气象发展史.doc

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1、气象发展史1.1气象学大部分天气发生在对流层内。大气层约 英里（公里）厚，直接位于地球表面之上，且包含着大气（按重量计）的% 。对流层的状态变化迅速。因此，尽管技求有了进步，但现在两周以上的预报仍然是不可靠的。除了辐射（这可通过气象卫星进行观测），其他产生和改变天气的过程不能直接测定，而必须根据大气变量的观测值进行计算。气象人员所测定的主要变量是温度、降水（雨或雪）、风、湿度、云、气压和空气中污染物。1.1.1气象学的发展在19世纪后期气球首次到达16公里的高度之前，气象观测人员只能主要依赖他们从地面所能得知的情况。这些资料中大多数是定性的。亚里斯多德的巨著“气象学”（成书于公元前约年）是那个

2、时代的杰作。直到亚里斯多德死后年左右，即1593年前后伽利略发明温度表及1643年托里拆利发现气压表原理之后，才首次进行了仪器测定并将记录保存了起来。历史最长的是在巴黎自年以来一直连续地记录的测值。美国最长的记录是它年以来在索至狄格州纽黑文市所保存的记录。对来自不同地点的天气观测资料进行比较，得出了天气系统移动的概念。1743年在杰明富兰克林使用邮件收集到天气报告去跟踪猛烈风暴的路经。他发现虽然沿大西洋海岸的风是从东北方向吹来的，但许多风暴到达波士顿要比到这费城晚一些。观测台站网和世纪初电报的发明使得天气体利益可以根据广大地区同一时间取得的观测资料进行绘制。不久人们认识到了空气在顺时针向和反时

3、针向的巨大旋涡中运动，它们覆盖着直径达英里（8051609公里）的圆形区域。在北半球这些旋局分别叫做反气旋和气旋，而在南半球它们是反方向旋转的。在纬度到度之间的地区，它们通常向东运动，每天移动英里（公里）并带着各自云系前进1世纪的气象观测员获知反气旋区通常是天气晴好的地区，而在气旋区内则有狂风降水发生且温度变化迅速。对这些特征，挪威气象学家威尔海姆皮叶克涅斯和他儿子雅各市曾作了相当精辟的描述。年他们发现:温度变化及恶劣天气来临主要是与风剧烈变化的明显分界线（他们把这叫做“锋”）相联系的。沿气旋中心前的暖锋是来自热带地区的暖空气。在冷锋上这一暖气团则为极地来的冷空气新的爆发所取代。这一发现给预报

4、员们提供了一个借以分析天气现象的模式。如果天气变化是符合某一逻辑推理的模式发生的，那末就可运用数学计算作出预报。大约在应叶克涅斯的气旋模式问世的前后，气象学进入了一个迅速发展的时期。为航空发展所促进，高层大气观测成了日常工作。飞机本身也提供了在越来越高的高度上测定气压、气温和湿度的工具。风则通过观测陆地台站施放的气球所经的路径来研究。二十世纪三十年代出现了无线电探空仪，这是一种可以吊在气象气球下在上升过程中发送压、温、湿资料的仪器。自四十年代雷达臻于完善以来，无线电探空气球一直通过无线电讯号进行跟踪，从而使得风的测定即使天空云层密布也可进行。第二次世界大战以来技术装备的发展扩大了人们对大气的认

5、识。现在，气象情报是通过飞机、远洋船只、漂移浮标、系留浮标以及陆地台站来收集的。雷达跟踪系统测定乱流、风速、空气污染以及大气成分。气象监测卫星持续贤视全球天气。使气象人员在新的天气系统刚形成时就能发现。计算机对所收集到的资料作出评价并进行数学计算以推断未来几天或几周的天气状况。全球天气研究方面的国际合作已经大大增加了时效更长的预报的可能性.1.1.2天气过程技术装备的进展已使气象人员可对决定天气的各种过程进行比较精确的研究。现对这些研究中一些比较重要的课题讨论如下：辐射是能量以电磁波形式由太阳输送到地球和大气及返回空间的过程。所有天气现象实质上都是由辐射过程所引起。入射的太阳能中约王分之二被地

