大气所主要研究大气中各种运动和物理化学过程的基本规律及其与周围环境的相互作用，特别是研究在青藏高原、热带太平洋和我国复杂陆面作用下东亚天气气候和环境的变化机理、预测理论及其探测方法，以建立“东亚气候系统”和“季风环境系统”理论体系及遥感观测体系，发展新的探测和试验手段，为天气、气候和环境的监测、预测和控制提供理论和方法。
大气所现设有2个国家重点实验室，3个中国科学院重点实验室，4个所级实验室和研究中心。国家重点实验室包括：大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室、大气边界层物理与大气化学国家重点实验室；院重点实验室包括：中国科学院东亚区域气候—环境重点实验室（全球变化东亚区域研究中心）、中国科学院中层大气和全球环境探测重点实验室、中国科学院云降水物理与强风暴重点实验室；所级实验室和研究中心包括：国际气候与环境科学中心、竺可桢—南森国际研究中心、季风系统研究中心、中国生态系统研究网络大气分中心。另外还设有所公共技术服务中心和低层大气探测部。在河北香河、兴隆、安徽淮南、吉林通榆设有野外综合观测站。中国科学院气候变化研究中心和中国科学院减灾中心挂靠在大气所。目前，大气所拥有SGI F4000超级计算机集群服务器系统、一座用于研究城市大气污染和大气边界层物理的高325米的气象观测铁塔以及边界层遥感探测系统和中层大气探测系统等设备。
中国气象科学研究院隶属于中国气象局，其前身为1956年8月成立的中央气象科学研究所，1978年更名为中央气象局气象科学研究院，1991年更为现名。中国气象科学研究院是我国大气科学领域学科种类最多、规模最大的科研机构，是以研究雷电防护与大气探测、人工影响天气、灾害天气、气候与气候系统、生态环境与农业气象、数值模式以及大气成分等为主攻方向的我国大气科学综合研究基地，是我国大气科学研究，特别是应用基础研究和技术开发的中坚和高层次人才的培养基地。
2000年被国家科技部遴选为国家公益类科研院所科技体制改革试点单位，2001年起进入科技部支持的国家公益类研究院。科技部下达改革后的人员编制为250人。2004年10月14日通过国家科技部、财政部和中编委联合组织的科技体制改革工作联合评估验收，并对我院的深化改革给予了高度评价，认为“气象科研院所科技体制改革取得明显成效。改革后，科技人员任务饱满，国内外学术交流活动活跃，科研能力大幅度提高，使创新能力明显增强。人才整体结构得到明显的优化，形成了一支以中青年科技人员为主体，学历和年龄结构明显改善的朝气蓬勃的科研队伍，学科带头人的数量不断增加。气象科研与业务结合更加紧密，气象科技对业务发展的支撑能力和服务能力持续提高”。现设有5个职能处，7个研究所（中心）、1个国家重点开放实验室（灾害天气国家重点实验室）和2个中国气象局部门级重点开放实验室（云雾物理实验室、大气化学实验室），另有研究生部和大气科学信息部等两个科研支撑机构。中国气象局大气成分观测与服务中心以及中国气象局数值预报创新基地也设在我院。我院还设有遥感与气候信息开放研究实验室、雷电物理与防护工程实验室、风能太阳能资源实验室以及和中国科学院青藏高原所、中国科学院寒旱所联合共建的冰冻圈与环境联合重点实验室。
现有一支老中青相结合、以青年人为主体、结合中国气象现代化建设在国际大气科学前沿领域中进行研究的实力较为雄厚的科研队伍。现有中国科学院院士1名，中国工程院院士1名；正研级科研人员50名，副研级科研人员107名。有博士和硕士学位的人员分别为76人和72人，分别占基地岗位人数的45.2%和42.9%；45岁以下研究员占研究员总人数的71.4%。全院有52名科研人员享受政府特殊津贴，并拥有荣获国家杰出青年基金、国家百千万人才工程、中国气象局特聘专家等青年科技人才。
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