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1、大气科学简史 大气科学的发展史是人类摸索大气的奥秘，逐渐结识大气及其演变规律,预测其变化趋势,从而趋利避害为人类的生产和生活服务的历史。它的发展同人类社会生产力的发展、科学技术的进步和人类日益增长的需要是分不开的。纵观大气科学的发展历史，大体上可分为四个发展时期：气象经验、知识的积累时期;大气科学开始建立的时期；大气科学重要分支的形成时期;大气科学迅速发展的时期。古代气象知识的积累时期（自人类文明开始至16世纪)自人类文明史开始至十六世纪的五、六千年,为古代气象知识的积累时期。其源流重要有两个:一种在亚洲,以中国和印度为主；一种在地中海东部，欧亚非三洲的交汇地带，即埃及文化、巴比伦文化和希腊文
2、化的发祥地。中国有关气象知识的记载，可追溯到公元前14世纪的殷代,如在甲骨卜辞中就发现了殷代文丁六年(公元前1)三月中旬持续1天的气象记录。其后,诸如天气现象和气候状况、天气谚语和天气经验、多种天气现象成因的摸索、有关二十四节气和七十二候的论说,以及观测仪器的设计等在中国的史料中也均有极丰富的记载。它们反映了中国的先民们在气象经验知识的积累时期的卓越奉献。从考古发掘出的巴比伦昌盛时期(公元前3000前3)的粘土片上发既有许多天气谚语。这些谚语用现代语言表述，有“月有黑晕,本月阴雨”“云变黑,有风来”等。此外,尚有有关八个方位风的记载。在古希腊,阿那克西曼德在一篇有关自然哲学的文章中,提出风是“
3、空气的流动”,并觉得构成世界的基本元素是空气。巴门尼德约在公元前5，根据所接受的太阳热量的多少,把气候分为无冬区、中间区和无夏区,这是迄今所见记载最早的气候分类。阿那克萨哥拉观测并解释了夏天产生冰雹的因素,她觉得，夏天被晒热的地面可以使具有水汽的云上升到能冻结的高度,形成雹，然后降到地面。她还观测到了空气温度是随高度的增长而下降的现象,觉得这是由于被地表反射的阳光强度随高度的增长而减少的缘故。在尚无温度和辐射观测仪器的古代,能推论出温度随高度的变化的规律,是很可贵的。德谟克利特在研究了尼罗河的年际泛滥之后指出，地中海季风是导致河水泛滥的因素。她觉得在夏至时北方的冰雪融化，其水汽形成云,受地中海
4、季风作用向南飘到埃及，因而引起风暴。她还研究了雷和闪电,觉得雷和闪电是同步发生的，只是由于看到的比听到的快,人们才觉得它们是分开的。希波克拉底则在论至气、水和环境中探讨了不同 气候对人体健康的影响,并研究了某些特定风向和疾病流行的关系。欧多克索斯编著了论文恶劣天气之预测,具体讨论了恶劣天气的预测问题和有关天气现象发生的周期性问题。古希腊学者亚里士多德将她此前的多种气象知识作了系统的综合,大概在公元前30年写了气象汇论一书。这是世界上最早的气象学专著。气象汇论共四卷42集 。第一卷论述气象学在自然科学中的地位及其研究对象和范畴,云、雨、雹和霾的形成,高层大气的现象，以及气候变化等；第二卷谈到风的
5、成因、分布、多种风的名称和特点，以及雷电现象等;第三卷中论及飓风、焚风以及晕和虹等大气光象 ，第四卷重要是有关化学的内容。公元前,亚里士多德的学生提奥弗拉斯图斯 写了天气迹兆一书，书中收集了大量的天气谚语,如“冬季雨多、春季干旱,冬季干旱、春季湿润”“牛舔前蹄狗打滚，将有暴风雨来临”，“月亮清亮、本月微风,月壳暗淡、潮湿多雨”“日出红天必有雨”等，它是欧洲留存最早的一本天气谚语专辑。约在公元二世纪,古希腊天文学家托勒密根据新月、满月和弦月前后三天的月面清淡、红淡、暗淡等现象来预报天气。她还将气候从赤道到北极划分为二十四个气候带。阿拉伯学者海桑的重要著作光象理论，给出了曙暮光的对的定义，证明了太
