大气科学

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  大气科学汉语拼音:Daqi Kexue;英语:Atmospheric Sciences),研究大气的各种现象及其演变规律,包括大气的结构、组成、物理现象、化学反应、运动规律,以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科

  大气科学是地球科学的一个分支学科。研究对象主要是覆盖整个地球大气圈,以及大气圈与水圈岩石圈生物圈的相互关系。此外,还研究太阳系其他行星的大气圈。大气研究的时空范围很广,空间从一个城市、区城向全球扩展,研究的时间尺度则从几天到几年,以至几十年不等。研究的对象主要是对流层和平流层。研究的手段有现场观测、实验室模拟和数值模拟等。其中研究大气化学要涉及与光化学、均相非均相反应动力学大气扩散理论、痕量分析化学等领域;不仅研究大气的化学反应,还要研究大气的复杂物理化学过程的数值模拟。

  地球表面的低层大气是人类赖以生存的主要环境。大气的各种现象及其变化过程,既可带来雨泽和温暖,造福人类;也可造成酷暑严寒,以至旱涝风雹等灾害,直接影响人类的生产和安全。同时,人类在生产和生活的过程中,也不断地影响着自然环境(包括大气)。如何认识大气中的各种现象,及时监测其发生发展过程,准确地预报未来的天气气候,并对不利的天气、气候条件进行人工调节和防御,是人类自古以来一直不断探索的领域。随着科学技术和生产的迅速发展,大气科学在国民经济和社会生活中的巨大作用日益显著,其研究内容也从大气动力学与物理过程,拓展到大气化学过程以及与生物过程的相互作用。

概述

  大气科学是一门古老而崭新的基础应用科学,它融合了物理、化学以及流体力学,研究行星大气的结构和演变规律,以及在大气中发生的各种天气现象。大气科学主要围绕地球大气进行研究,人们对更准确的灾害天气预报的需求日趋迫切,从而有力的推动了大气科学科学内涵的丰富与深化。我国是世界上最早进行观云测天的少数国家之一。三千多年前的殷代甲骨文中已有表达风、云、虹、雨、雪、雨夹雪等大气现象的文字。我国有据可考的最早运用近代气象仪器进行的气象观测,始于1743年(清乾隆八年)北京开展的气象观测。我国在古代就利用有限的观测资料对中国天气气候进行分析和研究。我国是历史悠久的文明古国,也是人类气象知识的重要发源地。

  21世纪大气科学发展的社会需求及其特色突出了多圈层相互作用问题所涉及的相关学科领域交叉的理论研究与应用技术进步。由于全球变化“热点”问题,牵引了全球气候系统和地球系统科学概念的问世,大气科学的研究已从气圈、水圈、生物圈、冰雪圈和岩石圈的相互作用来理解发生在地球大气中的运动及其物理、化学和生物过程。当前,大气科学的探测系统亦充分利用对地观测卫星所具有的连续光谱信息的探测能力,已向以空基为主的方向发展。因此,计算机与大气探测新观测技术应用,推动了大气科学理论及其应用技术飞跃发展。气象综合探测系统技术所获得多源信息融合、同化系统和数值预报模式技术均获得了巨大的进步,并在提高天气和气候预报业务的水平方面发挥了重要作用。

  当前,气候变化预测及其预估将是大气科学理论与应对技术研究的重要前沿,特别是年代际气候变化问题,它不仅与年际气候变化有关,而且还与干旱化和水资源问题有关。另外,气候和环境变化及其相互影响、预测和控制问题,日益亦成为科学界与社会公众所瞩目,尤其气候、天气灾害及中小尺度系统相关的大气动力学、气候动力学、大气物理、大气化学与数值预报理论研究日益受到重视。在21世纪中,如何提高气候和天气系统的监测和预报水平,开展人工影响天气、农业气象、气候资源开发与公共气象服务对于减轻灾害天气造成的损失将更是各国政府越来越关注的“热点”问题。另外,全球将更关注温室气体的监测和大气化学的研究。天气、气候与气候变化、大气化学、大气物理、数值预报等学科研究是推动当代大气科学技术发展的重大战略着眼点与推进基础应用理论的突破口。

