■ 王啟光 丑紀(jì)范

人類生存在地球大氣環(huán)境中，大氣科學(xué)孕育在人們不斷適應(yīng)和改造大自然的過程之中，并隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步獲得了長足的發(fā)展，伴隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的興起，未來大氣科學(xué)在全球可持續(xù)發(fā)展中的作用將更加重要。

整個(gè)大氣科學(xué)史，可劃分為5個(gè)階段：目視觀測(cè)時(shí)代、器測(cè)時(shí)代、天氣圖時(shí)代、氣象學(xué)時(shí)代和大氣科學(xué)時(shí)代。大氣科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了從定性、定量、經(jīng)驗(yàn)分析、理論分析、以及綜合氣象科學(xué)體系建立和發(fā)展的過程，實(shí)現(xiàn)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(dòng)態(tài)、非線性，從單一學(xué)科到綜合科學(xué)體系的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前，大氣科學(xué)已經(jīng)成為繼政經(jīng)、社會(huì)和體育之后，公眾關(guān)心的第四大話題。

1 大氣科學(xué)的發(fā)展歷程

目視觀測(cè)時(shí)代（16世紀(jì)以前）。該時(shí)代是指在溫度計(jì)發(fā)明之前，肉眼或者借助定性的簡單工具對(duì)天氣現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)并進(jìn)行記錄。天氣變化主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，有的則形成了氣象諺語，即定性地給出天氣現(xiàn)象之間的關(guān)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(shí)風(fēng)”“發(fā)盡桃花水，必是旱黃梅”。而對(duì)于氣候和物候的變化，在中國形成了特色的“二十四節(jié)氣”。在西方，亞里士多德在《氣象通典》中對(duì)風(fēng)向進(jìn)行了區(qū)分。羅馬帝國和古希臘區(qū)分北風(fēng)、南風(fēng)、東風(fēng)、西風(fēng)則是以神話的形式稱為各方位風(fēng)神。目視觀測(cè)時(shí)代對(duì)天氣和氣候的觀測(cè)是定性的，對(duì)其規(guī)律的分析和總結(jié)展現(xiàn)人類智慧的同時(shí)更多的是經(jīng)驗(yàn)性的總結(jié)和判識(shí)。

器測(cè)時(shí)代（17世紀(jì)至19世紀(jì)20年代）。氣象觀測(cè)儀器的發(fā)明標(biāo)志著器測(cè)時(shí)代的到來。該時(shí)代伴隨著航海事業(yè)的發(fā)達(dá)以及工業(yè)革命，為了定量測(cè)量各個(gè)物理量并服務(wù)于航海和工業(yè)需求，西方科學(xué)家發(fā)明了各種量化的儀器。伽利略對(duì)于溫度計(jì)的發(fā)明是典型的標(biāo)志。期間，托里拆利發(fā)明了水銀氣壓計(jì)、蘭伯特發(fā)明了濕度計(jì)、帕洛特發(fā)明了風(fēng)信計(jì)，博伊爾發(fā)明了空氣泵。學(xué)界還給出了攝氏度溫標(biāo)和風(fēng)力等級(jí)劃分。氣象觀測(cè)由定性主觀的判識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榭陀^定量的測(cè)量。與此同時(shí)，力學(xué)、熱力學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科迅速發(fā)展，為氣象科學(xué)的研究提供了基本的理論和方法，奠定了氣象科學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)。

