大氣科學歷史進程中多學科的交叉影響

肖子牛葉夢姝

（1 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；2 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029）

大氣科學歷史進程中多學科的交叉影響

肖子牛1,2葉夢姝1

（1 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；2 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029）

從科學史與學科分類的視角，按照歷史階段和融合方式這兩個維度，分析歸納了六組學科領域與大氣科學發展的融合與互動：古代氣象學在萌芽階段曾與天文學和地理學共生；16—18世紀在因探險活動而興起的航海學和山地學研究中，積累了豐富的氣象學研究素材；19—20世紀氣象學逐漸吸收了數理科學的成果，并初步建立了基礎理論；20世紀在計算機技術和遙感技術的推動下，大氣科學在數值預報和氣象觀測等方面實現了質的飛躍；20世紀以來，農業氣象、醫療氣象等各應用氣象領域蓬勃發展，大氣科學得到了更加專業和深入的應用；21世紀后，大氣科學與政治學、經濟學、傳播學等社會科學廣泛融合，開啟了大氣科學嶄新的發展階段。

多學科，大氣科學，科學史，自然科學，社會科學

1 引言

從科學發展的歷史進程來看，所有學科最初都以混沌不分的形態包含于哲學范疇內，大氣科學也不例外。在幾乎所有的古代文明中，天文和氣象都被統稱為天象，用以描述所有天上發生的事情。文藝復興與啟蒙運動之后，最早是天文學和物理學，然后是化學和生物學等學科逐漸從自然哲學中獨立出來，并隨著人類航海、登山等探險活動的增加，誕生了航海學、山地學、地質學等新的知識領域[1]。大氣科學這門古老的學科也逐漸明確了自己的研究對象，并從這些新的知識領域中積累了更多的研究素材。19世紀之后，知識的分類同我們熟知的現代學科分類已經十分類似了，幾乎所有學科都從數學、物理等基礎學科借鑒研究方法，大氣科學還受益于計算技術、遙感技術的大力推動，實現了客觀數值預報與全球天氣監測，發展到了一個全新的階段。在大氣科學的社會功能上，其與醫學、農學、交通工程、環境工程等領域交叉，在服務公眾與行業中發揮著越來越顯著的社會價值。當天氣與氣候的問題不僅僅是科學問題，更成為與政治決策、經濟發展、公眾生活密切相關的議題時，大氣科學和政治學、經濟學、傳播學等社會科學的融合又成為了21世紀大氣科學新的增長點。

本文簡要梳理了大氣科學在不同歷史階段與不同學科的交融關系，如何從最初的共生萌芽到成熟獨立，從吸收引進其他學科的成果到需求引領技術革新，逐漸成為了一個與自然科學和社會科學各相關領域交融滲透、廣泛聯系的學科，通過以點帶面的方式為氣象科技史的研究提供一條線索。

2 萌芽期與天文學、地理學共生

在古代文明時期，人類將天氣現象和天文現象混在一起認知，并認為天氣的規律及變化是對星體運動的響應，可以說，氣象學和天文學是在共生中萌芽的。古希臘和古巴比倫的學者用恒星或月亮的運行軌跡、明暗圓缺等來預報天氣[2]。古代中國學者也認為，天氣氣候是對天文現象的配合，例如《周髀算經》根據天文觀測將一年劃分出了四時、八節、二十四節氣，并認為天文變化決定著地球上四時八節的氣象變化，決定著二十四節氣的變化。這個時期的天象知識是神圣的、神秘的，被星象師、占星師、司天等少數人掌握，研究天象是為統治者了解“天意”以便順乎“天命”，祭天祈雨、制定歷法、指導農時及戰事等。

早期古羅馬帝國時代之后，隨著人類活動范圍的擴大和區域間交往的加深，地理學知識逐漸擴展，在氣象學中又加入了地理學的傳統，人類開始從更大的時空尺度認識天氣現象和規律。古羅馬地理學家龐波尼烏斯（Pomponius Mela）是地理氣象學的代表人物之一，在他的著作《世界概述》中，他通過推理和計算將全球劃分為南北對稱的六個氣候帶，并解釋了信風是由于不同緯度接受的太陽輻射不同而形成的固定環流，這是古代地理氣象學最重要的成果之一。

