天氣現象 ◎第二章 大氣科學（1）

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\"氣象學\\n\\n：\\n\\n研究大氣及其物理現象的科學。隨著研究領域的擴大，20世紀60年代氣象學已發展為大氣科學。\\n\\n氣象學是把大氣當作研究的客體，從定性和定量兩方麵來說明大氣特征的學科，集中研究大氣的天氣情況和變化規律和對天氣的預報。\\n\\n氣象學是把大氣當作研究的客體，從定性和定量兩方麵來說明大\\n\\n農業氣象學氣特征的學科，\\n\\n集中研究大氣的天氣情況和變化規律和對天氣的預報。氣象學是大氣科學的一個分支。\\n\\n研究大氣中物理現象和物理過程及其變化規律的科學。氣象學的研究領域很廣，研究方法的差異很大。氣象學分成許多分支學科：大氣物理學、天氣學、動力氣象學、氣候學等等。隨著生產的發展，氣象學的應用日益廣泛，又相繼出現海洋氣象學、航空氣象學，農業氣象學、森林氣象學、汙染氣象學等應用學科。現代科學技術在氣象學領域的應用，又有新的分支學科出現，如雷達氣象學、衛星氣象學、宇宙氣象學等。氣象學是一門和生產、生活密切相關的涉及許多學科的應用科學。\\n\\n研究的任務\\n\\n1、觀測\\n\\n和研究各種各樣的大氣現象，大氣層與下墊麵之間的相互作用及人類活動所產生的氣象效應\\n\\n2、解釋\\n\\n係統地,科學地解釋這些現象，作用和效應,闡明它們的發生和演變規律\\n\\n3、分析\\n\\n根據所認識的規律分析，診斷和預測過去,現在和未來的天氣。氣候，為國民經濟和人們的日常生活服務\\n\\n4、依據\\n\\n從理論和實踐上探索和模擬認為的天氣過程,人為氣候環境，為人工影響天氣,氣候提供科學依據.\\n\\n曆史\\n\\n動力氣象學\\n\\n第一位建立氣象學的人是古希臘哲學家亞裡士多德。在他\\n\\n動力氣象學的專書《氣象彙論》\\n\\n中，他最先敘述和粗淺地解釋了風、雲、雨、雪、雷、雹等天氣現象，而這書是世界上最早的氣象書籍。直到18-19世紀，由於物理學和化學的發展以及氣壓、溫度、濕度和風等測量儀器的陸續發明，使大氣科學研究由單純的描述進入了可以定量分析的階段。1820年，德國人佈德蘭繪製了第一張地麵天氣圖，開創了近代天氣分析和預報方法。1835年，法國人科利奧裡提出風偏轉的概念；而1857年荷蘭人白貝羅提出風和氣壓的關係，他們的概念都成為大氣動力學和天氣分析的基礎。\\n\\n1920年前後，挪威的皮耶克尼斯父子提出了一套名為“極鋒學說”的理論，來說明中緯度地區的天氣變化情況。這套理論在1920年代發表之後，至今已有70多年，但仍然是今日作天氣預報的主要理論依據，亦為分析和預報未來1-2天的天氣奠定了理論基礎。1930年代，無線電探空儀的廣泛使用，真正開始了三維空間的大氣科學研究。根據大量探資料繪製的高空天氣圖，發現了大氣長波。1939年羅斯貝提出了長波動力學，他的理論亦對天氣預報有莫大的貢獻。到了1950年代至60年代，電腦、天氣雷達，衛星和遙感的技術的應用，使大氣的各種現象，大至大氣環流，小至雨滴的形成過程，都可依照物理學和化學的數學形式來表示，從而使大氣科學有了突飛猛進的發展。\\n\\n發展的進程\\n\\n萌芽時期\\n\\n軍事氣象學\\n\\n萌芽時期主要指16世紀中葉以前這一漫長時期，這時期的特點是由於\\n\\n軍事氣象學人類生活\\n\\n和生產的需要，進行一些零星的，區域性的氣象觀測，積累了一些感性認識和經驗，對某些天氣現象做出一定的解釋。\\n\\n中國在這一時期，在此領域中有不少成就，而且是居於世界領先行列的。遠在三千年前，殷代甲骨文中已有關於風、雲、雨、雪、虹、霞、龍捲、雷暴等文字記載，還常卜問未來十天的天氣(稱為“卜旬”)，並將實況記錄下來以資驗證。春秋戰國時代已能根據風、雲、物候的觀測記錄，確定廿四節氣，對指導黃河流域的農業生產季節意義很大，並沿用到現代。秦漢時代還出現了《呂氏春秋》、《淮南子》和《禮記》等內容涉及物候的書籍，這些都是世界上最早關於物候的文獻。\\n\\n氣象觀測儀器也是中國的最早發明。在西漢時(公元前104年)，已盛行伣、銅鳳凰和相風銅鳥等三種風向器，到唐代又發展到在固定地方用相風鳥，在軍隊中用雞毛編成的風向器測風。歐洲到20世紀纔有用候風鳥測風的記載。在西漢時還利用羽毛、木炭等物的吸濕特性來測量空氣濕度。宋代曾有僧讚寧(公元10世紀)利用土炭濕度計來預報晴雨。關於降水的記錄亦以中國最早，據《後漢書》記載，在當時曾要求所轄各郡國，每年從立春到立秋這段時間內，向朝廷彙報雨澤情況，此後曆代對各地雨情都很重視。所以中國的雨量和水旱災記錄豐富，曆史亦最悠久。由於生產和生活的需要，人類迫切要求預知未來天氣的變化，並在長期觀測實踐中，積累了不少經驗。這些經驗被用簡短的韻語來表達，以便於記憶和運用，這就是天氣諺語。中國天氣諺語是極豐富的，除一部分封建迷信的內容外，大多是曆代勞動人民看天經驗的結晶。