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2017年12月12日 星期二

丁酉(鸡)年十月廿五

大气科学发展简史 - 大气科学发展简史 [回目录]

大气科学发展简史 - 正文 [回目录]

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  古代气象经验知识的积累时期(自人类文明
   开始至16世纪)
   中国古代气象经验知识的积累
    大气光象
    云雾降水
    风雷温湿
    物候气候
    天气经验
   其他国家气象经验知识的积累
  大气科学在物理学基础上开始建立的时期
   (17世纪~19世纪初)
   气象观测仪器的发明和观测站的建立
   信风和大气环流理论的创立
   动力气象学理论基础的形成
  大气科学主要分支学科的形成时期(19世纪初~
   20世纪40年代)
   天气学和动力气象学的形成和发展
    第一张天气图的出现
    极锋学说的建立
    大气长波理论的建立
    动力气象学的形成和数值天气预报试验
   气候学的形成和发展
   云和降水物理学的形成和发展及人工影响
    天气的试验研究
  新技术促进大气科学迅速发展的时期(20世纪
   50年代以来)
   多手段全球观测系统的建立
   天气预报的数值化和自动化
   广泛采用实验的手段
   人工影响天气试验的进一步开展
   气候研究的新局面
   新分支学科的不断涌现
   广泛的国际合作
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  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,大体上可分为以下四个发展时期:①古代气象经验知识的积累时期。②大气科学在物理学基础上开始建立的时期。③大气科学主要分支学科的形成时期。④新技术促进大气科学迅速发展的时期。
  

古代气象经验知识的积累时期


  

(自人类文明开始至16世纪)


  自人类文明史开始至16世纪的五、六千年间为古代气象知识的积累时期。其源地主要有两个: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、巴比伦文化和希腊文化的发祥地。
  中国古代气象经验知识的积累 中国有关气象知识的记载,可追溯到公元前14世纪的殷代。在安阳殷墟出土的甲骨文上已记载了求雨的卜辞和风云、雨、雪、雹、虹、雷电等天气现象。如殷代文丁六年(公元前1217年)3月中旬曾作连续10天的气象记录,是甲骨卜辞中颇罕见的(图1)。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。

