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“气旋”这个名词，对于很多人来说并不陌生。在天气预报中，我们常常能听到“受某某气旋影响，天气将如何如何变化”。其实，在中学的地理课本上，我们就曾学到过关于气旋的知识。
所谓气旋，就是大气中一种类似江河里的涡旋运动，有顺时针方向和逆时针方向旋转运动两种形式，分别称之为气旋和反气旋。在北半球，空气是逆时针方向运动的，中心气压最低，逐渐向外递增，空气不断流入中心，形成上升气流，也称“低气压”。它的直径小的有几十千米，大的有几千千米。气旋是大气中最常见的运动形式，也是影响天气变化的重要天气系统。天气受气旋影响时，常常会出现阴雨和大风天气。1905年，马尔居莱首次用能量转换解释气旋这一天气系统的形成。他认为，气旋的形成是两种气团之间的位能转换成动能的结果。
20世纪40年代，随着高空大气观测的发展，高空天气图成为研究大气运动的重要工具。高空天气图的出现使人们可以更好地研究大气的立体结构。
高空天气图上最重要的现象就是大气长波。这种长波的波长可以达到几千千米以上。罗斯贝提出的长波理论，认为大气长波的出现与地球自转有关。此后的研究证明，正是大气中重力波的频散导致了风和气压分布的平衡，形成了大气中的准地转平衡关系。1945年，罗斯贝首次研究了大气和海洋中的能量频散问题。
所谓能量频散，就是能量随波的传播而被分散的现象，而导致频散现象的波，就是人们熟知的散射波。1949年，美国《气象杂志》发表了叶笃正的博士论文《大气中的能量频散》。这篇关于大气中能量频散的论文，系统地研究了大气中波动的群速、相速和波长的关系，解释了一系列重要现象，成为现代天气预报的重要理论基础之一。这一理论是罗斯贝提出的长波理论的延续，对长波理论具有重要的实质性贡献。
在高空天气图上，气流在中纬度基本上是东西向的。但气流的方向并不严格与纬线平行，而是呈波状流型。这种波状流型被称为“大气长波”。以罗斯贝为首的芝加哥学派创立了大气长波的动力学理论。不同波长的单波的速度各异。不同波长的波组成波列，波列作为一个整体或一群波是由不同波长的各种单波组成的。每个单波移动速度各自不同，而波的能量以一种称为群速度的速度移动。它的传播速度就是波动能量的传播速度。叶笃正把群速度概念引入长波的研究，研究了四种大气模式下群速、相速和波长的关系，从理论上讨论了各种不同情况下大气中各种波动能量传播的特征。叶笃正的研究有着深厚的实践基础，同时也解释了一系列实际天气图上看到的现象。
自从罗斯贝的长波理论和北半球高空天气图出现以后，人们就发现了一种叫做上游效应的现象。1944年，拉米亚斯发表文章，提到当阿拉斯加湾出现一个深厚的低气压槽（一种天气系统）时，它的影响很快就可以在下游（即其东面）反映出来，在下游产生新的波动，其传播速度快于气流平均速度的值。
拉米亚斯和克拉普把这种现象说成是，由于下游新的低气压槽形成使大气波动的波长变短了。但是为何产生这种波长变短的现象，需要从理论上加以说明。
叶笃正从描写大气运动的动力学方程出发，在一定的初始条件和边界条件下，从理论上算出了在波动下游形成新的低气压槽的现象，从而证明正是大气运动能量向下游的频散，才使新的波动在下游形成。
30多年后，著名动力气象学家霍斯金斯教授等把叶笃正的理论发展到球面上大气的情况（叶笃正的理论假设大气在平面上运动），中科院院士黄荣辉等人进一步讨论了立体空间大气波动的传播问题。这些新的研究成果都是以叶笃正的大气长波能量频散理论为基础的。
以往人们在评价叶笃正关于能量频散的研究时，大多注重他对上游效应的解释。其实，关于阻塞高压的形成也是频散理论的应用的一个重要方面。叶笃正的大气长波频散理论解释的另一个重要现象就是阻塞高压的形成。高空气流不全是波状的，在中高纬度有时会出现移动很慢甚至不动的高气压，严重影响气流的东西向流动，因而被称为阻塞高压。阻塞高压对大范围天气有重大影响，它只出现在高纬度，阻塞高压有时会出现向西后退现象。
阻塞高压现象在1904年就被加里奥特注意到了。此后，拉米亚斯等也有过讨论。叶笃正则用频散理论成功地解释了这一现象的形成。
叶笃正得出的结论是，阻塞高压只出现在高纬度，强度随纬度增高而加大，西移的速度随纬度增高而减少，其生命随纬度的升高而增加。
叶笃正在这篇论文里，还解释了另一些现象，如在低纬度观测到的大的强气流上的扰动。在中高纬度，有西风气流上的大的槽脊；而在低纬度，则只有强度不大的东风波。同时，中高纬度天气系统的生命史很长，而低纬度天气系统的生命史很短。
这些理论，对做好天气预报都有很大的作用。
新中国成立后，在短短几年内，我国的气象站网就有了快速的发展，无线电探空站超过了60个。观测资料的丰富给科研工作的发展奠定了良好的基础。叶笃正和他的同事们充分利用这一有利条件，进行了卓有成效的科学研究，并取得了累累硕果。