6、球表面和大气中的水汽和二氧化碳所吸收。余下的三分之则被地球、大气和云反射回空间去了。所造成的地球热收入由热损失特别是热通过水分蒸发过程（此过程需要耗费能量）的损失所抵销。地球获得的辐射能分布是不均匀的，地球向大气输送的能量也是如此。所有空气运动和天气系统从根本上来说都是由这种不均匀加热造成热由暖区流向冷区所引起的。尤应指出的是，在热带增收能量的同时，极地在冬季不断损失热量。极地地区的气候因巨大风系不断地把较暖空气向极地输送，把较冷空气向赤道输送而得到暖和。乱流运动（湍流）是把热量、水汽和其他物质输送给大气的随机的、小尺度的运动。乱流运动还在能量消散中起着重要作用，因为（借助于乱流）能量可从大尺

7、度运动中转移到小尺度运动中去，再转变成热能，即热。当风速发生脉动以及当地表的加热产生浮力的时候，就要产生乱流。当风基本静息，而乱流被抑制，烟尘及其他污染物质就以烟雾形式滞留于地表附近。乱流运动还可把植物种子、病毒及其他有机体激活到整个对流层。乱流运动因其杂乱无章的特性最适宜于用统计方法进行分析。近地层大气乱流的计算机模拟被用来计算污染物质的扩散以及用来鉴别导致污染物过分集中的条件。云是水滴或冰晶的积聚物。水汽凝结发生于非常小的盐粒、尘埃或烟粒上。这些叫做凝结核，它们在大气中含量是十分丰富的。当空气处于接近百分之百的相对湿度时，即使温度远低于冻结点，小水滴也可形成。要达到雨滴的大小，这些云滴的直

8、径必须增大达一百倍。冰晶可在冻结核上发展起来。这些冻结核来自某些土壤的尘位，也有可能来自陨石尘。由于冻结核数量远小于凝结核，所以水滴可在低达- 40 （）的温度下存在而不冻结。这种状态叫做过冷却状态。如果冰晶进人过冷却云，这种云可能变成冰晶云。我们可以通过对大气引进人工核（如碘化银），使过冷却云变成冰晶云。冰晶与过冷却水滴相互作用影响了云中电荷。当在对流云中小水滴冻结时，就产生电。电荷分离，正电行上升到云顶部，负电荷下降到云底层。当其间电压足够大时，就出现闪电。1.1.3大气总环流天气以多种尺度出现。规模最大的空气运动称为总环流，包括引起日常天气变化的风系。这些风系又控制象雷暴这样的小尺度运动

9、。大气中空气这种永不止息的环流引起某一特定年份出现的地球上温度、降水、风和云量的巨大差异。正如卡尔古斯塔夫罗斯贝在1940年所发现的，在温带由西向东的宽阔高空气流形成了一连串的长波。之所以叫“长波”，是因为一个波的东西向长度可以长达三千到五千英里（到公里）。长波数目，其移动速率及根幅都随时间而变化。它们在很大程度上左右着天气类型的变化。在这一波状的西风气流中有一中心风带叫做急流，其速度每小时150到200英里（即每小时到公里人有时还要大些。沿着这一风带的轴通常出现最急剧的天气变化。1.1.4科里奥利力流向极地的暖空气及流向赤道的冷空气（这些气流运动使地球上热量分布得以平衡）是引起所有运动的推动

10、力。然而为了理解大气总环流，我们还必须考虑地球的自转。风通常是根据在地球上静止的观测者的观点来描述的。由于这一参考系，即地球是不断旋转的，所以在静止参考系中直线的运动，对地球上的观测者来说似乎变得弯曲了。这一效应叫做科里奥利力，是根据法国数学家加斯帕德古斯塔夫科里奥利而命名的。风遵循这一流型而吹：在北半球风向偏右，在南半球偏左。所以，地球自转产生西风、东风以及南风、北风。大尺度的大气运动主要是因地球目转才存在的。尤其要指出，由于气压和科氏力相互作用而平衡，才使空气倾向于作匀速运动。这种受到平衡的风就叫做地转风。因此，空气基本上是沿压力等值线即多压线运动的。由于这一重要关系，所以对大气中气压分布