  大气光象 殷代的甲骨文已有虹、晕等现象的记载。《周礼·春官》(约成书于战国)也载有观测大气光象的类别“十煇”(即祲、象、俋、监、、瞢、弥、叙、、想),其中除(日、月蚀)、瞢(阴云迷雾)、(虹)、想(海市蜃楼)外,其他六种都是晕的特殊形式。唐代,李淳风(602~670)等所编的《晋书·天文志》,又把晕象观测的分类增至十九种。孔颖达(574~648)提出了虹的形成原因:“云薄漏日,日照雨滴则虹生。”宋代,范成大(1126~1193)在《峨眉山行纪》一文中详细地描述了峨眉宝光从出现到消散整个过程的各种现象,如:小现、大圆光、摄身光、清光、金桥、辟支、佛现等。关于极光,中国留存最早的记载见于《竹书纪年》(古本,约成书于战国),它是周懿王元年(公元前 909年)在陕西华县观测到的。大气光象的专书和图谱,在秦汉时期已流行。例如1973年在湖南长沙马王堆三号汉墓出土的帛书《天文气象杂占》就载有晕、虹等图谱。
  云雾降水 《吕氏春秋·应同》(成书于战国末)中已有关于云的描述:如“山云草莽,水云鱼鳞,旱云烟火,雨云水波”。这是中国古籍中较早的云状分类的记载。《左传》则记有在春分、秋分、夏至、冬至、立春、立夏、立秋、立冬进行云物观测的规定。此外,从秦汉到清代,民间还流行有各种云的图谱,如《白猿献三光图书》等。关于云、降水、雾和霜的形成方面:《黄帝内经·素问》(约成书于战国)中的“地气上为云,天气下为雨。雨出地气,云出天气”,简述了云是由地面水汽蒸发而成,雨是由天空云气中下降而来的道理。宋徽宗时的蔡卞,在《毛诗·名物解》中记有“水气之在天成雾。雾,云之类也”。公元6世纪初,北魏贾思勰在《齐民要术》一书中所记“天雨新晴,北风寒切,是夜必霜”,则描述了寒潮过后形成霜的经验。关于降水强度和降水量方面:在甲骨文的卜辞中已有大雨、猛雨、疾雨、足雨、多雨、毛毛雨等各种雨强以及雨的来向的记载。自秦代开始,已推行各地都要测雨泽、并向朝廷或地方政府呈报的制度。至南宋,秦九韶(1202~1261)在《数书九章》中还叙述了将不同形状的器皿所测的雨雪换算为平地水深的方法。
  风雷温湿 关于风,远在殷代,就已有四方风名:东风称“帿”(xie协),南风称“伄”(kai凯),西风称“夷”,北风称“”(han寒)。汉代则有了24方位,自正北顺时针依次为:子、癸、丑、艮、寅、甲、卯、乙、辰、巽、巳、丙、午、丁、未、坤、申、庚、酉、辛、戌、乾、亥、壬。李淳风在《乙巳占》中即以此24方位判定风向。并将风分为动叶、鸣条、摇枝、堕叶、折小枝、折大枝、折木飞砂石或伐木、拔木树及根共 8级。中国风向器发明很早,西汉已盛行一种叫“伣”的风向器(见西汉《淮南子》)。汉代至晋代(公元前 3世纪末~公元 4世纪),测风所用的铜制或木制的相风乌(图2),比欧洲使用的测风鸡约早一千多年。关于雷电现象,东汉,王充(公元27~约97)在《论衡·雷虚》篇中记有“雷者,太阳之激气也。何以明之?正月阳动,故正月始雷,五月阳盛,故五月雷迅,秋冬阳衰,故秋冬雷潜”,它描述了雷电现象的季节性特性。关于测温湿仪器,最早的记载见于《淮南子》:“悬羽与炭而知燥湿之气。”它描述了将羽毛和木炭放在天平两侧测量大气湿度的方法。这比欧洲发明的类似测湿仪器约早一千多年。王充在《论衡》中也记有利用琴弦变松来判断天要下雨的方法。清代康熙年间的《灵台仪象志》(1674)中曾记述了名为“验冷热器”和“验燥湿器”的仪器,这系比利时耶稣会士南怀仁(1659年来华)所设计制成。