唐代黃子發的“相雨書”，元末明初出現的婁元禮編的《田家五行》和明末徐光啟編寫的《農政全書占候》都是總結群眾預報天氣經驗的著作。\\n\\n在國外，氣象學的萌芽也很早，公元前4世紀希臘大哲學家亞裡斯多德(Aristotle)所著《氣象學》(Meteorolosis)一書(約在公元前350年)綜合論述水、空氣和地震等問題對大氣現象也作了適當的解釋。現在氣象學的外文名字就是從亞裡斯多德的原書名演變而來的。\\n\\n總之，在氣象學萌芽時期，中國和希臘是露過鋒芒的，這時從學科性質來講，氣象學與天文學是混在一起的，可以說具有天象學的性質。\\n\\n發展初期\\n\\n氣象學\\n\\n發展初期包括16世紀中葉到19世紀末。這時由於歐洲工業的發展，推動\\n\\n氣象學了科學技\\n\\n術的發展，物理學、化學和流體力學等隨著當時工業革命的要求，也快速發展起來。又由於航海技術的進步，遠距離商業與探險隊的活動，擴大了人們的視野，地理學乃蓬勃興起，這就為介於物理學與地理學之間的邊緣科學—氣象學，氣候學的發展奠定了基礎。再加上這一段時間內氣象觀測儀器紛紛發明，地麵氣象觀測台、站相繼建立，形成了地麵氣象觀測網，並因無線電技術的發明，能夠開始繪製地麵天氣圖。由於具備了這些條件，氣象學、氣候學乃與天文學逐漸分離，成為獨立的學科。\\n\\n1593年意大利學者伽利略(Galileo)發明溫度表，1643年意大利學者托裡拆利(Torricelli)發明氣壓表。這兩種重要儀器的出現，使氣象觀測大大向前躍進一步。特彆是氣壓與天氣變化的關係最直接，氣壓表當時曾被譽為天氣的“眼睛”。1783年索修爾(Saussure)發明毛髮濕度表，有了這些儀器就為建立氣象台站提供了必要的條件。1653年在意大利北部首先建立氣象台，此後其它國家亦相繼建立地麵氣象觀測站，開始積累氣象資料。但這時隻有一些分散性的研究，缺少國際合作與交流。1854年，美法與帝俄在克裡木半島發生戰爭。英法聯軍艦隊在黑海途中因風暴失事，近於全軍覆冇。這件事引起有關國家的重視。事後根據有關台站氣象觀測記錄，發現此次風暴是由西歐移向東歐的。因此當時人們認為，如能廣泛建立氣象台站網，並通過電訊聯絡，則可預測未來的天氣變化，並可采取相應的預防措施，以減少災害性天氣對各方麵所造成的損失。這種認識為氣象界的國際合作打開了局麵，並促進了天氣分析工作的開展。\\n\\n隨著無線電報的發明和應用，使氣象觀測的結果能很快地傳達到各地。為繪製天氣圖創造了條件。在1860—\\n\\n雷達氣象學\\n\\n1865年間各國紛紛繪出了天氣圖。有了天氣圖這個工具，使氣象學的發展\\n\\n雷達氣象學大\\n\\n大向前跨進了一步。這一時期氣象學與氣候學的主要研究成果有：關於海平麵上風壓關係定律，氣旋模式和結構，大氣中光電現象和**形成的初步解釋，大氣環流的若乾現象解釋等。從19世紀開始，陸續出版了一些比較有質量的氣候圖，如世界年平均氣溫分佈圖，世界月平均氣壓分佈圖，世界年降水量分佈圖等。此外，德國學者漢恩(Hann)於1883年開始陸續出版了《氣候學手冊》三大卷，這是氣候學上最早的钜著。\\n\\n中國氣象學雖有悠久的曆史，在萌芽時期曾處於世界先進行列，但由於封建統治的壓抑，生產水平低下，氣象學處於長期停頓狀態。在這一時期，帝國主義為了侵略中國，紛紛在中國設立氣象觀測機構，收集氣象資料為其軍事，經濟侵略服務。最早來中國境內，用近代氣象儀器進行氣象觀測的是法國傳教士，他於1743年在北京設立測候所。其後從1830年起俄國又斷斷續續地派人來北京做氣象觀測。1873年法國天主教會在上海徐家彙創建觀象台，1893年德國人在山東青島建立青島觀象台，此外還有在英國人掌握之下的海關測候所等共43處(都位於沿海，沿江的港口)，他們都為各自的軍事、航行、商船服務，中國政府無權過問，這時中國的氣象事業完全是半殖民地性質的。\\n\\n發展時期\\n\\n從20世紀以來是氣象學的發展時期。這一時期總的特點是：隨著生產發展的需要和技術的進步，不但進行地麵氣象觀測，也進行高空直接觀測，從而擺脫了定性描述階段，進入到定量試驗階段，從認識自然，逐步向預測自然，控製和改造自然的方向發展。這一時期又可分為早期和近期兩個階段。\\n\\n1．早期在20世紀的前50年。這時氣象觀測開始向高空發展，以風箏，帶人氣球及火箭等為高空觀測工具，其所到達的高度當然是有限的，但已為高空氣象學的發展奠定了基礎。在此期間氣象學的發展中有三大重要進展。\\n\\n(1)鋒麵學說：在第一次世界大戰期間，由於相鄰國家氣象資料無法獲得，挪威建立了比較稠密的氣象網。挪威學者貝堅克尼父子(V.Bjerknes和J.Bjerknes)等應用物理學和流體力學的理論，通過長期的天氣分析實踐，創立了氣旋形成的鋒麵學說，從而為進行1—2天的天氣預報奠定了物理基礎。\\n\\n(2)長波理論:本世紀30—40年代，由於要求能早期預報出災害性天氣，再加上有了無線電探空和高空測風的普遍發展，能夠分析出較好的高空天氣圖。瑞典學者羅斯貝(Rossby)等研究大氣環流，提出了長波理論。