在建国之初，我国气象学研究中的一个重要问题是如何解释对天气预报至关重要的大气环流。因此，为了做好国家建设急需的天气预报工作，改进和提高天气预报的准确性，当务之急就是要弄清楚我国所处的东亚地区的大气环流状况及其形成的原因。为此，叶笃正和他的合作者从观测事实和理论分析出发，系统地开展了对东亚大气环流演变的研究。
我们知道，人类居住和生活的地球表面，被一层很厚的大气层包围着，这层大气就叫做“大气层”，又叫“大气圈”。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度在1000千米以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层，再上面就是星际空间了。
人类生活在地球大气中，对于大气环流及其变化的影响时刻都可以感受到。因此，人类很早就开始注意对大气环流规律性的探索，并在生产生活中加以利用。我国历史上著名的三宝太监郑和下西洋、西方哥伦布横渡大西洋发现美洲大陆，都是成功利用大气环流的例子。
所谓大气环流，就是指大范围的大气运动状态，它包含的内容是比较广泛的。一般所说的大气环流的对象是有关大范围的大气运行现象，它的水平空间尺度在数千千米以上，垂直空间尺度是10千米以上，时间尺度是1—2日以上。
大气环流是完成地球——大气系统热量、水分、角动量等输送和平衡，以及各种能量间相互转换的重要机制，同时又是这些物理量输送和平衡的结果。他们构成大气运动的基本状态，不但影响天气的类型及其改变，也影响气候的形成。因此，研究大气环流的特征及其形成、维持、变化和作用，掌握大气环流的演变规律，不仅是人类认识自然的必不可少的重要组成部分，而且还将有利于改进和提高天气预报的准确率，有利于探索全球气候变化，以及更有效地利用气候资源为国民经济建设服务，具有重大的实际意义。
为了改进和提高我国天气预报的准确性，叶笃正和他的学生及合作者从观测事实和动力理论方面系统地研究了东亚大气环流的变化特征，发现东亚的大气环流在6月初以突变方式从冬季环流型转换成夏季环流型，并且发现这种行星尺度环流的突变将导致东亚夏季季风的爆发，从而创建了东亚大气环流理论。
1957年，叶笃正和同事们共同完成了《东亚的大气环流》的英文论文。1957年和1958年，《大地》（Tellus）杂志以英文标题On the General Circulation over Eastern Asia分三期连载了这篇文章。论文向世界气象界展现了中国科学家的成果，引起了强烈的反响。叶笃正等科学家比其他国家的科学家早20多年提出了东亚大气环流的季节转换的突变性。他对东亚大气环流作出的系统和开创性研究，极大地提高了我国在国际学术界的地位。
50年代，我国的天气预报基本上处于半经验状态。要想把半经验的方法发展成精确的客观的方法，就必须对控制大范围大气运动的具体物理过程和因子有深入的了解。在这种了解的基础上建立描述大气运动的方程组，就可以建立数值天气预报。当时，数值天气预报尚处于初期发展阶段。正是大量关于大气环流的研究成果，使数值天气预报如虎添翼，逐步发展成为今日短期（1—2日）天气预报的主要手段、中期（3—10日）天气预报的重要依据和长期（月和季）天气预报的重要方法。
多年来，人们期望能对气候的形成和变化有更深入的了解，能够用数学、物理的方法进行气候预测。大气环流的研究对促进这个问题的解决有重要的意义。1959年，菲利普斯发表了一篇关于大气环流数值试验的论文，用数学、物理的方法再现了大气环流的若干基本事实。此后，气候数值模拟得到了很大的发展。现在，用数学、物理方法制作短期气候（一季度至一年）预测的方法已经成为气候预测工作的重要工具。
叶笃正等人正是从大气环流对天气预报和气候预测的基础性着眼，潜心对大气环流的许多问题进行了系统研究和总结。
在研究中，叶笃正发现，在青藏高原以南和以北有两股强西风向东吹，而青藏高原就如同一个巨大的屏障，使它们的位置比较稳定。越往东走，两股气流的距离越近，最后合成一股，到了日本，风力达到最强。他还用当时最先进的手段和分析方法研究了东亚大气环流的演变，认为东亚大气环流的演变不是像以往人们认为的那样是渐变的，而是有个突变过程。叶笃正把这些重大发现写进了《大气环流的若干基本问题》一书。这本书至今仍在指导着我国关于东亚大气环流的研究，而且是一本国际上公认的最早的大气环流动力学著作。他还写了些论文寄给自己在芝加哥大学的博士导师罗斯贝教授主办的《瑞典气象》杂志发表。许多外国气象学家看了都很惊讶，没想到中国气象专家能在如此短的时间内把东亚大气环流的许多基本问题摸清楚了。
