淺談大氣科學的發展脈絡

■ 王啟光 丑紀范

人類生存在地球大氣環境中，大氣科學孕育在人們不斷適應和改造大自然的過程之中，并隨著時代的發展和技術的進步獲得了長足的發展，伴隨著大數據、人工智能技術的興起，未來大氣科學在全球可持續發展中的作用將更加重要。

整個大氣科學史，可劃分為5個階段：目視觀測時代、器測時代、天氣圖時代、氣象學時代和大氣科學時代。大氣科學的發展經歷了從定性、定量、經驗分析、理論分析、以及綜合氣象科學體系建立和發展的過程，實現了從感性、定性到理性、定量；從局地、分散到全球、集中；從靜止、線性到動態、非線性，從單一學科到綜合科學體系的轉變。當前，大氣科學已經成為繼政經、社會和體育之后，公眾關心的第四大話題。

1 大氣科學的發展歷程

目視觀測時代（16世紀以前）。該時代是指在溫度計發明之前，肉眼或者借助定性的簡單工具對天氣現象進行觀測并進行記錄。天氣變化主要依靠經驗進行總結，有的則形成了氣象諺語，即定性地給出天氣現象之間的關系。在中國比較顯著的氣象諺語如：“朝霞不出門，晚霞行千里”“日暈三更雨，月暈午時風”“發盡桃花水，必是旱黃梅”。而對于氣候和物候的變化，在中國形成了特色的“二十四節氣”。在西方，亞里士多德在《氣象通典》中對風向進行了區分。羅馬帝國和古希臘區分北風、南風、東風、西風則是以神話的形式稱為各方位風神。目視觀測時代對天氣和氣候的觀測是定性的，對其規律的分析和總結展現人類智慧的同時更多的是經驗性的總結和判識。

器測時代（17世紀至19世紀20年代）。氣象觀測儀器的發明標志著器測時代的到來。該時代伴隨著航海事業的發達以及工業革命，為了定量測量各個物理量并服務于航海和工業需求，西方科學家發明了各種量化的儀器。伽利略對于溫度計的發明是典型的標志。期間，托里拆利發明了水銀氣壓計、蘭伯特發明了濕度計、帕洛特發明了風信計，博伊爾發明了空氣泵。學界還給出了攝氏度溫標和風力等級劃分。氣象觀測由定性主觀的判識轉變為客觀定量的測量。與此同時，力學、熱力學、數學等基礎學科迅速發展，為氣象科學的研究提供了基本的理論和方法，奠定了氣象科學的科學基礎。

天氣圖時代（19世紀20年代—20世紀10年代）。

這一時代基于天氣圖分析的近代天氣預報業務逐漸建立。1820年，德國氣象學家布蘭德斯將過去各地的氣壓和風的同期觀測記錄填入地圖，繪制了世界上第一張天氣圖，標志著天氣圖時代的開啟。1851年，英國格萊舍在英國皇家博覽會上展出第一張利用電報收集各地氣象資料而繪制的準實時地面天氣圖，是近代地面天氣圖的先驅。1854年英法聯軍在黑海上遭遇風暴，幾乎全軍覆沒。這場克里米亞戰爭導致了天氣預報的誕生，也標志著近代天氣預報業務的開始。1856年，法國組建了第一個正規的天氣服務系統。歐洲國家以及美國、日本也都相繼組織觀測網，開始拍發當日的氣象觀測結果，繪制天氣圖，開展天氣預報服務。天氣圖是現代天氣預報的開端，它使天氣預報由點擴展到面，使人們從“坐井觀天”飛躍到“放眼全球”。

天氣圖時代，觀測手段在器測時代的基礎上更為規范、觀測空間范圍擴大、觀測密度亦增加、觀測由地面延伸到高空，觀測網絡逐步建立，使得繪制精細的天氣圖和天氣預報成為可能；大氣力學、大氣動力學和物理學的進一步發展，為氣象學科的定性經驗分析向理論分析奠定了堅實的基礎。