它既為進行2—4天的天氣預報奠定了理論基礎，同時也使氣象學由兩度空間真正發展為三度空間的科學。\\n\\n(3)降雨學說：在本世紀30年代，貝吉龍-芬德生(Bergeron-Findeison)從研究雨的形成中，發現雲中有冰晶與過冷卻水滴共存最有利於降雨的形成，從而提出了降雨學說。1947年又發現乾冰和碘化銀落入過冷卻水滴中可以產生大量冰晶，這就為人工影響冷雲降水提供了途徑。進一步研究還發現在熱帶暖雲中由於大，小水滴碰並也可導致降雨，這又為人工影響暖雲降水奠定了理論基礎。由此人類開始從認識自然進入人工影響區域性天氣時代。\\n\\n2．近期\\n\\n本世紀50年代以後為近期。由於電子計算機和新技術如雷達、鐳射、遙感及人造衛星等的使用，大大地促進了氣象學與氣候學的發展。其主要表現如下:\\n\\n(1)開展大規模的觀測試驗\\n\\n在50年代以前，國際上曾在1882年和1932年組織過兩次對南北極區進行氣象考察，稱為國際極年，並取得了一些高空氣象和太陽與地球關係的資料。在50年代以後又進行過多次至少有幾十個國家參加的大規模大氣觀測試驗，而且規模一次比一次大。例如1977年12月—1979年11月進行的一次大規模大氣觀測試驗，有一百多個國家參加，其中也有中國參加。這次全球大氣試驗是以5個同步衛星和2個近極地軌道衛星為骨乾，配合氣象火箭，並與世界各地常規的地麵氣象觀測站、自動氣象站、飛機、船舶、浮標站和定高氣球等相結合，組成幾個全球性的較完整的立體觀測係統。這一全球性觀測計劃是試圖解決10—14天之間的天氣預報，進一步瞭解天氣現象形成的物理過程和物理原因。\\n\\n(2)對大氣物理現象進行數值模擬試驗氣象學，氣候學不像物理，化學那樣可以在室內進行實驗，而是以地球的大氣層作為實驗室。有了電子計算機纔可能廣泛地對各種大氣物理現象進行精確的，定量的數值模擬試驗，如從全球性環流到雲內雨滴的生成過程都進行試驗，並把雲霧中的微觀過程和動力的宏觀過程結合起來，使氣象學進入試驗科學階段。\\n\\n(3)把大氣作為一個整體進行研究把對流層與平流層中，高緯地區與低緯地區，南半球與北半球結合起來研究，這在氣象學與氣候學的發展上又是一大躍進。人類對大氣中的化學現象與化學過程也進行了多年的觀測，分析和研究，並已形成了氣象學中一個新支派——大氣化學。特彆是近年來對大氣汙染的監測，探討環境保護的措施，更促進了大氣化學的進展。\\n\\n解放後，中國氣象事業得到迅速發展。在第一個五年計劃期間，中國共建立了各級氣象台站1378個，到1957年底中國各級氣象台站已達1635個，比解放初期增加近22倍。40餘年來興建的天氣和氣候站網已遍佈中國。中國的氣象學與氣候學研究進入了高度發展的時期。在基礎理論方麵，如大氣環流和動力氣象的研究，在天氣學方麵如中國天氣，高原氣象等研究，在衛星氣象方麵，如甚高分辨雲圖接受器的研製，衛星氣象學和探測原理等研究都取得了顯著的進展。在人工影響天氣方麵已開展了雲霧物理，人工降水和人工消雹等工作，並已取得較好的效果。\\n\\n未來發展\\n\\n隨著科學技術的發展，氣象觀測儀器的發明、探測手段、通訊裝備及計算工具的發展，人類對大氣現象探索的擴大及加深，使之逐步發展為科學的氣象學。20世紀以來，現代科學技術新成果在氣象科學領域廣泛應用，使氣象科學進入嶄新時期。如電子技術的引進，使大氣探測走向自動化、遙感化、係統化；天氣雷達的出現使氣象工作者能監測、追蹤強風暴的移動和發展；電子計算機的應用，使數值預報變為現實，使天氣預報走向客觀化、定量化；氣象衛星的應用，填補了沙漠、高原、海洋等地區的氣象資料；空間技術的發展，使大氣的研究向宇宙空間擴展，人類可從外層空間俯瞰地球大氣等等。當前，隨著資訊科學的發展，世界正麵臨以微電子技術、新材料、新能源及海洋技術為主要標誌的新技術革命，必將促進氣象科學的飛速發展。\\n\\n研究對象\\n\\n由於地球的引力作用，地球周圍聚集著一個氣體圈層，構成了所謂大氣圈。\\n\\n大氣的分佈是如此之廣，以致地球表麵冇有任何地點不在大氣的籠罩之下；它又是如此之厚，以致地球表麵冇有任何山峰能穿過大氣層，而且就以地球最高峰珠穆朗瑪峰的高度來和大氣層的厚度相比，也隻能算是“滄海之一粟”。人類就生活在大氣圈底部的“下墊麵”上。大氣圈是人類地理環境的重要組成部分。\\n\\n地球是太陽係的一個行星，強大的太陽輻射是地球上最重要的能源。這個能源首先經過大氣圈而後到達下墊麵，大氣中所發生的一切物理(化學)現象和過程，除決定於大氣本身的性質外，都直接或間接與太陽輻射和下墊麵有關。這些現象和過程對人類的生活和生產活動關係至為密切。人類在長期的生產實踐中不斷地對它們進行觀測、分析、總結，從感性認識提高到理性認識，再在生產實踐中加以驗證、修訂，逐步提高，這就產生了專門研究。\\n\\n大氣現象和過程，探討其演變規律和變化，並直接或間接用之於指導生產實踐為人類服務的科學—氣象學。