研究对象

  覆盖整个地球的大气,质量约5.3×1021克,约占地球总质量的百万分之一。由于地心引力的作用,大气质量的90%聚集在离地表15千米高度以下的大气层内,99.9%在48千米高度以内。2,000千米高度以上,大气极其稀薄,逐渐向行星际空间过渡,无明显上界。大气本身的可压缩性、太阳辐射、地球的形状和它的重力、地球的公转和自转、地球表面的海陆分布和地形起伏、地球的演化和地球生态系统等是造成地球大气特定组分、特定结构和特定运动状态的主要自然条件。人类活动及其对生态和环境所起的作用,是影响大气组分、大气结构和大气运动的人为条件。

  地球大气的组分以氮、氧、氩为主,它们占大气总体积的99.96%。其他气体含量甚微,有二氧化碳、氪、氖、氦、甲烷、氢、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大气中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃、孢子、花粉等液态、固态微粒。太阳系的八大行星,都存在大气。地球大气中的氧气是人类赖以生存的物质基础,氧气的出现及其含量的变化,同地球的形成过程和生物的演化过程密切相关(见地球大气演化)。大气中的水汽来自江河、湖泊和海洋表面的蒸发,植物的蒸腾,以及其他含水物质的蒸发。在夏季湿热处(如高温的洋面或森林),大气中水汽含量的体积比可达4%,而冬季干寒处(如极地),则低于0.01%。水汽随着大气温度发生相变,成云致雨,成为淡水的主要资源。水的相变和水文循环过程不仅把大气圈同水圈、岩石圈、生物圈紧密地联系在一起,而且对大气运动的能量转换和变化有重要影响。大气中的二氧化碳含量受植物的光合作用、动物的呼吸作用、含碳物质的燃烧以及海水对二氧化碳的吸收作用所影响,在工业发展、矿物燃料(如煤、石油、天然气)燃量增加、森林覆盖面积减少的情况下,已观测到二氧化碳含量与年俱增。大气中本来没有或极少存在的如甲烷、一氧化二氮等气体,由于人类活动的影响,近年来含量也迅速增加。这些有温室效应的气体含量的变化对大气温度的重要影响,已成为研究现代气候变化的一个前沿课题。大气中臭氧的含量很少,即使在离地表20~30千米的浓度最大处,其含量也不到这层大气的十万分之一。然而大气臭氧层能够大量吸收太阳紫外辐射中对生命有害的部分,起着对人类十分重要的保护作用。另外,大气臭氧层的存在,对平流层大气的温度也有重要作用。由于人类活动对高空光化学过程的影响会引起臭氧含量的变化,人类活动对臭氧含量影响的研究,已成为医学界和气象学界共同关注的问题。

  地球大气的密度、温度、压力、组分和电磁特性等都随高度而变化,具有多层次的结构特征。大气的密度和压力一般随高度按指数律递减;温度、组分和电磁特性随高度的变化不同,按各自的变化特征地球大气可分为若干层次。

  地球大气按温度随高度的变化,由地表向上,依次分为对流层、平流层、中间层和热层。对流层紧邻地表,其中温度随高度增加而降低,平均每升高1千米约减少6.5℃,至对流层顶温度降到极小值。对流层中的对流运动显著,是热量铅直输送的主要控制因子,云和降水主要发生在这一层。对流层顶的高度在赤道地区约18千米,中纬度地区约12千米,极地地区约8千米。平流层位于对流层之上,平流层顶离地表约50千米。平流层中的臭氧层吸收太阳紫外辐射,是使这层大气温度随高度增加而上升的主要因子。这层大气温度层结非常稳定,其中的热量铅直输送以辐射传输为主。中间层位于平流层之上,中间层顶离地表约85千米,层内温度随高度增加而下降。热层位于中间层之上,热层顶离地表约500千米。这层大气由于吸收太阳紫外辐射,温度随高度增加而上升。热层顶以上为外逸层,那里大气已极稀薄,大气密度小于10-12千克/米3(海平面处大气密度约为1千克/米3)。

  地球大气按组分状况可分为均质层和非均质层。离地表约85千米高度以下为均质层,层内的大气组分比例相同,平均分子量为常数。约110千米高度以上为非均质层,层内大气组分按重力分离后,轻的在上,重的在下,平均分子量随高度增加而减小。离地表85~110千米为均质层到非均质层的过渡层。

  地球大气按电磁特性可分为中性层、电离层和磁层。由地表向上到60千米高度为中性层。离地表60千米到500~1,000千米高度为电离层。离地表500~1,000千米以上为磁层。电离层能反射无线电波,对电波通信极为重要。磁层是地球大气的最外层,磁层顶是太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面。

