WRF-China一個(gè)致力于關(guān)注國(guó)內(nèi)外模式發(fā)展動(dòng)態(tài)和大氣科學(xué)的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

大氣科學(xué)分支學(xué)科全介紹（1）

大氣科學(xué)概述

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(gè)組成部分。它的研究對(duì)象主要是覆蓋整個(gè)地

球的大氣圈，此外也研究太陽(yáng)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(shí)大氣中的各種現(xiàn)象，如何及時(shí)而又正確地預(yù)報(bào)未來

的天氣、氣候，并對(duì)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(guó)民經(jīng)

濟(jì)和社會(huì)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(jiǎn)史

大氣科學(xué)是一門古老的學(xué)科，有關(guān)天氣、氣候知識(shí)起

源于長(zhǎng)久的生產(chǎn)勞動(dòng)和社會(huì)生活的經(jīng)驗(yàn)之中。早在漁獵時(shí)

代和農(nóng)業(yè)時(shí)代，人們就逐漸積累起有關(guān)天氣、氣候變化的

知識(shí)。中國(guó)在公元前2世紀(jì)見于《淮南子?天文訓(xùn)》和《逸

周書?時(shí)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(dòng)。

17世紀(jì)以前，人們對(duì)大氣以及大氣中各種現(xiàn)象的認(rèn)

識(shí)是直覺的、經(jīng)驗(yàn)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(cè)量?jī)x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(shí)大氣的組成、

大氣的運(yùn)動(dòng)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(cè)

定和氣象觀測(cè)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(bào)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(dòng)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(bào)1?

2天以后的天氣變化奠定了理論基礎(chǔ)。

1783年，法國(guó)查理制成了攜帶探測(cè)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(zhǎng)波。1939年氣象學(xué)家羅斯比提出了長(zhǎng)波動(dòng)力學(xué)，

并由此引出了位勢(shì)渦度理論。這不僅使有理論依據(jù)的天氣

預(yù)報(bào)期限延伸到3?4天，而且為后來的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)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(yàn)，

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(yàn)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(jì)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(jì)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(cè)手段以及各種化學(xué)痕量分析手段等新技術(shù)，對(duì)大

氣的觀測(cè)能力增強(qiáng)了，觀測(cè)空間擴(kuò)展了。如赤道上空五個(gè)

地球同步衛(wèi)星和兩個(gè)極軌衛(wèi)星幾乎能提供全球大氣同時(shí)

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(cè)手段聯(lián)合應(yīng)用，

為開展各種規(guī)模的綜合觀測(cè)試驗(yàn)，為早期發(fā)現(xiàn)和追蹤臺(tái)風(fēng)

及生命史短至幾小時(shí)的小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，為提高短

期和短時(shí)預(yù)報(bào)水平，以及改進(jìn)中期預(yù)報(bào)提供了條件。氣象

衛(wèi)星在大氣層外探測(cè)大氣，不僅加大了觀測(cè)范圍，而且極

大地豐富了觀測(cè)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(jì)算機(jī)的使用，使大氣科學(xué)研究進(jìn)入了定量和試

驗(yàn)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(jì)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(gè)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(jì)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(bào)和氣候預(yù)報(bào)。電子計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的另一個(gè)

支柱。可以預(yù)期下一代甚至再下一代最大的電子計(jì)算機(jī)將

首先用于大氣科學(xué)。

大氣科學(xué)的內(nèi)容

覆蓋整個(gè)地球的大氣，質(zhì)量約五千三百萬(wàn)億噸，約占

地球總質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。由于地心引力的作用，大氣質(zhì)

量的90%聚集在離地表15公里高度以下的大氣層內(nèi)，

99.9%在48公里以內(nèi)。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(yáng)輻射、地球的形狀和它的

重力、地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)、地球表面的海陸分布和地形起

伏、地球的演化和地球生態(tài)系統(tǒng)等是造成地球大氣特定組

分、特定結(jié)構(gòu)和特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要自然條件。人類活動(dòng)

及其對(duì)生態(tài)因素所起的作用，是影響大氣組分、大氣結(jié)構(gòu)

和大氣運(yùn)動(dòng)的人為條件。

地球大氣的組分以氮、氧、氮為主，它們占大氣總體

積的99.96%。其他氣體含量甚微，有二氧化碳、氮泵、

氨、甲烷、氫、一氧化碳、氤、臭氧、氫、水汽等。大氣

中還懸浮著水滴、冰晶、塵埃、抱子、花粉等液態(tài)、固態(tài)

微粒。太陽(yáng)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(zhì)基礎(chǔ)，氧氣

的出現(xiàn)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(guān)。大氣中的水汽來自江河、湖泊和海洋表面

的蒸發(fā)，植物的散發(fā)，以及其他含水物質(zhì)的蒸發(fā)。在夏季

濕熱處，大氣中水汽含量的體積比可達(dá)4%,而冬季干寒

處（如極地），則低于0.01%。水汽隨著大氣溫度發(fā)生相變,

成云致雨，成為淡水的主要資源。

水的相變和水文循環(huán)過程不僅把大氣圈同水圈、巖石

圈、生物圈緊密地聯(lián)系在一起，而且對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)

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(dòng)物的呼吸作用、含碳物質(zhì)的燃燒以及海水對(duì)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(cè)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，由于人類活動(dòng)的影響，近年來它

們的含量也迅速增加。這些有溫室效應(yīng)的氣體含量的變化

對(duì)大氣溫度的重要影響，已成為研究現(xiàn)代氣候變化的一個(gè)

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(wàn)分之一，然

而大氣臭氧層能夠大量吸收太陽(yáng)紫外輻射中對(duì)生命有害

的部分，對(duì)人類起著十分重要的保護(hù)作用。另外，大氣臭

氧層的存在，對(duì)平流層大氣的溫度也有重要作用。由于人

類活動(dòng)對(duì)高空光化學(xué)過程的影響會(huì)引起臭氧含量的變化,

人類活動(dòng)對(duì)臭氧含量影響的研究，已成為醫(yī)學(xué)界和氣象學(xué)

界共同關(guān)注的問題。

地球大氣的密度、溫度、壓力、組分和電磁特性等都

隨高度而變化，具有多層次的結(jié)構(gòu)特征。大氣的密度和壓

力一般隨高度按指數(shù)律遞減；溫度、組分和電磁特性隨高

度的變化不同，按各自的變化特征可分為若干層次。

地球大氣按溫度隨高度的變化，由地表向上，依次分

為對(duì)流層、平流層、中層和熱層。對(duì)流層緊鄰地表，其中

溫度隨高度增加而降低，平均每升高1公里約減少6.5℃,

至對(duì)流層頂溫度降到極小值。對(duì)流層中的對(duì)流運(yùn)動(dòng)顯著,

是熱量鉛直輸送的主要控制因子，云和降水主要發(fā)生在這

一層。對(duì)流層頂?shù)母叨仍诔嗟赖貐^(qū)約18公里，中緯度地

區(qū)約12公里，極地地區(qū)約8公里。

平流層位于對(duì)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(yáng)紫外輻射，是使這層大氣溫度

隨高度增加而上升的主要因子。這層大氣溫度層結(jié)非常穩(wěn)

定，其中的熱量輸送以輻射傳輸為主。

中層位于平流層之上，中層頂離地表約85公里，層

內(nèi)溫度隨高度增加而下降。熱層位于中層之上，熱層頂離

地表約500公里。這層大氣由于吸收太陽(yáng)紫外輻射，溫度

隨高度增加而上升。熱層頂以上為外逸層，那里大氣已極

稀薄，每立方厘米不到一千萬(wàn)個(gè)原子（海平面處每立方厘

米約一百億億個(gè)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(nèi)的大氣組分比例相

同，平均分子量為常數(shù)。約110公里高度以上為非勻和層,

層內(nèi)大氣組分按重力分離后，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(duì)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(yáng)風(fēng)動(dòng)能密度和地

磁場(chǎng)能密度相平衡的曲面。

地球大氣的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜。地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以

及地球自轉(zhuǎn)軸的方向產(chǎn)生了地球上的晝夜交替、四季變化

和溫度自赤道向兩極遞減的規(guī)律。由于海陸分布和地貌等

的不均勻性，地表的溫度并不完全按緯圈帶分布，而呈現(xiàn)

出非帶狀的不均勻分布。

整個(gè)大氣圈通過各種機(jī)制相互緊密地聯(lián)系在一起，形

成了空間尺度小至幾米以下、大至幾千公里甚至上萬(wàn)公

里，時(shí)間尺度短至幾秒、長(zhǎng)至數(shù)十天或更長(zhǎng)時(shí)間的多種大

氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。在影響大氣運(yùn)動(dòng)的因素中，人為的因素在變

化著（如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起大氣中有溫室效應(yīng)的氣體增加，

大面積森林砍伐等），自然的因素也在變化著（如火山爆發(fā)

等引起輻射能的變化，地球自轉(zhuǎn)軸方向的變化等）。大氣

的運(yùn)動(dòng)也就呈現(xiàn)出既有規(guī)律性又有隨機(jī)性的特點(diǎn)。

大氣科學(xué)的研究對(duì)象一一地球大氣，無論它的組分,

它的結(jié)構(gòu)，還是它的運(yùn)動(dòng)，都存在著確定性和不確定性兩

個(gè)方面。這正是大氣科學(xué)研究復(fù)雜性的一面。

大氣圈以外，還存在著水圈、冰雪圈、巖石圈和生物

圈這些圈層組成一個(gè)綜合系統(tǒng)。大氣圈中發(fā)生的各種變化

都受其他圈層的影響；反之，大氣圈也影響著其他圈層的

變化。研究大氣運(yùn)動(dòng)的能源，大氣中的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)

換和變化過程，大氣環(huán)流及天氣、氣候的分布和變化，都

必須考慮大氣圈同水圈、冰雪圈、巖石圈、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(shí)間上具有寬廣尺度譜

的各種大氣現(xiàn)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(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)也不盡相同。影響

這些大氣現(xiàn)象的因素非常復(fù)雜，人類至今還很難在實(shí)驗(yàn)室

內(nèi)用人工控制的方法對(duì)它們進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)和研究。只能

以大自然為實(shí)驗(yàn)室，組織從局地到全球的氣象觀測(cè)網(wǎng)，運(yùn)

用多種觀測(cè)手段對(duì)大氣現(xiàn)象進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)的觀測(cè)，特別

是定量的觀測(cè)，以獲取資料；對(duì)有關(guān)氣候現(xiàn)象還需搜集地

質(zhì)考查、考古發(fā)掘和歷史文獻(xiàn)等資料。

大氣科學(xué)家們通過對(duì)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(guān)系，歸納出典型現(xiàn)象的模