天氣圖時(shí)代（19世紀(jì)20年代—20世紀(jì)10年代）。

這一時(shí)代基于天氣圖分析的近代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)逐漸建立。1820年，德國氣象學(xué)家布蘭德斯將過去各地的氣壓和風(fēng)的同期觀測(cè)記錄填入地圖，繪制了世界上第一張?zhí)鞖鈭D，標(biāo)志著天氣圖時(shí)代的開啟。1851年，英國格萊舍在英國皇家博覽會(huì)上展出第一張利用電報(bào)收集各地氣象資料而繪制的準(zhǔn)實(shí)時(shí)地面天氣圖，是近代地面天氣圖的先驅(qū)。1854年英法聯(lián)軍在黑海上遭遇風(fēng)暴，幾乎全軍覆沒。這場(chǎng)克里米亞戰(zhàn)爭導(dǎo)致了天氣預(yù)報(bào)的誕生，也標(biāo)志著近代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的開始。1856年，法國組建了第一個(gè)正規(guī)的天氣服務(wù)系統(tǒng)。歐洲國家以及美國、日本也都相繼組織觀測(cè)網(wǎng)，開始拍發(fā)當(dāng)日的氣象觀測(cè)結(jié)果，繪制天氣圖，開展天氣預(yù)報(bào)服務(wù)。天氣圖是現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的開端，它使天氣預(yù)報(bào)由點(diǎn)擴(kuò)展到面，使人們從“坐井觀天”飛躍到“放眼全球”。

天氣圖時(shí)代，觀測(cè)手段在器測(cè)時(shí)代的基礎(chǔ)上更為規(guī)范、觀測(cè)空間范圍擴(kuò)大、觀測(cè)密度亦增加、觀測(cè)由地面延伸到高空，觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)逐步建立，使得繪制精細(xì)的天氣圖和天氣預(yù)報(bào)成為可能；大氣力學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，為氣象學(xué)科的定性經(jīng)驗(yàn)分析向理論分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

氣象學(xué)時(shí)代（20世紀(jì)10年代—50年代）。該時(shí)代是近代大氣科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要階段，亦貫穿兩次世界大戰(zhàn)。這期間形成了對(duì)近代天氣預(yù)報(bào)功不可沒的挪威學(xué)派和芝加哥學(xué)派。挪威學(xué)派的建立和第一次世界大戰(zhàn)密切相關(guān)。第一次世界大戰(zhàn)開始后，英國停止對(duì)外公布?xì)庀髷?shù)據(jù)。1914年挪威為了漁業(yè)的需要，請(qǐng)V.皮葉克尼斯增建觀測(cè)站，獲取稠密氣象資料。皮葉克尼斯發(fā)現(xiàn)了氣團(tuán)之間大氣的不連續(xù)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(xué)說，并與合作者（帕爾門等）提出了氣旋是極鋒上發(fā)展起來的不穩(wěn)定波動(dòng)理論，創(chuàng)立了氣旋的現(xiàn)代模式，形成了氣象學(xué)的挪威學(xué)派。在1930—1940年，以羅斯貝為首的科學(xué)家，在高層大氣觀測(cè)的基礎(chǔ)上，從理論和觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)了控制天氣和大氣環(huán)流變化的大氣長波，之后他同合作者提出斜壓不穩(wěn)定理論、正壓不穩(wěn)定理論以及大氣長波的頻散理論，建立了大氣波動(dòng)力學(xué)的理論體系，形成了芝加哥學(xué)派，是大氣科學(xué)理論最重要的研究成就。

氣象學(xué)時(shí)代以大氣層的流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)交互作用的數(shù)學(xué)模式定義大氣層運(yùn)動(dòng)，并透過系統(tǒng)性資料分析和擾動(dòng)理論讓數(shù)值方式預(yù)報(bào)天氣成為可能，同時(shí)認(rèn)識(shí)了大氣成云致雨的物理規(guī)律。

大氣科學(xué)時(shí)代（20世紀(jì)50年代以后）。第二次世界大戰(zhàn)之后，是氣象學(xué)向大氣科學(xué)迅猛發(fā)展的時(shí)代，氣象科學(xué)不再僅是研究大氣狀態(tài)及其變化規(guī)律的科學(xué)，逐漸發(fā)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(dòng)力、物理和化學(xué)過程的一門綜合性科學(xué)。這個(gè)時(shí)代氣象觀測(cè)近代化與國際共同觀測(cè)逐步擴(kuò)大，大氣環(huán)流理論、數(shù)值模式、全球氣候變化、中小尺度氣象學(xué)、大氣物理和大氣環(huán)境獲得長足發(fā)展。