  物候气候 关于物候现象及其规律的记载甚多,如《尚书·尧典》记有四季中鸟兽交配及皮毛稀丰的物候现象。《诗经·豳风·七月》中的“五月斯螽动股,六月莎鸡振羽。七月在野,八月在宇。九月在户,十月蟋蟀入我床下”。通过蟋蟀在不同时期的物候特征,反映了从春至秋气候的变化。此篇还记有葽草开花、蝉叫、稻熟、草木掉叶等物候现象。《夏小正》载有每月的物候,是先秦较早的物候专篇。《吕氏春秋》十二纪则已将物候现象同施政结合起来。关于节气候应的记载,在西汉初的《淮南子·天文训》中列有二十四节气的全部名称。《逸周书·时训解》(此篇约成书于汉代)列有全年的七十二候,每候5天的候应。到北魏时,曾将七十二候列于《正光历》历书中。这些气候物候的规律对农业生产起着指导作用。此后还有不少以物候现象描述气候特点的记载,如《齐民要术》中的“布谷鸣,收小蒜”。沈括(1031~1095)在《梦溪笔谈》中所叙“岭峤微草,凌冬不凋,并、汾乔木,望秋先陨,诸越则桃李冬实,朔漠则桃李夏荣,此地气之不同也”,则通过物候现象的地区差异说明了各地气候的不同。关于气候和天气反常的情况,《竹书纪年》、《春秋》和历代正史的《五行志》以及地方志中都有丰富的记载,如《汉书》中记有“惠帝五年(公元前190年)十月,桃李华”。
  天气经验 早在西周,《诗经·小雅·谷风》已载有“习习谷风,维风及雨”,指出东风往往带来降水天气。《诗经·鄘风·蝃蝀》所述的“朝于西,崇朝其雨”,是关于早晨西方出现彩虹,到中午将降雨的天气预报经验。至于梅雨台风天气,晋代周处(240~299)所著《风土记》和刘宋时沈怀远所著《南越志》中都有描述。关于汇编天气经验的专著有:唐代黄子发的《相雨书》,收集了唐以前的一些天气经验。元末明初娄元礼的《田家五行》,汇录了当时太湖地区的天气谚语。明代罗洪先的《广舆图》收集了当时海上的天气谚语,按观天、观云、观风、观日、观虹、观雾、观电、观海等分类载录。其中《田家五行》的影响较大。
  其他国家气象经验知识的积累 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。这些谚语用现代语义译出,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,阿那克西曼德(公元前610~前546)在一篇关于自然哲学的文章中,提出风是“空气的流动”。阿那克西米尼(公元前585~前528)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(公元前500~前428)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。他还观察到空气温度是随高度的增加而下降的。他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(约公元前460~前370)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(约公元前460~前377)则在《论空气、水和环境》(英译On Airs,Waters andplaces) 的著作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(约公元前400~前350)在气象学方面,被认为是论文《恶劣天气之预测》(Ceimonos Prognostica)的作者。该文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。
  影响最大的古希腊学者是亚里士多德(公元前384~前322)。他将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》(Meteorologica)一书。这是世界上最早的气象学专著。《气象汇论》共四卷42集,其中前三卷论述气象问题,第四卷主要是有关化学的内容。第一卷阐述气象学在自然科学中的地位及其研究对象和范围,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。
  公元前 300年,亚里士多德的学生提奥弗拉斯图斯(约公元前372~前287)写了 《天气迹兆》(英译 On Weather Signs)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,月亮暗淡、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 2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。他还将气候从赤道到北极划分为二十四个气候带。阿拉伯学者海桑(约965~1039)的主要著作 《光象理论》(Optice Thesaurus),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(673~735),被称为英国气象学的奠基人,他在703年著的《自然本质》(De Natura Rerum)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(约12世纪)则认为雷是云中的冰碰撞破碎形成的,英国学者R.培根(约1220~1292)在《大气现象》(In Meteora)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。
  

大气科学在物理学基础上开始建立的时期


  

(17世纪~19世纪初)


  17~18世纪可以称为科学革命的时代。随着14~16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理论研究,是进入这一时期的重要标志。
  气象观测仪器的发明和观测站的建立 1597年(有说1593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E.托里拆利发明了气压表。1662年,英国的C.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R.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J.H.朗伯设计了羊肠线湿度表,1783年瑞士H.B.de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1649~1651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10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J.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L.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J.J.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。刊载于德国《巴拉丁气象学会杂志》(Ephemerides the Societas Meteorologica Palatina)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。如:1748年英国的A.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B.富兰克林利用风筝等研究雷暴云中电的性质;1783年法国的J.A.C.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N.肖曾指出:“气压表的发明标志着大气物理学研究的开始。”
  信风和大气环流理论的创立 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E.哈雷首先发现信风,并在《哲学会刊》(Philosophi-calTransactions)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。他认为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G.哈得来在1735年发表的《关于信风之起因》(Concerning the Cause of the GeneralTrade Wind)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南半球的东南信风,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。
  动力气象学理论基础的形成 17世纪~19世纪初,流体的概念及I.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J.Le R.D’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L.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(1805)、科里奥利力(1835)和热力学第一定律(1842~1848)的发现,并被引入流体力学方程组中,更为大气动力方程的完备性奠定了基础。
  

大气科学主要分支学科的形成时期


  