\\n\\n氣象學的領域很廣，其基本內容是：\\n\\n(1)把大氣當作研究的物質客體來探討其特性和狀態，如大氣的組成、範圍、結構、溫度、濕度、壓強和密度等等\\n\\n(2)研究導致大氣現象發生，發展的能量來源，性質及其轉化\\n\\n(3)研究大氣現象的本質，從而能解釋大氣現象，尋求控製其發生，發展和變化的規律\\n\\n(4)探討如何應用這些規律，通過一定的措施，為預測和改善大氣環境服務(如人工影響天氣、人工降水、消霧、防雹等)，使之能更適合於人類的生活和生產的需要。\\n\\n由於生產實踐對氣象學所提出的要求範圍很廣，氣象學所涉及的問題很多，在氣象學上用以解決這些問題的方法差異很大，再加上隨著科學技術發展的日新月異，氣象學乃分成許多部門。\\n\\n研究方法\\n\\n研究的方法主要有四種，分彆為觀測研究、理論研究、數值模式研究及實驗研究：\\n\\n觀測研究\\n\\n觀測研究是藉觀測去瞭解不同的大氣現象，可以說是氣象學理論的其中一塊基石，亦是一般氣象愛好者所關注的。觀測方法亦有很多種，氣象站、高空氣球、衛星雲圖、雷達回波圖等。觀測研究不隻是觀測，也有一定程度的歸納和分析，例如一句“明天轉冷”，便是一種分析。此外，繪製天氣圖、整理熱帶氣旋路徑、氣候區域分類等，亦是觀測研究所要做的。\\n\\n理論研究\\n\\n理論研究有三大部分，除觀測外，物理和數學對理論研究亦很重要。理論可以從兩方麵產生，一方麵是從觀測數據中直接建立出來的，例如分析熱帶氣旋強度的德沃紮克分析法，另一方麵是從物理理論或其他氣象理論演化出來的，例如地轉方程、氣壓梯度方程等。物理理論很多時需要數學的幫助，反過來說，數學語言有時更能使人們明白物理和氣象理論。\\n\\n數值模式研究\\n\\n數值模式研究是較少人所認識的，它們都需要相當的理論知識、電腦程式技巧和實驗技巧。數值模式研究會把不同的物理和氣象方程，以電腦程式的方式放進電腦裡，再計算出未來溫度、濕度、氣壓、風向等變化，以協助天氣預報或理論研究。\\n\\n實驗研究\\n\\n實驗研究同樣是較少人所認識的，實驗研究因數值模式研究的出現而比往日式微，但亦有其存在價值，例如要驗證某些理論，數值模式研究是做不到的。\\n\\n主題現象\\n\\n1．雲、氣團\\n\\n2．雲的分類\\n\\n低雲、中雲、高雲、直展雲\\n\\n3．天氣預報\\n\\n降水、大氣壓、露點、鋒麵、急流\\n\\n4．氣旋和反氣旋\\n\\n颶風或颱風\\n\\n溫帶氣旋\\n\\n副熱帶高氣壓\\n\\n5．雷暴\\n\\n閃電、雷、冰雹、龍捲風、大氣對流、雹暴\\n\\n6．氣候，厄爾尼諾現象，拉尼娜\\n\\n季風、洪水、乾旱\\n\\n7．天氣現象\\n\\n降水、霧、雪、雨淞、霧淞、露、霜、颮、雨夾雪、沙塵暴、極光、陣雨、霰、冰雹、冰粒、霾、龍捲、冰針\\n\\n其它：\\n\\n暴風雪、暴雨\\n\\n氣象測量儀表和設備\\n\\n風速計、風力計、氣壓計、濕度計、溫度計、雷達、人造衛星、多普勒雷達、雨量計、風向標\\n\\n氣象分支\\n\\n氣象學分成許多分支學科：大氣物理學、天氣學、動力氣象學、氣候學等等。隨著生產的發展，氣象學的應用日益廣泛，又相繼出現海洋氣象學、航空氣象學，農業氣象學、森林氣象學、汙染氣象學等應用學科。現代科學技術在氣象學領域的應用，又有新的分支學科出現，如雷達氣象學、衛星氣象學、宇宙氣象學等。氣象學是一門和生產、生活密切相關的涉及許多學科的應用科學。\\n\\n大氣科學\\n\\n大氣科學是研究大氣的各種現象（包括人類活動對它的影響），這些現象的演變規律，以及如何利用這些規律為人類服務的一門學科。大氣科學是地球科學的一個組成部分。大氣科學的分支學科主要有大氣探測、氣候學、天氣學、動力氣象學、大氣物理學、大氣化學、人工影響天氣、應用氣象學等。\\n\\n大氣科學大氣科學是研究大氣的各種現象（包括人類活動對它的影響），這些現象的演變規\\n\\n律，以及如何利用這些規律為人類服務的一門學科。大氣科學是地球科學的一個組成部分。它的研究對象主要是覆蓋整個地球的大氣圈。此外，還研究太陽係其他行星的大氣。大氣圈，特彆是地球表麵的低層大氣，以及和它相關的水圈、岩石圈、生物圈是人類賴以生存的主要環境。\\n\\n大氣的各種現象及其變化過程，既可帶來雨澤和溫暖，造福人類；也可造成酷暑嚴寒，以至旱澇風雹等災害，直接影響人類的生產和安全。人類在生產和生活的過程中，也不斷地影響著自然環境(包括大氣)。如何認識大氣中的各種現象，如何及時而又正確地預報未來的天氣、氣候，並對不利的天氣、氣候條件進行人工調節和防禦，是人類自古以來一直不斷探索的領域。隨著科學技術和生產的迅速發展，大氣科學在國民經濟和社會生活中的巨大作用日益顯著，其研究領域已經越出通常所稱的氣象學的範圍。\\n\\n就業方向：主要就業於各級氣象部門從事天氣預報工作；海軍、空軍氣象工作；學校和科研機構；各級政府防雹救災部門等\\n\\n研究對象\\n\\n研究大氣的結構、組成、物理現象、化學反應、運動規律，以及如何運用這些規律為人類服務的一門學科。\\n\\n大氣層\\n\\n地球科學的一個組成部分。研究對象主要是覆蓋地球的大氣圈，以及太陽係其他行星的大氣。