气象学

研究大气及其物理现象的科学

气象学是把大气当作研究的客体，从定性和定量两方面来说明大气特征的学科，集中研究大气的天气情况和变化规律和对天气的预报。

简介

气象学（meteorology）

气象学是把大气当做研究的客体，从定性和定量两方面来说明大气特征的学科，集中研究大气的天气情况和变化规律和对天气的预报。气象学是大气科学的一个分支。

李正禾编写的《中国气象学简史》中认为气象学是自然科学的发生和发展的开始，自然科学与应用技术推进了大气科学理论的科学化和系统化，逐渐出现了天气学、大气动力学、气候学诸多学科。研究大气中物理现象和物理过程及其变化规律的科学。气象学的研究领域很广，研究方法的差异很大。

研究的任务

气学、动力气象学、气候学等等。随着生产的发展，气象学的应用日益广泛，又相继出现海洋气象学、航空气象学，农业气象学、森林气象学、污染气象学等应用学科。现代科学技术在气象学领域的应用，又有新的分支学科出现，如雷达气象学、卫星气象学、宇宙气象学等。气象学是一门和生产、生活密切相关的涉及许多学科的应用科学。

研究的任务

观测

和研究各种各样的大气现象，大气层与下垫面之间的相互作用及人类活动所产生的气象效应。

解释

系统地，科学地解释这些现象，作用和效应,阐明它们的发生和演变规律。

分析

根据所认识的规律分析，诊断和预测过去,现在和未来的天气。气候，为国民经济和人们的日常生活服务。

依据

从理论和实践上探索和模拟认为的天气过程、人为气候环境，为人工影响天气，气候提供科学依据。

历史

第一位建立气象学的人是古希腊哲学家亚里士多德。在他的专书《气象汇论》中，他最先叙述和粗浅地解释了风、云、雨、雪、雷、雹等天气现象，而这书是世界上最早的气象书籍。直到18-19世纪，由于物理学和化学的发展以及气压、温度、湿度和风等测量仪器的陆续发明，使大气科学研究由单纯的描述进入了可以定量分析的阶段。1820年，德国人布德兰绘制了第一张地面天气图，开创了近代天气分析和预报方法。1835年，法国人科利奥里提出风偏转的概念；而1857年荷兰人白贝罗提出风和气压的关系，他们的概念都成为大气动力学和天气分析的基础。

1920年前后，挪威的皮耶克尼斯父子提出了一套名为“极锋学说”的理论，来说明中纬度地区的天气变化情况。这套理论在1920年代发表之后，至今已有70多年，但仍然是今日作天气预报的主要理论依据，亦为分析和预报未来1-2天的天气奠定了理论基础。1930年代，无线电探空仪的广泛使用，真正开始了三维空间的大气科学研究。根据大量探资料绘制的高空天气图，发现了大气长波。1939年罗斯贝提出了长波动力学，他的理论亦对天气预报有莫大的贡献。到了20世纪50年代至60年代，电脑、天气雷达，卫星和遥感的技术的应用，使大气的各种现象，大至大气环流，小至雨滴的形成过程，都可依照物理学和化学的数学形式来表示，从而使大气科学有了突飞猛进的发展。

发展的进程

萌芽时期

萌芽时期主要指16世纪中叶以前这一漫长时期，这时期的特点是由于人类生活和生产的需要，进行一些零星的，局部的气象观测，积累了一些感性认识和经验，对某些天气现象做出一定的解释。

中国在这一时期，在此领域中有不少成就，而且是居于世界领先行列的。远在三千年前，殷代甲骨文中已有关于风、云、雨、雪、虹、霞、龙卷、雷暴等文字记载，还常卜问未来十天的天气（称为“卜旬”），并将实况记录下来以资验证。春秋战国时代已能根据风、云、物候的观测记录，确定廿四节气，对指导黄河流域的农业生产季节意义很大，并沿用到现代。秦汉时代还出现了《吕氏春秋》、《淮南子》和《礼记》等内容涉及物候的书籍，这些都是世界上最早关于物候的文献。

气象观测仪器也是中国的最早发明。在西汉时（公元前104年），已盛行伣、铜凤凰和相风铜鸟等三种风向器，到唐代又发展到在固定地方用相风鸟，在军队中用鸡毛编成的风向器测风。欧洲到20世纪才有用候风鸟测风的记载。在西汉时还利用羽毛、木炭等物的吸湿特性来测量空气湿度。宋代曾有僧赞宁（公元10世纪）利用土炭湿度计来预报晴雨。关于降水的记录亦以中国最早，据《后汉书》记载，在当时曾要求所辖各郡国，每年从立春到立秋这段时间内，向朝廷汇报雨泽情况，此后历代对各地雨情都很重视。所以中国的雨量和水旱灾记录丰富，历史亦最悠久。由于生产和生活的需要，人类迫切要求预知未来天气的变化，并在长期观测实践中，积累了不少经验。这些经验被用简短的韵语来表达，以便于记忆和运用，这就是天气谚语。中国天气谚语是极丰富的，除一部分封建迷信的内容外，大多是历代劳动人民看天经验的结晶。唐代黄子发的“相雨书”，元末明初出现的娄元礼编的《田家五行》和明末徐光启编写的《农政全书占候》都是总结群众预报天气经验的著作。