11、的分析是气象工作的重要手段。1.2大气运动理论的发展1.2.1流体力学背景十七世纪三项并行的发展为流体力学的成长铺平了道路。它们是：（1）流体是一种可对固体运动产生阻力的气体或液体的连续性物质的概念；（2）质量、动量和机械能守恒的运动诸定律的形成，它们不仅适用于固体而且还可用于流体的弹性作用（即声音传播）；（）微积分的发展。这些科学发展在牛顿（）和莱布尼兹（）的著作中达到了顶峰。他们的工作继承了前人特别是伽利略、笛卡尔和开普勒的重要实验成果和思想成果，以及年代更早的阿基米德的流体静力学工作。“经典”流体力学的发展是在十九世纪中叶完成的，与热力学原理几乎同时确定。在流体力学发展中一些杰出的学者是

12、伯努里（1738）、达朗伯（）、欧拉（1755）、拉格朗日（17811789）、纳维（）、斯托克斯（）以及赫姆霍兹（，）。在十九世纪快要结束时人们开始重视真实流体的湍流不稳定属性（如布辛尼斯克、凯尔文、雷利、普朗特、泰勒、施密特、海森堡、柯莫格罗夫以及其他许多学者）和热对流特征。重大的非经典流体力学向气象学的发展则是皮叶克涅斯对他的环流定理的系统阐述（），这第一次展示了在大气和海洋中十分重要的密度变化的动力学效应。1.2.2大尺度大气运动信风成为第一个得到合理解释的大气运动特征是不奇怪的。它是人们所认识到的与全球日射分布具有同样尺度的第一个有规律的大气运动现象。最早作出尝试性解释的是哈利（太地

13、把这一现象归因子太阳绕地球的西行视运动。他只限干在认识到对流作用这一点上是正确的。真正提出地球自转效应的是哈德莱（）还有独立进行研究的道尔顿（），他们推测被对流驱使沿经向向赤道运动的空气应向西偏转。但是他们没有认识到在自转的地球上向任何方向运动的空气都会发生偏转。这一事实首先是由科里奥利（）和泊松（）归纳成数学形式而由特雷西（1843）正确地用于气象学以解释风暴的旋转特性。达夫（）在哈德莱理论上又加上这样观点，即所观测到的中纬度的非规律性运动是由于极地气流与赤道气流的交锋。这一含糊的（虽然部分是正确的）观点一直没有得到实质性的阐明而被保留到十九世纪末。与此同时，莫里（）根据他对半球海洋上风的测

14、值纪录提出一个新的经向环流模式。按照他的说法，这个模式还能够说明中纬度盛行西风带的形成原因。这一模式的缺陷促使费雷尔（）提出一个从力学角度讲比较圆满的模式，在其中包括了一个使他成名的中间环流圈。汤姆森（）也独立地提出了一个类似的模式。不满足于仅仅提出描述性的物理观点，费雷尔第一次列出大气运动方程组并以恰当的近似植获得了一个符合于他的模式特征的解（）。这标志着现代动力气象学的开端。一个附带的结果是地转公式，它把白贝罗风压场关系经验法则置于数学基础之上。费雷尔理论的进一步精细化则是由别人，特别是戈德堡、莫恩（一）和奥伯拜克（）所完成的。然而最有意义的新观点是由赫姆霍兹（）提出的。他认识到了摩擦的重

15、要性，他作为普通流体力学不连续理论（）的创始人，把这一理论用于波状云并且还提出极锋的波状涡旋扰动观点。这后一观点为赫尔曼斯发展（），提出了探讨大气中气旋和“主”气流的正确关系的最新思路。在十九世纪大部分时间内，气象学者都在争论局地风暴成因的解释（关于其旋转性质和移动性质及其对大气的重要性在此世纪初已确定下来），主要是把它看成与反气旋区或与大气环流没有什么关系的一种独立现象。争论的焦点（直到该世纪晚期才清楚地认识到。如冯贝索尔德，）是关于风暴运动的能量来源。而在这个问题上的混乱是可以理解的，因为缺少象人们很容易遇到的信风尺度那种明显的热强迫机制。埃斯皮、卢米斯、费雷尔以及戈德堡和莫恩等研究者认为