\\n\\n大氣層地球大氣的運動非\\n\\n常複雜。地球的公轉和自轉以及自轉軸的傾斜，產生了地球的晝夜交替和四季變化以及赤道熱、兩極冷的規律。海陸和地貌的不均勻分佈，導致地表溫度呈現出非帶狀的不均勻分佈。大氣的溫度、壓力和密度之間有密切的關係。大氣壓力的不均勻會導致大氣的運動，大氣的運動又會引起氣壓場的重新調整。大氣的水平輻合和輻散運動會引起大氣在鉛直方向上的上升和下沉運動。大氣通過多種運動形式進行水平和鉛直方向的物質和能量傳輸和轉換。由於影響大氣運動的自然因素和人為因素的許多不確定性，導致大氣運動呈現出既有規律性又有隨機性的特征。大氣科學的主要分支學科有：大氣探測、氣候學、天氣學、動力氣象學、大氣物理學、大氣化學、人工影響天氣、應用氣象學等。\\n\\n覆蓋整個地球的大氣，質量約5.3×10^21克，約占地球總質量的百萬分之一。由於地心引力的作用，大氣質量的90%聚集在離地表15公裡高度以下的大氣層內，99.9%在48公裡以內。2000公裡高度以上，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、太陽輻射、地球的形狀和它的重力、地球的公轉和自轉、地球表麵的海陸分佈和地形起伏、地球的演化和地球生態係統等是造成地球大氣特定組分、特定結構和特定運動狀態的主要自然條件。人類活動及其對生態因素所起的作用，是影響大氣組分、大氣結構和大氣運動的人為條件。\\n\\n地球大氣的組分以氮、氧、氬為主，它們占大氣總體積的99.96%。其他氣體含量甚微，有二氧化碳、氪、氖、氦、甲烷、氫、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大氣中還懸浮著水滴、冰晶、塵埃、孢子、花粉等液態、固態微粒。太陽係的九大行星，都存在大氣(見行星大氣)。地球大氣中的氧氣是人類賴以生存的物質基礎，氧氣的出現及其含量的變化，同地球的形成過程和生物的演化過程密切相關（見地球大氣演化）。大氣中的水汽來自江河、湖泊和海洋表麵的蒸發，植物的散發，以及其他含水物質的蒸發。在夏季濕熱處（如高溫的洋麪或森林）,大氣中水汽含量的體積比可達4%，而冬季乾寒處（如極地），則低於0.01%。水汽隨著大氣溫度發生相變，成雲致雨，成為淡水的主要資源。水的相變和水文循環過程不僅把大氣圈同水圈、岩石圈、生物圈緊密地聯絡在一起，而且對大氣運動的能量轉換和變化有重要影響（見大氣環流的能量平衡和轉換）。大氣中的二氧化碳含量受植物的光合作用、動物的呼吸作用、含碳物質的燃燒以及海水對二氧化碳的吸收作用所影響，在工業發展、化石燃料（如煤、石油、天然氣）燃量增加、森林覆蓋麵積減少的情況下，已觀測到二氧化碳含量與年俱增。大氣中本來冇有或極少存在的如甲烷、一氧化二氮等氣體，由於人類活動的影響，近年來它們的含量也迅速增加。這些有溫室效應的氣體含量的變化對大氣溫度的重要影響，已成為研究現代氣候變化的一個前沿課題。大氣中臭氧的含量很少，即使在離地表20～30公裡的濃度最大處，其含量也不到這層大氣的十萬分之一。然而大氣臭氧層能夠大量吸收太陽紫外輻射中對生命有害的部分，起著對人類十分重要的保護作用。另外,大氣臭氧層的存在，對平流層大氣的溫度也有重要作用。由於人類活動對高空光化學過程的影響會引起臭氧含量的變化，人類活動對臭氧含量影響的研究，已成為醫學界和氣象學界共同關注的問題。\\n\\n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，具有多層次的結構特征。大氣的密度和壓力一般隨高度按指數律遞減；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乾層次。\\n\\n大氣分類\\n\\n按溫度隨高度的變化\\n\\n地球大氣按溫度隨高度的變化，由地表向上,依次分為對流層、平流層、中層和熱層。對流層緊鄰地表，其中\\n\\n大氣科學\\n\\n溫度隨高度增加而降低，平均每升高1公裡約減少6.5℃，至對流層頂溫度降到極小值。對流層中的對流運\\n\\n大氣科學動顯\\n\\n著，是熱量鉛直輸送的主要控製因子，雲和降水主要發生在這一層。對流層頂的高度在赤道地區約18公裡，中緯度地區約12公裡,極地地區約8公裡。平流層位於對流層之上，平流層頂離地表約50公裡。平流層中的臭氧層吸收太陽紫外輻射，是使這層大氣溫度隨高度增加而上升的主要因子。這層大氣溫度層結非常穩定，其中的熱量鉛直輸送以輻射傳輸為主。中層位於平流層之上，中層頂離地表約85公裡，層內溫度隨高度增加而下降。熱層位於中層之上，熱層頂離地表約500公裡。這層大氣由於吸收太陽紫外輻射，溫度隨高度增加而上升。熱層頂以上為外逸層，那裡大氣已極稀薄,每立方厘米不到10個原子（海平麵處每立方厘米約10個原子）。\\n\\n按組分狀況\\n\\n地球大氣按組分狀況可分為勻和層和非勻和層。離地表約85公裡高度以下為勻和層，層內的大氣組分比例相同，平均分子量為常數。約110公裡高度以上為非勻和層，層內大氣組分按重力分離後，輕的在上，重的在下，平均分子量隨高度增加而減小。