天文學和地理學分別代表了大氣科學的“動力—因果”和“描述—分類”兩種研究范式。在中世紀之后，天文學率先從自然哲學中獨立出來，并促成了近代物理學誕生，而氣象學和地理學的發展在中世紀和文藝復興時期都是相對落后的，直到近代才又重新發展起來。現代大氣科學和氣候學仍然關注天文因子對氣候的影響，但其前提假設和研究方法與古代的天文氣象學已經毫無關聯。

3 在航海等探索實踐中逐漸積累

中世紀后“氣象”從“天象”中獨立出來，其研究對象逐漸明晰，并有了自己的觀測儀器和觀測方法。在對海洋、高山等地區的探索活動中，積累了基礎而重要的氣象觀測數據，成為了早期氣象科學發展的重要研究素材。

15世紀末到17世紀，西歐的商人和科學家為探索新世界，開展了多次大規模的航海探險，打破了氣象研究在空間上的限制，為了解大尺度天氣現象的認識奠定了基礎。經過了兩個多世紀的摸索和積累，人們對信風、洋流、風暴等天氣現象有了更加全面的觀察，對氣象學的認識從局地、分散的天氣現象擴展到更廣泛空間中相互聯系的天氣氣候系統。英國天文學家哈雷（Edmond Halley，1656—1742年）在遠洋航行中，系統研究了信風和季風，認為太陽輻射是大氣運動的根本動力，并注意到了氣壓讀數的變化和風場的關系，闡述了環流理論[3]；德國博物學家洪堡（Alexander Humboldt，1769—1859年）首創了世界等溫線圖，研究了氣候帶分布、溫度垂直遞減率、大陸性與海洋氣候、地形對氣候形成的作用等；美國海軍軍官莫里（Matthew Maury，1806—1873年）繪制成了《北大西洋風和海流圖》，幫助航海家和商人尋找安全的航線；今天氣象工作者熟知的蒲福風級、白貝羅風壓定律等也是航海氣象學的貢獻[4]。

山地氣象學重要的代表人物是瑞士地質學家索緒爾（Saussure，1740—1799年），他游歷了很多名山大川，其中包括歐洲最高峰勃朗峰。索緒爾在勃朗峰上設立了山地氣象觀測站，并在該處詳細觀測天文、氣象，調查地質和冰河情況。在《阿爾卑斯山行記》一書中，他提出當地每100m的氣溫平均遞減率為0.64℃，而且隨著高度增加空氣濕度減小，他還證明了潛熱的存在，形成了對大氣垂直結構的基礎認識[5]。

大氣科學在需求實踐的推動下開始形成獨立的知識和技能體系。山地氣象學和航海氣象學這兩個交叉領域成為了氣象學知識的先鋒，使得氣象科學不再是空中樓閣，而發展成為了基于大量觀測數據和事實的實證科學。

4 吸收數理科學成果建立基礎理論

19世紀中葉時，物理學家和數學家在實驗和計算中取得了許多重大的成果，力學、光學、熱學中的各種現象都能夠用數學方法來解釋，很多與氣象相關的基礎理論也相繼被證明出來[6]。瑞士數學家歐拉（Leonhard Euler，1707—1783年）于1752年和1755年分別推導出了反映質量守恒的連續性方程和反映動量變化規律的流體動力學方程；1834年法國物理學家克拉珀龍（Benoit Clapeyron，1799—1864年）創立了理想氣體狀態方程；1849年英國物理學家焦耳（Joule，1818—1889年）通過實驗證明了能量守恒與轉換定律；1862年開爾文（Lord Kelvin，1824—1907年）在理論論證的基礎上定量地推導出了干絕熱遞減率值與飽