(19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。
  天气学和动力气象学的形成和发展 第一张天气图的出现 1820年德国的H.W.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J.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:1853~1856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U.勒威耶总结此事故的天气原因。勒威耶收集了该年11月12~16日的气象资料,查明此风暴于11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年创立了风暴警报业务。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。
  极锋学说的建立 1857年荷兰C.H.D.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W.费雷尔在研究大气运动时引入科里奥利力,1888年德国H.von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R.菲茨罗伊的极地气流和赤道气流的气旋模式,1878年英国C.利的局地飑线(冷锋)气旋模式,1882年德国W.柯本的飑线(冷锋)结构模式,1906年肖和R.G.K.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度上反映出气旋及其天气的分布。但由于当时台站较稀,每天观测的次数较少,因此还不能完全反映出气旋的结构和演变过程。
  至20世纪20~30年代,以V.皮耶克尼斯为首的挪威学派,无论在天气学理论方面,还是在天气分析和天气预报的方法上,都作出了卓越的贡献。20世纪20年代前后,他们在挪威沿海等地组建了稠密的地面气象观测网,并仔细分析了由稠密站网所提供的资料绘制而成的天气图,在1917~1918年间发现了暖锋,并得出了概括冷锋、暖锋、锢囚锋、静止锋和低压及其云雨分布的完整的气旋模式。他们还提出了反映气旋生命史的极锋学说,并把上述模式、理论和学说用于日常的天气分析和天气预报。现代天气学理论,天气分析和天气预报方法,基本上是由V.皮耶克尼斯、J.皮耶克尼斯、H.索尔贝格和T.H.P.伯杰龙等人在20世纪20~30年代期间建立起来的。当时,他们还利用地面观测资料发展了根据云的状态和移动判断高空气流和温度、湿度情况的“间接高空气象学”。
  大气长波理论的建立 从1783年法国J.A.C.查理制成携带探测气象要素自记仪器的升空气球并进行高空探测,1928年苏联П.А.莫尔恰诺夫发明无线电探空仪,到探空仪的普遍应用,人们逐渐获得高空探测资料,对大气的铅直结构有了真正的了解。芝加哥学派的领导人C.-G.罗斯比,在高空天气图上发现了长波,1939年他提出了长波动力学,并由此引出了位势涡度理论,创立了长波理论。40年代,他领导下的芝加哥学派,包括E.H.帕尔门等人,确认了高空西风急流和长波的结构和变化,以及它们与地面气旋波的关系。芝加哥学派的工作,一方面增强了天气学与热力学和动力学的联系,充实了天气分析和预报的物理基础;另一方面也为研究大型的大气运动提供了理论依据,为数值天气预报的开展创造了条件。
