大气科学分支学科全介绍

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大气科学分支学科全介绍（1）

大气科学概述

大气科学是研究大气的各种现象及其演变规律，以及

如何利用这些规律为人类服务的一门学科。大气科学是地

球科学的一个组成部分。它的研究对象主要是覆盖整个地

球的大气圈，此外也研究太阳系其他行星的大气。

大气圈，特别是地球表面的低层大气，以及和它相关

的水圈、岩石圈、生物圈是人类赖以生存的主要环境。如

何认识大气中的各种现象，如何及时而又正确地预报未来

的天气、气候，并对不利的天气、气候条件进行人工调节

和防御，是人类自古以来一直不断探索的领域。

随着科学技术和生产的迅速发展，大气科学在国民经

济和社会生活中的巨大作用日益显著,其研究领域已经越

出通常所称的气象学的范围。

大气科学简史

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》和《逸

周书•时训解》的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。

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，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，气象学家皮耶克尼斯，索尔贝格和伯杰龙

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年气象学家罗斯比提出了长波动力学，

并由此引出了位势涡度理论。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年朗缪尔、谢弗和冯内古特的“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。

20世纪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，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。

由于采用气象卫星、气象火箭和激光、微波、红外等

遥感探测手段以及各种化学痕量分析手段等新技术，对大

气的观测能力增强了，观测空间扩展了。如赤道上空五个

地球同步卫星和两个极轨卫星几乎能提供全球大气同时

间的情况，不再存在气象资料的空白地区。

气象卫星、新型气象雷达、飞机等探测手段联合应用，

为开展各种规模的综合观测试验，为早期发现和追踪台风

及生命史短至几小时的小尺度灾害性天气系统，为提高短

期和短时预报水平，以及改进中期预报提供了条件。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、

大气的辐射平衡等。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和试

验研究的新阶段。大气的各种现象,大至全球的大气环流,

小至雨滴的形成过程，都可以依照物理和化学原理以数学

形式表达,然而只有用电子计算机才可能进行运算并模拟

这些现象的发生、发展和消亡的过程。

此外，科学技术的发展，人类往往需要了解几星期、

几个月甚至一年以上大气可能出现的状态。这也需依靠高

速计算机获取和处理全球资料，以全球模式来进行天气预

报和气候预报。电子计算机是现代大气科学发展的另一个

支柱。可以预期下一代甚至再下一代最大的电子计算机将

首先用于大气科学。

大气科学的内容

覆盖整个地球的大气，质量约五千三百万亿吨，约占

地球总质量的百万分之一。由于地心引力的作用，大气质

量的90%聚集在离地表15公里高度以下的大气层内，

99.9%在48公里以内。2000公里高度以上，大气极其稀

薄，逐渐向星际空间过渡，无明显上界。

大气本身的可压缩性、太阳辐射、地球的形状和它的

重力、地球的公转和自转、地球表面的海陆分布和地形起