式特征，如鋒面、氣旋、大氣長(zhǎng)波等。在模式的基礎(chǔ)上運(yùn)

用已知的物理學(xué)和化學(xué)的基本原理，以及數(shù)學(xué)工具和計(jì)算

技術(shù)進(jìn)行理論上的演繹和模擬，導(dǎo)出新的結(jié)論。理論模式

是否合理，還需回到大自然的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行檢驗(yàn)，有些理

論模式還有待于新的觀測(cè)資料加以證實(shí)。

全球大氣在不停地運(yùn)動(dòng)著，而且是一個(gè)整體。為掌握

大氣運(yùn)動(dòng)變化快、范圍廣、形式多的特征，就必須對(duì)大氣

進(jìn)行連續(xù)的、高頻率的、全球性的觀測(cè)。全球數(shù)以萬(wàn)計(jì)的

為天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行觀測(cè)的氣象站，要在相同的時(shí)間、用接近

相同的儀器和觀測(cè)方法，在全球各地進(jìn)行同步觀測(cè)；由氣

象衛(wèi)星、氣象雷達(dá)等探測(cè)手段觀測(cè)的大量資料，凡用于天

氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的資料還要作同步處理。

這些資料都要在觀測(cè)完畢后的短短數(shù)十分鐘內(nèi)迅速

集中到世界氣象中心和各國(guó)的氣象中心。再加上為數(shù)更多

的水文氣象站的觀測(cè)資料。資料的范圍之大、數(shù)量之多、

傳遞之快是驚人的，這是自然科學(xué)中的奇觀。這一切只有

通過國(guó)際間的密切合作才能實(shí)現(xiàn)。

大氣科學(xué)的分支學(xué)科

大氣科學(xué)的分支學(xué)科主要有大氣探測(cè)、氣候?qū)W、天氣

學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣化學(xué)、人工影響天氣、

應(yīng)用氣象學(xué)等。

大氣探測(cè)

是一門研究探測(cè)地球大氣中各種現(xiàn)象的方法和手段

的學(xué)科。按探測(cè)范圍和探測(cè)手段劃分，大氣探測(cè)有地面氣

象觀測(cè)、高空氣象觀測(cè)、大氣遙感、氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星

等次一層分支。探測(cè)手段的飛躍往往帶來以往難以預(yù)計(jì)的

重大發(fā)現(xiàn)，在大氣科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，大氣探測(cè)起了十分

重要的作用。

氣候?qū)W

是一門研究氣候的特征、形成和演變以及氣候同人類

活動(dòng)相互關(guān)系的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容主要包括氣候特征、氣候

分類、氣候區(qū)劃、氣候成因、氣候變化、氣候與人類活動(dòng)

的關(guān)系、氣候預(yù)報(bào)和應(yīng)用氣候等。電子計(jì)算機(jī)的采用，促

進(jìn)了對(duì)氣候變化物理因子和氣候模擬的研究，氣候預(yù)測(cè)已

不再是虛無縹緲的難題，而已成為一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的課

題了。

天氣學(xué)

是一門研究大氣中各種天氣現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的規(guī)律以

及如何應(yīng)用這些規(guī)律來制作天氣預(yù)報(bào)的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容主

要包括天氣現(xiàn)象、天氣系統(tǒng)、天氣分析和天氣預(yù)報(bào)等。氣

候?qū)W和天氣學(xué)研究的成果，不但為大氣科學(xué)提供豐富的研

究課題，而且還直接為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

動(dòng)力氣象學(xué)

是一門應(yīng)用物理學(xué)和流體力學(xué)定律及數(shù)學(xué)方法，研究

大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力和熱力過程及其相互關(guān)系的學(xué)科。研究?jī)?nèi)

容主要包括大氣熱力學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)、大氣環(huán)流、大氣湍

流、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和數(shù)值模擬等，動(dòng)力氣象學(xué)的發(fā)展對(duì)更

深刻地認(rèn)識(shí)大氣運(yùn)動(dòng)的機(jī)理、掌握天氣和氣候變化的規(guī)律

有十分重要的作用，它是大氣科學(xué)的理論基礎(chǔ)學(xué)科。

大氣物理學(xué)

是一門研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其該變規(guī)律

的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容主要包括云和降水物理學(xué)、大氣光學(xué)、

大氣電學(xué)、大氣聲學(xué)、大氣輻射學(xué)等。大氣物理學(xué)也是大

氣科學(xué)中的理論基礎(chǔ)學(xué)科。50年代以后，也有人把動(dòng)力

氣象學(xué)包括在內(nèi)都稱為大氣物理學(xué)。

大氣化學(xué)

是一門研究大氣組成和大氣化學(xué)過程的學(xué)科。研究?jī)?nèi)

容主要包括大氣微量氣體及其循環(huán)、大氣氣溶膠、大氣放

射性物質(zhì)和降水化學(xué)等。

人工影響天氣，研究如何通過影響云和降水的微物理

過程使某些大氣現(xiàn)象、大氣過程發(fā)生改變的技術(shù)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(gè)組成部分。

應(yīng)用氣象學(xué)

是將氣象學(xué)的原理、方法和成果應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、

航海、航空、軍事、醫(yī)療等方面，同各個(gè)專業(yè)學(xué)科相結(jié)合

而形成的邊緣性學(xué)科，也是充分開發(fā)利用氣候資源的重要

領(lǐng)域。

大氣科學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科彼此不是孤立的，如天氣學(xué)

和氣候?qū)W與動(dòng)力氣象學(xué)相結(jié)合，產(chǎn)生了天氣動(dòng)力學(xué)和物理

動(dòng)力氣候?qū)W。

探測(cè)手段的不斷革新和痕量化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展,推

動(dòng)了對(duì)大氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的分析研究，促進(jìn)了大

氣化學(xué)的發(fā)展。尤其是大氣中二氧化碳和甲烷等微量氣體

對(duì)氣候影響的日益顯著，以及大氣污染和酸雨問題的出

現(xiàn)，不僅使人們更加認(rèn)識(shí)到大氣化學(xué)在大氣科學(xué)中的重要

性，而且隨著研究的深入，更認(rèn)識(shí)到大氣化學(xué)過程和大氣

物理過程的相互作用，從而促進(jìn)了這兩個(gè)分支學(xué)科的相互

結(jié)合。

大氣科學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系

大氣科學(xué)在很長(zhǎng)的歷史發(fā)展過程中，先是以氣候?qū)W、

天氣學(xué)、大氣的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，以及大氣中的物理

現(xiàn)象（如電象、光象、聲象）和比較一般的化學(xué)現(xiàn)象等為主

要研究?jī)?nèi)容，傳統(tǒng)稱之為“氣象學(xué)”。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)

在氣象學(xué)中的應(yīng)用，其研究范疇日益擴(kuò)展，因而從20世

紀(jì)60年代以來，“大氣科學(xué)”術(shù)語(yǔ)的應(yīng)用日益廣泛，它大

大擴(kuò)充了傳統(tǒng)氣象學(xué)的研究?jī)?nèi)容。

近年來，由于人類越來越認(rèn)識(shí)到大氣圈與水圈、冰雪

圈、巖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(xué)的研究?jī)?nèi)容越來越廣泛，與其他

學(xué)科之間的相互滲透也越來越深入。

比如：研究大氣運(yùn)動(dòng)，需同流體力學(xué)、熱力學(xué)、數(shù)學(xué)

密切合作;研究太陽(yáng)輻射以及太陽(yáng)擾動(dòng)在大氣中引起的各

種機(jī)制，需同高層大氣物理學(xué)、太陽(yáng)物理學(xué)和空間物理學(xué)

密切合作；研究水分循環(huán)、海洋和大氣的相互作用，需同

水文科學(xué)海洋科學(xué)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(xué)、地質(zhì)學(xué)、冰川學(xué)、海洋科學(xué)、

生物學(xué)和生態(tài)學(xué)密切合作；研究大氣化學(xué)、大氣污染，需

同化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)密切合作；研究大氣問

題的數(shù)值模擬、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等，需同計(jì)算數(shù)學(xué)等密切合

作；研究大氣探測(cè)的手段和方法，需同有關(guān)的技術(shù)科學(xué)密

切合作；在大氣探測(cè)、天氣預(yù)報(bào)等自動(dòng)化的進(jìn)程中，大氣

科學(xué)還不斷同信息理論、系統(tǒng)工程等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域密切合

作。在相互合作和相互滲透的過程中，大氣科學(xué)不斷汲取

其他學(xué)科的養(yǎng)料;大氣科學(xué)特定的要求又不斷為其他學(xué)科

開辟新的研究前沿，不斷豐富著其他學(xué)科的內(nèi)容。

大氣科學(xué)的迅猛發(fā)展正方興未艾。隨著世界氣候計(jì)劃

及其他專項(xiàng)計(jì)劃的執(zhí)行，在常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將更

多地運(yùn)用氣象衛(wèi)星、海洋觀測(cè)衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)和各種特

殊裝備的飛機(jī)等多種探測(cè)手段，以及新的大氣化學(xué)觀測(cè)和

分析方法，進(jìn)行各種特殊項(xiàng)目的觀測(cè)，如海面高度、太陽(yáng)

常數(shù)、云和輻射的反饋、近海面風(fēng)力、土壤濕度、碳循環(huán)

等。

總之。人類生產(chǎn)和生活的發(fā)展，將不斷提出新的問題

和要求，推動(dòng)大氣科學(xué)新理論和新分支的發(fā)展。大氣科學(xué)

新的發(fā)展，必將不斷提高它為生產(chǎn)和生活服務(wù)的能力，如

提高天氣和氣候預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率、為開發(fā)利用氣象資源和制

定經(jīng)濟(jì)政策提供更加可靠的科學(xué)依據(jù)等，其經(jīng)濟(jì)效益和社

會(huì)效益將不可估量。

大氣科學(xué)分支學(xué)科全介紹（2）

氣候?qū)W

氣候?qū)W是研究氣候的特征、形成和演變，及其與人類

活動(dòng)的相互關(guān)系的一門學(xué)科。它既是大氣科學(xué)的分支，又

是地理學(xué)的組成部分。

隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大,氣候和人類社會(huì)的關(guān)系越

來越密切。為了合理地開發(fā)和利用氣候資源，減輕氣候?yàn)?zāi)