  动力气象学的形成和数值天气预报试验 在18世纪末以前,动力气象学一直包含在流体力学中。到1897年,V.皮耶克尼斯将流体力学和热力学应用于大气和海洋的大尺度运动的研究中,提出了著名的环流理论(见环流定理)。从此动力气象学便逐步由流体力学中分离出来,形成一个独立的学科。1922年英国气象学家L.F.理查孙第一个对大气运动方程,用差分法求解,制作了数值天气预报。虽然,由于观测站网的密度和资料的精确度不够,用的又是完全的原始方程组,所取的时间和空间的间隔不合适,使计算出现不稳定,这次预报试验终于失败。但它却为后来开展数值预报积累了经验。1950年,J.von诺伊曼和J.G.查尼领导的小组,终于用一台最早的电子计算机,第一次成功地作出了数值天气预报
  气候学的形成和发展 19世纪以来,气候要素全球分布图的绘制,各种气候类型的划分以及研究气候的方法和理论等方面逐步形成了自己的体系。①气候图。其中著名的有1817年A.von 洪堡的世界年平均温度分布图,1848年 H.W.多沃的月平均温度图,1869年 A.巴肯的全世界月平均和年平均气压图,1882年E.卢米斯的世界年平均雨量图和 1886年 L.泰斯朗·德·博尔的世界月和年的平均云量图等。②气候分类。1900年德国的柯本根据气候同植物的关系对世界气候进行了分类,1936年又进一步修改补充其分类原则;C.W.索恩思韦特也于1931年和1948年以蒸发量和蒸散量与植物生长的关系提出世界气候分类标准;1941年Б.П.阿利索夫还提出以盛行气团和海陆分布等气候成因进行气候分类。中国的竺可桢(1929)、涂长望(1931)、卢鋈(1944)对中国的气候进行过分类和区划。③气候预测。在19世纪,E.布吕克纳等曾根据太阳黑子数变化周期预估未来气候;20世纪初(1907),英国G.T.沃克以研究各大气活动中心间雨量、湿度和气压变化的相互关系来进行气候预测。1910年俄国Б.П.穆利塔诺夫斯基根据自然天气周期和自然天气季节的概念,研究长期天气预报方法;1920年德国F.鲍尔提出大型天气概念并进行长期天气预报。④气候学的研究。1883年德国 J.von汉恩出版了《气候学手册》(Handbuch der Klimatologie);1884年俄国的А.И.沃耶伊科夫出版了《全球气候及俄国气候》(ΚлиматыземНοгο шapa;В οсοбеННοсти Рοссии)一书,讨论了气候的形成过程及太阳辐射、大气环流、水分循环、下垫面性质等对气候形成的作用;1930年,柯本和R.盖格尔发表了《气候学手册》 (Handbuch der Klimatologie),对气候学作了较全面的评述和介绍;1927年,苏联的E.E.费奥多罗夫用每天的天气观测来描述气候,称为“综合气候学”;伯杰龙(1930)和T.海赛尔贝格(1932)开创了天气气候学;1942年美国W.C.雅各布斯发展了天气气候学;50年代N.A.菲利普斯第一次用流体力学方法在电子计算机上模拟了气候的形成,成为动力气候学研究的开端。此外,小气候及应用气候也有相应的发展。
  云和降水物理学的形成和发展及人工影响天气的试验研究 虽然早在16~17世纪中国、法国、意大利等国就有人工消雹的记载,但那时对其成因并不了解。对成云致雨的物理过程的研究是从19世纪开始的。如1880年J.爱根研究了云中的凝结核;1911年A.L.韦格纳提出了过冷水与冰晶共存时,冰晶能消耗过冷水滴而增大;1933年伯杰龙提出了冷云降水的理论;1948年I.朗缪尔提出了积状暖云因连锁反应而产生降水的机制;1946年V.J.谢弗和B.冯内古特分别发现固体二氧化碳和碘化银可作为人工冰核。同年朗缪尔用固体二氧化碳和碘化银对云进行了撒播试验,取得了积极的效果,从而为人工影响天气的试验和云物理的研究开辟了道路。
  

