王强、秦晓昊、祖子清等专家，以及提供资料、参与代码编写与测试的老师与同学。荷兰皇家科学院院士、乌得勒支大学Henk教授为本书撰写英文序，中国科学院院士巢纪平先生为本书撰写中文序，在此致以诚挚感谢。
本书的出版得到了国家自然科学基金委员会基础科学中心项目(42288101)、国家重点研发计划(2020YFA0608802)、国家自然科学基金委员会重大项目(41790475)、上海市科学技术委员会项目(20dz1200700)的资助。
专著信息：
穆穆, 徐辉, 戴国锟, 张坤. 2025. 条件非线性最优扰动及其在大气-海洋研究中的应用. 北京: 科学出版社, ISBN 978-7-03-081765-5.
科学出版社公众号推介本专著链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Our4SF1gsBOPzCKWH5O9DA
来源： https://iap.cas.cn/gb/xwdt/kyjz/202505/t20250530_7794383.html
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