害的影響，避免人類活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境造成的不良后果，無

論是大規(guī)模的開墾、重大工程的設(shè)計(jì)和管理，還是制訂各

種發(fā)展規(guī)劃和研究工農(nóng)業(yè)的布局，都需要了解所在地區(qū)的

氣候特征及其演變規(guī)律。氣候?qū)W的研究成果及其應(yīng)用，正

日益受到各方面的重視。

氣候?qū)W發(fā)展簡(jiǎn)史

氣候?qū)W成為一門科學(xué)是有了氣象儀器觀測(cè)以后的事。

但是，有關(guān)氣候現(xiàn)象的記載和氣候知識(shí)的積累卻可追溯到

三千年前。

中國(guó)在殷代就已知一年四季和某些農(nóng)事季節(jié)的劃分。

到春秋時(shí)代,更創(chuàng)造了利用圭表測(cè)日影以定氣候季節(jié)的方

法。秦漢時(shí)期，二十四節(jié)氣已成為農(nóng)事活動(dòng)的主要依據(jù)。

《逸周書?時(shí)訓(xùn)解》系統(tǒng)地記載了反映氣候年變化規(guī)律的

七十二候的自然物候歷。《呂氏春秋?十二紀(jì)》更對(duì)12

個(gè)月的氣候特點(diǎn)及其異常現(xiàn)象作了概括的記述。

古希臘學(xué)者發(fā)現(xiàn)，從希臘往北，太陽(yáng)光傾斜加劇，氣

候轉(zhuǎn)寒；往南，太陽(yáng)傾斜減緩，氣候轉(zhuǎn)暖。這反映出氣候

的冷暖與太陽(yáng)光線的傾斜程度有關(guān)。據(jù)此，他們將地球氣

候劃分為五帶，即：北寒帶、北溫帶、熱帶、南溫帶和南

寒帶。

隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，古代學(xué)者還進(jìn)一步認(rèn)識(shí)

到，氣候除與緯度密切有關(guān)外，還與地勢(shì)高低，海陸分布

和氣流方向等許多因素有關(guān)。在占埃及、巴比倫和印度等

地，在這個(gè)時(shí)期也有許多關(guān)于氣候的記載。

到了16?18世紀(jì)，隨著氣象觀測(cè)儀器的出現(xiàn)和氣象

觀測(cè)網(wǎng)的建立，氣象觀測(cè)資料大量積累。這些為氣候?qū)W的

形成準(zhǔn)備了條件。1817年，德國(guó)的洪堡首先繪制了全球

等溫線圖，成為近代氣候?qū)W研究的開端。

1883年，奧地利的漢恩編著了《氣候?qū)W手冊(cè)》一書，

不僅為研究全球氣候提供了寶貴的資料,更重要的是提出

了較完整的研究氣候?qū)W的方法體系。1884年俄國(guó)的沃耶

伊科夫發(fā)裹了《全球氣候及俄國(guó)氣候》一書，分析了太陽(yáng)

輻射、水分循環(huán)、下墊面等對(duì)氣候的作用。同年，德國(guó)的

柯本對(duì)世界氣候進(jìn)行了分類。這些成果奠定了氣候?qū)W的基

礎(chǔ)。

20世紀(jì)初，隨著氣團(tuán)概念、氣旋模式和鋒面理論的

出現(xiàn)，天氣圖資料的積累，人們進(jìn)一步研究氣候的形成原

因。特別是1930年瑞典氣象學(xué)家伯杰龍?zhí)岢龅奶鞖鈿夂?/p>

學(xué)，影響很大。從此，氣候?qū)W便從以描述性為主轉(zhuǎn)而向理

論方面的研究發(fā)展。這個(gè)時(shí)期氣候?qū)W在各方面的應(yīng)用也開

始受到重視。

第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著高空氣象觀測(cè)、氣象衛(wèi)星

和電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，氣候?qū)W進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的新時(shí)

期。尤其是20世紀(jì)70年代以來，在世界上出現(xiàn)大范圍災(zāi)

害性氣候異常，氣候問題成為世界矚目的中心問題之一。

氣候?qū)W的研究?jī)?nèi)容

由于太陽(yáng)輻射，大氣環(huán)流和下墊面的特征不同，各地

的氣候特征有顯著的差異。如大陸東岸和西岸的氣候特征

各異；即使同屬東岸，歐亞大陸東岸和北美大陸東岸的氣

候也不相同。這種地域性的特點(diǎn)，正是氣候?qū)W成為地理學(xué)

分支的重要原因，也是氣候?qū)W中進(jìn)行氣候分類研究的基

礎(chǔ)。只有在廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)和調(diào)查研究，才能得出

具有同類氣候特征的區(qū)域和界限。

按氣候?qū)W研究的空間尺度劃分，有全球氣候、北半球

氣候、大區(qū)域氣候和地方氣候等不同尺度的氣候。按時(shí)間

尺度劃分，有年際氣候變化、幾十年以上的氣候變化和萬(wàn)

年以上變化周期的氣候變遷等。要研究年際氣候變化和較

短時(shí)期的氣候變化，至少需要有連續(xù)三十年的觀測(cè)資料。

而要研究幾十年周期的變化，就需要有至少十倍于該周期

時(shí)間長(zhǎng)度的資料，所以，除現(xiàn)代氣象資料外，還需要利用

歷史記載和樹木年輪等進(jìn)行分析，以延長(zhǎng)資料年限。對(duì)于

萬(wàn)年以上的變化，常利用地質(zhì)巖心、冰心、化石等資料進(jìn)

行分析推測(cè)。

氣候?qū)W是應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科。從工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、

通信、能源、軍事以至人類的一切活動(dòng)，都和氣候有密切

的關(guān)系，大量的邊緣學(xué)科，如城市氣候、建筑氣候、軍事

氣候、農(nóng)業(yè)氣候、森林氣候、海洋氣候以及旅游氣候等逐

漸形成。

太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流，下墊面狀況（如海、陸、植被）

是氣候形成的幾個(gè)主要因子，然而，這些因子之間如何互

相作用而形成一個(gè)地方的氣候特征，尚待進(jìn)一步研究；還

有，由于人類活動(dòng)使大氣中的微量元素和污染物質(zhì)含量的

增加而對(duì)氣候變化的影響，以及各種地球天文參數(shù)對(duì)氣候

的影響等。這些都使氣候形成理論的研究變得極其復(fù)雜，

至今還缺乏精確有效的理論模式。

氣候?qū)W概論包括氣候?qū)W一般原理、氣候特征的時(shí)間和

空間分布、演變及其分類等。人們常以氣候要素的空間分

布圖和時(shí)間分布圖、氣候要素的綜合關(guān)系圖和各種氣候統(tǒng)

計(jì)圖等記述某地點(diǎn)、某區(qū)域或全球范圍的基本氣候特征。

某個(gè)地方的氣候志是對(duì)該地多年氣象資料整理和分析概

括出的基本氣候狀況的資料。

物理氣候?qū)W與動(dòng)力氣候?qū)W主要以動(dòng)力學(xué)的理論和方

法研究氣候形成和氣候變化的原因。主要內(nèi)容包括：輻射

平衡、熱量平衡、水分循環(huán)以及大氣中各種污染物質(zhì)和微

量元素等的變化與氣候的關(guān)系。運(yùn)用大型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行

氣候模擬，是研究物理動(dòng)力氣候?qū)W的重要方法，這一新分

支的出現(xiàn)，為氣候?qū)W的理論研究開辟了新的前景。

天氣氣候?qū)W是研究多年間大氣環(huán)流的一般狀態(tài)及其

變動(dòng)的規(guī)律性。如：環(huán)流的分型及其出現(xiàn)的頻率，天氣系

統(tǒng)的頻率、強(qiáng)度和路徑，大范圍氣候異常與大氣環(huán)流的關(guān)

系等問題。

應(yīng)用氣候?qū)W根據(jù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活等各方面的特殊

需要，研究它們同氣候的相互關(guān)系，以及如何將氣候知識(shí)

廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面。主要研究?jī)?nèi)容為：氣候資源的利用，

氣候?yàn)?zāi)害的防御，大氣環(huán)境的分析、評(píng)定和區(qū)劃，以及各

有關(guān)專業(yè)相應(yīng)的氣候問題。

此外，氣候?qū)W還可按大氣的分層分為：近地層氣候?qū)W

和平流層氣候?qū)W等。

氣候?qū)W同各門基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)及至社會(huì)科學(xué)間有

著廣泛的聯(lián)系。無論是從理論還是從方法看，氣候?qū)W和數(shù)

學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、地學(xué)等基本學(xué)科以及大氣科

學(xué)各分支都有密切的關(guān)系。氣候監(jiān)測(cè)更需要應(yīng)用各種技術(shù)

科學(xué)。所以，氣候?qū)W是同其他多種學(xué)科廣泛聯(lián)系的一門學(xué)

科。

由于氣候涉及到人類生活和生產(chǎn)的各個(gè)方面，從

1972年以來，在國(guó)際上關(guān)于環(huán)境、糧食、水資源、沙漠

化等一系列重要會(huì)議上，氣候問題都占有顯著地位。1979

年世界氣候大會(huì)提出了世界氣候計(jì)劃,使氣候問題成為國(guó)

際協(xié)作的重大課題，氣候?qū)W成了日益活躍的學(xué)科，氣候?qū)W

的含義也正在不斷發(fā)展，包括大氣圈、水圈、冰雪圈、巖

石圈和生物圈在內(nèi)的氣候系統(tǒng)的概念也正在形成。

雖然，當(dāng)前氣候?qū)W仍以大氣為其主要研究對(duì)象，但其

內(nèi)容正在不斷地豐富和充實(shí)，從大氣科學(xué)的一個(gè)分支向著

綜合性的氣候系統(tǒng)的學(xué)科發(fā)展。

物候?qū)W

物候?qū)W是研究自然界植物和動(dòng)物的季節(jié)性現(xiàn)象同環(huán)

境的周期性變化之間的相互關(guān)系的科學(xué)，它主要通過觀測(cè)

和記錄一年中植物的生長(zhǎng)榮枯,動(dòng)物的遷徙繁殖和環(huán)境的

變化等，比較其時(shí)空分布的差異，探索動(dòng)植物發(fā)育和活動(dòng)

過程的周期性規(guī)律，及其對(duì)周圍環(huán)境條件的依賴關(guān)系，進(jìn)

而了解氣候的變化規(guī)律，及其對(duì)動(dòng)植物的影響。它是介于

生物學(xué)和氣象學(xué)之間的邊緣學(xué)科。

環(huán)境對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)和發(fā)育的影響是一個(gè)極其復(fù)雜的

過程。但是，用儀器只能記錄當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件的某些個(gè)別

因素，而物候現(xiàn)象卻是過去和現(xiàn)在各種環(huán)境因素的綜合反

映。因此，物候現(xiàn)象可以作為環(huán)境因素影響的指標(biāo)，也可

以用來評(píng)價(jià)環(huán)境因素對(duì)于動(dòng)植物影響的總體效果。

中國(guó)最早的物候記載，見于公元前一千年以前的《詩(shī)