气象学中的一个重要问题就是如何解释对天气预报至关重要的大气环流的形成和维持。大气环流作为气象学最古老的分支之一，它的研究一直伴随着大气角动量收支的研究。
我们知道，要测量一个直线运动的物体运动快慢，可以用速度来表示。那么，物体的旋转状况又用什么来衡量呢？一种办法就是用“角动量”。那么，什么是角动量呢？通俗地说，角动量是描述物体转动状态的一种物理量。在物理学中是与物体到原点的位移和动量相关的物理量，在经典力学中表示为到原点的位移和动量的叉乘。
在大气学中，角动量平衡与否一直是衡量一个大气环流图是否合理的重要依据之一。平均经圈环流作为大气环流的重要成员之一，在平衡大气角动量在近地表的制造和消耗，以及角动量在自由大气中的输送方面，有着不可替代的作用。
我们知道，物理学上有一条很重要的角动量守恒定律。说的是一个转动物体，它的旋转速如果不受外力矩作用，它的角动量就不会因物体形状的变化而变化。举例来说，一个芭蕾舞演员，当她在旋转过程中突然把手臂收起来的时候（质心与定点的距离变小），她的旋转速度就会加快，因为只有这样才能保证角动量不变。这一定律在地球自转速度的产生中起着重要作用。
大气在自转的地球上运动着，与地球表面产生着相对运动。相对运动产生着摩擦作用，而摩擦作用和山脉作用使空气与转动地球之间产生了转动力矩（即角动量）。角动量在风带中的产生、损耗以及在风带间的输送、平衡，对大气环流的形成和维持具有重要作用。在足够长的时间内，在不受外界作用时，大气的总角动量是守恒的。
也就是说，大气的角动量在产生、消耗和输送的过程中达到平衡，使东风带和西风带保持定常状态。研究大气角动量平衡，弄清地球和大气之间的相互作用同地面摩擦的关系，不但可以揭示大气环流中行星风系得以维持的机制，还可从大气环流的演变观点出发，研究地球自转速度的年变化，但后者主要属于天文学的范畴。
叶笃正还在美国芝加哥大学时，同事们就对这一问题颇有争议。斯塔尔认为，角动量的输送是由大气中的动波完成的。帕尔门则认为，除了大气动波之外，还有哈得利环流的贡献。
早在1735年，英国科学家哈得利为了说明信风带的存在时，引用了不均匀加热和地球自转的作用。他指出，为了补偿在赤道受热上升的空气，必须有空气从北面流来，形成一个对流。在地球自转的作用下，地面上就有东北信风的生成。这种说法也成为了多少年来研究大气环流的基础。他也由此推论出，在低纬度的子午面上应该有一个闭合的经圈环流。此后，这个环流圈就被称为“哈得利环流”，在北半球指的是大气在赤道受热上升，到高空后沿经圈方向向北流去，在副热带下沉，然后又沿经圈方向流回赤道。
斯塔尔认为，这种环流存在与否尚难确定，又如何得知它对角动量输送的贡献。而里尔和叶笃正则赞同帕尔门的说法。他们首先应用多年的观测得到的海上季风的资料证明了哈得利环流的存在，紧接着又分析出它对角动量输送的作用。他们证明，当气流在高空向北流动时，向北的空气把它从地球自转得到的角动量输送到北方，从而对西风环流的维持作出了贡献。
在20世纪40年代，气象资料，特别是高空资料非常缺乏，要用资料证明哈得利环流的存在绝非易事。哈得利环流由四支气流组成：赤道上升、高空从赤道向北、副热带高压处下沉、地面由北向南。里尔和叶笃正想要证明哈得利环流确实存在，就必须对这四条气流进行分析计算。
里尔和叶笃正通过分析计算得出，哈德利环流在热量从赤道向中纬度的输送上只起部分作用，更多的热量输送是用大气中气旋、反气旋以及槽和脊这些天气系统完成的。而对于角动量的输送，哈得利环流的作用则是至关重要的。
里尔和叶笃正的这一成果，1950年以“基本经圈环流的强度”为题，发表于英国《皇年国家气象学会季刊》上。
关于大气环流，一直存在着一个颇有争议的问题——千变万化的气象中究竟是风场占有主导地位呢，还是气压场占有主导地位？
根据经典理论观点，风是气压分布不均匀的结果，因而在风和气压的关系方面，气压是主动的，处于主导的；而风是被动的，从属的。当气压由于某些原因发生变化之后，风要随之改变，以适应气压场而调整为新的地转关系，这叫做风向气压适应。
1936年，罗斯贝首先对这一传统的经典理论提出了质疑。通过研究，他得出了这样的结论，气压和风是相互调整适应的。但是，在适应过程中，主要是气压向风的分布适应，因而风才是主导的，气压则是从属的。
到底是经典的理论正确的，还是罗斯贝的理论正确？叶笃正想，单纯强调气压为主导或风为主导的结论都是不够全面的，必定要存在于某些特定的环境中，并以这个环境为前提。他通过物理过程的分析，得出风与气压之间的适应过程与大气运动范围有关的结论。也就是说，叶笃正对传统观点和老师罗斯贝等人的观点均提出了质疑。
