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1、大气科学概论,第一章 引论 第一节 大气科学的研究对象、任务和简史 一、大气科学的研究对象和任务 由于地球的引力作用，地球周围聚集着一个气体圈层，构成了所谓大气圈。 大气的分布是如此之广，以致地球表面没有任何地点不在大气的笼罩之下；它又是如此之厚，以致地球表面没有任何山峰能穿过大气层，而且就以地球最高峰珠穆朗玛峰的高度来和大气层的厚度相比，也只能算是“沧海之一粟”。我们人类就生活在大气圈底部的“下垫面”上。大气圈是人类地理环境的重要组成部分。,地球是太阳系的一个行星，强大的太阳辐射是地球上最重要的能源。这个能源首先经过大气圈而后到达下垫面，大气中所发生的一切物理（化学）现象和过程，除决定于大气
2、本身的性质外，都直接或间接与太阳辐射和下垫面有关。这些现象和过程对人类的生活和生产活动关系至为密切。大气科学的领域很广，其基本内容是：（1）把大气当作研究的物质客体来探讨其特性和状态，如大气的组成、范围、结构、温度、湿度、压强和密度等等；（2）研究导致大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化；（3）研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求控制其发生、发展和变化的规律；（4）探讨如何应用这些规律，通过一定的措施，为预测和改善大气环境服务（如人工影响天气、人工降水、消雾、防雹等），使之能更适合于人类的生活和生产的需要。,大气科学的发展简史 大气科学是来源于生产实践，又服务于生产实践，并随着社
3、会生产的发展，运用愈来愈进步的方法和技术而逐步提高的。综观三千多年来大气科学发展的历史，源远流长。可以概括为以下三个时期： （一）萌芽时期 萌芽时期主要指16世纪中叶以前这一漫长时期，这时期的特点是由于人类生活和生产的需要，进行一些零星的、局部的气象观测，积累了一些感性认识和经验，对某些天气现象做出一定的解释。 我国在这一时期，在此领域中有不少成就，而且是居于世界领先行列的。远在三千年前，殷代甲骨文中已有关于风、云、雨、雪、虹、霞、龙卷、雷暴等文字记载，还常卜问未来十天的天气（称为“卜旬”），并将实况记录下来以资验证。春秋战国时代已能根据风、云、物候的观测记录，确定廿四节气，对指导黄河流域的农
4、业生产季节意义很大，并沿用到现代。秦汉时代还出现了吕氏春秋、淮南子和礼记等内容涉及物候的书籍，这些都是世界上最早关于物候的文献。,在国外，气象学的萌芽也很早，公元前4世纪希腊大哲学家亚里斯多德（Aristotle）所著气象学（Meteorologis）一书（约在公元前350年）综合论述水、空气和地震等问题对大气现象也作了适当的解释。现在气象学的外文名字就是从亚里斯多德的原书名演变而来的。“气候”一词也原出于希腊文K，表示倾斜的意思。古希腊人认为，地球上由于受到太阳光线倾斜角度的不同，才产生气候的差异，并已建立了关于热带、温带和寒带的概念。这种气候形成的概念流传很久，直到15世纪中期地理大探险时
5、期，人们才认识到气候的形成不仅受太阳光线倾斜角度的影响，还与大气环流、海陆分布形势等有关,发展初期 发展初期包括16世纪中叶到19世纪末。这时由于欧洲工业的发展，推动了科学技术的发展，物理学、化学和流体力学等随着当时工业革命的要求，也快速发展起来。又由于航海技术的进步，远距离商业与探险队的活动，扩大了人们的视野，地理学乃蓬勃兴起，这就为介于物理学与地理学之间的边缘科学大气科学的发展奠定了基础。再加上这一段时间内气象观测仪器纷纷发明，地面气象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网，并因无线电技术的发明，能够开始绘制地面天气图。由于具备了这些条件，大气科学乃与天文学逐渐分离，成为独立的学科。,1