在国外，气象学的萌芽也很早，公元前4世纪希腊大哲学家亚里士多德（Aristotle）所著《气象学》（Meteorolosis）一书（约在公元前350年）综合论述水、空气和地震等问题对大气现象也作了适当的解释。现在气象学的外文名字就是从亚里斯多德的原书名演变而来的。

总之，在气象学萌芽时期，中国和希腊是露过锋芒的，这时从学科性质来讲，气象学与天文学是混在一起的，可以说具有天象学的性质。

发展初期

发展初期包括16世纪中叶到19世纪末。这时由于欧洲工业的发展，推动了科学技术的发展，物理学、化学和流体力学等随着当时工业革命的要求，也快速发展起来。又由于航海技术的进步，远距离商业与探险队的活动，扩大了人们的视野，地理学乃蓬勃兴起，这就为介于物理学与地理学之间的边缘科学——气象学、气候学的发展奠定了基础。再加上这一段时间内气象观测仪器纷纷发明，地面气象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网，并因无线电技术的发明，能够开始绘制地面天气图。由于具备了这些条件，气象学、气候学乃与天文学逐渐分离，成为独立的学科。

1593年意大利学者伽利略（Galileo）发明温度表，1643年意大利学者托里拆利（Torricelli）发明气压表。这两种重要仪器的出现，使气象观测大大向前跃进一步。特别是气压与天气变化的关系最直接，气压表当时曾被誉为天气的“眼睛”。1783年索修尔（Saussure）发明毛发湿度表，有了这些仪器就为建立气象台站提供了必要的条件。1653年在意大利北部首先建立气象台，此后其它国家亦相继建立地面气象观测站，开始积累气象资料。但这时只有一些分散性的研究，缺少国际合作与交流。1854年，美法与帝俄在克里木半岛发生战争。英法联军舰队在黑海途中因风暴失事，近于全军覆没。这件事引起有关国家的重视。事后根据有关台站气象观测记录，发现此次风暴是由西欧移向东欧的。因此当时人们认为，如能广泛建立气象台站网，并通过电讯联系，则可预测未来的天气变化，并可采取相应的预防措施，以减少灾害性天气对各方面所造成的损失。这种认识为气象界的国际合作打开了局面，并促进了天气分析工作的开展。

随着无线电报的发明和应用，使气象观测的结果能很快地传达到各地。为绘制天气图创造了条件。在1860—1865年间各国纷纷绘出了天气图。有了天气图这个工具，使气象学的发展大大向前跨进了一步。这一时期气象学与气候学的主要研究成果有：关于海平面上风压关系定律，气旋模式和结构，大气中光电现象和云雨形成的初步解释，大气环流的若干现象解释等。从19世纪开始，陆续出版了一些比较有质量的气候图，如世界年平均气温分布图，世界月平均气压分布图，世界年降水量分布图等。此外，德国学者汉恩（Hann）于1883年开始陆续出版了《气候学手册》三大卷，这是气候学上最早的巨著。

中国气象学虽有悠久的历史，在萌芽时期曾处于世界先进行列，但由于封建统治的压抑，生产水平低下，气象学处于长期停顿状态。在这一时期，帝国主义为了侵略中国，纷纷在中国设立气象观测机构，收集气象资料为其军事，经济侵略服务。最早来中国境内，用近代气象仪器进行气象观测的是法国传教士，他于1743年在北京设立测候所。其后从1830年起俄国又断断续续地派人来北京做气象观测。1873年法国天主教会在上海徐家汇创建观象台，1893年德国人在山东青岛建立青岛观象台，此外还有在英国人掌握之下的海关测候所等共43处（都位于沿海，沿江的港口），他们都为各自的军事、航行、商船服务，中国政府无权过问，这时中国的气象事业完全是半殖民地性质的。

发展时期

从20世纪以来是气象学的发展时期。这一时期总的特点是：随着生产发展的需要和技术的进步，不但进行地面气象观测，也进行高空直接观测，从而摆脱了定性描述阶段，进入到定量试验阶段，从认识自然，逐步向预测自然，控制和改造自然的方向发展。这一时期又可分为早期和近期两个阶段。