  地球大气的运动非常复杂。地球的自转和公转运动以及地球自转轴的方向产生了地球上的昼夜交替、四季变化和温度自赤道向两极递减的规律。由于海陆分布和地貌等的不均匀性,地表的温度并不完全按纬圈带分布,而呈现出非带状的不均匀分布。大气的温度、压力和密度之间有密切的关系。大气压力分布(即气压场)的不均匀会导致大气的运动,大气的运动又会引起气压场的重新调整。大气的水平辐合运动和辐散运动会引起大气在铅直方向的上升运动和下沉运动,大气的铅直运动也会影响大气的水平运动。大气通过机械运动、热运动等多种运动形式进行水平方向和铅直方向的物质和能量的传输和转换。整个大气圈通过各种机制相互紧密地联系在一起,形成空间尺度小至几米以下、大至几千千米甚至上万千米,时间尺度短至几秒、长至数十天或更长时间的多种大气运动系统。在影响大气运动的因素中,人为的因素在变化着(如工农业生产引起大气中有温室效应的气体增加,大面积森林砍伐等),自然的因素也在变化着(如火山爆发等引起辐射能的变化,地球自转轴方向的变化等)。有些变化是有规律的,有些变化是无规则的。大气的运动也就呈现出既有规律性又有随机性的特征。

  大气科学的研究对象——地球大气,无论它的组分、它的结构,还是它的运动,都存在着确定性和不确定性两个方面。这正是大气科学研究复杂性的一面。天气变化、气候异常以及大气质量变化同人类的生活和生产活动休戚相关,正确的天气预报、气候预测以及改善大气环境品质对人们具有极大的迫切性,这正是大气科学研究为人类紧迫所需的应用性的一面。这种艰巨而有意义的科学事业不断吸引着人们去探索地球大气的奥秘。

研究特点

  大气科学研究有以下主要特点。

大气科学研究不能仅限于大气圈

  在地球表层,除大气圈以外,还存在着水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈,这些圈层组成一个综合系统。大气圈中发生的各种变化都受其他圈层的影响;反之,大气圈也影响着其他圈层的变化。研究大气运动的能源,大气中的物质循环、能量转换和变化过程,大气环流及天气、气候的分布和变化,都必须考虑大气圈同水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间的相互影响和相互作用。如:大气运动的根本能源是太阳辐射,但大气直接吸收的太阳辐射能仅占到达大气上界辐射能的19%,大部分太阳辐射能(约51%)是被地表吸收后再通过感热通量、潜热通量和辐射通量方式供给大气的。这些通量受近地层大气状态、地表的状态(如海洋、陆地、植被、冰雪)及其热力特性等所控制。又如:大气的组成分及其物理和化学性质,除受大气内部物理、化学过程的影响外,还受水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈的影响。海洋通过水的相变、水汽通量和感热通量过程,植被通过光合作用和蒸腾过程,土壤通过水汽通量和感热通量过程等影响大气的温度和水汽、二氧化碳等的含量。火山爆发和人类活动等影响大气中气溶胶含量、大气成分和辐射过程等。再如:地形起伏和植被状况对气流的摩擦作用,影响着地表和大气之间的动量交换;大地形对气流的强迫绕流和强迫爬升及下滑作用,影响着大气的环流特征;海陆分布的不均匀性,影响着大气环流和天气、气候的非带状分布和南北半球的非对称分布。

  大自然是大气科学研究的实验基地大气圈不是孤立的。在空间和时间上具有宽广尺度谱的各种大气现象也不是孤立的。它们种类繁多,相互叠加又相互影响。即使同一类现象,其结构也不尽相同。影响这些大气现象的因素非常复杂,人类至今还很难在实验室内用人工控制的方法对它们进行完整的实验和研究。只能以大自然为实验室,组织从局地到全球的气象观测网,运用多种观测手段(如气象卫星、气象雷达、飞机等)对大气现象进行长期的连续的观测,特别是定量的观测,以获取资料;对有关气候现象还需搜集地质考察、考古发掘、历史文献和古环境分析等资料。大气科学家们通过对大量资料的分析和综合,提炼出量与量之间的定性的或定量的关系,归纳出典型现象的模式特征,如锋面、气旋、大气长波等,在模式的基础上运用已知的物理学和化学的基本原理以及数学工具和计算技术进行理论上的演绎和模拟,导出新的结论。理论模式是否合理,还需回到大自然的实验室中进行检验,有些理论模式还有待于新的观测资料加以证实。经实践检验的理论才可指导实践(如指导天气预报等)。大气科学正是通过大自然这个实验室,遵循观测(实践)–理论–观测(实践)这个基本法则不断发展,不断为社会的生产和人类的生活服务的。