6、593年意大利学者伽利略（Galileo）发明温度表，1643年意大利学者托里拆利（Torricelli）发明气压表。这两种重要仪器的出现，使气象观测大大向前跃进一步。特别是气压与天气变化的关系最直接，气压表当时曾被誉为天气的“眼睛”。1783年索修尔（Saussure）发明毛发湿度表，有了这些仪器就为建立气象台站提供了必要的条件。1653年在意大利北部首先建立气象台，此后其它国家亦相继建立地面气象观测站，开始积累气象资料。但这时只有一些分散性的研究，缺少国际合作与交流。,1854年，美法与帝俄在克里木半岛发生战争。英法联军舰队在黑海途中因风暴失事，近于全军覆没。这件事引起有关国家的重视。事后
7、根据有关台站气象观测记录，发现此次风暴是由西欧移向东欧的。因此当时人们认为，如能广泛建立气象台站网，并通过电讯联系，则可预测未来的天气变化，并可采取相应的预防措施，以减少灾害性天气对各方面所造成的损失。这种认识为气象界的国际合作打开了局面，并促进了天气分析工作的开展。,随着无线电报的发明和应用，使气象观测的结果能很快地传达到各地，为绘制天气图创造了条件。在18601865年间各国纷纷绘出了天气图。有了天气图这个工具，使气象学的发展大大向前跨进了一步。 这一时期大气科学的主要研究成果有：关于海平面上风压关系定律、气旋模式和结构、大气中光电现象和云雨形成的初步解释、大气环流的若干现象解释等。从19
8、世纪开始，陆续出版了一些比较有质量的气候图，如世界年平均气温分布图、世界月平均气压分布图、世界年降水量分布图等。此外，德国学者汉恩（Hann）于1883年开始陆续出版了气候学手册三大卷，这是气候学上最早的巨著。,发展时期 从20世纪以来是大气科学的发展时期。这一时期总的特点是：随着生产发展的需要和技术的进步，不但进行地面气象观测，也进行高空直接观测，从而摆脱了定性描述阶段，进入到定量试验阶段，从认识自然，逐步向预测自然，控制和改造自然的方向发展。这一时期又可分为早期和近期两个阶段。,1.早期 在20世纪的前50年。这时气象观测开始向高空发展，以风筝、带人气球及火箭等为高空观测工具，其所到达的高
9、度当然是有限的，但已为高空气象学的发展奠定了基础。在此期间气象学的发展中有三大重要进展。 （1）锋面学说：在第一次世界大战期间，由于相邻国家气象资料无法获得，挪威建立了比较稠密的气象网。挪威学者贝坚克尼父子（V.Bjerknes和J.Bjerknes）等应用物理学和流体力学的理论，通过长期的天气分析实践，创立了气旋形成的锋面学说，从而为进行12天的天气预报奠定了物理基础。,（2）长波理论：本世纪3040年代，由于要求能早期预报出灾害性天气，再加上有了无线电探空和高空测风的普遍发展，能够分析出较好的高空天气图。瑞典学者罗斯贝（Rossby）等研究大气环流，提出了长波理论。它既为进行24天的天气预
10、报奠定了理论基础，同时也使气象学由两度空间真正发展为三度空间的科学。 （3）降雨学说：在本世纪30年代，贝吉龙-芬德生（Bergeron-Findeison）从研究雨的形成中，发现云中有冰晶与过冷却水滴共存最有利于降雨的形成，从而提出了降雨学说。1947年又发现干冰和碘化银落入过冷却水滴中可以产生大量冰晶，这就为人工影响冷云降水提供了途径。进一步研究还发现在热带暖云中由于大、小水滴碰并也可导致降雨，这又为人工影响暖云降水奠定了理论基础。由此人类开始从认识自然进入人工影响局部天气时代。,（4）在气候学方面也有长足的进展，突出表现在：创立了气候型的概念和几种气候分类法，如柯本（W.Koppen）、
11、桑氏威特（C.W.Thornthwaite）、阿里索夫（.）等各具特色的气候分类法。19301940年间柯本和盖格尔（R.Qeiger）出版了五卷气候学手册，着重从动力学方面研究气候的形成和变化，发展了动力气候学。此外对贴近地面层的小气候研究也逐步精确化和定量化。,2.近期 本世纪50年代以后为近期。由于电子计算机和新技术如雷达、激光、遥感及人造卫星等的使用，大大地促进了大气科学的发展。其主要表现如下： （1）开展大规模的观测试验 在50年代以后又进行过多次至少有几十个国家参加的大规模大气观测试验，而且规模一次比一次大。例如1977年12月1979年11月进行的一次大规模大气观测试验，有一百多