尊师自古以来一直被视为美德。叶笃正更是如此，每当提起他的老师竺可桢、赵九章、涂长望以及罗斯贝对他的教诲，叶笃正的崇敬之情溢于言表。尽管罗斯贝是享誉全球、德高望重的气象学和海洋学家，是在世界气象学界非常有影响的重量级人物，又是自己在芝加哥大学的博士导师，但是，在叶笃正看来，科学工作者的本能是尊重客观存在、尊重事实，叶笃正认为，老师是人不是神，老师的论点也是在一定条件下形成的，必然会有一定的局限性。如果和实践有违，也是应该质疑的。因此，在科学问题上，不能完全依赖老师、迷信传统，对待权威的态度应当是既尊重又勇于挑战，敢于质疑，不能心生恐惧。因此，叶笃正大胆地对罗斯贝等人的理论提出了质疑，确切地说，是对罗斯贝理论的适用范围提出质疑。
早在春秋战国时期，荀子就说过：“积土成山，风雨兴焉。”打开思想的桎梏，叶笃正从实践入手，经过潜心研究、反复求证，证实了罗斯贝等人的论说在范围几百千米左右的小尺度的环流系统生成发展中是成立的，而在范围波及数千千米的大尺度的环流系统生成发展中则是难以立论的。
因此，他于1957年在日本《气象集志》上发表了《大气中准地转运动的形成》。文章指出，风和气压的适应，决定于运动的空间范围。在范围小的运动中，气压向风的分布适应，风占主导地位，符合罗斯贝的观点；在范围大的运动中，风向气压分布适应，气压占主导地位，仍符合传统的观点。
有人说叶笃正推翻了权威的理论，叶笃正本人并不这样看。他说：“有人说我敢于推翻权威的结论，这推翻两个字是不够准确的。只能说是敢于质疑老师的主张吧！实质上我只是对老师论点的补充。”
叶笃正能够打破思想上的局限，敢于质疑权威论断，尊重现实，也可以说是他在气象学研究方面有所建树，并获得成功的原因之一。他不仅自己身体力行，还经常支持和鼓励青年科学家对传统结论进行挑战，以创造出新的理论和科研成果。他说：“我的论点也会有一定的局限，深信未来的学者一定会有更新的论断。”
叶笃正认为，尊师并不等于盲目崇拜。没有对前人、对权威、对老师的论断的补充与完善，就难以有发明、发现，社会与科学就不能快速发展。青出于蓝而胜于蓝。权威是人不是神，迷信权威，盲从权威，墨守成规，不是科学家应有的态度，不是对科学负责任的态度，不能带来科学的发展。要敢于质疑权威的科学论断，敢于打破权威的科学思想中不正确的东西，这才是真正的科学态度，才能对权威所创造的科学结论加以发展，才是对权威的真正尊重。叶笃正关于权威的这一辩证的态度，贯穿于他的整个科学生涯中。
把大气作为运动流体，基于流体力学理论，科学家用数值计算或转盘试验的方法对大气环流进行了理论模拟，再现了大气环流形式。也有科学家用流体力学和热力学方程组，通过数值计算模拟大气环流及其演变。
一般认为，大气运动发生在整个地球上。要想了解大气的情况和规律，可以依靠观测、计算、推演，却不能像物理学和化学那样通过做实验去研究、模拟、证明。也就是说，大气过程是难以在实验室中再现的。
尽管如此，作为研究大气运动的手段之一，早在19世纪中期，韦亭就在实验室中进行了大气环流的模拟实验。他的装置是一个直径为30厘米，深为5厘米的旋转圆筒，筒内装着空气。在实验时，把冰放在中心，代表寒冷的极地。实验所形成的空气运动的主要特征和哈得利想象的大气环流相似。但是，后来没有人继续进行韦亭的工作。
第二次世界大战后不久，芝加哥大学流体实验室进行的一系列大气环流模拟实验，开辟了大气模拟试验的新时代。富尔茨等人用转动的圆盘做试验装置，盘内用水做试验流体，转盘中心放置圆筒容器作冷源之用。内筒温度低，代表极地，外筒温度高，代表热带，在圆盘边缘加热作为热源，再用水与甘油的混合液代替大气进行实验。这种模拟实验再现了不少大气中的现象。试验结果不仅出现了纬圈对称的环流型（称为“哈得利式环流型”），还出现了纬圈不对称的环流型（称为“罗斯贝式环流型”）。而且同高层的波动位置相配合，还有锋面和移动气旋的产生。
与此同时，海德于1953年在英国剑桥大学也进行了模拟试验，他使用的是一个深的环形容器装置。海德的一个重要发现就是流型中有一连串的相同波出现，它们绕轴以匀速度运行而不改变形状，从而以试验肯定了罗斯贝的大气长波概念。海德的另一重大发现是一种他称之为振动的现象。波在运动中以一种有规律的周期形式改变它们的形状和运行速度，在完成震动循环之后又回复到它们原来的形态。这又从实验中证明了大气环流中的西风指数的循环。
1972年，在中美两国关系解冻，并建立外交关系后，周总理首次接见了美籍华人学者访华代表团。其中美国华盛顿天主教大学流体力学教授张捷迁向周总理提出，愿意短期来华工作。总理同意并批示中国科学院，要做好中美学者学术交流与协作。叶笃正接受任务后，首先想到了建造大气环流物理模拟实验室，认为这是双方都感兴趣，而且是我们非常需要的课题。他认为，对于研究大气运动规律的重要手段的模拟实验，研究者应当且必须予以重视。