国际合作是推动大气科学发展的必要途径

  全球大气在不停地运动着,而且是一个整体,一个地区的大气运动受着其他地区大气运动的影响,不同尺度的大气运动又相互作用着,其变化之快、变化范围之广、变化形式之多,是自然界突出的。为掌握大气运动的特征,就必须对大气进行连续的、高频率的、全球性的观测。为掌握全球大气的各种信息,必须在站网布局、观测项目、资料处理规范、信息传输等方面作出统一规划和求得协调。全球数以万计的为天气预报进行观测的气象站,要在相同的时间,用接近相同的仪器和观测方法,在全球各地进行同步观测;由气象卫星、气象雷达等探测手段观测的大量资料,凡用于天气预报业务的资料还要作同步处理。这些资料都要在观测完毕后的短短数十分钟内迅速集中到世界气象中心和各国的气象中心。再加上为数更多的水文气象站和海洋观测站等观测资料。资料的范围大、数量多、传递要求快。这一切只有通过国际间的密切合作才能实现。大气科学研究中的这种高度分散(观测站点)、高度集中(资料迅速集中)、高度协调(观测站址、观测仪器和方法)、高度合作(国际间合作)的特点,是其他学科无法比拟的。

学科分支

  大气科学的分支学科主要有大气探测、气候学、天气学、动力气象学、大气物理学、大气化学、人工影响天气、应用气象学等。

  大气探测 是一门研究探测地球大气中各种现象的方法和手段的学科。按探测范围和探测手段划分,大气探测有地面气象观测、高空气象观测、大气遥感、气象雷达、气象卫星等分支。探测手段的飞跃往往带来以往难以预计的重大发现,在大气科学的发展进程中,大气探测起了十分重要的作用。

  气候学 是一门研究气候的特征、形成和演变以及气候同人类活动相互关系的学科。研究内容主要包括气候特征、气候分类、气候区划、气候成因、气候变化、气候与人类活动的关系、气候预报和应用气候等。20世纪70年代以来,全世界发生了几次气候异常,尤其是20世纪末期气候异常的严重影响更令人瞩目。人类活动和工业生产引起大气中二氧化碳和其他有温室效应的气体(如甲烷、一氧化二氮等)含量逐年增加,它们对地球气候的影响,也是非常令人关切的问题。电子计算机的采用,促进了对气候变化物理因子和气候模拟的研究,气候预测已成为一个具有战略意义的课题。

  天气学 是一门研究大气中各种天气现象发生发展的规律以及如何应用这些规律来制作天气预报的学科。研究内容主要包括天气现象、天气系统、天气分析和天气预报等。气候学和天气学研究的成果,直接服务于国民经济建设。

  动力气象学 是一门应用物理学和流体力学定律及数学方法,研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的学科。研究内容主要包括大气热力学、大气动力学、大气环流、大气湍流、数值天气预报和数值模拟等。动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的机理、掌握天气和气候变化的规律有十分重要的作用,它是大气科学的理论基础学科。

  大气物理学 是一门研究大气的物理现象、物理过程及其演变规律的学科。研究内容主要包括云和降水物理学、大气光学、大气电学、大气声学、大气辐射学等。大气物理学也是大气科学中的理论基础学科。20世纪50年代以后,也有人把动力气象学包括在内都称为大气物理学。

  大气化学 是一门研究大气组成和大气化学过程的学科。研究内容主要包括大气微量气体及其循环、大气气溶胶、大气放射性物质和降水化学等。

  人工影响天气 研究如何通过影响云和降水的微物理过程使某些大气现象、大气过程发生改变的技术和方法。如人工增雨、人工防雹、人工消雾等。人工影响天气是人类改造自然的一个组成部分。

  应用气象学 是将气象学的原理、方法和成果应用于农业、生态、水文、航海、航空、环境、军事、医疗等方面,同各个专业学科相结合而形成的边缘性学科,也是研究充分开发利用气候资源的重要领域。