1．早期在20世纪的前50年。这时气象观测开始向高空发展，以风筝，带人气球及火箭等为高空观测工具，其所到达的高度当然是有限的，但已为高空气象学的发展奠定了基础。在此期间气象学的发展中有三大重要进展。

（1）锋面学说：在第一次世界大战期间，由于相邻国家气象资料无法获得，挪威建立了比较稠密的气象网。挪威学者贝坚克尼父子（V.Bjerknes和J.Bjerknes）等应用物理学和流体力学的理论，通过长期的天气分析实践，创立了气旋形成的锋面学说，从而为进行1—2天的天气预报奠定了物理基础。

（2）长波理论：20世纪30—40年代，由于要求能早期预报出灾害性天气，再加上有了无线电探空和高空测风的普遍发展，能够分析出较好的高空天气图。瑞典学者罗斯贝（Rossby）等研究大气环流，提出了长波理论。它既为进行2—4天的天气预报奠定了理论基础，同时也使气象学由两度空间真正发展为三度空间的科学。

（3）降雨学说：在20世纪30年代，贝吉龙-芬德生（Bergeron-Findeison）从研究雨的形成中，发现云中有冰晶与过冷却水滴共存最有利于降雨的形成，从而提出了降雨学说。1947年又发现干冰和碘化银落入过冷却水滴中可以产生大量冰晶，这就为人工影响冷云降水提供了途径。进一步研究还发现在热带暖云中由于大，小水滴碰并也可导致降雨，这又为人工影响暖云降水奠定了理论基础。由此人类开始从认识自然进入人工影响局部天气时代。

2．近期

20世纪50年代以后为近期。由于电子计算机和新技术如雷达、激光、遥感及人造卫星等的使用，大大地促进了气象学与气候学的发展。其主要表现如下：

（1）开展大规模的观测试验

在50年代以前，国际上曾在1882年和1932年组织过两次对南北极区进行气象考察，称为国际极年，并取得了一些高空气象和太阳与地球关系的资料。在50年代以后又进行过多次至少有几十个国家参加的大规模大气观测试验，而且规模一次比一次大。例如1977年12月—1979年11月进行的一次大规模大气观测试验，有一百多个国家参加，其中也有中国参加。这次全球大气试验是以5个同步卫星和2个近极地轨道卫星为骨干，配合气象火箭，并与世界各地常规的地面气象观测站、自动气象站、飞机、船舶、浮标站和定高气球等相结合，组成几个全球性的较完整的立体观测系统。这一全球性观测计划是试图解决10—14天之间的天气预报，进一步了解天气现象形成的物理过程和物理原因。

（2）对大气物理现象进行数值模拟试验气象学，气候学不像物理，化学那样可以在室内进行实验，而是以地球的大气层作为实验室。有了电子计算机才可能广泛地对各种大气物理现象进行精确的，定量的数值模拟试验，如从全球性环流到云内雨滴的生成过程都进行试验，并把云雾中的微观过程和动力的宏观过程结合起来，使气象学进入试验科学阶段。

（3）把大气作为一个整体进行研究把对流层与平流层中，高纬地区与低纬地区，南半球与北半球结合起来研究，这在气象学与气候学的发展上又是一大跃进。人类对大气中的化学现象与化学过程也进行了多年的观测，分析和研究，并已形成了气象学中一个新支派——大气化学。特别是近年来对大气污染的监测，探讨环境保护的措施，更促进了大气化学的进展。

解放后，中国气象事业得到迅速发展。在第一个五年计划期间，中国共建立了各级气象台站1378个，到1957年底中国各级气象台站已达1635个，比解放初期增加近22倍。40余年来兴建的天气和气候站网已遍布中国。中国的气象学与气候学研究进入了高度发展的时期。在基础理论方面，如大气环流和动力气象的研究，在天气学方面如中国天气，高原气象等研究，在卫星气象方面，如甚高分辨云图接受器的研制，卫星气象学和探测原理等研究都取得了显著的进展。在人工影响天气方面已开展了云雾物理，人工降水和人工消雹等工作，并已取得较好的效果。

未来发展

随着科学技术的发展，气象观测仪器的发明、探测手段、通信装备及计算工具的发展，人类对大气现象探索的扩大及加深，使之逐步发展为科学的气象学。20世纪以来，现代科学技术新成果在气象科学领域广泛应用，使气象科学进入崭新时期。如电子技术的引进，使大气探测走向自动化、遥感化、系统化；天气雷达的出现使气象工作者能监测、追踪强风暴的移动和发展；电子计算机的应用，使数值预报变为现实，使天气预报走向客观化、定量化；气象卫星的应用，填补了沙漠、高原、海洋等地区的气象资料；空间技术的发展，使大气的研究向宇宙空间扩展，人类可从外层空间俯瞰地球大气等等。当前，随着信息科学的发展，世界正面临以微电子技术、新材料、新能源及海洋技术为主要标志的新技术革命，必将促进气象科学的飞速发展。

