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大氣與海洋系統(tǒng)高度復雜且具有非線性特性，這使得傳統(tǒng)線性方法在研究氣候異常、極端事件和預報不確定性等方面存在顯著局限。面對這一挑戰(zhàn)，科研界亟需更科學、更有效的非線性方法和工具。

▲ CNOP 方法的發(fā)展歷程

穆穆院士團隊于2003年首創(chuàng)了“條件非線性最優(yōu)擾動”（Conditional Nonlinear Optimal Perturbations，簡稱 CNOP）方法，為探索大氣海洋系統(tǒng)演變過程中的非線性不穩(wěn)定機制開辟了新路徑。CNOP方法已廣泛應用于ENSO、熱帶氣旋、中高緯阻塞、黑潮等多個高影響海氣事件的研究中，深刻推動了非線性理論在大氣-海洋科學中的發(fā)展。

穆穆帶領團隊在國際上率先提出了全面考慮非線性影響的CNOP方法，而且實現(xiàn)了最優(yōu)擾動方法，從僅考慮初始誤差影響，到綜合考慮初始誤差和參數誤差影響，以及向探討非線性最優(yōu)增長邊界誤差和外強迫誤差影響的拓展。從理論到實踐，并從實踐中發(fā)現(xiàn)不足后，再加以改進和創(chuàng)新理論；一步一步走得很踏實，也很有序。

巢紀平

中國科學院院士

于2024年2月

為了更好地推廣CNOP方法、服務科研實踐，穆穆院士團隊撰寫了專著《條件非線性最優(yōu)擾動及其在大氣-海洋研究中的應用》。本書融合理論與實踐，系統(tǒng)介紹了CNOP的理論基礎、數值實現(xiàn)方法，并結合大量大氣海洋研究案例，詳盡展示了其應用價值。書中重點突出了CNOP數值求解的關鍵環(huán)節(jié)，幫助讀者掌握從選取擾動變量、構建目標函數與約束條件，到選擇優(yōu)化算法、分析優(yōu)化結果的完整流程。

▲ CNOP方法在黑潮目標觀測敏感區(qū)識別中的應用

SR1～SR4表示源區(qū)黑潮流量季節(jié)性下降、黑潮入侵南海、日本南部黑潮大彎曲路徑變異與黑潮延伸體模態(tài)轉變的觀測敏感區(qū); 在敏感區(qū)內強化觀測能顯著地改進黑潮變異的預測能力。

此外，為培養(yǎng)更多青年學者掌握非線性最優(yōu)化工具，自2019年起，團隊已連續(xù)舉辦三屆“非線性最優(yōu)化方法在大氣-海洋科學中的應用”夏季講習班，課程內容緊扣本書結構，涵蓋理論講解、數值方法和上機實習三個模塊，為廣大學者系統(tǒng)學習與實踐CNOP方法提供了寶貴平臺。讀者可掃描本書封底二維碼，下載第2章數值求解篇用到的程序資源實踐學習。

本書的出版，有助于培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才投入到相關領域的研究中，使得CNOP方法在大氣和海洋科學研究中能夠發(fā)揮更大作用。同時，作者也期望讀者能夠通過學習本書，將CNOP與大氣-海洋科學中的關鍵問題緊密結合，并從大氣與海洋科學中的動力學問題、計算資源的高效利用、可預報性、目標觀測、集合預報、人工智能和深度學習等方面，進一步推廣CNOP方法在大氣與海洋科學研究中的應用；同時為實際的業(yè)務預報和預測作出貢獻，提高我國天氣和氣候的預測水平。

本書撰寫過程中，得到了眾多專家學者的大力支持和熱心幫助，特別鳴謝段晚鎖、鄭琴、袁時金、姜智娜、孫國棟、周菲凡、王強、秦曉昊、祖子清等專家，以及提供資料、參與代碼編寫與測試的老師與同學。荷蘭皇家科學院院士、烏得勒支大學Henk教授為本書撰寫英文序，中國科學院院士巢紀平先生為本書撰寫中文序，在此致以誠摯感謝。

本文摘編自《 條件非線性最優(yōu)擾動及其在大氣 - 海洋研究中的應用 》（ 穆穆等著 . 北京 : 科學出版社 , 2025.4 ）一書“前言”“序”，有刪減修改，標題為編者所加。

審圖號： GS 京（ 2025 ） 0415 號

ISBN 978-7-03-081765-5

責任編輯：彭勝潮

本書全面系統(tǒng)地介紹了條件非線性最優(yōu)擾動 ( conditional nonlinear optimal perturbations ， CNOP ) 方法的理論基礎、多種數值求解方法及其在大氣和海洋科學中的廣泛應用。全書包括理論篇、數值求解篇和應用篇，共分 8 章。第 1 章是理論篇，介紹 CNOP 方法的理論基礎，對其提出背景、發(fā)展歷程、理論框架、物理意義以及數值求解方法進行了總體描述。第 2 章是數值求解篇，結合不同的數值模式，詳細介紹用多種不同策略的優(yōu)化算法數值求解 CNOP ，包括伴隨方法、粒子群優(yōu)化算法、差分進化算法、梯度定義法等。第 3 章至第 8 章是應用篇，分別介紹 CNOP 方法在厄爾尼諾 - 南方濤動春季預報障礙、臺風目標觀測、阻塞和 北大西洋濤動可 預報性、 大西洋經圈翻轉 環(huán)流研究、黑潮大彎曲路徑變異和黑潮入侵南海研究、陸地生態(tài)系統(tǒng)模擬不確定性研究中的成功應用。

本書匯集了穆穆院士及其團隊多年來應用 CNOP 方法研究大氣與海洋科學的豐厚成果，可供從事大氣和海洋科學的科研人員、高校教師、研究生和本科高年級學生，以及對應用非線性優(yōu)化方法開展理論、觀測、數值模擬與預測研究感興趣的科研工作者閱讀使用，也可供應用數學與計算數學等相關領域的學者參考閱讀。

• 信息來源：科學出版社。

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