16、风暴主要是因对流潜热释放所驱动。这一观点似乎可由对风暴热力结构的观测所证实。然而，以汉恩（）为首的研究者却根据欧洲山区的观测资料得到了相冲突的证据。这使他们提出主气流的某种形式的动力不稳定是能量的来源。这一问题的解决已成为这世纪主要成就。马古勒斯说明了风暴怎样通过高地对流翻腾获得它们的能量，而在年。他导出了锋面不连续的平衡条件。后来（挪威）卑尔根小组和柯茨钦（）解释了气旋怎样才能由于锋面波动不稳定而生成；此过程既包括为达到平衡所需要的来自切变运动的动能输送，也包括由上下翻腾机制造成的势能的转换。与此同时，他们解释了所观测到的不同地方的风暴的热力特征上的差异是如何形成的，它是由风暴移动并从对流阶

17、段演化到非对流阶段时的波动结构变化而引起的。（在稳定性研究中一个必不可少的附加成果是从皮叶克涅斯为大气运动的分析引进了扰动方程。）其后一个重要贡献是杰弗里（）对气旋和反气旋在大气动量收支方面的重要意义的讨论。高空波比有关的低空气旋是更为重要的能量储所的发现，以及其后在二次世界大战前的罗斯贝（根据赫姆罗兹淄区定理）和大战后的查尼、伊迪、弗焦夫特、伊莱亚森、斯塔尔、郭晓岚、洛伦茨和菲利普析这些学者对高空波的理论分析，最终导致了确定大气中大尺度运动的相当完整的概述，而以菲利普斯（）成功地为大气环流主要特征得出数值解而达到顶峰。在此概述中，波动和涡旋是作为消除太阳能所引起的主要热力不平衡的基本方式而出

18、现的。作为地球自转的附带产物，这些波动倾向于输送动量以维持纬向气流。这方面的最新的理论进展很大程度上是由于泰勒、富尔茨和海德这些学者对转动的并受热力驱动的流体的实验工作。这一研究的实验方向最初是由威汀（1857-1884）在有关大气环流问题中所采取的。对大尺度运动认识的进展在许多动力气象学论著中有所记载。现在人们正积极地从事关于宏观气候及其变化（包括地表非均匀性的全部效应）的总体理论的研究。1.2.3其它运动在十九世纪，潮汐振荡和声学重力振荡的理论曾是许多学者感兴趣的课题，如拉普拉斯（）、凯尔文（，他首先提出谐振的重要性）、雷利（1890）和马古勒斯（18901892）以及本世纪许多其他学者，

19、包括泰勒、查普曼、巴特尔斯、索尔伯格和佩克利斯等。近来年，由于大气热力结构和核爆炸冲击波传播的新的观测资料，因而他们的许多成果一直处于争论之中。关于由陆地和海洋受热差异引起不稳定的风（季风、海陆风）以及由于地形引起的局地风（背风波、焚风、山谷风）的理论主要是在这个世纪中建立的。飓风很早以前就被人认识到是所有涡旋现象中最强烈最有规律的一种，但是完备的理论只是最近才开始露头，这主要是新的细密的观测资料的结果。对于尺度更小的陆龙卷以及其他中尺度现象如路线等的情况也是如此。在一定程度上，所有这些研究的主要问里一直是取决于对积云生长和结构机制的理解。降水理论目十九世纪初以来一般说来一直是根据简单的热力学

20、论据（如埃斯皮，1841）进行探讨，稍后获得许多重要成果，如艾特肯的凝结核的研究，以及韦报纳（1911）、伯杰龙（）和芬德森（）关于降水机制的设想。对云进行人工影响的发现（兰米尔和谢菲尔，）和雷达的发展是推进现代理论发展（例如年弗卢格和巴特尔斯所汇编的卢德勒姆和马森的著作）的重要刺激剂。包含着云块运动和凝结过程两者同时发展的动力学理论只是刚刚开始。在这方面，很早就把雷利的对流不稳定理论应用于云的是布仑特（1925）大气乱流和边界层理论其起源主要归功于埃克曼（）、泰勒（）和施密特（）的开创性工作，其后有许多进一步的成果（如里查森和罗斯贝的贡献）。边界层的完整理论是一门有着巨大现实意义的课题，这不

