大氣學

大氣科學是一門古老的學科，有關天氣、氣候知識起源於長久的生產勞動和社會生活的經驗之中。早在漁獵時代和農業時代，人們就逐漸積累起有關天氣、氣候變化的知識。中國在公元前2世紀見於《淮南子·天文訓》和《逸周書·時訓解》的二十四節氣和七十二候，就是從生產和生活實踐中總結出來的，它又被用來指導農事活動。

17世紀以前，人們對大氣以及大氣中各種現象的認識是直覺的、經驗性的。17～18世紀，由於物理學和化學的發展，温度、氣壓、風和濕度等測量儀器的陸續發明，氮、氧等元素的相繼發現，為人類定量地認識大氣的組成、大氣的運動等創造了條件。於是，大氣科學研究開始由單純定性的描述進入了可以定量分析的階段。這是大氣科學發展進程中的一次飛躍。

1820年，在氣壓、温度、濕度、風等氣象要素的測定和氣象觀測站網逐步建立的條件下，布蘭德斯繪製了歷史上第一張天氣圖，開創了近代天氣分析和天氣預報方法，為大氣科學向理論研究發展開闢了途徑。這是大氣科學發展史上的又一次飛躍。

1835年科里奧利力的概念和1857年白貝羅提出的風和氣壓的關係，成為地球大氣動力學和天氣分析的基石。1920年前後，氣象學家皮耶克尼斯，索爾貝格和伯傑龍等提出的鋒面、氣旋和氣團學説，為天氣分析和預報1～2天以後的天氣變化奠定了理論基礎。

1783年，法國查理製成了攜帶探測氣象要素儀器的氫氣氣球。20世紀30年代無線電探空儀開始普遍使用，這就能夠了解大氣的鉛直結構，真正三度空間的大氣科學研究從此開始。根據探空資料繪製的高空天氣圖，發現了大氣長波。1939年氣象學家羅斯比提出了長波動力學，並由此引出了位勢渦度理論。這不僅使有理論依據的天氣預報期限延伸到3～4天，而且為後來的數值天氣預報和大氣環流的數值模擬開闢了道路。

1946年朗繆爾、謝弗和馮內古特的“播雲”試驗，探明瞭在過冷雲中播撒固體二氧化碳或碘化銀，可以使雲中的過冷水滴冰晶化，增加雲中的冰晶數目，促進降水，從此進入了人工影響天氣的試驗階段。

20世紀50年代以前，大氣科學雖然取得了很大的進展，但因受海洋、沙漠等人煙稀少地區缺乏資料的限制以及計算上的困難，還不能擺脱定性或半定性的研究狀態。50年代以後，由於各種新技術特別是電子計算機和氣象衞星的採用，大氣科學有了突飛猛進的發展。

由於採用氣象衞星、氣象火箭和激光、微波、紅外等遙感探測手段以及各種化學痕量分析手段等新技術，對大氣的觀測能力增強了，觀測空間擴展了。如赤道上空五個地球同步衞星和兩個極軌衞星幾乎能提供全球大氣同時間的情況，不再存在氣象資料的空白地區。

氣象衞星、新型氣象雷達、飛機等探測手段聯合應用，為開展各種規模的綜合觀測試驗，為早期發現和追蹤颱風及生命史短至幾小時的小尺度災害性天氣系統，為提高短期和短時預報水平，以及改進中期預報提供了條件。氣象衞星在大氣層外探測大氣，不僅加大了觀測範圍，而且極大地豐富了觀測內容，如廣闊洋麪的温度、雲的微觀結構、大氣的輻射平衡等。氣象衞星已成為現代大氣科學發展的支柱之一。

電子計算機的使用，使大氣科學研究進入了定量和試驗研究的新階段。大氣的各種現象，大至全球的大氣環流，小至雨滴的形成過程，都可以依照物理和化學原理以數學形式表達，然而只有用電子計算機才可能進行運算並模擬這些現象的發生、發展和消亡的過程。

此外，科學技術的發展，人類往往需要了解幾星期、幾個月甚至一年以上大氣可能出現的狀態。這也需依靠高速計算機獲取和處理全球資料，以全球模式來進行天氣預報和氣候預報。電子計算機是現代大氣科學發展的另一個支柱。可以預期下一代甚至再下一代最大的電子計算機將首先用於大氣科學。

覆蓋整個地球的大氣，質量約五千三百萬億噸，約佔地球總質量的百萬分之一。由於地心引力的作用，大氣質量的90%聚集在離地表15公里高度以下的大氣層內，99.9%在48公里以內。2000公里高度以上，大氣極其稀薄，逐漸向星際空間過渡，無明顯上界。