伏、地球的演化和地球生态系统等是造成地球大气特定组

分、特定结构和特定运动状态的主要自然条件。人类活动

及其对生态因素所起的作用，是影响大气组分、大气结构

和大气运动的人为条件。

地球大气的组分以氮、氧、氮为主，它们占大气总体

积的99.96%。其他气体含量甚微，有二氧化碳、氮泵、

氨、甲烷、氢、一氧化碳、氤、臭氧、氢、水汽等。大气

中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃、抱子、花粉等液态、固态

微粒。太阳系的九大行星，都存在大气。

地球大气中的氧气是人类赖以生存的物质基础，氧气

的出现及其含量的变化，同地球的形成过程和生物的演化

过程密切相关。大气中的水汽来自江河、湖泊和海洋表面

的蒸发，植物的散发，以及其他含水物质的蒸发。在夏季

湿热处，大气中水汽含量的体积比可达4%,而冬季干寒

处（如极地），则低于0.01%。水汽随着大气温度发生相变,

成云致雨，成为淡水的主要资源。

水的相变和水文循环过程不仅把大气圈同水圈、岩石

圈、生物圈紧密地联系在一起，而且对大气运动的能量转

换和变化有重要影响。大气中的二氧化碳含量受植物的光

合作用、动物的呼吸作用、含碳物质的燃烧以及海水对二

氧化碳的吸收作用所影响，化石燃料（如煤。石油、天然

气）燃量增加，森林覆盖面积减少的情况下，已观测到二

氧化碳含量与年俱增。大气中本来没有或极少存在的如甲

烷、一氧化二氮等气体，由于人类活动的影响，近年来它

们的含量也迅速增加。这些有温室效应的气体含量的变化

对大气温度的重要影响，已成为研究现代气候变化的一个

前沿课题。

大气中臭氧的含量极少，即使在离地表20〜30公里

的浓度最大处，其含量也不到这层大气的十万分之一，然

而大气臭氧层能够大量吸收太阳紫外辐射中对生命有害

的部分，对人类起着十分重要的保护作用。另外，大气臭

氧层的存在，对平流层大气的温度也有重要作用。由于人

类活动对高空光化学过程的影响会引起臭氧含量的变化,

人类活动对臭氧含量影响的研究，已成为医学界和气象学

界共同关注的问题。

地球大气的密度、温度、压力、组分和电磁特性等都

随高度而变化，具有多层次的结构特征。大气的密度和压

力一般随高度按指数律递减；温度、组分和电磁特性随高

度的变化不同，按各自的变化特征可分为若干层次。

地球大气按温度随高度的变化，由地表向上，依次分

为对流层、平流层、中层和热层。对流层紧邻地表，其中

温度随高度增加而降低，平均每升高1公里约减少6.5℃,

至对流层顶温度降到极小值。对流层中的对流运动显著,

是热量铅直输送的主要控制因子，云和降水主要发生在这

一层。对流层顶的高度在赤道地区约18公里，中纬度地

区约12公里，极地地区约8公里。

平流层位于对流层之上,平流层顶高地表约50公里。

平流层中的臭氧层吸收太阳紫外辐射，是使这层大气温度

随高度增加而上升的主要因子。这层大气温度层结非常稳

定，其中的热量输送以辐射传输为主。

中层位于平流层之上，中层顶离地表约85公里，层

内温度随高度增加而下降。热层位于中层之上，热层顶离

地表约500公里。这层大气由于吸收太阳紫外辐射，温度

随高度增加而上升。热层顶以上为外逸层，那里大气已极

稀薄，每立方厘米不到一千万个原子（海平面处每立方厘

米约一百亿亿个原子）。

地球大气按组分状况可分为匀和层和非匀和层。高地

表约35公里高度以下为匀和层，层内的大气组分比例相

同，平均分子量为常数。约110公里高度以上为非匀和层,

层内大气组分按重力分离后，轻的在上，重的在下，平均

分子量随高度增加而减小。离地表95-110公里为匀和层

到非匀和层的过渡层。

地球大气按电磁特性可分为中性层、电离层和磁层。

由地表向上到60公里高度为中性层。离地表60公里到

500〜1000公里高度为电离层。离地表500—1000公里以

上为磁层。电离层能反射无线电波，对电波通信极为重要。

磁层是地球大气的最外层，磁层顶是太阳风动能密度和地