  大气科学的各个分支学科彼此不是孤立的,如天气学和气候学与动力气象学相结合,产生了天气动力学和物理动力气候学。探测手段的不断革新和痕量化学分析技术的发展,推动了对大气的物理性质和化学性质的分析研究,促进了大气化学的发展。尤其是大气中二氧化碳和甲烷等微量气体对气候影响的日益显著,以及大气污染和酸雨问题的出现,不仅使人们更加认识到大气化学在大气科学中的重要性,而且随着研究的深入,更认识到大气化学过程和大气物理过程的相互作用,从而促进了这两个分支学科的相互结合。气象卫星探测与天气分析相结合产生了卫星气象学,气象雷达探测与云和降水物理学相结合产生了雷达气象学。大气科学学科分支又分又合的过程,反映了大气科学的不断深入发展。

  大气科学在很长的历史发展过程中,先是以气候学、天气学、大气热力学和动力学问题以及大气中的物理现象(如电象、光象、声象)为主要研究内容,传统称之为“气象学”(meteorology,此词源于希腊文meteoros和logos,意为“上空的”和“推理”)。随着现代科学技术在气象学中的应用,其研究范畴日益扩展,因而从20世纪60年代以来,“大气科学”术语的应用日益广泛,它大大扩充了传统气象学的研究内容。由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影响的重要性,要了解大气变化过程就不能不深入到其他圈层变化过程的研究,从物理与力学过程拓展到化学与生物过程的研究。因此,大气科学的研究内容越来越广泛,与其他学科之间的相互渗透也越来越深入。

与其他学科的关系

  大气科学依据物理学和化学的基本原理,运用各种技术手段和数学工具,研究大气的物理和化学特性、大气运动的各种能量及其转换过程、各种天气气候现象及其演变过程、天气以及其他某些现象的预报方法、影响某些天气过程的技术措施、大气现象各种信息的观测和获取以及传递的方法和手段等。和其他学科一样,大气科学是同许多学科相互渗透、相互借鉴的。诸如:研究大气运动,需同流体力学、热力学、数学密切合作;研究太阳辐射以及太阳扰动在大气中引起的各种机制,需同高层大气物理学、太阳物理学和空间物理学密切合作;研究水分循环、海洋和大气的相互作用,需同水文科学、海洋科学密切合作;研究地球大气的演化、地球气候的演变,需同地球化学、地质学、冰川学、海洋科学、生物学和生态学密切合作;研究大气化学、大气污染,需同化学、物理学、生物学和生态学密切合作;研究大气问题的数值模拟、数值天气预报等,需同计算数学等密切合作;研究大气探测的手段和方法,需同有关的技术科学密切合作;在大气探测、天气预报等自动化的进程中,大气科学还不断同信息理论、系统工程等科学技术领域密切合作。在相互合作和相互渗透的过程中,大气科学不断汲取其他学科的养料;大气科学特定的要求又不断为其他学科开辟新的研究前沿,不断丰富着其他学科的内容。

发展概略

  大气科学是一门古老的学科。有关天气、气候知识起源于长久的生产劳动和社会生活的经验之中。早在渔猎时代和农业时代,人们就逐渐积累起有关天气、气候变化的知识。中国在公元前2世纪见于《淮南子·天文训》和《逸周书·时训解》的二十四节气和七十二候,就是从生产和生活实践中总结出来的,它又被用来指导农事活动。后来的工农业生产活动,军事活动,航海、航空、航天活动,以及对海洋、冰川、高原、空间等考察的发展,都为大气科学不断提出新的课题,推动着大气科学的发展。

  17世纪以前,人们对大气以及大气中各种现象的认识是直觉的、经验性的。17~18世纪,由于物理学和化学的发展,温度、气压、风和湿度等的测量仪器的陆续发明,氮、氧等元素的相继发现,为人类定量地认识大气的组成、大气的运动等创造了条件。于是,大气科学研究开始由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段。这是大气科学发展进程中的一次飞跃。1820年,在气压、温度、湿度、风等气象要素的测定和气象观测站网逐步建立的条件下,H.W.布兰德斯绘制了历史上第一张天气图,开创了近代天气分析和天气预报方法,为大气科学向理论研究发展开辟了途径。这是大气科学发展史上的又一次飞跃。1835年科里奥利力的概念和1857年C.H.D.白贝罗提出的风和气压的关系,成为地球大气动力学和天气分析的基石。1920年前后,气象学家J.皮耶克尼斯、H.索尔贝格和T.H.P.伯杰龙等提出的锋面、气旋和气团学说,为天气分析和预报1~2天以后的天气变化奠定了理论基础。1783年,法国J.-A.-C.查理制成了携带探测气象要素仪器的氢气气球。20世纪30年代无线电探空仪开始普遍使用,这就能够了解大气的铅直结构,真正三度空间的大气科学研究从此开始。根据探空资料绘制的高空天气图,发现了大气长波。1939年气象学家C.-G.A.罗斯比提出了长波动力学,并由此引出了位势涡度理论。这不仅使有理论依据的天气预报期限延伸到3~4天,而且为后来的数值天气预报和大气环流的数值模拟开辟了道路。1946年I.朗缪尔、V.J.谢弗和B.冯内古特的“播云”试验,探明了在过冷云中播撒固体二氧化碳或碘化银,可以使云中的过冷水滴冰晶化,增加云中的冰晶数目,促进降水,从此进入了人工影响天气的试验阶段。