大氣本身的可壓縮性、太陽輻射、地球的形狀和它的重力、地球的公轉和自轉、地球表面的海陸分佈和地形起伏、地球的演化和地球生態系統等是造成地球大氣特定組分、特定結構和特定運動狀態的主要自然條件。人類活動及其對生態因素所起的作用，是影響大氣組分、大氣結構和大氣運動的人為條件。

地球大氣的組分以氮、氧、氬為主，它們佔大氣總體積的99.96%。其他氣體含量甚微，有二氧化碳、氪氖、氨、甲烷、氫、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大氣中還懸浮着水滴、冰晶、塵埃、孢子、花粉等液態、固態微粒。太陽系的九大行星，都存在大氣。

地球大氣中的氧氣是人類賴以生存的物質基礎，氧氣的出現及其含量的變化，同地球的形成過程和生物的演化過程密切相關。大氣中的水汽來自江河、湖泊和海洋表面的蒸發，植物的散發，以及其他含水物質的蒸發。在夏季濕熱處，大氣中水汽含量的體積比可達4%，而冬季幹寒處(如極地)，則低於0.01%。水汽隨着大氣温度發生相變，成雲致雨，成為淡水的主要資源。

水的相變和水文循環過程不僅把大氣圈同水圈、岩石圈、生物圈緊密地聯繫在一起，而且對大氣運動的能量轉換和變化有重要影響。大氣中的二氧化碳含量受植物的光合作用、動物的呼吸作用、含碳物質的燃燒以及海水對二氧化碳的吸收作用所影響，化石燃料(如煤。石油、天然氣)燃量增加，森林覆蓋面積減少的情況下，已觀測到二氧化碳含量與年俱增。大氣中本來沒有或極少存在的如甲烷、一氧化二氮等氣體，由於人類活動的影響，近年來它們的含量也迅速增加。這些有温室效應的氣體含量的變化對大氣温度的重要影響，已成為研究現代氣候變化的一個前沿課題。

大氣中臭氧的含量極少，即使在離地表20～30公里的濃度最大處，其含量也不到這層大氣的十萬分之一，然而大氣臭氧層能夠大量吸收太陽紫外輻射中對生命有害的部分，對人類起着十分重要的保護作用。另外，大氣臭氧層的存在，對平流層大氣的温度也有重要作用。由於人類活動對高空光化學過程的影響會引起臭氧含量的變化，人類活動對臭氧含量影響的研究，已成為醫學界和氣象學界共同關注的問題。

地球大氣的密度、温度、壓力、組分和電磁特性等都隨高度而變化，具有多層次的結構特徵。大氣的密度和壓力一般隨高度按指數律遞減；温度、組分和電磁特性隨高度的變化不同，按各自的變化特徵可分為若干層次。整個大氣圈通過各種機制相互緊密地聯繫在一起，形成了空間尺度小至幾米以下、大至幾千公里甚至上萬公里，時間尺度短至幾秒、長至數十天或更長時間的多種大氣運動系統。在影響大氣運動的因素中，人為的因素在變化着(如工農業生產引起大氣中有温室效應的氣體增加，大面積森林砍伐等)，自然的因素也在變化着(如火山爆發等引起輻射能的變化，地球自轉軸方向的變化等)。大氣的運動也就呈現出既有規律性又有隨機性的特點。

地球大氣按温度隨高度的變化，由地表向上，依次分為對流層、平流層、中層和熱層。對流層緊鄰地表，其中温度隨高度增加而降低，平均每升高1公里約減少6.5℃，至對流層頂温度降到極小值。對流層中的對流運動顯著，是熱量鉛直輸送的主要控制因子，雲和降水主要發生在這一層。對流層頂的高度在赤道地區約18公里，中緯度地區約12公里，極地地區約8公里。

平流層位於對流層之上，平流層頂高地表約50公里。平流層中的臭氧層吸收太陽紫外輻射，是使這層大氣温度隨高度增加而上升的主要因子。這層大氣温度層結非常穩定，其中的熱量輸送以輻射傳輸為主。

中層位於平流層之上，中層頂離地表約85公里，層內温度隨高度增加而下降。熱層位於中層之上，熱層頂離地表約500公里。這層大氣由於吸收太陽紫外輻射，温度隨高度增加而上升。熱層頂以上為外逸層，那裏大氣已極稀薄，每立方厘米不到一千萬個原子(海平面處每立方厘米約一百億億個原子)。

地球大氣按組分狀況可分為勻和層和非勻和層。高地表約35公里高度以下為勻和層，層內的大氣組分比例相同，平均分子量為常數。約110公里高度以上為非勻和層，層內大氣組分按重力分離後，輕的在上，重的在下，平均分子量隨高度增加而減小。離地表95～110公里為勻和層到非勻和層的過渡層。