新技术促进大气科学迅速发展的时期


  

(20世纪50年代以来)


  第二次世界大战之后,以遥感技术和计算机技术为代表的新技术迅速发展。从50年代开始,这些新技术被引进大气科学领域。广泛运用高速电子计算机和气象卫星,是这个时期最重要的标志。从此,大气科学在探测手段、通信方式、天气预报、气候分析试验研究、人工影响天气、分支学科的发展和国际合作等各个方面,都有了突飞猛进的发展。
  多手段全球观测系统的建立 自1945年分别使用雷达和火箭进行大气探测以来,逐步建立了气象雷达和气象火箭探测网。用于大气探测的雷达除微波雷达外,还有激光雷达、声雷达以及可探测云中流场的多普勒雷达等。雷达技术的运用就能够在地面探测较大范围的大气物理量在三度空间中的变化。从1960年起,又使用了极轨气象卫星,它可从几百公里至上千公里以外的高空探测全球的云况和其他物理量。1966年,地球同步气象卫星上天,更可以较方便地追踪台风等天气系统的连续演变。这些卫星装备有红外、微波、可见光、紫外等辐射探测仪,综合运用了遥感技术,能把大气变化的各种信息及时传送到地面。由极轨气象卫星和地球同步气象卫星、地面气象站高空气象站、海上船舶和漂浮站、自动气象站,以及飞机、火箭、定高气球(见气象气球)等下抛的探空仪等,共同组成的监视全球大气演变的探测系统,以及全球通信系统(见气象情报传输)有力地促进了大气科学的迅速发展。
  天气预报的数值化和自动化 1946年发展起来的电子计算机,使得解大气动力方程开展数值天气预报成为可能。1950年,查尼、R.菲约托夫特和诺伊曼用准地转正压模式,在电子计算机上成功地对北美地区 500毫巴(百帕)等压面的高度场作了24小时的预报。此后,各国便陆续建立了数值天气预报业务。中国于1965年开展数值天气预报业务,1981年底开始正式向全国播发天气形势预报。从50年代到70年代,随着预报模式的改进和计算技术的提高,数值天气预报的效果也不断改善。电子计算机不仅解决了大气运动方程的计算问题,而且在资料的收集和分发、通信传递和图表的自动分析等方面,都起着重要的作用。美国于80年代初设计了一套天气预报自动化系统(AFOS)。此系统能够将全球资料迅速集中和分析并作出预报,然后通过高速闭环路将预报提供全国主要气象台使用(见气象业务服务自动化),大大节省了时间,提高了质量。欧洲中期天气预报中心也把这种方法用于中期天气预报。在中国,北京气象中心也已建立了以电子计算机为枢纽的天气资料通信和分析的自动化体系。
  广泛采用实验的手段 从对观测资料的描述分析到进行实验,是质的飞跃。50年代以来,大气科学研究逐渐进入了实验阶段。大气科学的实验一般有三种形式:①实验室实验(或模型实验)。如第二次世界大战后不久,D.富尔茨在美国芝加哥大学流体实验室进行的转盘模型实验,不仅模拟出哈得来环流,还模拟出了长波,1953年R.海德在英国剑桥大学也进行了模型实验,在70年代,中国的气象学家们通过模型实验模拟了青藏高原对大气环流的影响和台风的形成(见大气运动模型实验)。与此类似,有用云室模拟云生成的实验和用人工气候箱模拟各种条件对植物生长影响的实验等。②数值试验。这是运用电子计算机通过计算各种大气模式方程模拟大气的实际情况的试验。1956年N.A.菲利普斯首次用两层准地转模式进行了大气环流的数值试验,以后,这种试验方法被广泛采用。如以大气中二氧化碳的增加来模拟未来气候变化趋势的数值试验和模拟积云动力发展过程的数值试验等(见大气运动数值试验)。③大气观测试验。这是以大自然为实验室,在实验区域内利用各种观测工具,同时进行加密观测,以深入了解某类天气系统(或过程)的细微结构和发展过程。此类实验,比较著名的有美国局地强风暴和中尺度天气系统试验,日本的梅雨锋暴雨试验,中国60年代的中小尺度试验,70年代青藏高原气象科学实验等。世界气象组织在70年代组织了一些大规模的试验活动,如:大西洋热带试验(GATE)、气团变性试验(AMTEX)、季风试验(MONEX)、极地试验(POLEX)和第一次全球大气试验 (FGGE)等(见全球大气研究计划)。
  人工影响天气试验的进一步开展 自古以来人类就有改造(控制)天气和气候的愿望。迄今虽然由于科学技术的局限性还不能实现这一愿望,但通过试验研究,在探索影响天气和气候的科学问题上是有所收获的。自20世纪40年代中叶第一次向云中撒播播云催化剂以来,人工影响天气的试验延续不断。50年代中期,云和降水物理学逐步形成分支学科。60年代美国J.辛普森进行了积云动力催化实验;苏联Г.К.苏拉克韦利泽等用冷云催化方法进行了大规模的防雹试验;美国还开展了用飞机在某一部位撒播碘化银以影响台风的试验。80年代世界气象组织在西班牙进行了人工增加降水的试验。全世界约有80个国家或地区开展了这方面的试验研究。中国从50年代末以来在大多数省份进行了人工降水、人工防雹和人工防霜的试验。这些试验虽然在设计和效果检验方面还存在不少问题,还难以作出肯定的评论,但为今后的试验研究积累了经验,并大大推动了云和降水物理学研究的发展。