叶笃正认为，除了理论分析和对观测事实的分析，也可以用流体实验方法模拟研究大气环流的动力学问题，因为描述大气和流体运动的数学方程组是相同的。实验方法的优越性是，可随意改变控制参数，多次重复实验，而在大气自然条件下只能被动地接受自然界给定的条件。
叶笃正、张捷迁与大气物理研究所的科研人员一起进行了大气环流模拟实验。从实验室的设计、工程施工到仪器研制，叶笃正都亲自指导。经过一年多辛勤工作，建成了中国科学院大气物理研究所大气环流物理模拟实验室，并进行了大气环流物理模拟实验。
传统的模拟实验中，地形的影响往往用一圆柱表示。叶笃正认为，这样做过于简单。于是在进行模拟时，他们在转盘中设置了一个长轴为7厘米，短轴为4.8厘米，高度为3厘米的椭圆体，这正好相当于实际大气中青藏高原的情况。
叶笃正和合作者们通过一系列的模拟实验模拟了青藏高原对大气环流的影响，再现了许多大气中的现象。试验表明，夏季青藏高原是巨大的热源，它造成了高原上广泛的对流活动，这些对流活动破坏了高原南部的哈得利环流，维持了高原上的大尺度环流，补充了高原上空因大型交换而消耗的热量和因摩擦而消耗的热量，以及因摩擦而消耗的动能。
在进行热源影响的研究时，他们不仅在相当于青藏高原的位置设置热源。而且还分别在相当于北非和伊朗高原的地方设置热源。这样设置地形和热源，在过去的模拟实验中是没有的。当叶笃正在英国报告模拟实验的结果时，在这一领域名声显赫的海德和其他英国朋友无不对中国科学家的成就表示惊讶。
1974年，叶笃正和张捷迁在《中国科学》上联名发表了《青藏高原加热作用对夏季东亚大气环流影响的初步模实验》的论文。以后，他又与其他科学家合作在《中国科学》等权威的学术杂志上发表了一系列论文。
通过实验，叶笃正等人发现，当高原加热到一定程度后，就会出现温度脉冲现象。而且，随着加热增强使脉冲幅度加大，次数也增多。他们认为，这说明了高原上有对流活动。这种对流与高原上空的高压的形成有一定关系。在强大的青藏高压覆盖之下，高原上的对流活动旺盛，自然阵雨、雷雨就会特别多，这也是人们所熟知的常识。
他们认为，夏季青藏高原是个热源，它的热量必然要通过适当的方式输送到大气中去，尤其是要输送到高原高空的大气以维持那里的高温。实验证明，对流云是向上输送热量的有效方式。在热带海洋上，形如巨塔的温度高于四周温度的深厚的对流云被称为“热塔”，它是输送热量的重要载体。叶笃正和张捷迁认为，高原上对流云的作用与海洋上的“热塔”相似。在叶笃正等人1977年发表于《中国科学》的论文中，专门报告了关于高原上对流活动的模拟结果。
他们认为，青藏高原上空西风带的北移、高原南面东风带的建立、高原上空高气压和高原地面热低气压的建立、季风经圈环流的形成、印度西南季风的形成、高原东侧切变线的东移以及高原上的强对流活动，这些现象都是高原对大气的加热造成的。高原上的强对流活动把热量输送到高空，使高空高气压得以维持。青藏高原低空为低气压，高空为高气压，这种结构与海上的副热带高压完全不同（后者高低空部是高气压）。
叶笃正等认为，青藏高原犹如耸立于大气中的巨大热岛，正是它的加热作用使之形成低空低气压、高空高气压的结构。因此，其上空的巨大高气压应当称为青藏高压，以免与一般的海上的副热带高压混同。
叶笃正等还模拟了青藏高压的移动。试验结果表明，西风带加强可以使高压南移和东伸，东风带加强可以使高压北移和西伸。高压的主要活动都伴随着大气环流的调整，这些结果得到了实际天气发展过程的印证。
叶笃正等还在模拟中发现了许多未被前人注意的现象，如大范围地形引起的大气环流振荡等。在台风模型试验中，不仅得到了较好的台风流场结构，还得到了台风移近地形对台风的影响。
叶笃正和魏鼎文院士还进行了热带风暴的模拟，得到了热带风暴中温度和气流的分布、风暴中心的眼区和风暴螺旋云带。模拟结果还指出，风暴中存在重力波。风暴上、下层气流，螺旋云带和波动的分布都是不对称的。他们还用巢纪平院士和叶笃正关于大气螺旋波动的理论结果解释了螺旋云带的形成。
这些研究成果中提到的大部分现象是人们在天气中已经观测到，并经天气气候学理论研究过的。但把它们在实验中再现出来是相当了不起的。更可贵的是，有些现象，比如高原对涡旋的移动和它的结构的影响，又如热带风暴中波动的垂直结构，由于观测条件的限制还难以应用资料或数值推算加以研究，而这种研究在模拟实验中则是可以实现的。
因此，模拟实验使人们能像做物理实验那样研究大气。这对大气运动规律的认识无疑是有巨大帮助的，对于天气预报员的工作也是大有益处的。
叶笃正以往关于大气环流的研究成果，大部分集中在天气学分析和动力学理论研究方面。他在涉足模拟实验领域以后所取得的成果，无疑是他的研究领域的又一次拓宽，是他不断开拓、不断进行创新性研究的重要体现。