  20世纪50年代以前,大气科学虽然取得了很大的进展,但因受海洋、沙漠等人烟稀少地区缺乏资料的限制以及计算上的困难,还不能摆脱定性或半定性的研究状态。50年代以后,各种新技术特别是电子计算机和气象卫星的采用,使大气科学有了突飞猛进的发展,主要表现在以下两个方面:

  1.不断采用新的探测技术,使大气科学研究进入了宏观愈宏、微观愈微的新阶段 由于采用气象卫星、气象火箭和激光、微波、红外等遥感探测手段以及各种化学痕量分析手段等新技术,对大气的观测能力增强了,观测空间扩展了。如赤道上空五个地球同步卫星和两个极轨卫星几乎能提供全球大气同时间的情况,不再存在气象资料的空白地区。气象多普勒雷达可观测云的细微结构。气象卫星、新型气象雷达、飞机等探测手段联合应用,为开展各种规模的综合观测试验,为早期发现和追踪台风及生命史短至几小时的小尺度灾害性天气系统,为提高短期和短时(一二小时至12小时)预报水平,以及改进中期预报提供了条件。气象卫星在大气层外探测大气,不仅加大了观测范围,而且极大地丰富了观测内容,如广阔洋面的温度、云的微观结构、大气的辐射平衡以及地表特征等。气象卫星已成为现代大气科学发展的支柱之一。

  2.电子计算机的使用,使大气科学研究进入了定量和试验研究的新阶段 大气的各种现象,大至全球的大气环流,小至雨滴的形成过程,都可以依照物理和化学原理以数学形式表达,然而只有用电子计算机才可能实际地进行运算并模拟这些现象的发生、发展和消亡的过程。大气中各类现象的相互影响,以及大气现象中的跃变形式(如飑线),都存在非常复杂的非线性问题。由于数学上的困难,以往大都是在某种假定下,首先把非线性的数学模式线性化,然后求解;大型高速电子计算机的问世,为解非线性方程提供了条件。此外,随着科学技术的发展,人类往往需要了解几星期、几个月甚至一年以上大气可能出现的状态。这也需依靠高速计算机获取和处理全球资料,以全球模式来进行天气预报和气候预报。电子计算机是现代大气科学发展的另一个支柱。

  大气科学的迅猛发展正方兴未艾。随着全球变化、世界气候计划、国际地圈–生物圈计划、国际人文因素计划、生物多样性计划及其他专项计划的执行,在常规观测系统的基础上,将更多地运用气象卫星、海洋观测卫星、地球环境卫星、多普勒雷达和各种特殊装备的飞机等多种探测手段,以及新的大气化学观测和分析方法,进行各种特殊项目的观测,如海面高度、太阳常数、云和辐射的反馈、土壤湿度、海–陆–气相互作用、碳循环等。通过以上观测和计划的执行,将对气候变化和中小尺度天气系统的精细结构及其发生发展原因有更加广泛和深入的研究,研究成果将不断提高对灾害性天气预报的水平,不断预示人类活动对气候影响的可能后果,以防患于未然。如近年来由人类活动造成大气中甲烷和一氧化二氮等微量气体含量的增加而引起的大气温室效应,据估计,可能很快达大气中二氧化碳所引起的温室效应的一半。这些温室效应的总效果可能导致地球气候发生很大变化。同时,大气气溶胶对天气气候变化的影响也正日益受到重视。对温室效应气体和大气污染等问题的深入研究,使得大气化学的重要性越来越显著,大气化学将会更加迅速地发展。