和絕熱遞減率值。可以說，到19世紀中葉時，表征大氣基本運動的幾個方程的基礎理論已經基本完備[7]。

然而，當時的大氣科學并沒有立刻消化和應用這些數理基礎理論[8]。在1860年成立的英國氣象辦公室中，唯一的氣象學家勒弗羅伊并不知道這些理論能應用到天氣預報業務中來。直到第一次世界大戰期間，挪威氣象學家皮葉克尼斯及其帶領的挪威學派首次嘗試用流體力學、熱力學方程來描述大氣的運動與變化，并推導出了以可測量氣象要素為變量的方程組，大氣科學才真正吸取了數理科學發展的成果茁壯發展起來。其后的芝加哥學派更加強調數學公式背后的大氣運動的物理意義，并用尺度分析等數學方法來判斷最主要的動力機制，而非拘泥于數學推導本身[9]。挪威學派和芝加哥學派將近代關于天氣現象的定性解釋和零散的知識更新成為了現代大氣科學[10]。

然而大氣科學與數理基礎理論的融合并沒有完結，20世紀的非線性動力學和耗散結構理論等又為大氣科學帶來了新的視角。幾乎每一次大氣科學對基礎學科理論進展的吸收都會為大氣科學帶來重要轉折或質的飛躍，而且大氣運動的復雜現象也促使了基礎學科理論的更新和完善，例如洛倫茲的蝴蝶效應推動了非線性動力學的發展[11]。

5 技術推動實現質的飛躍

隨著20世紀上半葉數值預報理論的逐漸成型，當英國數學家理查森（Richardson，1881—1953年）發現了微分方程的數值化近似解法之后，他聘請了上百人進行手工計算，嘗試用數值預報的方法算出某地地面氣壓在6小時后的變化。數日后他得到了結果，竟然是145hPa正變壓。雖然理查森的失敗主要并不是計算錯誤，但他的嘗試使氣象學家們對數值預報的計算量有了直觀的認識，計算速度已經成為了制約數值預報發展的最大瓶頸。二戰后期美國氣象學家查尼（J G. Charney，1917—1981年）和計算機之父馮?諾依曼（von Neumann，1903—1957年）聯手，在世界上第一臺計算機ENIAC的項目中專門建立了“氣象小組”，于1950年在電子計算機上首次成功對北美地區500hPa高度場做出了24小時的預報。隨著數值預報業務與資料同化方法的進步，數值預報對計算速度的需求也與日俱增，形成了世界上最先進的計算設備之一應用于氣象部門數值預報的“傳統”。可以說，沒有計算機科學與技術的發展，就沒有今天的大氣科學[12]。

20世紀另外一個改變了大氣科學面貌的技術是遙感技術，遙感技術利用大氣對電磁波的輻射和反射特性對遠距離的對象進行探測，由此誕生了衛星氣象學和雷達氣象學，全面升級了氣象觀測的范圍和質量，并使更精確的數值預報初始場成為可能。縮短時間和擴大空間是現代技術的兩個基本取向，氣象衛星可以提供同一時刻全球范圍的大氣運動狀況，天氣雷達可以提供當下時刻觀測范圍內幾乎整層的水汽分布及運動狀況，刷新了人類能夠認識到的大氣的時間尺度和空間尺度，推動大氣科學在世界天氣監測上實現了質的飛躍。

至此，大氣科學終于從局地、分散的認識發展成為全球、集中的認識，從感性、定性認識發展成為理性、定量的認識，從靜止的、線性的認識發展成為動態的、非線性的認識。

6 應用氣象學科邁入新階段

現代科學具有強烈的實用主義特征，知識的目的是用以解決實際的需求。人類對氣象知識的需求起源于近代的航海貿易和軍事戰爭，雖然當時大氣科學的理論遠不足夠精確和完善，但報頭的“每日天氣報告”欄目已經進入了公眾的視野和百姓的生活。20世紀之后，隨著大氣科學的不斷發展，其能夠提供服務的對象和產品種類也更加豐富，大氣科學在應用的基礎上與其他學科領域交叉融合，派生出了農業氣象、醫療氣象、交通氣象、環境氣象、航空氣象等許多交叉學科。