進(jìn)入大氣科學(xué)時(shí)代，在氣象觀測(cè)方面，每天有10000多個(gè)地面觀測(cè)站、1000多個(gè)高空觀測(cè)站、7000多個(gè)船舶觀測(cè)、3000多架飛機(jī)觀測(cè)、1000多個(gè)浮標(biāo)觀測(cè)、數(shù)百部雷達(dá)觀測(cè)和200多顆氣象衛(wèi)星對(duì)大氣、陸地和海洋進(jìn)行測(cè)量，并且密度一直不斷增加。在世界氣象組織（WMO）的協(xié)助下，世界天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)（WWW）、全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)（GCOS）和全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)（GOOS）在資料收集以及天氣預(yù)測(cè)、氣候預(yù)測(cè)以及氣候變化監(jiān)測(cè)檢測(cè)中起著至關(guān)重要的作用。在大氣環(huán)流理論發(fā)展方面，1950年對(duì)大氣環(huán)流環(huán)流形成機(jī)理研究的成果是大氣溫度在空間的不均勻性是大氣運(yùn)動(dòng)的根本原因，Hadley環(huán)流對(duì)全球角動(dòng)量平衡起到重要作用。1960年主要是熱帶大氣環(huán)流的研究，發(fā)現(xiàn)了羅斯貝—重力混合波和Kelvin波并解釋了QBO現(xiàn)象。1970—1980年提出了熱帶大氣運(yùn)動(dòng)第二類條件不穩(wěn)定和對(duì)流參數(shù)化方案，發(fā)現(xiàn)了熱帶30～60天周期振蕩，并運(yùn)用CISK-Kelvin波和CISK-Rossby波解釋了該振蕩的物理機(jī)制，同時(shí)大氣環(huán)流數(shù)值模擬迅速發(fā)展，各個(gè)發(fā)達(dá)國家建立和發(fā)展了如GFDL、NCAR、UCLA和GLAS等大氣環(huán)流模式，使得大氣科學(xué)像物理、化學(xué)、生物等學(xué)科在實(shí)驗(yàn)室做試驗(yàn)一樣，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)和模擬。在大氣物理和大氣環(huán)境方面，1960—1970年，邊界層結(jié)構(gòu)、特性理論得到發(fā)展；酸雨檢測(cè)受到重視并對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理開展了研究。1980—1990年，邊界層大氣污染輸送和模擬得到發(fā)展和應(yīng)用，另外溫室氣體和痕量氣體的監(jiān)測(cè)及其氣候效應(yīng)成為前沿研究，并在數(shù)值模式中進(jìn)行模擬。在20世紀(jì)末—21世紀(jì)初，開始研究空氣污染對(duì)于糧食作物和森林?jǐn)?shù)據(jù)的影響。氣候與環(huán)境是人類賴以生存的基礎(chǔ)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(huì)議上都占有顯著地位。1979年世界氣候大會(huì)提出了世界氣候計(jì)劃，使得氣候問題成為國際協(xié)作的重大課題。1980—1990年 ENSO的動(dòng)力機(jī)制研究有了重大突破，許多大氣遙相關(guān)型被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)氣候系統(tǒng)數(shù)值模式在世界氣候研究計(jì)劃、熱帶海洋與全球大氣研究計(jì)劃、氣候變率及其可預(yù)報(bào)性研究等國際重大計(jì)劃的支持下迅猛發(fā)展，對(duì)大氣、海洋的動(dòng)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(xì)的數(shù)學(xué)模型描述，建立了大氣－海洋－冰面－陸面－生態(tài)系統(tǒng)耦合模式，在全球氣候和生態(tài)環(huán)境變化研究中發(fā)揮越來越重要的作用。

2 未來發(fā)展展望

大氣運(yùn)動(dòng)極具復(fù)雜性和不確定性，不斷提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、中短期天氣預(yù)報(bào)及更長時(shí)間氣候預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，是每一位氣象學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。目前，大氣科學(xué)已經(jīng)建立相當(dāng)完備的科學(xué)體系，隨著探測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和交叉學(xué)科發(fā)展而蓬勃發(fā)展。