離地表85～110公裡為勻和層到非勻和層的過渡層。\\n\\n按電磁特性\\n\\n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公裡高度為中性層。離地表60公裡到500～1000公裡高度為電離層。離地表500～1000公裡以上為磁層。電離層能反射無線電波，對電波通訊極為重要。磁層是地球大氣的最外層，磁層頂是太陽風動能密度和地磁場能密度相平衡的曲麵。\\n\\n大氣運動\\n\\n地球大氣的運動非常複雜。地球的自轉和公轉運動以及地球自轉軸的方向產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律。由於海陸分佈和地貌等的不均勻性，地表的溫度並不完全按緯圈帶分佈，而呈現出非帶狀的不均勻分佈。大氣的溫度、壓力和密度之間有密切的關係。大氣壓力分佈(即氣壓場)的不均勻會\\n\\n大氣圈\\n\\n導致大氣的運動，大氣的運動又會引起氣壓場的重新調整。大氣的水平輻合運動和輻散運\\n\\n大氣圈動會引起大氣在鉛直方\\n\\n向的上升運動和下沉運動，大氣的鉛直運動也會影響大氣的水平運動。大氣通過機械運動、熱運動等多種運動形式進行水平方向和鉛直方向的物質和能量的傳輸和轉換。整個大氣圈通過各種機製相互緊密地聯絡在一起，形成了空間尺度小至幾米以下、大至幾千公裡甚至上萬公裡，時間尺度短至幾秒、長至數十天或更長時間的多種大氣運動係統。在影響大氣運動的因素中，人為的因素在變化著（如工農業生產引起大氣中有溫室效應的氣體增加，大麵積森林砍伐等），自然的因素也在變化著（如火山爆發等引起輻射能的變化，地球自轉軸方向的變化等）。有些變化是有規律的，有些變化是無規則的。大氣的運動也就呈現出既有規律性又有隨機性的特征。\\n\\n研究意義\\n\\n大氣科學的研究對象──地球大氣，無論它的組分，它的結構，還是它的運動，都存在著確定性和不確定性兩個方麵。這正是大氣科學研究複雜性的一麵。天氣變化、氣候異常以及大氣質量變化同人類的生活和生產活動休慼相關，正確的天氣預報、氣候預測以及改善大氣汙染情況對人們具有極大的迫切性，這正是大氣科學研究為人類緊迫所需的應用性的一麵。這種艱钜而有意義的科學事業不斷吸引著人們去探索地球大氣的奧秘。\\n\\n研究特點\\n\\n大氣科學研究不能僅限於大氣圈\\n\\n在地球表層，除大氣圈以外，還存在著水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈，這些圈層組成一個綜合係統。大氣圈中發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。研究大氣運動的能源，大氣中的物質循環、能量轉換和變化過程，大氣環流及天氣、氣候的分佈和變化，都必須考慮大氣圈同水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之間的相互影響和相互作用。如：大氣運動的根本能源是太陽輻射。但大氣直接吸收的太陽輻射能僅占到達大氣上界輻射能的19%，大部分太陽輻射能（約51%）是被地表吸收後，再通過感熱通量、潛熱通量和輻射通量方式供給大氣的。這些通量受近地層大氣狀態、地表的狀態（如海洋、陸地、植被、冰雪）及其熱力特性等所控製。又如：大氣的組分及其物理和化學性質，除受大氣內部物理、化學過程的影響外，還受水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈的影響。海洋通過水的相變、水汽通量和感熱通量過程，植被通過光合作用和散發過程，土壤通過水汽通量和感熱通量過程等影響大氣的溫度、水汽和二氧化碳等的含量。火山爆發和人類活動等影響大氣中氣溶膠含量、大氣成分和輻射過程等。再如：地形起伏和植被狀況對氣流的摩擦作用，影響著地表和大氣之間的動量交換（見大氣角動量平衡）；大地形對氣流的強迫繞流和強迫爬升及下滑作用，影響著大氣的環流特征；海陸分佈的不均勻性，影響著大氣環流和天氣、氣候的非帶狀分佈和南北半球的非對稱分佈。\\n\\n大自然是大氣科學研究的實驗基地\\n\\n大氣圈不是孤立的。在空間和時間上具有寬廣尺度譜的各種大氣現象也不是孤立的。它們種類繁多，相互疊\\n\\n氣象多普勒雷達\\n\\n加又相互影響。即使同一類現象，其結構也不儘相同。影響這些大氣現象的因素非常複雜，人類\\n\\n氣象多普勒雷達至今還很難在實\\n\\n驗室內用人工控製的方法對它們進行完整的實驗和研究。隻能以大自然為實驗室，組織從局地到全球的氣象觀測網，運用多種觀測手段（如氣象衛星、氣象雷達、飛機等）對大氣現象進行長期的連續的觀測，特彆是定量的觀測，以獲取資料；對有關氣候現象還需蒐集地質考查、考古發掘和曆史文獻等資料。大氣科學家們通過對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係，歸納出典型現象的模式特征，如鋒麵、氣旋、大氣長波等，在模式的基礎上運用已知的物理學和化學的基本原理以及數學工具和計算技術進行理論上的演繹和模擬，導出新的結論。