農業氣象是其中起步最早、發展最為成熟的一個交叉學科。農業氣象學幾乎和農學的歷史一樣悠久，幾乎所有古代文明都根據本地氣候特征總結出了自己的一套農業氣象經驗，這些知識往往以諺語和歷法等文化形式表現出來，雖然不夠精確，但具有持久的生命力。1735年法國科學家列奧米爾（Réaumur，1683—1757年）發現，可用積溫來衡量植物的生長速度，這一學說至今仍是農業氣象學的一個重要基礎理論。20世紀30—40年代后，現代大氣科學和現代農業的再結合為這個古老的領域帶來了新的活力，用現代的農業觀測手段研究農業生產與氣象條件之間的關系，對災害性天氣進行防范措施、進行農業氣候區劃以服務農業發展與現代化，農業氣象學逐步成為一門完整的獨立的學科，在經濟社會發展中發揮了獨特的作用。

醫療氣象是另外一個歷史悠久的交叉學科。古代中國基于“天人合一”的世界觀，往往認為人體健康狀況會受到天氣氣候條件的決定性影響，阿拉伯帝國的學者們也非常重視氣象條件和人體健康的關系，例如伊斯蘭醫學家阿維森納（Avicenna，980—1037年）

就提出了一系列根據氣象條件判斷空氣是否有利于人體健康的標準[12]。20世紀下半葉以來，隨著人類對環境污染的重視，醫療氣象得到了前所未有的關注。尤其是大氣逆溫條件下發生的嚴重的空氣污染，如1950年代倫敦霧事件以及近年來我國東部城市高發的霧霾事件，又將醫療氣象和環境氣象推到了輿論的風口浪尖。目前醫療氣象的研究方法多以統計分析為主，氣象條件作為致病因素及誘發因素的病理分析將是該領域的發展前沿。

7 與社會科學融合推動未來發展

和自然科學相比，社會科學是到了近代才建立起來的十分“年輕”的知識領域。大約在19世紀初，政治學、經濟學、法學、社會學等社會科學才建立了各自的概念體系和基本理論。但在整個20世紀，社會科學以極快的速度發展起來，飛速發展和轉型的社會形態為社會科學帶來了豐富的研究素材。社會科學的目的是解釋社會現象、指導社會運行，大氣科學在服務現代社會經濟、指導百姓生活扮演著不可或缺的角色，因此如何傳播大氣科學、幫助政府和公眾理解和應用大氣科學，不僅是大氣科學的發展目標，更是社會科學的研究主題。

因此，大氣科學與社會學、經濟學、政治學、法學、傳播學等社會科學的相互滲透可能成為未來重要的知識增長點。在經濟學方面，防災減災與公共氣象服務的社會與經濟效益日益凸顯，商業天氣保險不斷應用推廣，要使大氣科學更好地降低社會運行風險、保障人民生命財產安全，氣象經濟學的研究十分必要；在政治學方面，雖然以前也有學者對氣候變化和文明興衰的關系進行初步探索，但現代社會的氣候資源利用、氣候變化減緩及應對要求的行動方案已經遠遠超出了科學家的工作范圍，而是更多地涉及政府管理、公共政策、國際關系等復雜的影響因素，迫切的需要深入研究氣候變化的政治學；在法學方面，因為氣象信息的制作應用的整個流程需要受到法律的規范，在保證其正常運行的基礎上使其應用范圍最大化；在傳播學方面，大氣科學是公眾最容易接觸到也最容易誤解的一門現代科學，如何科學地傳播天氣信息、提高公民氣象科學素養、讓天氣信息更好地指導公眾防災減災和生產生活，是氣象傳播學的研究重點。

8 結語

萊布尼茨曾說：“各門科學的整體可以看作一個海洋，它到處延伸而沒有終止和分界，盡管人們想象其中的各個部分，并按自己的方便給它們以名稱。”從20世紀后半葉開始，由于研究一些復雜的問題需要多個學科的知識，學科發展又出現了融合的趨勢，一些交叉學科和多學科的研究領域開始大量出現，學科的發展從“合”到“分”，正走向新一輪的“合”，這種“合”不僅是學科發展的趨勢，也是學術研究產生重大創新性成果的方式[13]。

