氣象學(研究大氣及其物理現象的科學)

氣象學是把大氣當作研究的客體，從定性和定量兩方面來說明大氣特徵的學科，集中研究大氣的天氣情況和變化規律和對天氣的預報。

基本介紹

• 中文名：氣象學
• 外文名：meteorology
• 定義：從定性和定量說明大氣特徵的學科
• 主體：大氣科學
• 研究的任務：觀測，解釋，分析等
• 起源人：古希臘哲學家亞里士多德
• 萌芽時期：16世紀中葉以前

簡介

氣象學（meteorology）

氣象學是把大氣當做研究的客體，從定性和定量兩方面來說明大氣特徵的學科，集中研究大氣的天氣情況和變化規律和對天氣的預報。氣象學是大氣科學的一個分支。

農業氣象學

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。

研究的任務

氣學、動力氣象學、氣候學等等。隨著生產的發展，氣象學的套用日益廣泛，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、污染氣象學等套用學科。現代科學技術在氣象學領域的套用，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套用科學。

研究的任務

觀測

和研究各種各樣的大氣現象，大氣層與下墊面之間的相互作用及人類活動所產生的氣象效應。

解釋

系統地，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。

分析

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。

依據

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。

歷史

第一位建立氣象學的人是古希臘哲學家亞里士多德。在他的專書《氣象匯論》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，德國人布德蘭繪製了第一張地面天氣圖，開創了近代天氣分析和預報方法。1835年，法國人科利奧里提出風偏轉的概念；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。

動力氣象學

1920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套用，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。

發展的進程

萌芽時期

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人類生活和生產的需要，進行一些零星的，局部的氣象觀測，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。

軍事氣象學

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。

氣象觀測儀器也是中國的最早發明。在西漢時(公元前104年)，已盛行俔、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世紀才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。宋代曾有僧贊寧(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，向朝廷匯報雨澤情況，此後歷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，歷史亦最悠久。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，大多是歷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》都是總結民眾預報天氣經驗的著作。

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里斯多德(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里斯多德的原書名演變而來的。

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。

發展初期

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，推動了科學技術的發展，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，地面氣象觀測台、站相繼建立，形成了地面氣象觀測網，並因無線電技術的發明，能夠開始繪製地面天氣圖。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。

氣象學

1593年義大利學者伽利略(Galileo)發明溫度表，1643年義大利學者托里拆利(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。特別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年在義大利北部首先建立氣象台，此後其它國家亦相繼建立地面氣象觀測站，開始積累氣象資料。但這時只有一些分散性的研究，缺少國際合作與交流。1854年，美法與帝俄在克里木半島發生戰爭。英法聯軍艦隊在黑海途中因風暴失事，近於全軍覆沒。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，並通過電訊聯繫，則可預測未來的天氣變化，並可採取相應的預防措施，以減少災害性天氣對各方面所造成的損失。這種認識為氣象界的國際合作打開了局面，並促進了天氣分析工作的開展。

隨著無線電報的發明和套用，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—1865年間各國紛紛繪出了天氣圖。有了天氣圖這個工具，使氣象學的發展大大向前跨進了一步。這一時期氣象學與氣候學的主要研究成果有：關於海平面上風壓關係定律，氣旋模式和結構，大氣中光電現象和雲雨形成的初步解釋，大氣環流的若干現象解釋等。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布圖，世界月平均氣壓分布圖，世界年降水量分布圖等。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巨著。

雷達氣象學

中國氣象學雖有悠久的歷史，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匯創建觀象台，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。

發展時期

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，不但進行地面氣象觀測，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，控制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。

1．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。

(1)鋒面學說：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)等套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面學說，從而為進行1—2天的天氣預報奠定了物理基礎。

(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。

(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局部天氣時代。

2．近期

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、雷射、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：

(1)開展大規模的觀測試驗

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幹，配合氣象火箭，並與世界各地常規的地面氣象觀測站、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系統。這一全球性觀測計畫是試圖解決10—14天之間的天氣預報，進一步了解天氣現象形成的物理過程和物理原因。

(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。有了電子計算機才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巨觀過程結合起來，使氣象學進入試驗科學階段。

(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。特別是近年來對大氣污染的監測，探討環境保護的措施，更促進了大氣化學的進展。

解放後，中國氣象事業得到迅速發展。在第一個五年計畫期間，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布中國。中國的氣象學與氣候學研究進入了高度發展的時期。在基礎理論方面，如大氣環流和動力氣象的研究，在天氣學方面如中國天氣，高原氣象等研究，在衛星氣象方面，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。在人工影響天氣方面已開展了雲霧物理，人工降水和人工消雹等工作，並已取得較好的效果。

未來發展

隨著科學技術的發展，氣象觀測儀器的發明、探測手段、通信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套用，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、系統化；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；電子計算機的套用，使數值預報變為現實，使天氣預報走向客觀化、定量化；氣象衛星的套用，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，隨著信息科學的發展，世界正面臨以微電子技術、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。

研究對象

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。

大氣的分布是如此之廣，以致地球表面沒有任何地點不在大氣的籠罩之下；它又是如此之厚，以致地球表面沒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，也只能算是“滄海之一粟”。人類就生活在大氣圈底部的“下墊面”上。大氣圈是人類地理環境的重要組成部分。

地球是太陽系的一個行星，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面，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面有關。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。

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。

氣象學的領域很廣，其基本內容是：

(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

(2)研究導致大氣現象發生，發展的能量來源，性質及其轉化

(3)研究大氣現象的本質，從而能解釋大氣現象，尋求控制其發生，發展和變化的規律

(4)探討如何套用這些規律，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。

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。

研究方法

研究的方法主要有四種，分別為觀測研究、理論研究、數值模式研究及實驗研究：

觀測研究

觀測研究是藉觀測去了解不同的大氣現象，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。觀測研究不只是觀測，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。

理論研究

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。理論可以從兩方面產生，一方面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扎克分析法，另一方面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。

數值模式研究

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里，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。

實驗研究

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。

主題現象

1．雲、氣團

2．雲的分類

低雲、中雲、高雲、直展雲

3．天氣預報

降水、大氣壓、露點、鋒面、急流

4．氣旋和反氣旋

颶風或颱風

溫帶氣旋

副熱帶高氣壓

5．雷暴

閃電、雷、冰雹、龍捲風、大氣對流、雹暴

6．氣候，厄爾尼諾現象，拉尼娜

季風、洪水、乾旱

7．天氣現象

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

其它：

暴風雪、暴雨

氣象測量儀表和設備

風速計、風力計、氣壓計、濕度計、溫度計、雷達、人造衛星、都卜勒雷達、雨量計、風向標

氣象分支

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，氣象學的套用日益廣泛，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、污染氣象學等套用學科。現代科學技術在氣象學領域的套用，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套用科學。