磁场能密度相平衡的曲面。

地球大气的运动非常复杂。地球的自转和公转运动以

及地球自转轴的方向产生了地球上的昼夜交替、四季变化

和温度自赤道向两极递减的规律。由于海陆分布和地貌等

的不均匀性，地表的温度并不完全按纬圈带分布，而呈现

出非带状的不均匀分布。

整个大气圈通过各种机制相互紧密地联系在一起，形

成了空间尺度小至几米以下、大至几千公里甚至上万公

里，时间尺度短至几秒、长至数十天或更长时间的多种大

气运动系统。在影响大气运动的因素中，人为的因素在变

化着（如工农业生产引起大气中有温室效应的气体增加，

大面积森林砍伐等），自然的因素也在变化着（如火山爆发

等引起辐射能的变化，地球自转轴方向的变化等）。大气

的运动也就呈现出既有规律性又有随机性的特点。

大气科学的研究对象一一地球大气，无论它的组分,

它的结构，还是它的运动，都存在着确定性和不确定性两

个方面。这正是大气科学研究复杂性的一面。

大气圈以外，还存在着水圈、冰雪圈、岩石圈和生物

圈这些圈层组成一个综合系统。大气圈中发生的各种变化

都受其他圈层的影响；反之，大气圈也影响着其他圈层的

变化。研究大气运动的能源，大气中的物质循环、能量转

换和变化过程，大气环流及天气、气候的分布和变化，都

必须考虑大气圈同水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间的

相互影响和相互作用。

大气圈不是孤立的，在空间和时间上具有宽广尺度谱

的各种大气现象也不是孤立的。它们种类繁多，相互叠加

又相互影响。即使同一类现象，其结构也不尽相同。影响

这些大气现象的因素非常复杂，人类至今还很难在实验室

内用人工控制的方法对它们进行完整的实验和研究。只能

以大自然为实验室，组织从局地到全球的气象观测网，运

用多种观测手段对大气现象进行长期的连续的观测，特别

是定量的观测，以获取资料；对有关气候现象还需搜集地

质考查、考古发掘和历史文献等资料。

大气科学家们通过对大量资料的分析和综合,提炼出

量与量之间的定性的或定量的关系，归纳出典型现象的模

式特征，如锋面、气旋、大气长波等。在模式的基础上运

用已知的物理学和化学的基本原理，以及数学工具和计算

技术进行理论上的演绎和模拟，导出新的结论。理论模式

是否合理，还需回到大自然的实验室中进行检验，有些理

论模式还有待于新的观测资料加以证实。

全球大气在不停地运动着，而且是一个整体。为掌握

大气运动变化快、范围广、形式多的特征，就必须对大气

进行连续的、高频率的、全球性的观测。全球数以万计的

为天气预报进行观测的气象站，要在相同的时间、用接近

相同的仪器和观测方法，在全球各地进行同步观测；由气

象卫星、气象雷达等探测手段观测的大量资料，凡用于天

气预报业务的资料还要作同步处理。

这些资料都要在观测完毕后的短短数十分钟内迅速

集中到世界气象中心和各国的气象中心。再加上为数更多

的水文气象站的观测资料。资料的范围之大、数量之多、

传递之快是惊人的，这是自然科学中的奇观。这一切只有

通过国际间的密切合作才能实现。

大气科学的分支学科

大气科学的分支学科主要有大气探测、气候学、天气

学、动力气象学、大气物理学、大气化学、人工影响天气、

应用气象学等。

大气探测

是一门研究探测地球大气中各种现象的方法和手段

的学科。按探测范围和探测手段划分，大气探测有地面气

象观测、高空气象观测、大气遥感、气象雷达、气象卫星

等次一层分支。探测手段的飞跃往往带来以往难以预计的

重大发现，在大气科学的发展进程中，大气探测起了十分

重要的作用。

气候学

是一门研究气候的特征、形成和演变以及气候同人类

活动相互关系的学科。研究内容主要包括气候特征、气候

分类、气候区划、气候成因、气候变化、气候与人类活动

的关系、气候预报和应用气候等。电子计算机的采用，促

进了对气候变化物理因子和气候模拟的研究，气候预测已

不再是虚无缥缈的难题，而已成为一个具有战略意义的课

题了。

天气学