12、个国家参加，其中也有我国参加。这次全球大气试验是以5个同步卫星和2个近极地轨道卫星为骨干，配合气象火箭，并与世界各地常规的地面气象观测站、自动气象站、飞机、船舶、浮标站和定高气球等相结合，组成几个全球性的较完整的立体观测系统。这一全球性观测计划是试图解决1014天之间的天气预报，进一步了解天气现象形成的物理过程和物理原因。,（2）对大气物理现象进行数值模拟试验 大气科学不像物理、化学那样可以在室内进行实验，而是以地球的大气层作为实验室。有了电子计算机才可能广泛地对各种大气物理现象进行精确的、定量的数值模拟试验，如从全球性环流到云内雨滴的生成过程都进行试验，并把云雾中的微观过程和动力的宏观过程结
13、合起来，使气象学进入试验科学阶段。,（3）把大气作为一个整体进行研究 把对流层与平流层中、高纬地区与低纬地区，南半球与北半球结合起来研究，这在大气科学的发展上又是一大跃进。 人类对大气中的化学现象与化学过程也进行了多年的观测、分析和研究，并已形成了气象学中一个新支派大气化学。特别是近年来对大气污染的监测，探讨环境保护的措施，更促进了大气化学的进展。,（4）气候学领域中的科学革命 自本世纪70年代以来，气候异常现象频繁出现，已引起各国广泛的重视。再加上现代科学技术的迅速发展，气候学发生了重大变革，或者说是一场科学革命。如国际上召开的一系列气候学术会议所示，1972年在瑞典斯德哥尔摩召开联合国环境
14、大会，在会上强调了地球气候对于人类及其福利有极重要的影响。1974年召开联合国粮食大会，探讨了气候对世界粮食生产的重要作用，呼吁世界气象组织和联合国粮农组织建立气候警报系统。1974年世界气象组织与世界科学联盟在瑞典斯德哥尔摩召开气候的物理基础及其模拟的国际讨论会，着重研究了气候形成的物理机制和气候与人类的关系，并提出了气候系统（Climate system）的概念和世界气候计划（WCP）。,1979年在日内瓦召开了第一次世界气候大会（FWCC），批准了这一计划（这一计划包含四个子计划），并确认气候系统的研究是实施气候研究计划（WCRP）的重要理论基础。建立了WCP以后，又在各大洲相继召开了地
15、区性的气候大会，进一步推动这个计划的实施。亚洲及西太平洋气候会议于1980年在我国广州召开。现在世界上已有数十个国家制订了国家气候计划（NCP），开展气候研究。国际上成立了政府间气候变化专业委员会（IPCC）。在1990年秋于日内瓦召开了第二次世界气候大会。,。1992年4月在巴西里约热内卢召开了“世界环境与发展大会”，提出了世界气候框架公约。由于气候变化问题与国家建设密切相关，气候变化与政策的关联愈益紧密，政府组织逐渐代替纯科学家的组织，在领导与推动气候研究中发挥更大的作用。,另外，还加强了气候学各分支之间的联系，组织进行大规模的综合研究。最突出的实例是人类活动与气候相互影响的研究。人类大量
16、砍伐森林，燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气等），兴建城市等等，改变了下垫面的性质和大气成分，将会使气候发生深刻的变化，并影响许多自然过程和国民经济部门，如农业、渔业、水利工程、建筑工程和海洋运输等等。其研究范围愈来愈扩大，不仅涉及气候学的各个部门，并且和有关经济学科有密切联系。例如人类活动对气候的影响在城市中的表现最为突出，城市气候的形成、变化和改善等问题的研究都与城市规划、城市经济建设等问题密切相关。,解放后，我国气象事业得到迅速发展。在第一个五年计划期间，全国共建立了各级气象台站1378个，到1957年底全国各级气象台站已达1635个，比解放初期增加近22倍。40余年来兴建的天气和气候站网已遍布全国。我国的大气科学研究进入了高度发展的时期。在基础理论方面，如大气环流和动力气象的研究，在天气学方面如中国天气、高原气象等研究，在卫星气象方面，如甚高分辨云图接受器的研制、卫星气象学和探测原理等研究都取得了显著的进展。,在人工影响天气方面已开展了云雾物理、人工降水和人工消雹等工作，并已取得较好的效果。在气候学方面以竺可桢的物候学和关于中国近五千年来气候变迁的研究最负盛誉。其它如在区域气候、农业气候、物理气候、动力气候、应用气候、城市气候、气候的数值模拟和气候预测等方面都取得了可喜的成绩。,