21、仅因为边界层对人类的应用有内在的重要意义，而且还因为它作为能量输送和消散的主要场所而对所有较大尺度的运动具有最终的影响。理论气象学所有领域近年来都由于引入高速计算机而获得巨大益处，此工具可以解出较充分地表达大气活动的复杂非线性特征的方程组。并非不重要之点是这些计算机的出现鼓励了人们对某些类型的大气活动进行常规数学分析。其实，这类工作在计算机问世之前也是能够进行的（如稳定性和一级能量输送的研究）。1.3大气探测的历史从古代起直到世纪，大气科学方面几乎毫无进展。古代的哲学兼科学家们尽管意识到了云、风暴、闪电、极光、虹等现象，但对它们既没有理解，也没有系统地进行观测。并在其后的若干世纪中，他们的后继

22、者也未能再做点什么。物理学的基础是在世纪奠定的，在这个时期大气科学的历史开始了。几种仪器的发明使得在大气中进行定量测定成为可能。其中值得注意的是温度表（源自伽利略发明的不完善的仪器）、托里诉利气压表（）、虎克风速表（）。吉尔帕特（）向世界展示了第一个地球磁场的模型。现已知道地磁是在高层大气物理中起重要作用的现象。伽利略、牛顿、波义耳、巴斯克和惠更斯这些科学巨人着手建立形成大气科学基础结协的力学、热力学、流体力学，光学和波传播学说的基本原理。地球物理流体力学的基础是由牛顿（）发表的万有引力定律而奠定的。他还预报说大气应有潮汐运动。大气压强现象则是由伽利略、托里诉利、巴斯噶和牛顿所阐明的。一些17

23、世纪的自然哲学家们对当地天气现象作了详尽的记录。世纪大气科学和物理学及化学继续发展。温度表和气压表的改进、新仪器如毛发湿度表（戴沙书尔。）的发明慢慢地推动了气象科学前进。对大气垂直温度分布的试验性探测最早用风筝（）而后则用气球（）进行。科学家们（特别是天文学家）以及一些非专业人员担负起进行气象记录这一工作，而这种记录注定为下一世纪初建立天气学提供基本资料。作为大气热力学基础的气体热力学基本原理是由查理、盖吕萨克和道尔顿建立的。1752年，电学的研究还没有完全开始，富兰克林就在雷暴云中进行了危险的风筝试验而开创了大气电学。化学上的进展对大气科学也同样重要。梅奥认为空气是由两种成分（一是情性气体，

24、一是活性气体）组成的，这个假说由罗瑟福（）分离出氮以及谢勒（）和普里斯特刮（）发现氧而得到证实，而拉弗锡（）揭示了大气中氧对燃烧和生命的作用。大气中微量气体的存在也在18世纪为人们所认识，如布莱克（）鉴别出二氧化碳和卡文迪许（）发现氩即为证明。动力气象学的开端可从18世纪末诸如拉普拉斯（在天体力学一书）所提出的大气潮汐学说等成就中看出端倪。甚至更早一些哈德莱（）在关于信风的解释中已确认地球自转对于风的动力学有着十分重要的意义。在世纪，大气科学开始作为一门以物理学和化学的基本原理为基础，并具有本身的技术进步的独立学科发展起来了。霍华德1803提出的云分类方法标志描述气象学的问世。天气学、气象要素

25、和移动天气系统的空间分布的基本概念最先由富兰克林确切阐明，在世纪初由拉马克、拉普拉斯、拉弗锡加以发展了。这些基本概念后为布兰德斯（）用于绘制第一张历史天气图。1840年电报的发明促使许多国家在19世纪下半叶建立气象台站网和全国性的气象服务机构。（目前各国天气服务机构之间的国际协作是通过联合国专门机构世界气象组织（WXXXXXO）来实现的。）天气预报那时已成为各国政府向其公民所提供的服务中公认的一部分。天气系统的结构，特别是风暴的结构，已成为使用船舶站和陆地合站观测资料进行艰苦探索的课题。温带风暴以及飓风的涡动特征开始出现在这些研究中。理解风暴及地球上总的风系的动力学成为19世纪动力气象学的主要

