大气科学简史

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1、大气科学简史大气科学的发展史是人类探索大气的奥秘，逐步认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；大气科学主要分支的形成时期；大气科学迅速发展的时期。1、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。其源流主要 有两个：一个在亚洲，以中国和印度为主；一个在地中海东部，欧亚非三洲的交汇地带，即 埃及文化、巴比伦

2、文化和希腊文化的发祥地。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 1217年）三月中旬连续10天的气象记录。其后，诸如天气现象和气候 情况、天气谚语和天气经验、各种天气现象成因的探索、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都有极丰富的记载。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贡献。从考古发掘出的巴比伦兴盛时期（公元前3000前300年）的粘土片上发现有许多天气 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， 还有关于八个方位风的记载。在古希腊，阿那克

3、西曼德在一篇关于自然哲学的文章中，提出风是“空气的流动”，并 认为组成世界的基本元素是空气。巴门尼德约在公元前500年，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。阿那克萨哥拉观察并解释了夏天产生冰雹的原因，他认为，夏天被晒热的地面可以使含 有水汽的云上升到能冻结的高度，形成雹，然后降到地面。他还观察到了空气温度是随高度 的增加而下降的现象，认为这是由于被地表反射的阳光强度随高度的增加而降低的缘故。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，地中海季风是造成河水泛滥

4、的原因。他认为在夏至时北方的冰雪融化，其水汽形成云，受地中海季风作用向南飘到埃及，因而引 起风暴。他还研究了雷和闪电，认为雷和闪电是同时发生的，只是因为看到的比听到的快， 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，详细讨论了 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他以前的各种气象知识作了系统的综合，大约在公元前 340 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 一卷阐述气象学在自然科学中的地位及其研究对象

5、和范围，云、雨、雹和霾的形成，高层大 气的现象，以及气候变化等；第二卷谈到风的成因、分布、各种风的名称和特点，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 ，第四卷主要是有关化学的内容。公元前300年，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。他还将气候从赤

6、道到北极划分为二十四个气候带。阿拉伯学 者海桑的主要著作光象理论，给出了曙暮光的正确定义，证明了太阳在地平线到地平线 下 19之间时可见曙暮光，并利用这个结果和几何学的证明，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，他在公元703 年著的自然本质一书， 描述了大气、风、雷、闪电、云和雪等。他认为风是“扰动的空气如扇子造成的空气运动” “空气中孕育的风使云碰撞产生雷”。英国教士阿德拉德则认为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步由少到多，由浅入深地积

7、累起来。但为当时生产力和科学水平所限，知识还是零碎的、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，因此还不能形成系统的大气科学。2、大气科学的建立时期（十七世纪至十九世纪初）1718世纪可以称为是科学革命的时代。随着1416世纪的文艺复兴、资本主义生产 方式的出现，以及航海事业的兴起，天文学和物理学出现了重大的突破。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础上进行 的理论研究，是大气科学进 入这一时期的重要标志。1597 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；1643 年意大利物理 学家托里拆利发明了气压表；1 662年，英国的

8、 雷恩发明了虹吸式自记雨量计；1667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；1768 年 德国朗伯设计了羊肠线湿度表；1783 年瑞士索絮尔发明了毛发湿度计。这些仪器以及其他 观测仪器的陆续发明和不断改进，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础。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，但很快就被用到 气象观测上。现在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1 649 1 65 1 年间的记录。世界上第一个气象观测站是由意大利的斐迪南二世于1653

9、 年，在意大利北部的佛罗伦 萨建立的。同年，在他的领导下，又建立了一个包括十个测站的欧洲气象观测网，观测工作 一直持续到1667年。此后，德国医生卡诺尔德于1717年组织了国际性气象观测网，观测工 作持续了10年。法国气象学家和医学家科特在1776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作，当年参加合作的有31 个站，到1786年更增至65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 57 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理，刊

10、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步趋于 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。 1748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 年美国科学家富兰克林利用风筝等研究雷暴云中电的性质；1 783 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，为以后研究大气的三维结构开辟了道路。气象要素的定量测量，尤其是气压表的发明，使人们不仅获得了气压的概念，而且能够 定量测出不易为人感知的大气压强，从而使研究气体状

11、态方程、流体静力学方程和一切大气 运动方程成为可能。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。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。1686 年英国天文学家哈雷首先发现信风，并在哲学会刊 中发表他的信风理论，他认为信风同太阳供给赤道较多的热有关。1688 年，他又首先根据 海上风的资料绘制了北纬30南纬30的信风和季风分布图，认为信风和季风的形成同 地表太阳热的分布

12、有关。另一位英国天文学家哈得来在1735 年发表的关于信风之起因一文中，第一次对大 气环流考虑地球自转的因素，他正确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，并首次创立了经圈环流的理论。他认为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。他的这种环流理论虽较

13、粗略，但却成为以 后大气环流研究的基础之一。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19 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 供了理论基础。1743 年法国数学家达朗贝尔把数学方法引入了气象学的研究中，这对用数 学方程式来表示大气运动具有启发作用 ；1752 年瑞士数学家和物理学家欧拉提出反映质量 守恒的连续方程， 1755 年又提出理想流体动力学方程组，初步形成了流体力学方程组的基 础。以后大气静力学方程、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础。3、大气科学主要分支学科的形成（19

14、世纪初20世纪40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础上，大气科学的 主要分支学科（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20 年代第一张天气图的出现，至20世纪40年代末，属于这一时期。1820 年德国的布兰德斯利用巴拉丁气象学会杂志刊载的气象观测资料，将1783 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，作出了贡献。现代的天气图就是在此基础上发展起来的。天气图的诞生，是近代气象学研究起点的标志。电报

15、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，使绘制当日天气图成为可能。1851 年，英国的格莱舍利用电报 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：18531856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11月14日黑海出现风暴，使法 舰亨利四号沉没，造成英法联军大败。事后，法国政府命巴黎天文台台长勒威耶总结此事故 的天气原因。勒威耶收集了该年1 1月12 16日的气象资料，查明此风暴于1 1月12 13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 移动的情况，损失是可能

16、避免的。因此，他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1856年组织了气象观测网， 1860年创立风暴警报业务。 从此，绘制天气图便成为一项日常业务，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；1888年德国亥姆霍兹 提出流体切变动力不稳定的概念。在此之后，许多学者开始研究风暴的旋转特性，并纷纷提出各自的气旋模式： 1863 年 英国 的菲茨罗伊提出极地气流和赤道气流的气旋模式；1878年英国利提出局地飑线（冷锋） 气旋模式；1882年德国的柯本提出飑线（冷锋）结构模式；1906年肖和伦柯本的飑线（冷锋） 结构模式 ；1906年肖和伦普弗特的地面气流切变及降水分布的气旋模式等。这些模式都在 不同程