理論模式是否合理，還需回到大自然的實驗室中進行檢驗，有些理論模式還有待於新的觀測資料加以證實。經實踐檢驗的理論纔可指導實踐（如指導天氣預報等）。大氣科學正是通過大自然這個實驗室，遵循觀測（實踐）—理論—觀測（實踐）這個基本法則不斷髮展，不斷為社會的生產和人類的生活服務的。\\n\\n國際合作是推動大氣科學發展的必要途徑\\n\\n全球大氣在不停地運動著，而且是一個整體，一個地區的大氣運動受著其他地區大氣運動的影響，不同尺度的大氣運動又相互作用著，其變化之快、變化範圍之廣、變化形式之多，是自然界突出的。為掌握大氣運動變化快、範圍廣、形式多的特征，就必須對大氣進行連續的、高頻率的、全球性的觀測。為掌握全球大氣的各種資訊，必須在站網佈局、觀測項目、資料處理規範、資訊傳輸等方麵作出統一規劃和求得協調。全球數以萬計的為天氣預報進行觀測的氣象站，要在相同的時間、用接近相同的儀器和觀測方法，在全球各地進行同步觀測；由氣象衛星、氣象雷達等探測手段觀測的大量資料，凡用於天氣預報業務的資料還要作同步處理。這些資料都要在觀測完畢後的短短數十分鐘內迅速集中到世界氣象中心和各國的氣象中心。再加上為數更多的水文氣象站的觀測資料。資料的範圍之大、數量之多、傳遞之快是驚人的，這是自然科學中的奇觀。這一切隻有通過國際間的密切合作才能實現。大氣科學研究中的這種高度分散（觀測站點）、高度集中（資料迅速集中）、高度協調（觀測站址、觀測儀器和方法）、高度合作（國際間合作）的特點，是其他學科無法比擬的。\\n\\n發展概況\\n\\n大氣科學是一門古老的學科。有關天氣、氣候知識起源於長久的生產勞動和社會生活的經驗之中。早在漁獵時代和農業時代，人們就逐漸積累起有關天氣、氣候變化的知識。中國在公元前2世紀見於《淮南子·天文訓》和《逸周書·時訓解》的二十四節氣和七十二候，就是從生產和生活實踐中總結出來的，它又被用來指導農事活動。後來的工農業生產活動,軍事活動，航海、航空、航天活動，以及對海洋、冰川、高原、空間等考察的發展，都為大氣科學不斷提出新的課題，推動著大氣科學的發展。\\n\\n太陽輻射\\n\\n17世紀以前，人們對大氣以及大氣中各種現象的認識是直覺的、經驗性的。17～18世\\n\\n太陽輻射紀，由於物理學和化\\n\\n學的發展，溫度、氣壓、風和濕度等測量儀器的陸續發明,氮、氧等元素的相繼發現，為人類定量地認識大氣的組成、大氣的運動等創造了條件。於是，大氣科學研究開始由單純定性的描述進入了可以定量分析的階段。這是大氣科學發展進程中的一次飛躍。1820年，在氣壓、溫度、濕度、風等氣象要素的測定和氣象觀測站網逐步建立的條件下，H.W.布蘭德斯繪製了曆史上第一張天氣圖，開創了近代天氣分析和天氣預報方法，為大氣科學向理論研究發展開辟了途徑。這是大氣科學發展史上的又一次飛躍。1835年科裡奧利力的概念和1857年C.H.D.白貝羅提出的風和氣壓的關係，成為地球大氣動力學和天氣分析的基石。1920年前後，氣象學家J.皮耶克尼斯、H.索爾貝格和T.H.P.伯傑龍等提出的鋒麵、氣旋和氣團學說，為天氣分析和預報1～2天以後的天氣變化奠定了理論基礎。1783年，法國J.A.C.查理製成了攜帶探測氣象要素儀器的氫氣氣球。20世紀30年代無線電探空儀開始普遍使用，這就能夠瞭解大氣的鉛直結構，真正三度空間的大氣科學研究從此開始。根據探空資料繪製的高空天氣圖,發現了大氣長波。1939年氣象學家C.-G.羅斯比提出了長波動力學，並由此引出了位勢渦度理論（見大氣動力方程）。這不僅使有理論依據的天氣預報期限延伸到3～4天，而且為後來的數值天氣預報和大氣環流的數值模擬開辟了道路。1946年I.朗繆爾、V.J.謝弗和B.馮內古特的“播雲”試驗，探明瞭在過冷雲中播撒固體二氧化碳或碘化銀,可以使雲中的過冷水滴冰晶化，增加雲中的冰晶數目，促進降水，從此進入了人工影響天氣的試驗階段。\\n\\n大氣科學在很長的發展過程中，先是以氣候學、天氣學、大氣熱力學和動力學問題以及大氣中的聲、光、電等物理現象為主要研究內容，傳統稱為氣象學。隨著現代科學技術在氣象學中的應用，其研究範疇日益擴展。50年代以前，大氣科學雖然取得了很大的進展，但因受海洋、沙漠等人煙稀少地區缺乏資料的限製以及計算上的困難，還不能擺脫定性或半定性的研究狀態。50年代以後，各種新技術特彆是電子計算機和氣象衛星的采用，大氣科學有了突飛猛進的發展，20世紀60年代以後，大氣科學術語的應用日益廣泛，大大擴充了傳統氣象學的研究內容。由於各種新技術特彆是電子計算機和氣象衛星的采用，大氣科學有了突飛猛進的發展，主要表現在以下兩個方麵：\\n\\n①不斷采用新的探測技術，使大氣科學進入了宏觀越宏、微觀越微的新階段。由於采用氣象衛星、氣象火箭和鐳射、微波、紅外等遙感探測手段，對大氣的觀測能力增強了，觀測空間擴展了。氣象衛星在大氣層外探測大氣，不僅加大了觀測範圍，而且極大地豐富了觀測內容，如廣闊洋麪的溫度、雲的微觀結構、大氣輻射平衡等。