公共基礎(chǔ)知識地學(xué)理論之大氣科學(xué)

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　　大氣科學(xué)是研究大氣的各種現(xiàn)象及其演變規(guī)律，以及如何利用這些規(guī)律為人類服務(wù)的一門學(xué)科。大氣科學(xué)是地球科學(xué)的一個組成部分。它的研究對象主要是覆蓋整個地球的大氣圈，此外也研究太陽系其他行星的大氣。

　　大氣圈，特別是地球表面的低層大氣，以及和它相關(guān)的水圈、巖石圈、生物圈是人類賴以生存的主要環(huán)境。如何認(rèn)識大氣中的各種現(xiàn)象，如何及時而又正確地預(yù)報未來的天氣、氣候，并對不利的天氣、氣候條件進(jìn)行人工調(diào)節(jié)和防御，是人類自古以來一直不斷探索的領(lǐng)域。

　　隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展，大氣科學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)和社會生活中的巨大作用日益顯著，其研究領(lǐng)域已經(jīng)越出通常所稱的氣象學(xué)的范圍。

　　大氣科學(xué)簡史

　　大氣科學(xué)是一門古老的學(xué)科，有關(guān)天氣、氣候知識起源于長久的生產(chǎn)勞動和社會生活的經(jīng)驗之中。

　　早在漁獵時代和農(nóng)業(yè)時代，人們就逐漸積累起有關(guān)天氣、氣候變化的知識。中國在公元前2 世紀(jì)見于《淮南子·天文訓(xùn)》和《逸周書·時訓(xùn)解》的二十四節(jié)氣和七十二候，就是從生產(chǎn)和生活實(shí)踐中總結(jié)出來的，它又被用來指導(dǎo)農(nóng)事活動。

　　17 世紀(jì)以前，人們對大氣以及大氣中各種現(xiàn)象的認(rèn)識是直覺的、經(jīng)驗性的。17～18 世紀(jì)，由于物理學(xué)和化學(xué)的發(fā)展，溫度、氣壓、風(fēng)和濕度等測量儀器的陸續(xù)發(fā)明，氮、氧等元素的相繼發(fā)現(xiàn)，為人類定量地認(rèn)識大氣的組成、大氣的運(yùn)動等創(chuàng)造了條件。于是，大氣科學(xué)研究開始由單純定性的描述進(jìn)入了可以定量分析的階段。這是大氣科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中的一次飛躍。

　　1820 年，在氣壓、溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素的測定和氣象觀測站網(wǎng)逐步建立的條件下，布蘭德斯繪制了歷史上第一張?zhí)鞖鈭D，開創(chuàng)了近代天氣分析和天氣預(yù)報方法，為大氣科學(xué)向理論研究發(fā)展開辟了途徑。這是大氣科學(xué)發(fā)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(fēng)和氣壓的關(guān)系，成為地球大氣動力學(xué)和天氣分析的基石。1920 年前后，氣象學(xué)家皮耶克尼斯，索爾貝格和伯杰龍等提出的鋒面、氣旋和氣團(tuán)學(xué)說，為天氣分析和預(yù)報1～2 天以后的天氣變化奠定了理論基礎(chǔ)。

　　1783 年，法國查理制成了攜帶探測氣象要素儀器的氫氣氣球。20 世紀(jì)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(jié)構(gòu)，真正三度空間的大氣科學(xué)研究從此開始。根據(jù)探空資料繪制的高空天氣圖，發(fā)現(xiàn)了大氣長波。1939 年氣象學(xué)家羅斯比提出了長波動力學(xué)，并由此引出了位勢渦度理論。這不僅使有理論依據(jù)的天氣預(yù)報期限延伸到3～4 天，而且為后來的數(shù)值天氣預(yù)報和大氣環(huán)流的數(shù)值模擬開辟了道路。

　　1946 年朗繆爾、謝弗和馮內(nèi)古特的“播云”試驗，探明了在過冷云中播撒固體二氧化碳或

　　碘化銀，可以使云中的過冷水滴冰晶化，增加云中的冰晶數(shù)目，促進(jìn)降水，從此進(jìn)入了人工影響天氣的試驗階段。

　　20 世紀(jì)50 年代以前，大氣科學(xué)雖然取得了很大的進(jìn)展，但因受海洋、沙漠等人煙稀少地區(qū)缺乏資料的限制以及計算上的困難，還不能擺脫定性或半定性的研究狀態(tài)。50 年代以后，由于各種新技術(shù)特別是電子計算機(jī)和氣象衛(wèi)星的采用，大氣科學(xué)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

　　由于采用氣象衛(wèi)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(xué)痕量分析手段等新技術(shù)，對大氣的觀測能力增強(qiáng)了，觀測空間擴(kuò)展了。如赤道上空五個地球同步衛(wèi)星和兩個極軌衛(wèi)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(qū)。

　　氣象衛(wèi)星、新型氣象雷達(dá)、飛機(jī)等探測手段聯(lián)合應(yīng)用，為開展各種規(guī)模的綜合觀測試驗，為早期發(fā)現(xiàn)和追蹤臺風(fēng)及生命史短至幾小時的小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，為提高短期和短時預(yù)報水平，以及改進(jìn)中期預(yù)報提供了條件。氣象衛(wèi)星在大氣層外探測大氣，不僅加大了觀測范圍，而且極大地豐富了觀測內(nèi)容，如廣闊洋面的溫度、云的微觀結(jié)構(gòu)、大氣的輻射平衡等。氣象衛(wèi)星已成為現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的支柱之一。

　　電子計算機(jī)的使用，使大氣科學(xué)研究進(jìn)入了定量和試驗研究的新階段。大氣的各種現(xiàn)象，大至全球的大氣環(huán)流，小至雨滴的形成過程，都可以依照物理和化學(xué)原理以數(shù)學(xué)形式表達(dá)，然而只有用電子計算機(jī)才可能進(jìn)行運(yùn)算并模擬這些現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和消亡的過程。

　　此外，科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(xiàn)的狀態(tài)。這也需依靠高速計算機(jī)獲取和處理全球資料，以全球模式來進(jìn)行天氣預(yù)報和氣候預(yù)報。電子計算機(jī)是現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的另一個支柱。可以預(yù)期下一代甚至再下一代最大的電子計算機(jī)將首先用于大氣科學(xué)。

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