26、目的和推动力。科里奥利（）关于地球自转偏向力的概念被人公认为大气动力学的基石，并被引进白贝罗（）的风压关系的原理中以及费雷尔（）的大气环流学说中。在赫姆霍兹（）的著作中出现了用于流体波动状态的流体力学不稳定性概念，预示着三十年后问世的气旋波动理论。世纪大气结构的垂直探测随着携带自记气象仪（赫米特和贝赞肯，）的气球的发展而继续，从而消除了载人气球飞行的冒险性，并加速了综观高空学的发展。气球还被用来测定大气中远离地面的高空风。此时大气近地面公里已为人力所及，但对高层大气仍是一无所知。然而，关于电离层存在的最初假说之一是鲍尔弗斯图尔特（）把地磁扰动解释为是由于高空导电层存在的缘故。另一个对高层大气物

27、理有重大贡献则是弗里茨（）描绘出了极地的光圈二十世纪大气科学的爆炸性的发展是太快和太新了，因此只能回顾一下几个重要里程碑。戴波特（）根据气球探测资料发现了平流层；肯内利和赫维赛德（）根据马可尼（）无线电实验推断出电离层的存在年赫斯使用气球验证了宇宙射线源是在远离地球之外的某个地方,在第一次世界大战中理查森根据认皮叶克涅斯（1904）的建议对流体力学方程组进行数值积分作了第一次天气预报尝试；由于到年间皮叶克涅斯、索尔伯格和伯杰龙对于锋、气团和气旋的理论和描述方面的贡献，天气学获得了长足的进展。垂直探测大气的新工具出现了：起先是飞机，后来（约年）是气球携带的无线电探空仪。后者通过使用无线电遥测技术

28、消除了回收这类气象仪器的必要性，使日常大气垂直探测成为可能，从而向天气学家提供每天的大气三维状况。关于高层大气物理的种种推论不断增多。斯狄冯在其极光理论中认识到地球磁场在高层大气中截捕来自地球以外的带电微粒的作用，从而预示范艾伦辐射带的发现。林德曼和多布森（）根据他们对流星尾迹高度的分析推断出在平流层的顶部（称为“平流层顶，在公里的高处）存在着一个暖层，而在其上一层，即中层，顶部（称为“中层顶”，在公里的高处）存在着一个冷层。第一个层次惠普尔（）也曾根据声音传播的研究推断了出来。阿普尔顿及其他学者对无线电波反射的研究开始揭示出电离层的结构。在二次世界大战中发展起来的雷达在其后二十年成为利用水滴

29、、冰晶和雪片对无线电波的反射作用来研究降水过程和探测暴风雨的强有力的工具。另一种军事装备德国火箭在1946年改造成了大气科学探测的工具，从而开创了空间科学研究的新纪元。这是头一次使得从大气低层直到外缘直接测定大气垂直结构及其成分成为可能。国际地球物理年（）中的事件没有一个能在其激动人心的影响和意义方面超过年月苏联卫星“旅伴一号”进入轨”道。XXXXX，美国接着发射了大量科学考察卫星，其中包括年4月的第一颗气象卫星泰罗斯号。在所有借助火箭和卫星才能获得的对外层大气的发现中，在重要性方面很少能与范艾伦年发现高层辐射带相比。大气这一非常高远的区域（其距离以地球半径为单位来度员）叫磁层，现在成为人们广

30、泛研究的课题。气象学中近期意义重大的两件大事是罗斯贝（）的大气动力学基本原理阐述（如位势涡度概念）和年之后的高速电子计算机的发展。查尼和其他一些学者根据这些具有根本意义的成果提出了称为数值天气预报的自动化天气预报程序。举例来说，数值预报的实现与日益改进。气象卫星、侦察飞机、雷达和电子计算机在最近二十年已从根本上改变了气象学的面貌。将来，不但质量更高的预报而且对大气的某种程度的控制是可能的，这并非不可想象。大气可以在小范围内为人所影响早已为播云实验所证实。在这些实验中，大气中含过冷热水的云通过加入干冰或碘化银而变成冰晶云，从而加过了水滴生长和加快了降水酝酿过程。人们已经作出了很多努力要把这些实验成果应用于实际天气控制。但关于云和降水的物理学还有许多研究有待进行，而后人们才能按照自己的意志改变大气环境。特别声明：1：资料来源于互联网，版权归属原作者2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即删除。