研究对象

由于地球的引力作用，地球周围聚集着一个气体圈层，构成了所谓大气圈。

大气的分布是如此之广，以致地球表面没有任何地点不在大气的笼罩之下；它又是如此之厚，以致地球表面没有任何山峰能穿过大气层，而且就以地球最高峰珠穆朗玛峰的高度来和大气层的厚度相比，也只能算是“沧海之一粟”。人类就生活在大气圈底部的“下垫面”上。大气圈是人类地理环境的重要组成部分。

地球是太阳系的一个行星，强大的太阳辐射是地球上最重要的能源。这个能源首先经过大气圈而后到达下垫面，大气中所发生的一切物理（化学）现象和过程，除决定于大气本身的性质外，都直接或间接与太阳辐射和下垫面有关。这些现象和过程对人类的生活和生产活动关系至为密切。人类在长期的生产实践中不断地对它们进行观测、分析、总结，从感性认识提高到理性认识，再在生产实践中加以验证、修订，逐步提高，这就产生了专门研究。

大气现象和过程，探讨其演变规律和变化，并直接或间接用之于指导生产实践为人类服务的科学——气象学。

气象学的领域很广，其基本内容是：

（1）把大气当作研究的物质客体来探讨其特性和状态，如大气的组成、范围、结构、温度、湿度、压强和密度等等。

（2）研究导致大气现象发生，发展的能量来源，性质及其转化。

（3）研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求控制其发生，发展和变化的规律。

（4）探讨如何应用这些规律，通过一定的措施，为预测和改善大气环境服务（如人工影响天气、人工降水、消雾、防雹等），使之能更适合于人类的生活和生产的需要。

由于生产实践对气象学所提出的要求范围很广，气象学所涉及的问题很多，在气象学上用以解决这些问题的方法差异很大，再加上随着科学技术发展的日新月异，气象学乃分成许多部门。

研究方法

研究的方法主要有四种，分别为观测研究、理论研究、数值模式研究及实验研究：

观测研究

观测研究是借观测去了解不同的大气现象，可以说是气象学理论的其中一块基石，亦是一般气象爱好者所关注的。观测方法亦有很多种，气象站、高空气球、卫星云图、雷达回波图等。观测研究不只是观测，也有一定程度的归纳和分析，例如一句“明天转冷”，便是一种分析。此外，绘制天气图、整理热带气旋路径、气候区域分类等，亦是观测研究所要做的。

理论研究

理论研究有三大部分，除观测外，物理和数学对理论研究亦很重要。理论可以从两方面产生，一方面是从观测数据中直接建立出来的，例如分析热带气旋强度的德沃扎克分析法，另一方面是从物理理论或其他气象理论演化出来的，例如地转方程、气压梯度方程等。物理理论很多时需要数学的帮助，反过来说，数学语言有时更能使人们明白物理和气象理论。

数值模式研究

数值模式研究是较少人所认识的，它们都需要相当的理论知识、电脑程序技巧和实验技巧。数值模式研究会把不同的物理和气象方程，以电脑程序的方式放进电脑里，再计算出未来温度、湿度、气压、风向等变化，以协助天气预报或理论研究。

实验研究

实验研究同样是较少人所认识的，实验研究因数值模式研究的出现而比往日式微，但亦有其存在价值，例如要验证某些理论，数值模式研究是做不到的。

主题现象

1．云、气团

2．云的分类

低云、中云、高云、直展云

3．天气预报

降水、大气压、露点、锋面、急流

4．气旋和反气旋

飓风或台风

温带气旋

副热带高气压

5．雷暴

闪电、雷、冰雹、龙卷风、大气对流、雹暴

6．气候，厄尔尼诺现象，拉尼娜

季风、洪水、干旱

7．天气现象

降水、雾、雪、雨凇、雾凇、露、霜、飑、雨夹雪、沙尘暴、极光、阵雨、霰、冰雹、冰粒、霾、龙卷、冰针

其它：

暴风雪、暴雨

气象测量仪表和设备

风速计、风力计、气压计、湿度计、温度计、雷达、人造卫星、多普勒雷达、雨量计、风向标

气象分支

气象学分成许多分支学科：大气物理学、天气学、动力气象学、气候学等等。随着生产的发展，气象学的应用日益广泛，又相继出现海洋气象学、航空气象学，农业气象学、森林气象学、污染气象学等应用学科。现代科学技术在气象学领域的应用，又有新的分支学科出现，如雷达气象学、卫星气象学、宇宙气象学等。气象学是一门和生产、生活密切相关的涉及许多学科的应用科学。

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