众所周知，一切天气现象都是大气运动的结果。大气运动状态如何改变，是大气科学的基本理论问题之一。按照经典的说法，大气运动最根本的原因，是大气质量分布不均匀的结果。大气质量分布不均匀，造成了气压的梯度（即水平分布的差异），引起大气的运动。在静止的坐标系统中，空气质点沿着气压梯度力的方向运动，使高气压处的空气流向低气压处。
然而，大气是在旋转的地球上运动的，地球时刻不停地自西向东自转，因而空气在运动过程中要受到地转偏向力的影响而改变方向。
所谓地转偏向力，就是由于地球自转形成的力，是地球上存在着的一种惯性力。在这种力的作用下，地球上水平运动的物体，无论朝着任何方向运动，都要和直线方向发生偏离，在北半球右偏，在南半球左偏。在风速相同的情况下，它随纬度的增高而增大。赤道上地转偏向力等于零；而在两极，地转偏向力最大。这种现象就是地球自转的效应，也是地球自转的有力证据。
地转偏向力对作为气体和流体的气流、河流、洋流等水平运动方向影响很大，具有重要的地理意义。由于这种力是法国科学家科里奥利首先发现的，因此被称为“科里奥利力”，简称“科氏力”。
也就是说，在自转的地球上，空气在运动过程中要受到地转偏向力的影响而改变方向，在北半球，气流偏向右方。如果气压分布不变，向右偏转，直到空气的运动方向转到与等压线（气压相等的点的连线）平行为止。这时，地转偏向力与气压梯度力数量相等，方向相反。地转关系是大尺度大气运动（水平范围达到几千千米）的基本特征。在地转关系下，气流的速度与等压线的疏密成比例。在大尺度高空天气图上，这种大气流型随处可见，成为人们熟知的常识。
前面已经说过，大气环流中究竟是气压场为主导，还是风场为主导，是学术界长期争论的一个问题。传统的理论观点认为，风是气压分布不均匀的结果，因而在风和气压的关系方面，气压是主动的，处于主导地位；而风是被动的，处于从属地位。当气压由于某些原因发生变化之后，风要随之改变，以适应气压场，而调整为新的地转关系。
但是，上述地转风关系只给出了风和气压之间的平衡关系，并没有说明因果关系。按理，从地转风关系看，既然气压的改变可以引起风的变化，那风的分布也应该可以引起气压分布的变化，此时就是气压向风适应。因而，两者的关系应该是相互影响的。当然，对于某一具体问题来说，一个可以是主导的，另一个可以是从属的。然而，没有理由认为，在任何时候都是以气压为主导，风为从属。由此可见，一个人们熟知的地转风关系，其实蕴藏着深奥的理论问题，如不加以进行认真的理论分析，将会陷入“鸡生蛋，蛋生鸡”的怪圈。
1936年，著名的气象学和海洋学家罗斯贝首先提出了与这一经典说法相反的结论。他研究了大气和海洋中的运动，认为如果我们在某一垂直面上考虑一种质量分布，则总可以找到一种垂直于这个面的速度分布，使得由此产生的地转偏向力在任何地方皆与质量分布产生的气压梯度力相平衡。相反，也总可以找到这样一种在垂直面上的质量分布，使得由此产生的水平气压梯度力和任何一种与该面成法线方向的速度分布平衡。在另一方面，由于运动方向的侧向应力，必定要产生垂直于运动方向的有某些特性的速度廓线。由此罗斯贝得出结论，在大气或海洋中的一部分运动中，质量分布不是运动的原因，而是运动的结果。由此出发，罗斯贝分析了一个只有初始速度，而无压力梯度相平衡的带状气流的演变，最后的结果是流速变化不大而产生与地转偏向力相平衡的气压梯度。因此，罗斯贝认为，气压场和风场是相互调整适应的。在适应过程中，主要是气压场向风的分布适应，因而风场是主导的，气压场是从属的。
对于罗斯贝提出的问题，卡恩做了进一步的分析。他指出，气压向风的适应是通过重力波（指在重力作用下空气质点偏离平衡位置后引起的波动）的频散完成的。通过重力波，把有限空间内气压和风之间的不平衡的能量散布到整个空间。于是，单位空间中的不平衡能量变为零，不平衡现象消失，达到气压与风之间的适应。
1949年，奥布霍夫对风和气压的适应问题进行了更完整的分析。得出的结论是，没有气压支持的风的分布可以激发出气压分布与之相适应，而没有风支持的气压分布最后会均匀化。
然而，上述结论显然是不够全面的。因为大气力存在着各种热力因子，如辐射、海陆分布等等，它们对某种大气温度分布以及相应的大气质量的分布起着决定性的作用。当这些决定性的因子发生变化后，相应的大气质量分布随之将发生改变，这时速度场自然也要发生变化，以适应新的质量分布。
叶笃正针对奥布霍夫计算的例子，得出了一个大气适应过程后风的大小和初始风之比。得出的结论是，对于较小的范围，没有气压分布支持的不符合地转关系的风的分布可以维持，直至气压分布发生变化达到地转风关系的要求。反之，在大范围没有气压分布支持的不符合地转关系的风的分布是不能维持的。
叶笃正还给出了奥布霍夫计算的例子中适应之后的气压和初始气压分布之比，结果说明小范围的没有风的分布支持的气压分布是不能维持的。而大范围不能满足地转关系的气压分布可以维持，而风则发生相应的变化，最后变成与气压分布相适应的地转风。