6、阳在地平线到地平线下19之间时可见曙暮光，并运用这个成果和几何学的证明,得出大气的最大高度约95公里的结论。英国的圣比德，被称为英国气象学的奠基人,她在公元7著的自然本质一书，描述了大气、风、雷、闪电、云和雪等。她觉得风是“扰动的空气如扇子导致的空气运动”“空气中孕育的风使云碰撞产生雷”。英国教士阿德拉德则觉得雷是云中的冰碰撞破碎形成的，英国学者培根在大气现象一书中强调了科学实验和观测的重要性。从人类文明开始到16世纪，人类对于大气科学的知识正逐渐由少到多,由浅入深地积累起来。但为当时生产力和科学水平所限,知识还是零散的、片面的，有许多仅是推测性的,尚未被观测事实所证明，有的甚至是错误的,因此
7、还不能形成系统的大气科学。大气科学的建立时期（十七世纪至十九世纪初）78世纪可以称为是科学革命的时代。随着4世纪的文艺复兴、资本主义生产方式的浮现,以及航海事业的兴起，天文学和物理学浮现了重大的突破。测量仪器的陆续发明，观测和实验的大量开展,以及在观测和实验的基本上进行 的理论研究，是大气科学进入这一时期的重要标志。 157年,意大利的物理学家和天文学家伽利略发明了空气温度表；143年意大利物理学家托里拆利发明了气压表;62年,英国的 雷恩发明了虹吸式自记雨量计;6年英国物理学家和数学家胡克发明了压板式风速器，后来又发明了自记仪器上的自记钟；1年德国朗伯设计了羊肠线湿度表；783年瑞士索絮尔发
8、明了毛发湿度计。这些仪器以及其她观测仪器的陆续发明和不断改善,使气压、气温、大气湿度、风速等实现了定量观测，为大气科学的建立奠定了物质基本。上述种种气象仪器,开始都是由物理学家研究物理问题而发明研制的，但不久就被用到气象观测上。目前保存下来的世界上最早用仪器观测的气象记录，是法国巴黎、克莱蒙费朗和瑞典斯德哥尔摩等地169651年间的记录。世界上第一种气象观测站是由意大利的斐迪南二世于153年,在乎大利北部的佛罗伦萨建立的。同年,在她的领导下,又建立了一种涉及十个测站的欧洲气象观测网，观测工作始终持续到167年。此后，德国医生卡诺尔德于1组织了国际性气象观测网，观测工作持续了。法国气象学家和医学
9、家科特在176年领导巴黎的法国医学会时，曾争取欧洲和北美的气象观测站进行合伙,当年参与合伙的有31个站,到786年更增至6个。此外,德国气象学家哈默尔在18世纪80年代组建了由欧洲、北美洲和西伯利亚共20个国家的个气象观测站构成的观测网。这个观测网的每个观测站都用统一的仪器、规范、观测时次和记录格式进行观测和记录,并将所得资料集中整顿，刊载于德国巴拉丁气象学会杂志中。气象观测站网的建立和逐渐扩大，观测项目、观测时间和记录格式的逐渐趋于统一，对于大气科学研究的进展具有非常重要的意义。18世纪中叶,人们开始进行高空探测的尝试。14年英国的威尔逊等人开始用风等携带温度表观测低空温度;1752年美国科
10、学家富兰克林运用风筝等研究雷暴云中电的性质；1783年法国的查理第一次用氢气球携带温度、气压等自记气象仪器测量各个高度的温度和气压等。这些较早进行的高空探测,为后来研究大气的三维构造开辟了道路。气象要素的定量测量，特别是气压表的发明,使人们不仅获得了气压的概念，并且可以定量测出不易为人感知的大气压强，从而使研究气体状态方程、流体静力学方程和一切大气运动方程成为也许。而观测站的建立，观测资料的积累,又使人们可以用图表等形式分析气象要素的空间分布和时间变化，为进一步研究大气环流和天气气候的变化提供了条件。英国气象学家肖曾指出“气压表 的发明标志着大气物理学研究的开始。”17世纪帆船航海以风为动力。