經(jīng)?幽風(fēng)?七月》，其后的《夏小正》、《呂氏春秋?十二

紀(jì)》、《淮南子?時(shí)則訓(xùn)》和《札記?月令》等，則已經(jīng)按

月記載全年的物候歷了。而《逸周書?時(shí)訓(xùn)解》更把全年

分為七十二候，記有每候五天的物候，成為更加完善的物

候歷，北魏時(shí)曾附屬于歷書。

在西漢，著名的農(nóng)學(xué)著作《汜勝之書》有以物候?yàn)橹?/p>

標(biāo)來確定耕種時(shí)期的記載，如“杏始華榮，輒耕輕土弱土;

望杏花落，復(fù)耕/至南末，浙江金華（婺州）人呂祖謙記

載了南宋淳熙七年和八年（1180、H81）金華的物候,有臘

梅、桃、李、梅、杏、紫荊、海棠、蘭、竹、豆蓼、芙蓉、

蓮、菊、蜀葵和萱草等24種植物開花結(jié)果的日期，春鶯

初到和秋蟲初鳴的時(shí)間,是世界上最早的實(shí)際觀測(cè)的物候

記錄。

明代，李時(shí)珍的《本草綱目》所載的近2000種藥物

中，有著極為豐富的植物物候資料，此書的第四十八、四

十九兩卷記述了候鳥布谷鳥和杜鵑的地域分布、鳴聲、音

節(jié)和出現(xiàn)時(shí)間等，是鳥類物候的翔實(shí)記載。19世紀(jì)中葉,

太平天國(guó)頒發(fā)的《天歷》，其中《萌芽月令》就是以物候

指導(dǎo)農(nóng)時(shí)的月歷。

在歐洲，古希臘的雅典人就已經(jīng)編制了農(nóng)用物候歷。

英國(guó)馬香子孫五代，則從1736年起到20世紀(jì)40年代止,

對(duì)植物、候鳥和昆蟲等27種動(dòng)植物進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)和記

錄。這是歐洲年代最長(zhǎng)的物候記錄。18世紀(jì)中葉，瑞典

植物學(xué)家林奈所著《植物學(xué)哲學(xué)》一書，概述了物候?qū)W的

任務(wù)，物候的觀測(cè)和分析方法，并組織了有18個(gè)點(diǎn)的觀

測(cè)網(wǎng)。他是歐洲物候?qū)W的主要倡導(dǎo)者之一。

在德國(guó)，植物學(xué)家霍夫曼從19世紀(jì)90年代起建立了

一個(gè)物候觀測(cè)網(wǎng)。他選擇34種植物作為中歐物候觀測(cè)的

對(duì)象，親自觀測(cè)了40年。其后，又由其學(xué)生伊內(nèi)接替。

在美國(guó)，森林昆蟲學(xué)家霍普金斯于1918年提出了北美溫

帶地區(qū)物候現(xiàn)象陸空間分布的生物氣候定律。

在中國(guó)，現(xiàn)代物候?qū)W研究的奠基者是竺可楨。他在

1934年組織建立的物候觀測(cè)網(wǎng)，是中國(guó)現(xiàn)代物候觀測(cè)的

開端。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，1962年，又組織建立了全國(guó)性的

物候觀測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行系統(tǒng)的物候?qū)W研究。為了統(tǒng)一物候觀測(cè)

標(biāo)準(zhǔn)，1979年又出版了《中國(guó)物候觀測(cè)方法》，并逐年匯

編出版《中國(guó)動(dòng)植物物候觀測(cè)年報(bào)》。

20世紀(jì)50年代以來，由于各國(guó)物候觀測(cè)網(wǎng)的擴(kuò)大，

物候資料更加豐富了。更由于遙感技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)等的

應(yīng)用，使物候?qū)W的研究在規(guī)律的探索和應(yīng)用方面都得到了

更大的發(fā)展。

物候?qū)W的基本研究方法是平行觀測(cè)法，即同時(shí)觀測(cè)生

物物候現(xiàn)象和氣象因子的變化，以研究其互相關(guān)系。主要

是定點(diǎn)觀測(cè)生物物候現(xiàn)象的周年變化;按照統(tǒng)一的觀測(cè)方

法組織物候觀測(cè)網(wǎng)，對(duì)物候現(xiàn)象同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)；在短期內(nèi)

（3~5天）使用汽車等交通工具進(jìn)行小地區(qū)的物候觀測(cè)；通

過地球資源衛(wèi)星照片來分析農(nóng)作物和植被的物候變化;通

過試驗(yàn)來研究物候期受氣候等因子影響時(shí)的生理機(jī)制。

各種生物物候現(xiàn)象的出現(xiàn)日期，雖然每年隨氣候條件

變化而變，但在同一氣候區(qū)內(nèi)，如果不受局地小氣候的影

響，其先后順序每年保持不變。在不同的氣候區(qū)域內(nèi)，由

于生物品種和氣候條件的組合發(fā)生變化，物候現(xiàn)象的順序

就會(huì)改變。物候現(xiàn)象的順序性是編制自然歷和預(yù)報(bào)農(nóng)時(shí)的

基礎(chǔ)。

由于氣候分布的地帶性和非地帶性，物候現(xiàn)象隨緯

度、經(jīng)度和高度的變化具有推移性的特點(diǎn)。如1918年霍

普金斯提出的生物氣候定律：在其它因素相同的條件下,

北美溫帶地區(qū)，每向北移緯度1。向東移經(jīng)度5。，或上

升約122米，植物的階段發(fā)育在春天和初夏將各延期四

天；在晚夏和秋天則各提前四天等等。

物候?qū)W研究已成為生態(tài)系統(tǒng)的分析和管理的一個(gè)方

面，在物候區(qū)劃、農(nóng)作物的合理配置、山區(qū)垂直分布帶土

地的合理利用、防止環(huán)境污染和三廢利用等方面，正進(jìn)行

著大量的物候?qū)W研究工作。除對(duì)物候現(xiàn)象作宏觀研究外,

已經(jīng)開始對(duì)植物器官內(nèi)部形態(tài)的變化進(jìn)行觀察研究。在研

究氣象條件對(duì)生物物候影響方面，已開始利用人工氣候室

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，及建立氣象條件和生物物候變化的數(shù)學(xué)模

式等研究。

古氣候?qū)W

古氣候?qū)W是研究地質(zhì)時(shí)期氣候形成的原因、過程、分

布及其變化規(guī)律的學(xué)科。即根據(jù)物質(zhì)成分、沉積巖結(jié)構(gòu)特

點(diǎn)和生物，按一定的理論和方法推斷各地質(zhì)時(shí)代的氣候。

古氣候?qū)W的研究與地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)、同位素

化學(xué)、大氣物理學(xué)和天文學(xué)等密切相關(guān)。

古氣候?qū)W發(fā)展簡(jiǎn)史

19世紀(jì)早期，古氣候的研究材料主要來源于歐洲和

北美。由于當(dāng)時(shí)北美前寒武紀(jì)晚期冰川沉積尚未發(fā)現(xiàn)，所

以認(rèn)為整個(gè)地質(zhì)時(shí)期的氣候都是溫暖的，直到第三紀(jì)氣候

才開始變冷，到第四紀(jì)更新世出現(xiàn)冰川。把高緯度地區(qū)指

示溫暖氣候的沉積與化石，認(rèn)為是熱帶或亞熱帶氣候曾達(dá)

到極地附近的證據(jù)。

19世紀(jì)后期至20世紀(jì)初期，在南大陸發(fā)現(xiàn)晚古生代

冰硬物以后，地質(zhì)學(xué)家不再把冰川看作是更新世特有的古

氣候現(xiàn)象。于是對(duì)高緯度地區(qū)曾存在溫暖氣候的事實(shí)產(chǎn)生

了另一種解釋，即地質(zhì)時(shí)期古地理面貌與現(xiàn)在不同，各大

陸及相對(duì)的極地曾發(fā)生過大規(guī)模的位移。這就是魏格納大

陸漂移說的基礎(chǔ)之一。與此同時(shí)，先后有不少論述古氣候

的論著，從而奠定了古氣候?qū)W的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)50年代以后，利用現(xiàn)代大氣物理學(xué)研究成果,

古氣候?qū)W在研究方法、測(cè)試技術(shù)、古氣候成因研究以及應(yīng)

用上都有較大的發(fā)展。還把地球的熱平衡、輻射分布、大

氣環(huán)流、洋流、氣候帶等理論應(yīng)用到古氣候的研究中去。

此外，還對(duì)影響古氣候的地內(nèi)和地外原因進(jìn)行深入探討。

另一重要的進(jìn)展是根據(jù)氧同位素對(duì)古氣溫的測(cè)定。60

年代以后，古代海洋和大陸溫度定量恢復(fù)方法的發(fā)展，對(duì)

第四紀(jì)大冰期陸、海、冰古地理的恢復(fù)，大氣海洋一般環(huán)

流模式及冰期氣候的模擬，及地球軌道變化對(duì)氣候的影響

的研究等，使古氣候?qū)W取得了很大發(fā)展。

古氣候?qū)W基本內(nèi)容

按研究的側(cè)重點(diǎn)不同，古氣候?qū)W可以分為記述古氣候

學(xué)、成因古氣候?qū)W、應(yīng)用古氣候?qū)W、歷史古氣候?qū)W四個(gè)學(xué)

科。

記述古氣候?qū)W，也稱普通古氣候?qū)W。它研究古氣候的

各種生物、沉積標(biāo)志，如化石或巖石代表在什么氣候條件

下生長(zhǎng)或形成的，根據(jù)這些記錄恢復(fù)某地區(qū)在一定時(shí)期的

古氣候。它與沉積巖巖石學(xué)、巖相古地理、古生物學(xué)、古

生態(tài)學(xué)、古生物地理和同位素化學(xué)有密切的關(guān)系。

成因古氣候?qū)W是在恢復(fù)和記述古氣候的基礎(chǔ)上,進(jìn)一

步探討古氣候的成因及過程，它涉及地球物理學(xué)、大氣物

理學(xué)、現(xiàn)代氣候?qū)W、板塊構(gòu)造學(xué)和天文學(xué)等。氣候與太陽(yáng)