  气候研究的新局面 50年代以来,随着对海洋和大气相互关系的研究,动力气象学的发展,出现了动力气候学。 它从动力学角度来研究地-气系统的辐射收支和能量转换,探讨气候形成的原因。近年来,通过数值模式对气候变化进行模拟的研究取得了不少成果。1950年英国的C.E.P.布鲁克斯研究了地质时期和各历史时期的气候。1950年、1961年,德国的M.施瓦茨巴赫研究了气候的变化。70年代初,世界范围的气候异常引起人们普遍的关注,从而广泛开展了气候变化的研究。1972年中国气象学家竺可桢发表的《中国近五千年来气候变迁的初步研究》一文是多年系统研究的总结。此后,中国学者们又发表了中国五百年旱涝历史资料等;美国科学家们用数值方法模拟了一万几千年前的古气候状态,并广泛地开展了对未来气候变化趋势的研究。随着气象卫星的应用,气候资料的数量激增,用电子计算机快速处理气候资料的业务也随之发展,并提出了监视地球气候变化征兆的气候监测计划。从70年代起,气候学已突破了只从大气的角度来研究的限制,而扩展到同时考虑大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈的气候系统进行研究,气候学正向着更加广泛、更为综合的方向发展。
  新分支学科的不断涌现 到50年代,大气科学已发展成为一门分支学科众多的科学。如:随着气象观测技术的发展,气象雷达和气象卫星的出现,逐渐形成了大气遥感雷达气象学卫星气象学等分支。大气物理学中各种不同研究对象,也逐步发展成独立的分支学科。如:云和降水物理学及其应用学科人工影响天气,大气边界层物理平流层和中层大气物理学以及大气光学大气声学大气电学大气辐射学等。同大气物理学同时发展起来的,还有大气化学。天气学和动力气象学则相互渗透而形成天气动力气象学,其应用学科数值天气预报也发展成了独立的分支。由于资料积累的增多,对极地、热带和高原地区情况的研究日益深入,因而出现极地气象学热带气象学和高原气象学。气候学也出现了动力气候学、气候变化等分支。由于大气科学广泛应用于生产、生活和科研等各种领域,许多边缘学科如海洋气象学水文气象学农业气象学森林气象学生物气象学航空气象学建筑气象学医疗气象学等相继出现。在气象业务工作自动化进程中,大气科学不断地从信息理论、系统工程、计算机技术和计算数学等科学技术领域中获得新的实验手段和理论方法;同时,也不断地用自己的成就丰富着这些领域。
  广泛的国际合作 科学本身没有国界,大气科学研究的对象又是环绕整个地球的大气圈,每个国家都只是一个局部。因此,大气科学研究更需要国际协作。自1950年起,世界气象组织成为联合国的一个下属机构。从60年代开始的世界天气监视网计划 (WWW)、70年代进行的全球大气研究计划(GARP)及其所开展的多次国际联合试验、80年代的世界气候计划(WCP)等,都是国际合作的具体表现。此外,为了及时交换全球各个区域的探测资料,还成立了世界气象中心、区域气象中心和国家气象中心,在世界气象中心和区域中心之间,有高速通信线路连接。中国北京气象中心自1972年起也有高速通信线路同日本的东京和联邦德国的奥芬巴赫连接。这些国际合作,对情报资料的交流、联合试验的开展和大气科学的发展都起了巨大的促进作用。
  参考书目
 N.Shaw,Manualof Meteorology,Vol.l,Cambridge Univ. press,London,1932.
 H.H.Frisinger,The History of Meteorology to 1800,Science History Publ.,New Ycrk,1977.
 W.C.丹皮尔著,李珩译:《科学史及其与哲学和宗教的关系》,商务印书馆,北京,1975。(W.C.Dampier,A History of Science and its Relations with Philosophy andReligion,4th ed.,Cambridge Univ.Press,London,1958.)
 王鹏飞:中国古代气象上的主要成就,《南京气象学院学报》,第1期,1978。

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更新时间 : 2009-04-20

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