近年来学科发展特点

  由于全球气候系统和地球系统科学的概念的提出,21世纪初大气科学发展的一个主流特点是突出多圈层及其相互问题,以及相关学科领域交叉与应用技术的进步。大气科学综合探测系统向以天基、地基、空基相结合的为主流方向发展,当前日益发展和成熟的物理学、现代电子技术、信息技术,特别是空基和地基遥感技术及计算机技术飞跃发展,为大气探测新技术的问世提供了契机,目前大气探测已扩展成为气象观测学科,属于地球科学研究的重要技术支撑领域。20世纪90年代以来,国际上基于卫星、飞机、气球和地面各类平台的探测技术迅猛发展,形成了从全球、区域层面到中小尺度、微尺度层面的立体探测,对大气中各种物理和化学过程的理解和定量关系的建立,并对增进大气科学各个分支及其相互关系的认识发挥了重要作用。除了大气科学本身的发展需求外,大气探测技术发展的动力还源自人类对了解大气状况和气候变化影响日益增长的需求,同时人类在大气中空间活动范围也不断增大,对其空间环境的认知十分迫切,这些需求都大大推动了大气科学探测技术的发展。

  当前,卫星气象学就是伴随卫星探测技术的提升而发展的。自从1960年第一颗气象卫星发射成功以来,世界上先后有100多颗气象卫星上天。气象卫星经历了从试验到业务,从极轨到静止,从单一仪器观测到综合仪器观测,从单星系统到多星组网观测的发展,取得了显著的进步。从总体上看,世界气象卫星事业已经达到了比较高的技术水平,进入了成熟的业务阶段,应用领域广泛、应用效益显著。

  灾害气候、天气及中小尺度天气动力学的研究日益受到重视,在21世纪中,如何提高气候、天气和中小尺度天气不同尺度系统的监测和预报水平,对于减轻气候和天气、强对流灾害造成的损失将更是各国政府关注的问题。影响我国不同尺度天气变化的主要环流系统极其复杂。深入认识我国天气变化的大气环流系统,如西太平洋副热带高压的强度和位置、东亚季风、中高纬天气系统、热带气旋以及中小尺度暴雨等多尺度系统,以及它们对我国天气气候变化作用,长、中短期天气预报理论和方法的完善与改进工作,是当前大气科学亟须解决的关键问题。

  随着社会需求的增长和气象事业自身发展的需要,传统的天气气候预报预测将转变为从大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈的相互作用来理解发生在气候系统中的各种运动和过程(包括物理、化学和生物过程),从而提高天气气候预报、预测水平;天气气候业务也将向气候系统的多时间尺度预报、预测转变。未来的气候变化研究将更充分地体现气候系统的概念。现代全球气候系统的主要科学问题包括:不同时间尺度的气候变率;海洋环流、能量循环和水循环的作用;冰雪圈的影响;平流层的作用;人类活动的影响,尤其是温室气体排放对气候变化的影响;气候预测,尤其是季节预测和年际预测以及未来50~100年气候变化趋势的预估等。深入认识气候系统与全球变化,有效适应全球变化和履行UNFCCC(联合国气候变化框架公约),需要了解过去气候变化的成因,有效地检测出人类活动引起的全球和区域气候变化信号,更加准确地预测未来气候变化趋势和情景,并研究气候变化对我国的生态系统和敏感经济部门可能产生的影响,提出适应对策建议,这是关系到我国社会、经济可持续发展和国家安全长远战略问题。随着人类活动对气候系统影响日益显著,全球变化及其相关的科学技术问题,引起人们越来越多的关注。作为新兴的交叉学科,上述领域的研究已成为当今大气科学的前沿,而且其研究成果可以直接为UNFCCC等国际环境外交谈判提供科学支撑,同时也对综合观测与科学实验提出了更高的要求。

  由于高性能计算机与大气遥感技术成就的推动,从20世纪80年代起,数值预报进入持续高速发展的时期,目前国际上主要的发展成就表现在空基与地基遥感资料同化技术的突破,而使得长期制约天气预报水平提高的观测资料空缺问题得到某种程度解决。各国已经在发展新一代非静力平衡框架下的数值预报模式,使数值预报与模拟的对象扩展到各种尺度的大气运动。数值预报模式中物理过程不断完善,特别是大气与地球其他圈层的相互作用成为模式研究发展的热点。根据现代化高科技社会的发展需求,高分辨率、局地定时、定点、定量的灾害性天气与大气环境预报将日益成为气象科学研究和业务的重点。为此,深入研究中小尺度大气动力、物理、生物与化学过程,建立精细的大气预报模式将成为关键科学问题。