和地球間緩慢變化，以及與太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期

等有關(guān)。此外，如地磁極變動(dòng)，黃道傾斜（即地球自轉(zhuǎn)軸

的傾斜度）、地球自轉(zhuǎn)速度變化地殼外表山脈的形成、火

山爆發(fā)、大氣圈的演化、洋流的改變等都影響氣候。

應(yīng)用古氣候?qū)W是在恢復(fù)某一時(shí)期某些地區(qū)古氣候的

基礎(chǔ)上，推測(cè)在該種氣候條件下可能形成的礦產(chǎn)，指導(dǎo)礦

產(chǎn)資源的尋找和勘探。這需要與成因礦床學(xué)、成因礦物學(xué)、

地球化學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)等結(jié)合起來研究。

歷史古氣候?qū)W是論述各地質(zhì)時(shí)代古氣候及其演化的

學(xué)科。

生物都是在一定的環(huán)境中生存的，生物的演化也是生

物不斷適應(yīng)周圍環(huán)境的結(jié)果。因此，生物能反映其所生存

的環(huán)境，如生物的分異度，從赤道向兩極呈現(xiàn)由高到低的

梯度變化，反映了當(dāng)時(shí)的氣候狀況。熱帶生物最豐富，溫

帶動(dòng)、植物種類較少，而南北極最為貧乏。除緯度外，海

拔高度、濕度和水深等也影響生物的分異度。

一般來說，用植物化石來判斷古氣候是比較可靠的,

其次是底棲固著的無脊椎動(dòng)物。脊椎動(dòng)物小型兩棲類、爬

行類由于有冬眠的習(xí)性，在較冷的氣候條件下還能生存。

而大型的爬行類如鱷，絕大多數(shù)分布在熱帶和亞熱帶，只

有很少的代表分布在溫帶。

一些巖石的形成也有它的古氣候意義，如冰磺巖、冰

川漂礫和冰川紋泥代表寒冷冰川或大陸冰蓋氣候。

任何元素同位素的分偏系數(shù)都與溫度有關(guān)，原則上都

可以作為地質(zhì)過程的溫暖標(biāo)志。目前同位素溫標(biāo)主要用于

較低溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，它在古氣候測(cè)定方面顯示了

特殊的優(yōu)越性，其中氧、碳、氫同位素溫度計(jì)應(yīng)用員廣泛。

此外，有用氨基酸外消旋法、惰性氣體溶解度法和微量元

素法來測(cè)定環(huán)境溫度或古海水溫度等。地球物理學(xué)方法主

要是通過古地磁的研究確定古緯度，闡明地球氣候變化與

地球磁場(chǎng)變化的關(guān)系。

元古宙晚期有全球性冰期出現(xiàn)，代表普遍的寒冷氣

候。寒武紀(jì)時(shí)氣候轉(zhuǎn)暖，當(dāng)時(shí)各個(gè)分散的大陸板塊和岡瓦

鈉古陸的大部地區(qū)都扯于赤道附近。因此，在西伯利亞、

澳大利亞和中國(guó)西南地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了蒸發(fā)巖沉積。

奧陶紀(jì)早、中期，海侵廣泛，氣候溫暖，但奧陶紀(jì)晚

期至志留紀(jì)初期，則在西岡瓦納大陸（北非、南美、南歐）

發(fā)生了大規(guī)模的大陸冰蓋和冰晦沉積，代表寒冷的極地氣

候。東岡瓦納大陸和其他陸塊仍處于赤道附近。在北美、

西伯利亞和中國(guó)華北地區(qū)有蒸發(fā)巖沉積，推測(cè)為干熱的古

氣候條件。

志留紀(jì)早期與奧陶紀(jì)晚期古氣候情況相似，以后氣候

轉(zhuǎn)暖，冰川溶化，海侵加大。志留紀(jì)時(shí)，西岡瓦納大陸大

部已脫離極地氣候區(qū)，處于溫涼氣候帶，同時(shí)出現(xiàn)了冷溫

水動(dòng)物群，僅在南美仍有少量冰川沉積，代表寒冷的極地

氣候。北美有重要的鹽類沉積和珊瑚礁，代表熱帶氣候。

西伯利亞板塊位于古北緯約30。?40。位置，其南

北方向與現(xiàn)在相反，所以阿爾泰、大興安嶺一帶出現(xiàn)圖瓦

貝動(dòng)物群，可能代表北溫帶的溫涼氣候。晚古生代地球上

北大陸氣候是溫暖的，但古氣候變化中最引入注目的是晚

石炭世至早二疊世南大陸上大規(guī)模冰川活動(dòng)。

大陸冰蓋中心最初位于南非，以后經(jīng)南極洲向澳大利

亞移動(dòng)，至早二疊世晚期最后消失由于植物大量繁盛，大

氣中二氧化碳含量降低，氧含量增加，由于太陽(yáng)紫外輻射

的光化作用，在地球上空大氣平流層內(nèi)產(chǎn)生臭氧層。臭氧

層能吸收危害生命的太陽(yáng)紫外輻射，這對(duì)古生代生物的演

化發(fā)展并由海域登上陸地起了促進(jìn)作用。

中、新生代的氣候是早期以干燥氣候?yàn)樘攸c(diǎn)，中期溫

暖潮濕氣候遍布全球，晚期則逐漸轉(zhuǎn)冷，出現(xiàn)大冰期。到

全新世全球氣候普遍轉(zhuǎn)暖。

年輪氣候?qū)W

年輪氣候?qū)W是根據(jù)樹木年輪的變化推論過去氣候的

一門學(xué)科。

除熱帶外，氣候有明顯年變化的地區(qū)，樹木一般每年

形成一個(gè)生長(zhǎng)輪，即年輪。年輪寬度和氣候條件有十分密

切的關(guān)系。在溫暖濕潤(rùn)的年份，樹木生長(zhǎng)快，年輪寬度大;

在寒冷干旱的年份，樹木生長(zhǎng)慢，年輪寬度小。因此測(cè)定

樹木年輪寬度的差異，可以獲得過去氣候變化的信息，推

論出某些氣候要素的變化狀況，彌補(bǔ)歷史氣候資料的不

足。除了年輪寬度外，氣候還與植物組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系,

也可作為推論過去氣候的依據(jù)。

20世紀(jì)初，美國(guó)道格拉斯最早論證了大約500年之

久的年輪寬度變化和實(shí)際降水量之間的關(guān)系，并在30年

代創(chuàng)建了專門研究樹木年輪的實(shí)驗(yàn)室。此后，許多年輪氣

候?qū)W家對(duì)年輪形成的生理過程與氣候的關(guān)系作了深入剖

析,對(duì)樣本樹種的選擇和年輪序列的統(tǒng)計(jì)分析等有了新的

認(rèn)識(shí)，逐步建立了年輪氣候?qū)W的基本原理和分析方法。

在選取樣本時(shí)，必須選擇生長(zhǎng)條件最受某氣候要素

（溫度或降水）限制的樹木。例如生長(zhǎng)在高緯度或高寒山區(qū)

森林接近消失處(上界)的樹木，由于受到熱資源不足的限

制，常能很好地反映出冷暖的變化；干旱、半干旱地區(qū)，

由森林向草原或荒漠過渡的林緣樹木,則由于受到雨量不

足的限制，常能反映干濕的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，常在同

一地點(diǎn)選取許多重復(fù)的樣本，互相對(duì)比，確定年份，以消

除非氣候因子的影響。

此外,對(duì)年輪寬度變化還應(yīng)進(jìn)行必要的生長(zhǎng)量等方面

的訂正，并用已有的各項(xiàng)資料檢驗(yàn)，才能得到真正表征氣

候變化的年輪指數(shù)序列o這種序列可以反映大尺度的氣候

變化。如：美國(guó)拉馬奇在加利福尼亞惠特尼山樹線上界附

近所取的年輪序列，和歐洲氣溫變化趨勢(shì)是一致的。70

年代初，美國(guó)弗里茨還根據(jù)年輪寬度變化和氣壓距平場(chǎng)的

關(guān)系，繪制出1700年以來北半球西半部每十年平均的環(huán)

流圖。

中國(guó)自20世紀(jì)30年代開始研究年輪氣候?qū)W，得知華

北和西北廣大地區(qū)的年輪寬度變異，可以作為分析歷史時(shí)

期氣候變化的資料，尤其是用它表征降水變化方面，很有

價(jià)值。70年代后半期，北方的許多省和青藏高原等地，

都廣泛開展了這項(xiàng)工作，得到許多表征溫度或降水的長(zhǎng)達(dá)

數(shù)百年的序列，對(duì)現(xiàn)代小冰期(約1430?1850)以來氣候變

化的史實(shí)，提供了更多的依據(jù)。

世界上許多年輪氣候?qū)W家正密切配合,深入探討樹木

生長(zhǎng)受氣候影響的機(jī)制和在更大范圍內(nèi)開展年輪研究的

可能性。為從樹木年輪中獲得更多的氣候變化信息，已嘗

試對(duì)年輪的密度和同位素含量變化進(jìn)行分析，并已獲得顯

著效果。顯然，這種研究將與年輪寬度分析一道，成為年

輪氣候?qū)W中重要的研究途徑。

大氣化學(xué)

大氣化學(xué)是研究大氣組成和大氣化學(xué)過程的大氣科

學(xué)分支學(xué)科。它涉及大氣各成分的性質(zhì)和變化，源和匯,

化學(xué)循環(huán)，以及發(fā)生在大氣中、大氣同陸地或海洋之間的

化學(xué)過程。研究的對(duì)象包括大氣微量氣體、氣溶膠、大氣

放射性物質(zhì)和降水化學(xué)等。研究的空間范圍涉及對(duì)流層和

平流層，即約50公里高度以下的整個(gè)大氣層。研究的地

區(qū)范圍包括全球、大區(qū)域和局部地區(qū)。

對(duì)大氣化學(xué)的研究始于19世紀(jì)下半葉，初期只限于

研究降水中的痕量物質(zhì)和氣溶膠，有一時(shí)期集中于研究臭

氧和微量放射性物質(zhì)。在20世紀(jì)60年代以前，大氣化學(xué)

并沒有引起人們的重視,多數(shù)研究偏重于大氣中天然微量

成分的全球性平衡源、匯、循環(huán)和氣溶膠的物理性質(zhì)等。

20世紀(jì)60年代后，由于人類活動(dòng)對(duì)大氣產(chǎn)生的影響,

出現(xiàn)了較嚴(yán)重的大氣污染大氣化學(xué)才引起廣泛的注意。并

由于應(yīng)用了微量分析技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)

技術(shù)，使大氣化學(xué)的研究向定量化和模式化的方向發(fā)展。

尤其是在大氣污染形成的機(jī)制、污染物對(duì)平流層臭氧濃度

的影響等研究方面，取得了較大進(jìn)展。

但就學(xué)科的發(fā)展進(jìn)程而言，大氣化學(xué)仍處于初始發(fā)展

階段，許多事實(shí)和現(xiàn)象還不清楚，尤其是關(guān)于一些大氣微

量成分的源、匯和時(shí)空分布，它們的遷移、輸送和全球循

環(huán)等問題，都需要進(jìn)行觀測(cè)和研究。

無論從組成上或從遷移和轉(zhuǎn)化上看，大氣都是一個(gè)復(fù)