是一门研究大气中各种天气现象发生发展的规律以

及如何应用这些规律来制作天气预报的学科。研究内容主

要包括天气现象、天气系统、天气分析和天气预报等。气

候学和天气学研究的成果，不但为大气科学提供丰富的研

究课题，而且还直接为国民经济服务。

动力气象学

是一门应用物理学和流体力学定律及数学方法，研究

大气运动的动力和热力过程及其相互关系的学科。研究内

容主要包括大气热力学、大气动力学、大气环流、大气湍

流、数值天气预报和数值模拟等，动力气象学的发展对更

深刻地认识大气运动的机理、掌握天气和气候变化的规律

有十分重要的作用，它是大气科学的理论基础学科。

大气物理学

是一门研究大气的物理现象、物理过程及其该变规律

的学科。研究内容主要包括云和降水物理学、大气光学、

大气电学、大气声学、大气辐射学等。大气物理学也是大

气科学中的理论基础学科。50年代以后，也有人把动力

气象学包括在内都称为大气物理学。

大气化学

是一门研究大气组成和大气化学过程的学科。研究内

容主要包括大气微量气体及其循环、大气气溶胶、大气放

射性物质和降水化学等。

人工影响天气，研究如何通过影响云和降水的微物理

过程使某些大气现象、大气过程发生改变的技术和方法。

如人工降水、人工防雹、人工消雾等。人工影响天气是人

类改造自然的一个组成部分。

应用气象学

是将气象学的原理、方法和成果应用于农业、水文、

航海、航空、军事、医疗等方面，同各个专业学科相结合

而形成的边缘性学科，也是充分开发利用气候资源的重要

领域。

大气科学的各个分支学科彼此不是孤立的，如天气学

和气候学与动力气象学相结合，产生了天气动力学和物理

动力气候学。

探测手段的不断革新和痕量化学分析技术的发展,推

动了对大气的物理性质和化学性质的分析研究，促进了大

气化学的发展。尤其是大气中二氧化碳和甲烷等微量气体

对气候影响的日益显著，以及大气污染和酸雨问题的出

现，不仅使人们更加认识到大气化学在大气科学中的重要

性，而且随着研究的深入，更认识到大气化学过程和大气

物理过程的相互作用，从而促进了这两个分支学科的相互

结合。

大气科学与其它学科的关系

大气科学在很长的历史发展过程中，先是以气候学、

天气学、大气的热力学和动力学问题，以及大气中的物理

现象（如电象、光象、声象）和比较一般的化学现象等为主

要研究内容，传统称之为“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，因而从20世

纪60年代以来，“大气科学”术语的应用日益广泛，它大

大扩充了传统气象学的研究内容。

近年来，由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰雪

圈、岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影响的重要性,

要了解大气变化过程就不能不深入到其他圈层变化过程

的研究。因此，大气科学的研究内容越来越广泛，与其他

学科之间的相互渗透也越来越深入。

比如：研究大气运动，需同流体力学、热力学、数学

密切合作;研究太阳辐射以及太阳扰动在大气中引起的各

种机制，需同高层大气物理学、太阳物理学和空间物理学

密切合作；研究水分循环、海洋和大气的相互作用，需同

水文科学海洋科学密切合作；研究地球大气的演化、地球

气候的演变，需同地球化学、地质学、冰川学、海洋科学、

生物学和生态学密切合作；研究大气化学、大气污染，需

同化学、物理学、生物学和生态学密切合作；研究大气问

题的数值模拟、数值天气预报等，需同计算数学等密切合

作；研究大气探测的手段和方法，需同有关的技术科学密

切合作；在大气探测、天气预报等自动化的进程中，大气

科学还不断同信息理论、系统工程等科学技术领域密切合

作。在相互合作和相互渗透的过程中，大气科学不断汲取

其他学科的养料;大气科学特定的要求又不断为其他学科

开辟新的研究前沿，不断丰富着其他学科的内容。