事实上，奥布霍夫的例子属于小范围的情况。因此，他得出气压的分布向风的分布适应的结论是不奇怪的。而叶笃正所给出的公式中，大气运动的范围的大小是以罗斯贝变形半径为标准的。大于这个半径称大范围，小于这个半径则称小范围。
叶笃正和李麦村进一步对中小范围天气系统中风与气压的关系作了研究，认为这种天气系统中存在着一种比地转平衡更复杂的平衡关系。通过对地转适应物理过程的分析，得出了这样的结论：对不同空间尺度的运动都存在着特征尺度，当实际运动的空间尺度大于这个特征尺度时，风场向气压场适应，气压场起主导作用；而当运动的空间尺度小于特征尺度时，气压场向风场适应，风场起主导作用；对中小尺度的大气运动，同样存在适应问题。他们进一步得出结论，大范围运动变化的原因主要是热力的，而小范围运动变化的原因主要是动力的。这就是大气中的适应尺度理论。这个独创的理论完善了大气运动各分量的相互作用过程的物理解释，在天气预报业务上有重要的应用。
正如前面所说，在地球大气中，大气运动系统的水平尺度是不同的，既有大尺度系统，也有中尺度和小尺度系统。因此，分析各种尺度大气运动系统中空气受力的情况，必须抓住主要因子，综合比较分析，只有这样才能得到大气运动的主要特征。
叶笃正和李麦村在《大气运动中的适应问题》一书中讨论了大气运动变化的特征，说明运动通常经历两个阶段。一个是当风与气压场不平衡时出现的适应过程。这一过程所经历的时间相当短，一旦局部地区的重力惯性波能量频散到整个空间，这一过程即告完成。适应过程的变化极为迅速，称为“快过程”。适应过程之后，便是准地转的天气演变过程。这一过程以天气波动的形式发展，经历时间长，变化慢，称为“慢过程”。
在研究静力平衡适应时，叶笃正和李麦村指出，静力平衡适应以声波频散为其特征，适应速度特别快。当一局部地区出现大气运动的不平衡时，首先完成以声波频散为特征的静力平衡适应过程，然后才完成以重力惯性波频散为特征的地转适应过程。
1980年，叶笃正和李麦村在第二次全国数值天气预报会议上发表了《大气各类运动的多时间尺度特征》一文。同年，巢纪平和周晓平在《大气科学》上发表了关于大气运动多尺度特征的论文。1982年，叶笃正和李麦村又在日本《气象集志》上发表了《大气运动的尺度特征》一文，对大气运动中的多尺度问题作了深入的探讨。
叶笃正和李麦村在关于大气运动尺度特征的研究中，提出了许多全新的观点。所谓的尺度，指的就是研究对象的空间范围。他们从描述大气运动的方程组出发，从大气运动的不平衡状态开始，计算了不同尺度大气运动的演变。
他们对范围在100千米左右的中尺度运动和范围在10千米左右的小尺度运动做了计算。由此得出结论，在不同水平范围的大、中、小尺度大气运动中，都要经历三个阶段。
第一阶段为快速变化的适应阶段。在大尺度运动中，大气运动的范围在1000千米左右，开始速度变化非常大，这属于第一阶段，就是风向气压适应的阶段。在这一阶段里，天气状况的变化是十分明显的，因此就会出现如大风、降温、雷雨、冰雹等强对流的天气现象。此后是第二阶段，运动的速度变化缓慢，这是天气系统的发展阶段。最后是第三阶段，也就是天气系统处于稳定少变时期。这一阶段，天气状况是平稳的，不会出现明显的突变。
通过对大气运动三个阶段特点的分析，叶笃正和李麦村还给出了不同阶段大气运动所遵从的方程组。由此可见，叶笃正和李麦村关于大气运动尺度特征的研究，是他们过去关于适应问题研究的集大成者。他们把过去研究中认为大气运动经历适应过程和发展过程的观点加以深化，把发展过程又分为两个阶段。不仅如此，他们还把过去大尺度适应过程研究中由曾庆存和陈秋士提出的区别运动范围的罗斯贝变形半径加以推广，并且找出了中尺度的相应界限和小尺度的相应界限。这样，他们就把大、中、小尺度运动的特征统一到一个完整的理论体系中了。
其实，人们很早就发现，在中、高纬度地区，大尺度大气系统运动有着明显的特点，即在大多数场合下，气压场和风场处于地转平衡状态，风场接近于地转风。即使在纬度为10左右的低纬度地带，数天内的平均场明显地偏离于地转风，但却因地转偏向力和重力的经常和强大的作用。大气运动自身就包含有不断调整到准平衡状态的动力过程，结果使原来的地转偏差减弱，建立起了新的地转平衡。这就是所谓的地转适应过程。
研究地转适应过程，对于了解大气运动的基本规律是很重要的。因为通过这方面的研究，不仅可以深入了解适应过程本身及其规律性，同时也可以揭示一些大气系统随时间演变过程的某些方面。天气形势预报就是根据对天气系统（大尺度大气流场）的准地转演变过程的研究结果作出的。
大气运动的状态是不断变化的，不过在每一时刻都处于接近地转平衡的状态。所以说，大气常常处在地转平衡状态，但另一方面又不能完全是地转的，因为那样就没有天气的变化和发展了。它也时时存在着打破这种平衡的非地转偏差，也就是与地转平衡状态之间的偏差。