雜的體系，受很多因素的制約。大氣吸收太陽(yáng)的紫外輻射

和可見光波段的輻射與光化學(xué)有極其密切的關(guān)系；各種物

質(zhì)輸入大氣中的情況，或者在大氣中的遷移、擴(kuò)散、混合

和反應(yīng)，隨時(shí)隨地都在變化，所以大氣化學(xué)反應(yīng)的模式，

必須與大氣端流擴(kuò)散聯(lián)系起來考慮；大氣的成分不但有氣

體，而且有懸浮著的固體和液體粒子（氣溶膠），它們有的

是天然存在的，有的是人類活動(dòng)輸入的或者是大氣化學(xué)反

應(yīng)產(chǎn)生的。氣溶膠在大氣的化學(xué)過程中起著重要的作用，

所以除了研究大氣的均相反應(yīng)外，還要研究大氣的多相反

應(yīng)和表面效應(yīng)；大氣中許多成分以痕量存在，必須采用痕

量的分析化學(xué)技術(shù)。

大氣化學(xué)主要研究對(duì)流層和平流層大氣中主要成分

和微量成分的組成、含量、起源和演化等問題。

對(duì)流層化學(xué)主要包括碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、

碳?xì)浠锖蜌馊苣z的源、匯和循環(huán)，污染物之間的化學(xué)反

應(yīng)和對(duì)流層空氣污染形成的化學(xué)機(jī)制。

二氧化硫是由煤炭、石油等礦物燃料燃燒產(chǎn)生的主要

污染物，其中一部分在大氣中被氧化成硫酸或硫酸鹽氣溶

膠。由于其比重大，沉降而接近地面，特別是匯聚于谷地

或盆地，形成酸霧而造成污染；或者被降水帶下而形成酸

雨。硫酸的為害，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二氧化硫，所以人們對(duì)二氧化

硫氧化的機(jī)制，進(jìn)行了許多研究。從很多結(jié)果看來，在非

污染空氣中，二氧化硫的含量極微，它分別同氫氧自由基、

氫過氧自由基和云、霧水滴反應(yīng)；在污染空氣中二氧化硫

的含量較高，它與氫過氧自由基的反應(yīng)是重要的。并且,

在污染空氣中還存在著過渡金屬（如鎰）的多相催化反應(yīng)。

隨著機(jī)動(dòng)車輛的發(fā)展，光化學(xué)煙霧污染問題日益突

出。它是由氧氧化物和碳?xì)浠镌谧贤廨椛渥饔孟掳l(fā)生光

解反應(yīng)和一系列氧化反應(yīng)生成臭氧和其他氧化物而造成

的。通過室內(nèi)外煙霧箱模擬反應(yīng)及計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜反應(yīng)系列

的計(jì)算結(jié)果看來，氧化反應(yīng)中起主要作用的也是氫氧自由

基和氫過氧自由基。1979年研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有芳香胺污染

物存在時(shí)，煙霧中能檢出致癌物亞硝胺。此外，對(duì)非污染

地區(qū)臭氧形成問題的研究，發(fā)現(xiàn)一氧化碳的氧化也很重

要。

平流層化學(xué)的中心問題是臭氧的光化學(xué)反應(yīng)，在太陽(yáng)

紫外輻射照射下平流層臭氧經(jīng)歷強(qiáng)烈的光化學(xué)過程。20

世紀(jì)60年代以來，人類活動(dòng)對(duì)臭氧層的影響，引起了人

們的密切關(guān)注。

人們?cè)?jīng)認(rèn)為超音速飛機(jī)的飛行將使氮氧化物排入

平流層而破壞臭氧，這將造成在地球表面小于0.3微米波

長(zhǎng)的紫外輻射強(qiáng)度加大，引起皮膚癌的增加和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)降

低。對(duì)含氟氯燒類化合物也有類似的擔(dān)憂，它們?cè)趯?duì)流層

是化學(xué)穩(wěn)定的，但在平流層可以進(jìn)行光分解而破壞臭氧。

這個(gè)問題還存在著看法上的分歧，尤其是對(duì)于氧氧化物的

影響，還有待進(jìn)一步研究。

氣溶膠化學(xué)主要包括氣溶膠的化學(xué)組成（硫酸鹽氣溶

膠、硝酸鹽氣溶膠和有機(jī)物氣溶膠），二次氣溶膠的形成

機(jī)制，氣溶膠的長(zhǎng)距離傳輸，以及多相反應(yīng)化學(xué)等。長(zhǎng)期

以來，人們對(duì)氣溶膠只著重于物理性質(zhì)的研究，從20世

紀(jì)70年代以來，氣溶膠化學(xué)的研究逐漸引起注意，特別

是多相反應(yīng)化學(xué)，已引起廣泛重視。

大氣物理學(xué)

大氣物理學(xué)是研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其演

變規(guī)律的大氣科學(xué)的分支學(xué)科。它主要研究大氣中的聲

象，光象、電象、輻射過程、云和降水物理、近地面層大

氣物理、平流層和中層大氣物理等。它既是大氣科學(xué)的基

礎(chǔ)理論部分，又是環(huán)境科學(xué)的一個(gè)部分。

人們對(duì)大氣中的許多物理現(xiàn)象，如虹、暈、華、雷、

閃電等早巳注意，并進(jìn)行過研究，但內(nèi)容分散在物理、化

學(xué)、天文、無線電等學(xué)科之中，把它們納入大氣物理學(xué)一

個(gè)學(xué)科，則是近三、四十年中的事情。

20世紀(jì)40年代以來，隨著人類在大氣中活動(dòng)范圍的

迅速擴(kuò)展，大氣物理學(xué)的研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。如為了改進(jìn)

大氣中的電波通信、光波通信、提高導(dǎo)彈制導(dǎo)水平，就需

要了解它們所賴以傳播的大氣介質(zhì)及相互作用，因此就要

研究大氣的聲、光、電和無線電氣象；又如，為避免晴空

湍流引起飛機(jī)墮毀的事故，就要研究大氣湍流。

由于工業(yè)生產(chǎn)排入大氣中的大量氣溶膠和污染物通

過擴(kuò)散造成大氣污染，有些通過沉降或降水形成酸雨等,

又被送到地面，導(dǎo)致土地河流污染、造成對(duì)植物和人類的

嚴(yán)重影響。既要發(fā)展生產(chǎn)，又必須使大氣不超過其對(duì)污染

物質(zhì)的稀釋能力，這就要詳細(xì)研究大氣邊界層的物理特

性。

生產(chǎn)活動(dòng)和人類的其他活動(dòng)，影響著自然環(huán)境。如大

氣中二氧化碳含量逐年增加，影響著大氣輻射程和氣候變

化規(guī)律。這些又影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是糧食生產(chǎn)。糧食問

題導(dǎo)致對(duì)氣候變化的關(guān)注,進(jìn)而促進(jìn)了對(duì)大氣輻射問題的

研究。

工農(nóng)業(yè)用水逐年增加，就必須充分利用大氣中豐富的

水分，這就要開發(fā)大氣中的水資源；此外，為避免或減輕

天氣災(zāi)害，又推動(dòng)著人工影響天氣試驗(yàn)研究的廣泛開展,

從而促進(jìn)了云和降水物理學(xué)的研究。

20世紀(jì)60年代以來，遙感技術(shù)飛速地發(fā)展起來，輻

射傳輸是遙感的基礎(chǔ)，由此推動(dòng)著大氣輻射學(xué)的研究；人

造衛(wèi)星、電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，新技術(shù)（如激光、雷達(dá)、微

波）的應(yīng)用，給大氣物理研究提供了有力的探測(cè)工具，獲

得了更多的探測(cè)資料,從而大大加速大氣物理學(xué)發(fā)展的進(jìn)

程。

大氣物理學(xué)主要包括大氣邊界層物理學(xué)、云和降水物

理學(xué)、雷達(dá)氣象學(xué)、無線電氣象學(xué)、大氣聲學(xué)、大氣光學(xué)

和大氣輻射學(xué)、大氣電學(xué)、平流層和中層大氣物理學(xué)。它

們都各有自己的特點(diǎn)：

大氣聲學(xué)、大氣光學(xué)，大氣電學(xué)和無線電氣象學(xué)，是

研究大氣中聲、光、電的現(xiàn)象和聲波、電磁波在大氣中傳

播的特性;雷達(dá)氣象學(xué)研究用氣象雷達(dá)探測(cè)大氣的原理和

方法，及其在天氣分析預(yù)報(bào)、云和降水物理中的應(yīng)用；大

氣輻射學(xué)研究輻射在地球大氣系統(tǒng)內(nèi)的傳輸轉(zhuǎn)換過程和

輻射平衡；云和降水物理學(xué)研究云和降水的形成、發(fā)展和

消散的過程;大氣邊界層物理研究受地面影響較大的大氣

低層的溫度、濕度、風(fēng)等要素的水平和鉛直分布，大氣湍

流和擴(kuò)散，水汽和熱量傳輸?shù)龋黄搅鲗雍椭袑哟髿馕锢韺W(xué)

研究對(duì)流層頂（10公里左右）到80?90公里大氣層中發(fā)生

的物理過程。大氣過程常是多因素綜合作用的結(jié)果，故大

氣物理諸方面常常相互聯(lián)系，如大氣電學(xué)同云和降水物理

學(xué)都研究雷暴。既各有側(cè)重，又緊密相關(guān)。

大氣物理學(xué)和大氣科學(xué)其他分支有緊密的聯(lián)系，如大

氣物理過程受到天氣背景的制約，同時(shí)大氣物理研究和探

測(cè)的結(jié)果，又廣泛用于天氣分析和預(yù)報(bào)，所以它和天氣學(xué)

關(guān)系密切；云動(dòng)力學(xué)是大氣物理學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)

物；大氣物理學(xué)的許多內(nèi)容涉及對(duì)氣候變化的研究；大氣

物理學(xué)是大氣探測(cè)和應(yīng)用氣象學(xué)的基礎(chǔ)，而這兩個(gè)學(xué)科的

發(fā)展，又豐富了大氣物理學(xué)的內(nèi)容。例如大氣物理為氣象

雷達(dá)觀測(cè)提供原理依據(jù)，而雷達(dá)的氣象信息則為研究大氣

物理過程提供了豐富的資料。

科學(xué)技術(shù)的許多新成就，推動(dòng)大氣物理學(xué)向前發(fā)展,

又不斷向大氣物理學(xué)提出新的要求，人類在大氣中活動(dòng)頻

繁，有意和無意地影響大氣，使大氣狀態(tài)變得更加復(fù)雜。

如何進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大氣的精細(xì)結(jié)構(gòu)，深入了解大氣三維空間