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。

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。

大气科学分支学科全介绍（2）

气候学

气候学是研究气候的特征、形成和演变，及其与人类

活动的相互关系的一门学科。它既是大气科学的分支，又

是地理学的组成部分。

随着生产规模的日益扩大,气候和人类社会的关系越

来越密切。为了合理地开发和利用气候资源，减轻气候灾

害的影响，避免人类活动对大气环境造成的不良后果，无

论是大规模的开垦、重大工程的设计和管理，还是制订各

种发展规划和研究工农业的布局，都需要了解所在地区的

气候特征及其演变规律。气候学的研究成果及其应用，正

日益受到各方面的重视。

气候学发展简史

气候学成为一门科学是有了气象仪器观测以后的事。

但是，有关气候现象的记载和气候知识的积累却可追溯到

三千年前。

中国在殷代就已知一年四季和某些农事季节的划分。

到春秋时代,更创造了利用圭表测日影以定气候季节的方

法。秦汉时期，二十四节气已成为农事活动的主要依据。

《逸周书•时训解》系统地记载了反映气候年变化规律的

七十二候的自然物候历。《吕氏春秋•十二纪》更对12

个月的气候特点及其异常现象作了概括的记述。

古希腊学者发现，从希腊往北，太阳光倾斜加剧，气

候转寒；往南，太阳倾斜减缓，气候转暖。这反映出气候

的冷暖与太阳光线的倾斜程度有关。据此，他们将地球气

候划分为五带，即：北寒带、北温带、热带、南温带和南

寒带。

随着人类活动范围的扩大，古代学者还进一步认识

到，气候除与纬度密切有关外，还与地势高低，海陆分布

和气流方向等许多因素有关。在占埃及、巴比伦和印度等

地，在这个时期也有许多关于气候的记载。

到了16〜18世纪，随着气象观测仪器的出现和气象

观测网的建立，气象观测资料大量积累。这些为气候学的

形成准备了条件。1817年，德国的洪堡首先绘制了全球

等温线图，成为近代气候学研究的开端。

1883年，奥地利的汉恩编著了《气候学手册》一书，

不仅为研究全球气候提供了宝贵的资料,更重要的是提出

了较完整的研究气候学的方法体系。1884年俄国的沃耶

伊科夫发裹了《全球气候及俄国气候》一书，分析了太阳

辐射、水分循环、下垫面等对气候的作用。同年，德国的

柯本对世界气候进行了分类。这些成果奠定了气候学的基

础。

20世纪初，随着气团概念、气旋模式和锋面理论的

出现，天气图资料的积累，人们进一步研究气候的形成原

因。特别是1930年瑞典气象学家伯杰龙提出的天气气候

学，影响很大。从此，气候学便从以描述性为主转而向理

论方面的研究发展。这个时期气候学在各方面的应用也开

始受到重视。

第二次世界大战以后，随着高空气象观测、气象卫星

和电子计算机的广泛应用，气候学进入了蓬勃发展的新时

期。尤其是20世纪70年代以来，在世界上出现大范围灾

害性气候异常，气候问题成为世界瞩目的中心问题之一。

气候学的研究内容

由于太阳辐射，大气环流和下垫面的特征不同，各地

的气候特征有显著的差异。如大陆东岸和西岸的气候特征

各异；即使同属东岸，欧亚大陆东岸和北美大陆东岸的气

候也不相同。这种地域性的特点，正是气候学成为地理学

分支的重要原因，也是气候学中进行气候分类研究的基

础。只有在广阔的范围内进行观测和调查研究，才能得出

具有同类气候特征的区域和界限。

按气候学研究的空间尺度划分，有全球气候、北半球

气候、大区域气候和地方气候等不同尺度的气候。按时间

尺度划分，有年际气候变化、几十年以上的气候变化和万

年以上变化周期的气候变迁等。要研究年际气候变化和较

短时期的气候变化，至少需要有连续三十年的观测资料。

而要研究几十年周期的变化，就需要有至少十倍于该周期

时间长度的资料，所以，除现代气象资料外，还需要利用

历史记载和树木年轮等进行分析，以延长资料年限。对于

万年以上的变化，常利用地质岩心、冰心、化石等资料进