非地转偏差推动着大气运动的发展。当非地转偏差很大时，大气状态变化很快，大风、雷雨、冰雹等一系列激烈的天气变化就发生在那一刻。所以大气实际上处于一种动态平衡状态，就是准地转平衡不断被打破，随后新的准地转平衡又建立起来。然后这种平衡又被非地转偏差打破，又建立新的准地转平衡。如此，不断发生准地转平衡关系建立和破坏的过程，相应地，形成天气的快速和缓慢变化。这种地转的建立—破坏—再建立的过程，正是天气变化中极为重要的动力过程。对于这一过程的具体情况，叶笃正在《动力气象学》和《大气运动中的适应问题》中，都进行了详尽的论述和分析。
那么，大气中打破地转平衡的非地转偏差是怎么产生的呢？叶笃正和李麦村1964年在《中国科学》上发表的《重力波激发强非地转运动的过程》一文提出并回答了这一问题。他们在文中指出，正是重力惯性波的集中导致了强烈的非地转运动的出现。
在实际的大气中存在着各种波动。这些波动基本上可以分为两种：一种为波速较小的波动，成为慢波；另一种为波速较大的波动，成为快波，如声波和重力波等。我们知道，大气的大型准地转变化实际上是较缓慢的，其变化时间要以天为单位来度量，这主要是由慢波引起的。这是大型天气演变的一个特征。
但是，尺度与适应过程的关系只适用于有限尺度的情况，当扰动尺度趋向于无限时，这种关系就不再存在了。这是因为，在有限空间的某一区域，波动能量充满了整个空间，而无处频散。事实上，任何非地转扰动都不能严格地再恢复地转适应。这是因为这时的波动能量不再为零，故此地转平衡不能严格地恢复。同时单位体积中波动能量虽小，但通过某种作用，它有某种集中的可能，波动能量集中的地区就要出现大的非地转运动。
他们进一步得出结论说，如果出现较强大的非地转扰动，准地转运动将不能得到恢复。这种扰动在一个时段之后反而有增大的趋势。他们分析了扰动出现的时间，将其与重力惯性波的移动作了比较，证明这种扰动的增大是重力惯性波集中的结果。他们把这种集中解释为非地转偏差产生的原因。
非地转情况下的大型运动的初期演变则是非常快的，它的变化时间以小时为度量单位。这也就是大气中不容易发生大范围的非地转场，或者发生了非地转场，但因变化速度太快，人们也不易觉察的原因。
叶笃正关于大气中适应过程的研究，强调了他对大气中不同范围运动适应过程中风与气压关系的分析。这里虽然有范围大小之分，但都属于地转适应问题。其中的罗斯贝变形半径达到2000千米，所谓小范围也达到了500千米，总的来说，仍属于大尺度的问题。
当运动的尺度进一步缩小到100千米以下时，就属于中小尺度问题了。这时大气的适应过程有什么特点，这在过去是没有人研究过的。
1964年，叶笃正和李麦村在《气象学报》上发表了《中小尺度运动中风场和气压场的适应》一文，提出了这一新的研究方向。
他们从大气运动的方程出发，得出了类似地转关系的方程组。不过在这个方程组中，代替气压梯度力的是气压梯度力和风的水平分布不均匀性对运动的作用的惯性力之和。这个和是一种能量。
在大尺度运动中，平衡状态是地转风关系，风沿等压线吹。所谓等压线，就是把在一定时间内气压相等的地点在平面图上连结起来所成的封闭线，这可以显示空间气压的高低分布状况。具体来说，在气象学中，等压线是一个在图标、地图上压力相等或连续的等高线。将同一时刻各个气象台、站所观测到的海平面气压值填在一张海平面高度的地图上，然后用平滑的曲线把气压相等的点连结起来，就可用等压线的不同形式表示海平面的气压分布状况。这种地图画有同一高度的等压线，称为“等高面图”。图上等压线分布的不同形式，表示气压分布的不同特点。等压线平直还是弯曲，表示气压分布简单还是复杂；等压线的排列方向，表示气压分布的方向。等压线呈东西向，表示气压沿纬向分布；呈南北向，表示气压沿经向分布；等压线闭合，表示气压分布出现高、低压中心；等压线疏密，表示水平方向上气压差异的程度。利用等高面图，就可分析同一水平面上气压分布的状况，可以判别气压高、低的所在位置，并可进行比较，找出差异，为研究大气的运动打下基础。
另外，叶笃正和李麦村提出，在中小尺度运动中，平衡状态是风与能量之间的平衡关系，风则沿等能量线吹。这是一个全新的概念。在大尺度天气分析中，风与气压之间的地转平衡关系，是天气图分析的基本原则。在中小尺度运动中，地转关系不存在，风的分析存在很大困难。因此，叶笃正和李麦村建议，在中小尺度分析中可用等能量线代替等压线，让绘制的风向相同的点连线，即流线与等能量线平行。
叶笃正和李麦村计算了中小尺度大气运动的适应过程。结果说明，如果初始时刻存在风与能量之间的不平衡扰动，则运动在短时间内发生急剧的变化，扰动的不平衡的能量频散到整个空间中，大气运动达到风与能量之间的准平衡状态。这一结论在气象学上得到了广泛的应用。