氣象學時代（20世紀10年代—50年代）。該時代是近代大氣科學發展的一個重要階段，亦貫穿兩次世界大戰。這期間形成了對近代天氣預報功不可沒的挪威學派和芝加哥學派。挪威學派的建立和第一次世界大戰密切相關。第一次世界大戰開始后，英國停止對外公布氣象數據。1914年挪威為了漁業的需要，請V.皮葉克尼斯增建觀測站，獲取稠密氣象資料。皮葉克尼斯發現了氣團之間大氣的不連續面，稱為鋒面，并概括為冷鋒、暖鋒和錮囚鋒等類型，提出了氣旋的極鋒學說，并與合作者（帕爾門等）提出了氣旋是極鋒上發展起來的不穩定波動理論，創立了氣旋的現代模式，形成了氣象學的挪威學派。在1930—1940年，以羅斯貝為首的科學家，在高層大氣觀測的基礎上，從理論和觀測上發現了控制天氣和大氣環流變化的大氣長波，之后他同合作者提出斜壓不穩定理論、正壓不穩定理論以及大氣長波的頻散理論，建立了大氣波動力學的理論體系，形成了芝加哥學派，是大氣科學理論最重要的研究成就。

氣象學時代以大氣層的流體動力學和熱力學交互作用的數學模式定義大氣層運動，并透過系統性資料分析和擾動理論讓數值方式預報天氣成為可能，同時認識了大氣成云致雨的物理規律。

大氣科學時代（20世紀50年代以后）。第二次世界大戰之后，是氣象學向大氣科學迅猛發展的時代，氣象科學不再僅是研究大氣狀態及其變化規律的科學，逐漸發展成為研究大氣與周圍的海洋、陸面、冰雪和生物圈相互作用的動力、物理和化學過程的一門綜合性科學。這個時代氣象觀測近代化與國際共同觀測逐步擴大，大氣環流理論、數值模式、全球氣候變化、中小尺度氣象學、大氣物理和大氣環境獲得長足發展。

進入大氣科學時代，在氣象觀測方面，每天有10000多個地面觀測站、1000多個高空觀測站、7000多個船舶觀測、3000多架飛機觀測、1000多個浮標觀測、數百部雷達觀測和200多顆氣象衛星對大氣、陸地和海洋進行測量，并且密度一直不斷增加。在世界氣象組織（WMO）的協助下，世界天氣監測網（WWW）、全球氣候觀測系統（GCOS）和全球海洋觀測系統（GOOS）在資料收集以及天氣預測、氣候預測以及氣候變化監測檢測中起著至關重要的作用。在大氣環流理論發展方面，1950年對大氣環流環流形成機理研究的成果是大氣溫度在空間的不均勻性是大氣運動的根本原因，Hadley環流對全球角動量平衡起到重要作用。1960年主要是熱帶大氣環流的研究，發現了羅斯貝—重力混合波和Kelvin波并解釋了QBO現象。1970—1980年提出了熱帶大氣運動第二類條件不穩定和對流參數化方案，發現了熱帶30～60天周期振蕩，并運用CISK-Kelvin波和CISK-Rossby波解釋了該振蕩的物理機制，同時大氣環流數值模擬迅速發展，各個發達國家建立和發展了如GFDL、NCAR、UCLA和GLAS等大氣環流模式，使得大氣科學像物理、化學、生物等學科在實驗室做試驗一樣，可以在計算機上進行數值試驗和模擬。在大氣物理和大氣環境方面，1960—1970年，邊界層結構、特性理論得到發展；酸雨檢測受到重視并對其產生機理開展了研究。1980—1990年，邊界層大氣污染輸送和模擬得到發展和應用，另外溫室氣體和痕量氣體的監測及其氣候效應成為前沿研究，并在數值模式中進行模擬。在20世紀末—21世紀初，開始研究空氣污染對于糧食作物和森林數據的影響。氣候與環境是人類賴以生存的基礎條件。在氣候及氣候變化方面，自1970年以來，氣候問題在國際會議上都占有顯著地位。1979年世界氣候大會提出了世界氣候計劃，使得氣候問題成為國際協作的重大課題。1980—1990年 ENSO的動力機制研究有了重大突破，許多大氣遙相關型被發現，同時氣候系統數值模式在世界氣候研究計劃、熱帶海洋與全球大氣研究計劃、氣候變率及其可預報性研究等國際重大計劃的支持下迅猛發展，對大氣、海洋的動力和熱力特征以及陸面的熱力特征都在氣候模式中有了詳細的數學模型描述，建立了大氣－海洋－冰面－陸面－生態系統耦合模式，在全球氣候和生態環境變化研究中發揮越來越重要的作用。