行分析推测。

气候学是应用性很强的学科。从工农业生产、交通、

通信、能源、军事以至人类的一切活动，都和气候有密切

的关系，大量的边缘学科，如城市气候、建筑气候、军事

气候、农业气候、森林气候、海洋气候以及旅游气候等逐

渐形成。

太阳辐射、大气环流，下垫面状况（如海、陆、植被）

是气候形成的几个主要因子，然而，这些因子之间如何互

相作用而形成一个地方的气候特征，尚待进一步研究；还

有，由于人类活动使大气中的微量元素和污染物质含量的

增加而对气候变化的影响，以及各种地球天文参数对气候

的影响等。这些都使气候形成理论的研究变得极其复杂，

至今还缺乏精确有效的理论模式。

气候学概论包括气候学一般原理、气候特征的时间和

空间分布、演变及其分类等。人们常以气候要素的空间分

布图和时间分布图、气候要素的综合关系图和各种气候统

计图等记述某地点、某区域或全球范围的基本气候特征。

某个地方的气候志是对该地多年气象资料整理和分析概

括出的基本气候状况的资料。

物理气候学与动力气候学主要以动力学的理论和方

法研究气候形成和气候变化的原因。主要内容包括：辐射

平衡、热量平衡、水分循环以及大气中各种污染物质和微

量元素等的变化与气候的关系。运用大型电子计算机进行

气候模拟，是研究物理动力气候学的重要方法，这一新分

支的出现，为气候学的理论研究开辟了新的前景。

天气气候学是研究多年间大气环流的一般状态及其

变动的规律性。如：环流的分型及其出现的频率，天气系

统的频率、强度和路径，大范围气候异常与大气环流的关

系等问题。

应用气候学根据工农业生产和生活等各方面的特殊

需要，研究它们同气候的相互关系，以及如何将气候知识

广泛应用于各个方面。主要研究内容为：气候资源的利用，

气候灾害的防御，大气环境的分析、评定和区划，以及各

有关专业相应的气候问题。

此外，气候学还可按大气的分层分为：近地层气候学

和平流层气候学等。

气候学同各门基础科学、技术科学及至社会科学间有

着广泛的联系。无论是从理论还是从方法看，气候学和数

学、物理学、化学、天文学、地学等基本学科以及大气科

学各分支都有密切的关系。气候监测更需要应用各种技术

科学。所以，气候学是同其他多种学科广泛联系的一门学

科。

由于气候涉及到人类生活和生产的各个方面，从

1972年以来，在国际上关于环境、粮食、水资源、沙漠

化等一系列重要会议上，气候问题都占有显著地位。1979

年世界气候大会提出了世界气候计划,使气候问题成为国

际协作的重大课题，气候学成了日益活跃的学科，气候学

的含义也正在不断发展，包括大气圈、水圈、冰雪圈、岩

石圈和生物圈在内的气候系统的概念也正在形成。

虽然，当前气候学仍以大气为其主要研究对象，但其

内容正在不断地丰富和充实，从大气科学的一个分支向着

综合性的气候系统的学科发展。

物候学

物候学是研究自然界植物和动物的季节性现象同环

境的周期性变化之间的相互关系的科学，它主要通过观测

和记录一年中植物的生长荣枯,动物的迁徙繁殖和环境的

变化等，比较其时空分布的差异，探索动植物发育和活动

过程的周期性规律，及其对周围环境条件的依赖关系，进

而了解气候的变化规律，及其对动植物的影响。它是介于

生物学和气象学之间的边缘学科。

环境对动植物生长和发育的影响是一个极其复杂的

过程。但是，用仪器只能记录当时的环境条件的某些个别

因素，而物候现象却是过去和现在各种环境因素的综合反

映。因此，物候现象可以作为环境因素影响的指标，也可

以用来评价环境因素对于动植物影响的总体效果。

中国最早的物候记载，见于公元前一千年以前的《诗

经•幽风•七月》，其后的《夏小正》、《吕氏春秋•十二

纪》、《淮南子•时则训》和《札记•月令》等，则已经按

月记载全年的物候历了。而《逸周书•时训解》更把全年

分为七十二候，记有每候五天的物候，成为更加完善的物

候历，北魏时曾附属于历书。

在西汉，著名的农学著作《汜胜之书》有以物候为指

标来确定耕种时期的记载，如“杏始华荣，辄耕轻土弱土;