對于大氣科學來說，從最初的共生萌芽到成熟獨立，從吸收引進其他學科的成果到需求引領技術革新，如今已經成為了一個交融滲透、廣泛聯系的學科。近年來，傳統氣象已經向政治氣象、經濟氣象、公共氣象、安全氣象、資源氣象等多學科角度交叉發展，大氣科學的研究成果必將成為未來國家政治、經濟、軍事決策的核心依據，大氣科學和社會科學的進一步融合可能成為未來氣象領域最有發展潛力的一個增長點，因此迫切需要自然科學家和社會科學家的合作、復合型人才的培養、新的業務和研究領域的拓展。未來地球計劃（Future Earth，2014—2023年）就是最近發起的一個自然科學和社會科學融合的國際研究計劃，其目的是為應對全球環境變化給各區域、國家和社會帶來的挑戰，加強自然科學與社會科學的溝通與合作，為全球可持續發展提供必要的理論知識、研究手段和方法，增強全球可持續性發展的能力，應對全球環境變化帶來的挑戰。自然科學和社會科學相互的碰撞，有助于提高人的物質生活和精神境界，也意味著科學發展的新時代即將到來。

[1]伯納德?科恩. 科學革命史. 北京: 軍事科學出版社, 1985.

[2]Lüdecke C. Astrometeorological weather prediction at the time of the societas meteorological Palatina. Conference of the International Commission on History of Meteorology (ICHM), Germany, 2004.

[3]Hardley G. An historical account of the trade-winds and monsoons observable in the seas between and near the tropics with an attempt to assign the physical cause of said winds. Phil Trans, 1753, 26: 153-168.

[4] Persson A O. Hadley’s principle: understanding and misunderstanding the trade winds. History of Meteorology 3, 2006: 17-42.

[5]劉昭民. 西洋氣象學史. 臺北: 中國文化大學出版社, 1981.

[6]哈曼. 龔少明, 譯. 19世紀物理學概念的發展. 上海: 復旦大學出版社, 2002.

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[10]丑紀范. 大氣科學中的非線性復雜性. 北京: 氣象出版社, 2002.

[11]Harper K C. Weather by the Numbers: The Genesis of Modern Meteorology. The MIT Press,Reprint edition, 2012.

[12]楊萍, 葉夢姝, 陳正洪. 氣象科技的古往今來. 北京: 氣象出版社, 2014.

[13]江曉原. 簡明科學技術史. 上海: 上海交通大學出版社, 2004.

Multi-Disciplinary Integration in the History of Meteorology

Xiao Ziniu1,2, Ye Mengshu2
(1 CMA Training Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029 )

This essay analyzes the interaction and relationship between meteorology and some other disciplines of both natural science and technology in science history and the progress of science classif i cation. The science and technology disciplines were grouped by the way of interaction when it happened in the history. There comes six kinds of multi-disciplinary Integration in the history of meteorology: in ancient times meteorology was born together with astronomy geography; from 16th to 18th century, new observation data concerning atmosphere phenomena were recorded and discovered in maritime navigation and mountain studies; in 19th and 20th centuries meteorology gradually absorbed the theoretical achievements from mathematics and physics, especially calculus and hydromechanics, and built up its own basic theory; after 20th century, with the appearance of computers and remote-sensing technology, numerical weather forecast and modern meteorological observation came to reality; also from the 20th century on, more applications of meteorology in agriculture and medicine brought us new knowledge of agricultural meteorology, and medical meteorology; In 21st century, atmospheric science interacts frequently with social sciences such as politics, economics, sociology, communication, which indicates that a new stage of atmospheric science is coming.

multi-disciplinary, atmospheric science, history of science, natural science, social science

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.006

2014年6月11日；

2014年9月25日

肖子牛（1964—），Email：xiaozn@cma.gov.cn

資助信息：中國氣象局氣象干部培訓學院“氣象科技史研究”項目