11、随着航海事业的发展和气象观测仪器的应用，导致了对信风和全球大气环流的研究。18年英国天文学家哈雷一方面发现信风,并在哲学会刊中刊登她的信风理论，她觉得信风同太阳供应赤道较多的热有关。168年，她又一方面根据海上风的资料绘制了北纬30南纬30的信风和季风分布图，觉得信风和季风的形成同地表太阳热的分布有关。另一位英国天文学家哈得来在135年刊登的有关信风之起因一文中，第一次对大气环流考虑地球自转的因素,她对的地解释了北半球的东北信风和西半球的东南信风,修正了哈雷的理论,并初次创立了经圈环流的理论。她觉得赤道地区比极地较多地接受来自太阳的辐射热，因而低纬度地区的空气产生上升运动，较高纬度地区的空气则
12、产生下沉运动，高空空气由赤道向极地流动，低层空气由极地流回赤道。低层流向赤道的气流由于地球自转的影响而偏折(北半球向右偏,南半球向左偏),遂形成北半球的东北信风和南半球的东南信风；高空由赤道向极地的气流也受到偏折，形成高空的西风带，由于下沉作用又形成地面西风带。她的这种环流理论虽较粗略，但却成为后来大气环流研究的基本之一。至今人们还把地球上赤道附近的经圈环流称为哈得来环流。17世纪世纪初,流体的概念及牛顿的力学三大定律和微积分学，为动力气象学提供了理论基本。1743年法国数学家达朗贝尔把数学措施引入了气象学的研究中，这对用数学方程式来表达大气运动具有启发作用 ;752年瑞士数学家和物理学家欧拉
13、提出反映质量守恒的持续方程,755年又提出抱负流体动力学方程组,初步形成了流体力学方程组的基本。后来大气静力学方程、科里奥利力和热力学第一定律的发现 ,并被引入流体力学方程组中，更为大气动力方程组的完备性奠定了基本。大气科学重要分支学科的形成(19世纪初0世纪4年代)在气象仪器的发明、观测网的建立,以及流体动力学理论的发展的基本上，大气科学的重要分支学科(天气学、动力气象学、气候学和云和降水物理学等)相继形成。从19世纪代第一张天气图的浮现,至0世纪40年代末，属于这一时期。18德国的布兰德斯运用巴拉丁气象学会杂志刊载的气象观测资料,将178年各地同一时刻的气压和风的记录填在地图上，绘成了世界
14、上第一张天气图。它虽然是用历史资料而不是用当时资料绘制成的，但它已为分析气压、风和天气的关系以及建立天气系统的概念，作出了奉献。 现代的天气图就是在此基本上发展起来的。天气图的诞生，是近代气象学研究起点的标志。电报的发明，为各地气象观测资料的迅速传递和集中提供了条件,使绘制当天天气图成为也许。1851年，英国的格莱舍运用电报传送资料，绘制了天气图。但是，真正推动天气预报业务开展的却是一次天气事件的教训：1316年,英、法同俄国发生了瓜分土耳其的克里米亚战争，由于1854年1月4日黑海浮现风暴，使法舰亨利四号沉没,导致英法联军大败。事后，法国政府命巴黎天文台台长勒威耶总结此事故的天气因素。勒威耶收集了该年1月216日的气象资料，查明此风暴于1月123日还在西班牙和法国西部,至14日,就东移到了黑海地区,使法国兵舰遭受损失。如能及时预告风暴移动的状况，损失是也许避免的。因此，她提出了组织气象台站网、开展天气图分析和天气预报的建议。法国政府采纳了这个建议,于186年组织了气象观测网，160年创立风暴警报业务。从此,绘制天气图便成为一项平常业务，并陆续推广到欧美各国。1857年荷兰的白贝罗提出风与气压的关系(在北半球背风而立，低压在左、高压在右:南半球反之)；1861年美国费雷尔在研究大气运动时引入科里奥利力;188年德国亥姆霍兹提出流体切变动力不稳定