  大气化学是大气科学的一个重要学科,目前,大气化学是大气科学中最活跃的分支。它涉及大气成分的性质和变化,源和汇,化学循环,以及发生在大气中、大气与陆地及海洋之间的化学过程。一方面,大气化学不断与其他学科领域进一步互相渗透融合,另一方面日益成为全人类社会迫切关注的关键学科领域,它所揭示的观测事实和研究成果已经成为各国可持续发展战略和气候与环境变化国际公约谈判的基础。

  大气物理学是我国发展最早的大气学科领域,从20世纪中期开展云雾物理特征研究以来,逐步创建了大气辐射、大气遥感、大气电学、大气边界层、中高层大气物理学等分支学科,基于大气物理研究领域应用理论的拓展与深化。人工影响天气已朝着用人为手段使天气现象朝着人们预定的方向转化,如人工降水、人工降雹、人工消云、人工消雾、人工抑制雷电和人工防霜冻等新技术已进入气象应用与社会服务时代。

  当前大气科学已从探索性理论研究,拓展成应用性技术体系,“应用气象”领域的范畴越来越广阔,如农业气象、海洋气象、林业气象、交通气象、盐业气象与水产气象如“雨后春笋”,成功立足于相关服务行业。当前世界上农业气象工作的重点放在环境、气候变化、生物多样性、干旱和荒漠化、粮食安全和可持续发展六大问题上。国际上农业气象最为突出的成果就是成功研制许多机理的作物生长—环境模型,取得许多农业气象基础理论研究成果。开展了大规模海洋气象现场实验,20世纪80年代以来海洋气象,探测技术进步很大,并在获取海洋大气信息能力等方面具有新突破。特别是气象系列卫星和海洋卫星的相继发射,使我们获得了大范围的气象和海洋信息,对海上大风、大雾等灾害性天气进行了系统研究。在海气相互作用研究方面揭示了海洋和大气某些现象的联系,对长期天气预报和气候预测有重要价值。林业气象在森林边界层及其水热交换、碳通量、遥感技术与碳通量及其尺度转换、林业气象灾害及防灾减灾技术等方面的研究均取得重要进展,提高了气象为林业服务的水平。水文气象在水文循环和水分平衡中的降水、蒸发等方面的研究取得重要进展。气象雷达、气象卫星的应用,为降水短时预报和洪水预报相结合创造了条件。完成了流域最大降水量和大水体水面蒸发量的估算,建立了防汛抗旱水文气象综合业务系统,在26个省(区、市)推广应用。交通气象在交通气象灾害发生规律及其对公路、铁路、航空、航运的影响和监测、预警、评估技术等方面的研究取得较大进展。建立了全国公路交通气象预报系统,并发布全面主要公路气象预报。盐业气象在纳潮、积卤和盐田蒸发等方面研究有一定进展,盐业气象监测、预报服务技术不断提高,在指挥盐业生产上发挥了重要作用。水产气象在渔业生物行动、资源数量、养殖、捕捞与气象条件的关系、有利和不利气象条件变化规律及观测、预报、预防渔业气象灾害等方面有重要进展,促进了水产气象业务的发展。

  伴随着应用气象领域的拓展,20世纪中叶公共气象服务已成为一个独立的学科。公共气象服务是以气象公益性公共事业为出发点,以“提高公共气象服务能力,保障经济社会发展和人民安全福祉”作为实践科学发展观的载体,以“气象防灾减灾”和“应对气候变化”作为实践载体的两个着力点。公共气象服务学不仅研究如何将气象科学硬技术成果应用于社会生产、生活实践中提出的气象服务问题,还研究如何利用软科学理论与方法解决公共气象服务发展中的管理科学问题。公共气象服务是引领气象科学发展前进的动力,公共气象服务亦是政府公共服务的重要组成部分。中国气象局目前的职能定位为“公共气象,安全气象,资源气象”。近年来,我国气象工作者基本围绕这三个主题展开相关研究。2009年哥本哈根《联合国气候变化框架公约》大会的召开,使得公共气象服务应对气候变化的相关研究成为国内外学者关注的热点问题。

  从适应社会发展需求这一重大转变,从提高我国气象基本业务能力出发,对天气、气候、气候变化、数值预报、大气化学、大气物理、人工影响天气、应用气象领域及天基、地基与空基综合观测与外场科学试验等方面进行全局性的战略设计,对加快气象事业现代化的发展步伐,为新时期我国经济社会的全面、协调、可持续发展保驾护航,具有十分重要的意义。