的演變，有效地利用、妥善地保護(hù)和不斷地改造大氣，是

大氣物理學(xué)長(zhǎng)期的重大任務(wù)。

大氣邊界層物理

大氣邊界層物理學(xué)是研究在大氣邊界層中所發(fā)生的

物理現(xiàn)象的學(xué)科，是大氣物理學(xué)的一個(gè)分支。

在大氣邊界層中，氣象要素分布具有一定的特點(diǎn)，如

近地面層的氣溫、水汽含量和風(fēng)速的鉛直梯度特別大；風(fēng)

速隨高度變化有其特殊規(guī)律等等。

邊界層的大氣，既要受氣壓梯度力、科里奧利力和湍

流粘性力的作用，又要受地面的摩擦作用和由輻射引起的

溫度分布不均勻性的影響，運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，具有渦旋和可

壓縮流體的湍流特征,故大氣邊界層物理是建立在大氣湍

流理論基礎(chǔ)上的。

大氣邊界層物理的主要內(nèi)容包括：大氣邊界層中的湍

流特征；邊界層中各物理量（如動(dòng)量、熱量、水汽等）的湍

流輸送，氣溶膠、二氧化硫、二氧化碳等的湍流擴(kuò)散；大

氣邊界層內(nèi)風(fēng)、溫度、濕度等氣象要素的鉛直分布及隨時(shí)

間的變化規(guī)律；大氣邊界層的輻射傳輸，以及蒸發(fā)、霜、

露等諸天氣現(xiàn)象等問題。

大氣邊界層物理需要一些非常規(guī)的氣象儀器來進(jìn)行

探測(cè)，如氣象塔上安裝的能測(cè)量溫度、風(fēng)速等大氣特性的

儀器，能對(duì)這些氣象要素的脈動(dòng)（頻率約每秒幾周至每分

幾周）快速響應(yīng)的儀器，和直接測(cè)量邊界層通量的儀器等。

在遙感儀器中，聲雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)都是探測(cè)邊界層

的有力工具。

地面的摩擦作用，使大氣邊界層成為大尺度運(yùn)動(dòng)動(dòng)能

的匯。地面的物理量，如動(dòng)量、熱量、水汽含量等，向自

由大氣的輸送，都要通過邊界層。從這種意義上講，大氣

邊界層又是向大氣輸送物理量的源。因此關(guān)于大氣邊界層

的物理知識(shí)，對(duì)大尺度天氣過程的演變、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和氣候

理論等問題的研究，都是很重要的。

大氣邊界層物理的發(fā)展,還與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的

發(fā)展密切相關(guān)。例如：高建筑物的風(fēng)負(fù)荷；波在湍流大氣

中的傳播；對(duì)于原子、化學(xué)、細(xì)菌戰(zhàn)爭(zhēng)的防護(hù)；導(dǎo)彈、火

箭運(yùn)行的氣象保障，新式兵器現(xiàn)場(chǎng)使用的氣象條件的研

究；隨著工業(yè)發(fā)展而出現(xiàn)的大氣污染，大氣公害問題的研

究；農(nóng)作物生長(zhǎng)的氣象條件的研究等；都與大氣邊界層物

理的研究有關(guān)。

大氣科學(xué)分支學(xué)科全介紹（3）

動(dòng)力氣象學(xué)

動(dòng)力氣象學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)定律研究大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力

和熱力過程，以及它們的相互關(guān)系，從理論上探討大氣環(huán)

流、天氣系統(tǒng)和其他大氣運(yùn)動(dòng)演變規(guī)律的大氣科學(xué)的分支

學(xué)科。

空氣是一種流體,如果說流體力學(xué)研究的是流體運(yùn)動(dòng)

的一般規(guī)律，那么動(dòng)力氣象學(xué)研究的則是發(fā)生在自轉(zhuǎn)地球

上、并且密度隨高度遞減的空氣流體運(yùn)動(dòng)的特殊規(guī)律。從

這個(gè)意義上說，它又是流體力學(xué)的一個(gè)分支。

在動(dòng)力氣象學(xué)中，常要考慮大氣中的熱源和各種形式

能量的轉(zhuǎn)換問題。大氣運(yùn)動(dòng)的根本能量來自太陽(yáng)輻射能，

大氣和地球表面吸收太陽(yáng)輻射能后，轉(zhuǎn)化成大氣的重力勢(shì)

能和內(nèi)能，或稱全勢(shì)能。像通常的熱機(jī)一樣，其中的一部

分可以轉(zhuǎn)換成大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，這部分可以轉(zhuǎn)換的全勢(shì)能

稱為有效勢(shì)能。據(jù)估計(jì)，在重力場(chǎng)中，能夠轉(zhuǎn)換的那部分

勢(shì)能僅占全勢(shì)能的0.5%左右，也就是說，大氣是一部效

率很低的熱機(jī)，所以大氣運(yùn)動(dòng)的水平速度是不大的。

如果研究的是大尺度的大氣運(yùn)動(dòng)，則需要引進(jìn)一個(gè)與

地球自轉(zhuǎn)有關(guān)的科里奧利力，在這個(gè)力的作用下，使一般

流體力學(xué)中的，在梯度壓力作用下，流體自高壓向低壓運(yùn)

動(dòng)的現(xiàn)象，發(fā)生了根本的改變：在北半球使原來從高氣壓

向低氣壓運(yùn)動(dòng)的空氣向右偏轉(zhuǎn)到接近與等壓線平行的方

向，若觀察者順風(fēng)而立，高壓在其右側(cè)，低壓在其左側(cè)，

在南半球則相反。

一般情況下，大尺度運(yùn)動(dòng)中的水平氣壓梯度力和科里

奧利力接近平衡,稱地轉(zhuǎn)平衡。這樣的運(yùn)動(dòng)稱準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),

準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的水平加速度是很小的。另外，在鉛直方向，

由于大氣對(duì)流層的鉛直尺度只有10公里左右，在這一特

殊條件下，重力和鉛直氣壓梯度力接近平衡，這種平衡稱

為靜力平衡。

處在靜力平衡或準(zhǔn)靜力平衡狀態(tài)下的大尺度大氣運(yùn)

動(dòng)，其鉛直方向的加速度小到通常可以忽略不計(jì)的程度。

但一些水平尺度較小的大氣運(yùn)動(dòng)，如龍卷對(duì)流云等，其鉛

直加速度則不可忽略。有人把研究發(fā)生在地球上具有上述

特征的運(yùn)動(dòng)（包括大氣運(yùn)動(dòng)和海洋運(yùn)動(dòng)等），稱為地球物理

流體力學(xué)。

動(dòng)力氣象學(xué)雖然可以看成是流體力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)

科，但由于上述大氣運(yùn)動(dòng)的特殊性，動(dòng)力氣象學(xué)在研究?jī)?nèi)

容和研究方法上又有自身的特點(diǎn)。它需要針對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的

不同對(duì)象及其特點(diǎn)，在一般流體力學(xué)方程組中增加反映其

特有物理過程的方程，如水的相變方程、輻射能傳輸方程

等。按動(dòng)力氣象學(xué)研究的內(nèi)容，又可以分成若干分支學(xué)科,

如大氣動(dòng)力學(xué)、大氣熱力學(xué)、大氣環(huán)流、大氣端流、數(shù)值

天氣預(yù)報(bào)、大氣運(yùn)動(dòng)數(shù)值試驗(yàn)、大氣運(yùn)動(dòng)，模型實(shí)驗(yàn)等。

近代動(dòng)力氣象學(xué)起源于北歐，在20世紀(jì)20年代，提

出了鋒面氣旋學(xué)說，形成了以皮耶克尼斯為代表的挪威學(xué)

派。相應(yīng)地在蘇聯(lián)，也有以柯欽為首的一系列工作。到

30年代，由于無線電探空儀的使用，對(duì)高空的大氣運(yùn)動(dòng)

形式有了新的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了中緯度高空的大氣環(huán)流在自西

向東的繞極運(yùn)動(dòng)（指北半球）之上，疊加有波長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里

的波動(dòng)。這些波動(dòng)除有自身的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還與低

空的鋒面氣旋存在內(nèi)在的聯(lián)系。

對(duì)于這種波動(dòng)現(xiàn)象,瑞典氣象學(xué)家羅斯比首先在理論

上指出，這是由于科里奧利參數(shù)隨緯度變化造成的，從而

提出了長(zhǎng)波理論。這是動(dòng)力氣象學(xué)歷史上的一個(gè)重大發(fā)

展，并由此引出一系列研究，從而形成了以羅斯比為首的

芝加哥學(xué)派。

除行星波外，芝加哥學(xué)派的主要貢獻(xiàn)有：提出了大氣

運(yùn)動(dòng)的地轉(zhuǎn)適應(yīng)；行星波的能量頻散；西風(fēng)帶急流的形成

理論及其在大氣環(huán)流中的重要作用；行星波的正壓和斜壓

不穩(wěn)定性。芝加哥學(xué)派對(duì)動(dòng)力氣象學(xué)的貢獻(xiàn)為數(shù)值天氣預(yù)

報(bào)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)50年代以來，在中小系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、熱帶波動(dòng)、

大氣環(huán)流和氣候形成的數(shù)值模擬等方面取得了新的成就。

至60年代，短、中期數(shù)值預(yù)報(bào)已成為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的一種主

要方法。

中國(guó)在開展動(dòng)力氣象學(xué)研究方面的創(chuàng)始人是趙九章,

他曾經(jīng)早在20世紀(jì)30年代就提出了信風(fēng)形成的熱力學(xué)理

論，并最早提出了行星波斜壓不穩(wěn)定性的概念。

過去動(dòng)力氣象學(xué)研究的主要對(duì)象以及所取得的重要

成果，著重在中、高緯度的大尺度運(yùn)動(dòng)方面。近年來，隨

著觀測(cè)工具的進(jìn)步和觀測(cè)資料的豐富，天氣學(xué)又對(duì)中小尺

度天氣系統(tǒng)和熱帶大氣運(yùn)動(dòng)等揭露了很多新的現(xiàn)象。相應(yīng)

地，動(dòng)力氣象學(xué)在研究中小尺度運(yùn)動(dòng)、熱帶大尺度運(yùn)動(dòng)以

及子流層大氣運(yùn)動(dòng)等方面也取得了新的成果，其中如臺(tái)風(fēng)

