大气科学简史

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。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。大气科学的建立时期(十七世纪至十九世纪初)17～18世纪可以称为是科学革命的时代。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的理论研究，是大气科学进入这一时期的重要标志。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度上反映出了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，基本上是由皮耶克尼斯、皮耶克尼斯、索尔贝格和伯杰龙等人在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”。从1783年法国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巳罗斯比，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。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，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。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，导致预报试验失败．但它却为后来开展数值预报积累了经验。1950年，诺伊曼和查尼领导的小组，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。虽然早在16～17世纪，中国、法国、意大利等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年爱根研究了云中的凝结核；1911年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年朗绥尔提出了积状暖云因连锁反应而产生降水的机制；1946年谢弗和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。同年朗绥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。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。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。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。雷达技术的运用，能够在地面探测较大范围的大气物理量的变化。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，有力地促进了大气科学的迅速发展。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、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：实验室实验(或模型实验)、数值试验、大气观测试验。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。自二十世纪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年代美国辛普森进行了积云动力催化实验；苏联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。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。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。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。现在，大气科学已发展成一门分支众多的科学。如大气遥感、雷达气象学和卫星气象学等分支；大气物理学下的大气边界层物理、平流层和中层大气物理学，以及大气光学、大气声学、大气电学和大气辐射学等；同大气物理学同时发展起来的，还有