地球大氣按電磁特性可分為中性層、電離層和磁層。由地表向上到60公里高度為中性層。離地表60公里到 500～1000公里高度為電離層。離地表500—1000公里以上為磁層。電離層能反射無線電波，對電波通信極為重要。磁層是地球大氣的最外層，磁層頂是太陽風動能密度和地磁場能密度相平衡的曲面。

地球大氣的運動非常複雜。地球的自轉和公轉運動以及地球自轉軸的方向產生了地球上的晝夜交替、四季變化和温度自赤道向兩極遞減的規律。由於海陸分佈和地貌等的不均勻性，地表的温度並不完全按緯圈帶分佈，而呈現出非帶狀的不均勻分佈。

大氣科學的研究對象只有地球大氣，無論它的組分，它的結構，還是它的運動，都存在着確定性和不確定性兩個方面。這正是大氣科學研究複雜性的一面。

大氣圈外還存在着水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈這些圈層組成一個綜合系統。大氣圈中發生的各種變化都受其他圈層的影響；反之，大氣圈也影響着其他圈層的變化。研究大氣運動的能源，大氣中的物質循環、能量轉換和變化過程，大氣環流及天氣、氣候的分佈和變化，都必須考慮大氣圈同水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之間的相互影響和相互作用。

大氣圈不是孤立的，在空間和時間上具有寬廣尺度譜的各種大氣現象也不是孤立的。它們種類繁多，相互疊加又相互影響。即使同一類現象，其結構也不盡相同。影響這些大氣現象的因素非常複雜，人類至今還很難在實驗室內用人工控制的方法對它們進行完整的實驗和研究。只能以大自然為實驗室，組織從局地到全球的氣象觀測網，運用多種觀測手段對大氣現象進行長期的連續的觀測，特別是定量的觀測，以獲取資料；對有關氣候現象還需蒐集地質考查、考古發掘和歷史文獻等資料。

大氣科學家們通過對大量資料的分析和綜合，提煉出量與量之間的定性的或定量的關係，歸納出典型現象的模式特徵，如鋒面、氣旋、大氣長波等。在模式的基礎上運用已知的物理學和化學的基本原理，以及數學工具和計算技術進行理論上的演繹和模擬，導出新的結論。理論模式是否合理，還需回到大自然的實驗室中進行檢驗，有些理論模式還有待於新的觀測資料加以證實。

全球大氣在不停地運動着，而且是一個整體。為掌握大氣運動變化快、範圍廣、形式多的特徵，就必須對大氣進行連續的、高頻率的、全球性的觀測。全球數以萬計的為天氣預報進行觀測的氣象站，要在相同的時間、用接近相同的儀器和觀測方法，在全球各地進行同步觀測；由氣象衞星、氣象雷達等探測手段觀測的大量資料，凡用於天氣預報業務的資料還要作同步處理。

這些資料都要在觀測完畢後的短短數十分鐘內迅速集中到世界氣象中心和各國的氣象中心。再加上為數更多的水文氣象站的觀測資料。資料的範圍之大、數量之多、傳遞之快是驚人的，這是自然科學中的奇觀。這一切只有通過國際間的密切合作才能實現。

大氣科學的分支學科主要有大氣探測、氣候學、天氣學、動力氣象學、大氣物理學、大氣化學、人工影響天氣、應用氣象學等。

大氣探測是一門研究探測地球大氣中各種現象的方法和手段的學科。按探測範圍和探測手段劃分，大氣探測有地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感、氣象雷達、氣象衞星等次一層分支。探測手段的飛躍往往帶來以往難以預計的重大發現，在大氣科學的發展進程中，大氣探測起了十分重要的作用。

氣候學是一門研究氣候的特徵、形成和演變以及氣候同人類活動相互關係的學科。研究內容主要包括氣候特徵、氣候分類、氣候區劃、氣候成因、氣候變化、氣候與人類活動的關係、氣候預報和應用氣候等。電子計算機的採用，促進了對氣候變化物理因子和氣候模擬的研究，氣候預測已不再是虛無縹緲的難題，而已成為一個具有戰略意義的課題了。

天氣學是一門研究大氣中各種天氣現象發生發展的規律以及如何應用這些規律來製作天氣預報的學科。研究內容主要包括天氣現象、天氣系統、天氣分析和天氣預報等。氣候學和天氣學研究的成果，不但為大氣科學提供豐富的研究課題，而且還直接為國民經濟服務。