在氣象資料探測(cè)方面，地基、空基和天基三維立體觀測(cè)網(wǎng)將進(jìn)一步完善，觀測(cè)將更加精細(xì)和精密。地面、高空、雷達(dá)、衛(wèi)星等觀測(cè)進(jìn)一步加密且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。高空觀測(cè)將由GPS主導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)從置氣、充氣、放球一體化與自動(dòng)化；雷達(dá)將由天氣降水雷達(dá)，發(fā)展為天氣雷達(dá)、云雷達(dá)、氣溶膠雷達(dá)等多類型的綜合探測(cè)雷達(dá)并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化；衛(wèi)星探測(cè)將轉(zhuǎn)向“主動(dòng)”探測(cè)，提供溫濕度、云、風(fēng)場(chǎng)和可降水的三維立體信息。

在天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)方面，模式預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)將更加精細(xì)和精準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的加快以及并行計(jì)算的興起，加上氣象資料觀測(cè)的加密，高分辨率的數(shù)值模式迅猛發(fā)展，模式分辨率可達(dá)幾百米，對(duì)于中小尺度天氣現(xiàn)象其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度將增加，從而提高災(zāi)害天氣的防控能力。對(duì)于10～30天延伸期尺度，由于相關(guān)理論和可獲取的資料的增加，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度也將得到提高。同時(shí)，氣候預(yù)測(cè)和氣候變化領(lǐng)域的研究也進(jìn)入了地球系統(tǒng)數(shù)值模擬的全新階段。

·服務(wù)性公關(guān)：主要是通過一些實(shí)惠性的服務(wù)活動(dòng)，比如贈(zèng)書、免費(fèi)講座等，以行動(dòng)來獲取讀者的了解、信任和好評(píng)，以實(shí)現(xiàn)既有利于活動(dòng)推廣又有利于樹立品牌形象和聲譽(yù)的目的。

在新技術(shù)應(yīng)用和多學(xué)科交叉融合方面，信息科學(xué)的大數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)中人工智能的應(yīng)用和發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)大氣科學(xué)的發(fā)展。而隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)量的不斷增加，僅僅探索大氣活動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律來改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性可能存在一定的困難。在計(jì)算能力逐步強(qiáng)大、數(shù)據(jù)共享逐漸開放的今天，將人工智能技術(shù)與數(shù)值預(yù)報(bào)方法相結(jié)合，在天氣預(yù)報(bào)方面將有廣闊的應(yīng)用前景。在此過程中發(fā)展無縫隙精細(xì)化預(yù)報(bào)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)調(diào)整或訂正模式誤差，綜合不同尺度的預(yù)報(bào)信息，將預(yù)報(bào)信息細(xì)化，并且發(fā)展面向預(yù)報(bào)員的智能輔助系統(tǒng)將成為趨勢(shì)。從氣象資料的整理，天氣訊息的發(fā)布，借助人工智能技術(shù)在預(yù)報(bào)流程和預(yù)報(bào)產(chǎn)品方面更精細(xì)、準(zhǔn)確、客觀高效，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，輔助預(yù)報(bào)員在更高的層面上進(jìn)行高質(zhì)量的預(yù)報(bào)服務(wù)，將逐漸成為氣象新業(yè)態(tài)下業(yè)務(wù)發(fā)展重要方向。

3 結(jié)語

本文簡要回顧了大氣科學(xué)從古至今的發(fā)展歷程，闡述了5個(gè)發(fā)展階段的成果與特征，對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。當(dāng)前大氣科學(xué)的發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步及公眾需求的關(guān)系愈加緊密，該領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步主要依靠觀測(cè)手段發(fā)展，通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，數(shù)學(xué)物理等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。近來人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，受到世界主流氣象科學(xué)中心的關(guān)注和青睞，也將為大氣科學(xué)的發(fā)展提供新的方法和思路。

深入閱讀

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