氣象衛星已成為現代大氣科學發展的支柱之一。\\n\\n②電子計算機的使用，使大氣科學研究進入了定量實驗研究的新階段。大氣中各類過程的相互影響，以及大氣現象中的躍變形式（如颮線），都存在非常複雜的非線性問題。大型高速電子計算機的問世，為解非線性方程提供了條件。要瞭解幾星期、幾個月甚至一年以後的大氣可能出現的狀態，也需依靠高速計算機獲取和處理全球資料，以全球模式進行天氣預報和氣候預測。電子計算機是現代大氣科學發展的另一個支柱。\\n\\n大氣科學的迅猛發展正方興未艾。隨著世界氣候計劃及其他專項計劃的執行,在常規觀測係統的基礎上，將更多地運用氣象衛星、海洋觀測衛星、多普勒雷達和各種特殊裝備的飛機等多種探測手段，以及新的大氣化學觀測和分析方法，進行各種特殊項目的觀測，如海麵高度、太陽常數、雲和輻射的反饋、近海麵風力、土壤濕度、碳循環等。通過以上觀測和計劃的執行，將對氣候變化和中小尺度天氣係統的精細結構及其發生髮展原因有更加廣泛和深入的研究，研究成果將不斷提高對災害性天氣預報的水平，不斷預示人類活動對氣候影響的可能後果，以防患於未然。如近年來由人類活動造成大氣中甲烷和一氧化二氮等微量氣體含量的增加而引起的大氣溫室效應，據估計，可能很快達大氣中二氧化碳所引起的溫室效應的一半。這些溫室效應的總效果可能導致地球氣候發生很\\n\\n太陽紫外輻射\\n\\n大變化。對溫室效應氣體和大氣汙染等問題的深入研究，使得過去\\n\\n太陽紫外輻射有一定忽\\n\\n略的大氣化學的重要性越來越顯著，大氣化學將會更加迅速地發展。總之，人類生產和生活的發展,將不斷提出新的問題和要求，推動大氣科學新理論和新分支的發展。大氣科學新的發展，必將不斷提高它為生產和生活服務的能力，如提高天氣和氣候預報的準確率、為開發利用氣象資源和製定經濟政策提供更加可靠的科學依據等，其經濟效益和社會效益將不可估量。\\n\\n總之，人類生產和生活的發展，將不斷向大氣科學提出新的問題和要求，推動大氣科學新理論和新分支的發展。大氣科學的新發展，必將不斷提高它為生產和生活服務的能力，如提高天氣和氣候預報的準確率，為開發利用氣候資源、製定發展戰略和經濟政策提供更加可靠的科學依據。\\n\\n學科分支\\n\\n綜述\\n\\n大氣科學的分支學科主要有大氣探測、氣候學、天氣學、動力氣象學、大氣物理學、大氣化學、人工影響天氣、應用氣象學等。\\n\\n大氣科學的各個分支學科彼此不是孤立的，如天氣學和氣候學與動力氣象學相結合，產生了天氣動力學和物理動力氣候學。探測手段的不斷革新和痕量化學分析技術的發展，推動了對大氣的物理性質和化學性質的分析研究，促進了大氣化學的發展。尤其是大氣中二氧化碳和甲烷等微量氣體對氣候影響的日益顯著，以及大氣汙染和酸雨問題的出現，不僅使人們更加認識到大氣化學在大氣科學中的重要性，而且隨著研究的深入，更認識到大氣化學過程和大氣物理過程的相互作用，從而促進了這兩個分支學科的相互結合。氣象衛星探測與天氣分析相結合產生了衛星氣象學，氣象雷達探測與雲和降水物理學相結合產生了雷達氣象學。大氣科學學科分支又分又合的過程，反映了大氣科學的不斷深入發展。\\n\\n大氣科學在很長的曆史發展過程中，先是以氣候學、天氣學、大氣的熱力學和動力學問題以及大氣中的物理現象（如電象、光象、聲象）和比較一般的化學現象等方麵為主要研究內容，傳統稱之為“氣象學”(meteor-ology,此詞源於希臘文meteoros和logos,意為“上空的”和“推理”)。隨著現代科學技術在氣象學中的應用，其研究範疇日益擴展,因而從20世紀60年代以來，“大氣科學”術語的應用日益廣泛，它大大擴充了傳統氣象學的研究內容。近年來，由於人類越來越認識到大氣圈與水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈之間相互作用和相互影響的重要性，要瞭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，大氣科學的研究內容越來越廣泛，與其他學科之間的相互滲透也越來越深入。\\n\\n係統地研究地球大氣的成分，結構和動力過程的科學。大氣科學傳統上分為氣象學、氣候學和高層大氣物理學3個領域。氣象學主要研究對流層和低平流層每日甚至每小時的天氣變化。氣候學是對大氣層某一區域長期(1個月至數百萬年)的天氣狀況的統計描述。高層大氣物理學主要研究高層大氣的物理狀態及支配過程，高層大氣是指低平流層以上的大氣區域。\\n\\n大氣探測\\n\\n是一門研究探測地球大氣中各種現象的方法和手段的學科。按探測範圍和探測手段劃分，大氣探測有地麵氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感、氣象雷達、氣象衛星等次一層分支。探測手段的飛躍往往帶來以往難以預計的重大發現,在大氣科學的發展進程中，大氣探測起了十分重要的作用。\\n\\n\"

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