動力氣象學是一門應用物理學和流體力學定律及數學方法，研究大氣運動的動力和熱力過程及其相互關係的學科。研究內容主要包括大氣熱力學、大氣動力學、大氣環流、大氣湍流、數值天氣預報和數值模擬等，動力氣象學的發展對更深刻地認識大氣運動的機理、掌握天氣和氣候變化的規律有十分重要的作用，它是大氣科學的理論基礎學科。

大氣物理學是一門研究大氣的物理現象、物理過程及其該變規律的學科。研究內容主要包括雲和降水物理學、大氣光學、大氣電學、大氣聲學、大氣輻射學等。大氣物理學也是大氣科學中的理論基礎學科。50年代以後，也有人把動力氣象學包括在內都稱為大氣物理學。

大氣化學是一門研究大氣組成和大氣化學過程的學科。研究內容主要包括大氣微量氣體及其循環、大氣氣溶膠、大氣放射性物質和降水化學等。

人工影響天氣研究如何通過影響雲和降水的微物理過程使某些大氣現象、大氣過程發生改變的技術和方法。如人工降水、人工防雹、人工消霧等。人工影響天氣是人類改造自然的一個組成部分。

應用氣象學是將氣象學的原理、方法和成果應用於農業、水文、航海、航空、軍事、醫療等方面，同各個專業學科相結合而形成的邊緣性學科，也是充分開發利用氣候資源的重要領域。

大氣科學的各個分支學科彼此不是孤立的，如天氣學和氣候學與動力氣象學相結合，產生了天氣動力學和物理動力氣候學。

探測手段的不斷革新和痕量化學分析技術的發展，推動了對大氣的物理性質和化學性質的分析研究，促進了大氣化學的發展。尤其是大氣中二氧化碳和甲烷等微量氣體對氣候影響的日益顯著，以及大氣污染和酸雨問題的出現，不僅使人們更加認識到大氣化學在大氣科學中的重要性，而且隨着研究的深入，更認識到大氣化學過程和大氣物理過程的相互作用，從而促進了這兩個分支學科的相互結合。

大氣科學在很長的歷史發展過程中，先是以氣候學、天氣學、大氣的熱力學和動力學問題，以及大氣中的物理現象(如電象、光象、聲象)和比較一般的化學現象等為主要研究內容，傳統稱之為“氣象學”。隨着現代科學技術在氣象學中的應用，其研究範疇日益擴展，因而從20世紀60年代以來，“大氣科學”術語的應用日益廣泛，它大大擴充了傳統氣象學的研究內容。

近年來，由於人類越來越認識到大氣圈與水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈之間相互作用和相互影響的重要性，要了解大氣變化過程就不能不深入到其他圈層變化過程的研究。因此，大氣科學的研究內容越來越廣泛，與其他學科之間的相互滲透也越來越深入。

比如：研究大氣運動，需同流體力學、熱力學、數學密切合作；研究太陽輻射以及太陽擾動在大氣中引起的各種機制，需同高層大氣物理學、太陽物理學和空間物理學密切合作；研究水分循環、海洋和大氣的相互作用，需同水文科學海洋科學密切合作；研究地球大氣的演化、地球氣候的演變，需同地球化學、地質學、冰川學、海洋科學、生物學和生態學密切合作；研究大氣化學、大氣污染，需同化學、物理學、生物學和生態學密切合作；研究大氣問題的數值模擬、數值天氣預報等，需同計算數學等密切合作；研究大氣探測的手段和方法，需同有關的技術科學密切合作；在大氣探測、天氣預報等自動化的進程中，大氣科學還不斷同信息理論、系統工程等科學技術領域密切合作。在相互合作和相互滲透的過程中，大氣科學不斷汲取其他學科的養料；大氣科學特定的要求又不斷為其他學科開闢新的研究前沿，不斷豐富着其他學科的內容。

大氣科學的迅猛發展正方興未艾。隨着世界氣候計劃及其他專項計劃的執行，在常規觀測系統的基礎上，將更多地運用氣象衞星、海洋觀測衞星、多普勒雷達和各種特殊裝備的飛機等多種探測手段，以及新的大氣化學觀測和分析方法，進行各種特殊項目的觀測，如海面高度、太陽常數、雲和輻射的反饋、近海面風力、土壤濕度、碳循環等。

總之。人類生產和生活的發展，將不斷提出新的問題和要求，推動大氣科學新理論和新分支的發展。大氣科學新的發展，必將不斷提高它為生產和生活服務的能力，如提高天氣和氣候預報的準確率、為開發利用氣象資源和制定經濟政策提供更加可靠的科學依據等，其經濟效益和社會效益將不可估量。

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