發(fā)展的動(dòng)力學(xué)研究，熱帶羅斯比一重力混合波的動(dòng)力學(xué)研

究等。

當(dāng)前,隨著對(duì)全球大氣環(huán)流和氣候的形成及其變化的

研究，動(dòng)力氣象學(xué)研究的對(duì)象已不只局限于大氣本身，而

需要把發(fā)生在海洋和陸地中的過程統(tǒng)一起來考慮了。

云和降水物理學(xué)

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是利用云室和風(fēng)洞等裝置,在精確控制的溫

度、壓力、濕度和風(fēng)等條件下，對(duì)云和降水粒子的生成、

增長(zhǎng)等過程，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，將其結(jié)果同外場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果相

互驗(yàn)證。

理論研究是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)

用數(shù)學(xué)和物理的基本規(guī)律，建立云和降水的理論模式，利

用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，定量研究云和降水的過程。

云和降水是在一定的天氣形勢(shì)條件下產(chǎn)生和發(fā)展的，

大部分重要的天氣現(xiàn)象，如雷暴、冰雹、龍卷以及暴雨、

梅雨、臺(tái)風(fēng)、連陰雨等，都與云和降水有關(guān)，所以云和降

水物理學(xué)與天氣學(xué)有密切的關(guān)系；從另外的角度看，云和

降水過程是地球大氣的熱量、水分和動(dòng)量平衡的關(guān)鍵因

素，它不僅影響到局地的和短期的天氣過程，也影響到大

氣環(huán)流和全球氣候的變化；此外，云和降水還會(huì)影響大氣

污染、大氣雷電和電磁波的傳播。因此，云和降水物理學(xué)

與氣候?qū)W、動(dòng)力氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣探測(cè)和大氣化

學(xué)等分支學(xué)科，以及應(yīng)用技術(shù)都有密切的關(guān)系。

由于人工影響天氣的主要途徑是影響云和降水的微

物理過程，因此云和降水物理學(xué)是人工影響天氣的理論基

礎(chǔ)；反過來，人工影響天氣試驗(yàn)的廣泛開展，又大大地促

進(jìn)了云和降水物理學(xué)的發(fā)展，并豐富了它的內(nèi)容。

隨著儀器裝備的革新、現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用、探測(cè)資

料的積累和理論研究的不斷深入,云和降水物理學(xué)無論在

微物理學(xué)方面，還是在宏觀動(dòng)力學(xué)方面，都有不少進(jìn)展。

但由于云和降水的過程極其復(fù)雜，它包括了從尺度小于一

微米的云核，直到尺度達(dá)千公里的云系之間的許多物理過

程，因此，無論在探測(cè)和實(shí)驗(yàn)方面，還是在理論方面，都

還待進(jìn)一步的深入研究。

云動(dòng)力學(xué)

云動(dòng)力學(xué)是研究云的熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律的

學(xué)科，它是云和降水物理學(xué)的組成部分，同云和降水微物

理學(xué)的關(guān)系十分密切。

云的宏觀動(dòng)力過程為微物理過程提供了背景，決定了

后者的進(jìn)行速率、持續(xù)時(shí)間和空間范圍；反過來，微物理

過程中水分相變潛熱的釋放，和降水粒子的拖曳作用，對(duì)

云的宏觀動(dòng)力過程又有重要的影響。

云動(dòng)力學(xué)是一門年輕的學(xué)科，由于取得積云尺度(1?

10公里)和層狀云尺度(10²~10³公里)空氣運(yùn)

動(dòng)的資料很困難，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)又不好模擬，因此對(duì)云的動(dòng)力

過程的了解仍很膚淺。從二十世紀(jì)60年代以來，各種新

的雷達(dá)技術(shù)、現(xiàn)代化數(shù)據(jù)處理方法，以及數(shù)值模式等成果

的采用，推動(dòng)了這門學(xué)科迅速發(fā)展。

因?yàn)閷訝钤坪头e狀云的水平尺度和動(dòng)力過程都有顯

著的差別，所以云動(dòng)力學(xué)分為層狀云動(dòng)力學(xué)和積云動(dòng)力學(xué)

兩個(gè)分支。

層狀云動(dòng)力學(xué)主要研究層狀云中各種尺度的動(dòng)力、熱

力結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律。層狀云是在氣流輻合而緩慢抬升、

湍流混合和輻射冷卻等過程中形成的，其中以氣流輻合抬

升最為重要。大范圍的降水層狀云系，一般都同氣旋、鋒

和切變線等天氣系統(tǒng)相聯(lián)系。層狀云系的上升氣流運(yùn)動(dòng)速

度約為每秒幾厘米，它同地面雨強(qiáng)約為每小時(shí)一毫米的降

水區(qū)相對(duì)應(yīng)。

夏季，由于對(duì)流的發(fā)展，在層狀云系中往往觀測(cè)到積

狀云，形成層狀一積狀復(fù)合云系，其熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)更為

復(fù)雜。這類復(fù)合云系有時(shí)能產(chǎn)生暴雨，一天的降雨量可達(dá)

幾百毫米。層狀云中各種尺度的熱力結(jié)構(gòu)和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，對(duì)

降水的形成過程起著十分重要的作用，必須加強(qiáng)對(duì)它們的

細(xì)致觀測(cè)。至于云內(nèi)外不同尺度的空氣運(yùn)動(dòng)和各種作用力

的關(guān)系，還有待于探索和研究。

積云動(dòng)力學(xué)主要研究積云（包括淡積云、濃積云、積

雨云等整個(gè)積狀云）的熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)，各種作用力和積

云內(nèi)外的空氣運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

積云的水平尺度和鉛直尺度具有同一數(shù)量級(jí)，約為

1~10公里。積云發(fā)展的完整過程一般經(jīng)歷三個(gè)階段：發(fā)

展階段時(shí)，云頂向上發(fā)展，云中盛行上升氣流，其速度為

1~20米/秒；成熟階段時(shí)，云頂高度變化很小，云中除

上升氣流外，局部出現(xiàn)有系統(tǒng)的下沉氣流，降水產(chǎn)生并發(fā)

展；消散階段時(shí)，云體逐漸消散或轉(zhuǎn)化為層狀云，云內(nèi)盛

行下沉氣流，降水維持，轉(zhuǎn)而停止。

積云的生命一般為幾十分鐘到兩小時(shí),特別強(qiáng)盛的積

雨云可持續(xù)幾小時(shí)，其水平范圍可達(dá)四十公里，常產(chǎn)生強(qiáng)

烈的降水、冰雹、雷暴和大風(fēng)天氣。

影響積云發(fā)展的主要因素有大氣溫度直減率；近地面

層大氣的不均勻加熱和水平輻合；積云同環(huán)境在熱量、動(dòng)

量和水分的混合交換（又稱夾卷）；云的微物理過程；環(huán)境

風(fēng)的鉛直切變、低層空氣和水汽的輻合、積云周圍空氣的

補(bǔ)償下沉運(yùn)動(dòng)等。它們對(duì)積云發(fā)展有明顯的影響。

從二十世紀(jì)40年代以來，人們提出了氣塊模式、氣

柱模式、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)模式等幾種積云理論模式。這些理論模式,

一般包括積云動(dòng)力方程、熱力學(xué)方程、連續(xù)方程，以及反

映云和降水微物理過程的方程組等。它們是十分復(fù)雜的非

線性方程組，一般用電子計(jì)算機(jī)求解。

理論模式的計(jì)算，已能在不同程度上模擬積云的結(jié)

構(gòu)、演變以及降雨、降雹等過程，并開始應(yīng)用于人工降水、

人工防雹等試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和效果的檢驗(yàn)方面。從二十世紀(jì)

70年代以來，對(duì)幾個(gè)積云的合并、中尺度環(huán)境同積云的

相互作用等問題的理論研究，已取得了進(jìn)展。

云和降水微物理學(xué)

云和降水微物理學(xué)是研究云粒子（云滴、冰晶）和降水

粒子（雨滴、雪花、霰粒、雹塊等）的形成、轉(zhuǎn)化和聚合增

長(zhǎng)的物理規(guī)律的學(xué)科。它是云和降水物理學(xué)的重要組成部

分，又是人工影響天氣的理論基礎(chǔ)。

大氣中的水汽凝結(jié)而成的云滴很小，半徑大約10微

米，濃度為每升一萬(wàn)至一百萬(wàn)個(gè)，下降的速度約1厘米/

秒，通常比云中上升的氣流速度小得多，因而云滴不能落

出云底。即使離開云底而下降，也會(huì)在不飽和的空氣中迅

速蒸發(fā)而消失。只有當(dāng)云滴通過各種微物理過程，集聚和

轉(zhuǎn)化成為降水粒子后，才能降落到地面。

成云致雨要經(jīng)過一系列復(fù)雜的微物理過程：濕空氣上

升膨脹冷卻，其中的水汽達(dá)到飽和，并在一些吸濕性強(qiáng)的

云凝結(jié)核上，凝結(jié)而成初始云滴的凝結(jié)核化過程；云中的

過冷水滴或水汽，在冰核上凍結(jié)或凝華以及在-40℃以下,

自然凍結(jié)成初始冰晶胚胎的冰相生成過程;水汽在略高于

飽和的條件下時(shí)，在云滴（冰晶）上進(jìn)一步凝結(jié)（凝華），使

云滴（冰晶）長(zhǎng)大的凝結(jié)增長(zhǎng)過程（凝華增長(zhǎng)過程）；云內(nèi)尺

度較大的云滴，在下落過程中與較小的云滴碰并而長(zhǎng)大的

重力碰并過程；冰晶和過冷水滴同時(shí)存在時(shí)，因?yàn)檫^冷水

滴的飽和水汽壓比冰面的大，造成過冷水滴逐漸蒸發(fā)，而

冰晶則由于水汽的凝華而逐漸長(zhǎng)大的冰晶過程。降水粒子

的尺度大約是云滴的一百倍，但其濃度卻僅為云滴的百萬(wàn)

分之一。

云滴由于受表面張力作用，通常呈球形。球形純水滴

表面的飽和水汽壓，高于平水面的飽和水汽壓。以半徑為

0.01微米的水滴為例，其飽和水汽壓超過平水面的

12.5%。在沒有任何雜質(zhì)的純凈空氣中，初始的云滴只能

靠水汽分子隨機(jī)碰撞而生成。靠分子隨機(jī)碰撞而產(chǎn)生云滴

的可能性隨著尺度增大而變小。

微小的初始云滴，只有在相對(duì)濕度達(dá)百分之幾百的環(huán)

境中才不致蒸發(fā)。但實(shí)際大氣的水汽含量很少能夠超過飽

和值的1%。因此，在沒有雜質(zhì)的純凈空氣中是難以直接

形成云滴的。事實(shí)上，大氣中存在著各種凝結(jié)核，這為凝

結(jié)成云滴提供了條件。

云凝結(jié)核可分