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大气科学的发展前景

 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》《逸周书·时训解》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.罗斯比提出了长波动力学,并由此引出了位势涡度理论(见大气动力方程)。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。
大气科学在很长的发展过程中,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声、光、电等物理现象为主要研究内容,传统称为气象学。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。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,大气科学有了突飞猛进的发展,20世纪60年代以后,大气科学术语的应用日益广泛,大大扩充了传统气象学的研究内容。由于各种新技术特别是电子计算机和气象卫星的采用,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,使大气科学进入了宏观越宏、微观越微的新阶段。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,对大气的观测能力增强了,观测空间扩展了。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、大气辐射平衡等。气象卫星已成为现代大气科学发展的支柱之一。
电子计算机的使用,使大气科学研究进入了定量实验研究的新阶段。大气中各类过程的相互影响,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。大型高速电子计算机的问世,为解非线性方程提供了条件。要了解几星期、几个月甚至一年以后的大气可能出现的状态,也需依靠高速计算机获取和处理全球资料,以全球模式进行天气预报和气候预测。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。随着世界气候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、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、近海面风力、土壤湿度、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。对温室效应气体和大气污染等问题的深入研究,使得过去有一定忽略的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。总之,人类生产和生活的发展,将不断提出新的问题和要求,推动大气科学新理论和新分支的发展。大气科学新的发展,必将不断提高它为生产和生活服务的能力,如提高天气和气候预报的准确率、为开发利用气象资源和制定经济政策提供更加可靠的科学依据等,其经济效益和社会效益将不可估量。
总之,人类生产和生活的发展,将不断向大气科学提出新的问题和要求,推动大气科学新理论和新分支的发展。大气科学的新发展,必将不断提高它为生产和生活服务的能力,如提高天气和气候预报的准确率,为开发利用气候资源、制定发展战略和经济政策提供更加可靠的科学依据。

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