2 未來發展展望

大氣運動極具復雜性和不確定性，不斷提高短時臨近預報、中短期天氣預報及更長時間氣候預測的準確率，是每一位氣象學家孜孜以求的目標。目前，大氣科學已經建立相當完備的科學體系，隨著探測技術、計算機技術、信息技術和交叉學科發展而蓬勃發展。

在氣象資料探測方面，地基、空基和天基三維立體觀測網將進一步完善，觀測將更加精細和精密。地面、高空、雷達、衛星等觀測進一步加密且實現自動化。高空觀測將由GPS主導并實現從置氣、充氣、放球一體化與自動化；雷達將由天氣降水雷達，發展為天氣雷達、云雷達、氣溶膠雷達等多類型的綜合探測雷達并實現業務化；衛星探測將轉向“主動”探測，提供溫濕度、云、風場和可降水的三維立體信息。

在天氣預報和氣候預測方面，模式預測預報將更加精細和精準。隨著計算機計算速度的加快以及并行計算的興起，加上氣象資料觀測的加密，高分辨率的數值模式迅猛發展，模式分辨率可達幾百米，對于中小尺度天氣現象其預報準確度將增加，從而提高災害天氣的防控能力。對于10～30天延伸期尺度，由于相關理論和可獲取的資料的增加，其預報準確度也將得到提高。同時，氣候預測和氣候變化領域的研究也進入了地球系統數值模擬的全新階段。

·服務性公關：主要是通過一些實惠性的服務活動，比如贈書、免費講座等，以行動來獲取讀者的了解、信任和好評，以實現既有利于活動推廣又有利于樹立品牌形象和聲譽的目的。

在新技術應用和多學科交叉融合方面，信息科學的大數據和計算機科學中人工智能的應用和發展將進一步推動大氣科學的發展。而隨著觀測數據量的不斷增加，僅僅探索大氣活動的本質規律來改進數值預報準確性可能存在一定的困難。在計算能力逐步強大、數據共享逐漸開放的今天，將人工智能技術與數值預報方法相結合，在天氣預報方面將有廣闊的應用前景。在此過程中發展無縫隙精細化預報，使用機器學習算法動態調整或訂正模式誤差，綜合不同尺度的預報信息，將預報信息細化，并且發展面向預報員的智能輔助系統將成為趨勢。從氣象資料的整理，天氣訊息的發布，借助人工智能技術在預報流程和預報產品方面更精細、準確、客觀高效，實現人機交互，輔助預報員在更高的層面上進行高質量的預報服務，將逐漸成為氣象新業態下業務發展重要方向。

3 結語

本文簡要回顧了大氣科學從古至今的發展歷程，闡述了5個發展階段的成果與特征，對未來的發展進行了展望。當前大氣科學的發展與社會進步及公眾需求的關系愈加緊密，該領域技術的進步主要依靠觀測手段發展，通信和計算機技術發展，數學物理等基礎學科的發展。近來人工智能和大數據技術的廣泛應用，受到世界主流氣象科學中心的關注和青睞，也將為大氣科學的發展提供新的方法和思路。

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