望杏花落，复耕/至南末，浙江金华（婺州）人吕祖谦记

载了南宋淳熙七年和八年（1180、H81）金华的物候,有腊

梅、桃、李、梅、杏、紫荆、海棠、兰、竹、豆蓼、芙蓉、

莲、菊、蜀葵和萱草等24种植物开花结果的日期，春莺

初到和秋虫初鸣的时间,是世界上最早的实际观测的物候

记录。

明代，李时珍的《本草纲目》所载的近2000种药物

中，有着极为丰富的植物物候资料，此书的第四十八、四

十九两卷记述了候鸟布谷鸟和杜鹃的地域分布、鸣声、音

节和出现时间等，是鸟类物候的翔实记载。19世纪中叶,

太平天国颁发的《天历》，其中《萌芽月令》就是以物候

指导农时的月历。

在欧洲，古希腊的雅典人就已经编制了农用物候历。

英国马香子孙五代，则从1736年起到20世纪40年代止,

对植物、候鸟和昆虫等27种动植物进行了长期观测和记

录。这是欧洲年代最长的物候记录。18世纪中叶，瑞典

植物学家林奈所著《植物学哲学》一书，概述了物候学的

任务，物候的观测和分析方法，并组织了有18个点的观

测网。他是欧洲物候学的主要倡导者之一。

在德国，植物学家霍夫曼从19世纪90年代起建立了

一个物候观测网。他选择34种植物作为中欧物候观测的

对象，亲自观测了40年。其后，又由其学生伊内接替。

在美国，森林昆虫学家霍普金斯于1918年提出了北美温

带地区物候现象陆空间分布的生物气候定律。

在中国，现代物候学研究的奠基者是竺可桢。他在

1934年组织建立的物候观测网，是中国现代物候观测的

开端。在他的领导下，1962年，又组织建立了全国性的

物候观测网，进行系统的物候学研究。为了统一物候观测

标准，1979年又出版了《中国物候观测方法》，并逐年汇

编出版《中国动植物物候观测年报》。

20世纪50年代以来，由于各国物候观测网的扩大，

物候资料更加丰富了。更由于遥感技术和电子计算机等的

应用，使物候学的研究在规律的探索和应用方面都得到了

更大的发展。

物候学的基本研究方法是平行观测法，即同时观测生

物物候现象和气象因子的变化，以研究其互相关系。主要

是定点观测生物物候现象的周年变化;按照统一的观测方

法组织物候观测网，对物候现象同时进行观测；在短期内

（3~5天）使用汽车等交通工具进行小地区的物候观测；通

过地球资源卫星照片来分析农作物和植被的物候变化;通

过试验来研究物候期受气候等因子影响时的生理机制。

各种生物物候现象的出现日期，虽然每年随气候条件

变化而变，但在同一气候区内，如果不受局地小气候的影

响，其先后顺序每年保持不变。在不同的气候区域内，由

于生物品种和气候条件的组合发生变化，物候现象的顺序

就会改变。物候现象的顺序性是编制自然历和预报农时的

基础。

由于气候分布的地带性和非地带性，物候现象随纬

度、经度和高度的变化具有推移性的特点。如1918年霍

普金斯提出的生物气候定律：在其它因素相同的条件下,

北美温带地区，每向北移纬度1。向东移经度5。，或上

升约122米，植物的阶段发育在春天和初夏将各延期四

天；在晚夏和秋天则各提前四天等等。

物候学研究已成为生态系统的分析和管理的一个方

面，在物候区划、农作物的合理配置、山区垂直分布带土

地的合理利用、防止环境污染和三废利用等方面，正进行

着大量的物候学研究工作。除对物候现象作宏观研究外,

已经开始对植物器官内部形态的变化进行观察研究。在研

究气象条件对生物物候影响方面，已开始利用人工气候室

进行实验研究，及建立气象条件和生物物候变化的数学模

式等研究。

古气候学

古气候学是研究地质时期气候形成的原因、过程、分

布及其变化规律的学科。即根据物质成分、沉积岩结构特

点和生物，按一定的理论和方法推断各地质时代的气候。

古气候学的研究与地质学、古生物学、地球化学、同位素

化学、大气物理学和天文学等密切相关。

古气候学发展简史

19世纪早期，古气候的研究材料主要来源于欧洲和

北美。由于当时北美前寒武纪晚期冰川沉积尚未发现，所

以认为整个地质时期的气候都是温暖的，直到第三纪气候

才开始变冷，到第四纪更新世出现冰川。把高纬度地区指

示温暖气候的沉积与化石，认为是热带或亚热带气候曾达

到极地附近的证据。

19世纪后期至20世纪初期，在南大陆发现晚古生代

冰硬物以后，地质学家不再把冰川看作是更新世特有的古

气候现象。于是对高纬度地区曾存在温暖气候的事实产生

了另一种解释，即地质时期古地理面貌与现在不同，各大

陆及相对的极地曾发生过大规模的位移。这就是魏格纳大

陆漂移说的基础之一。与此同时，先后有不少论述古气候

的论著，从而奠定了古气候学的基础。

20世纪50年代以后，利用现代大气物理学研究成果,

古气候学在研究方法、测试技术、古气候成因研究以及应

用上都有较大的发展。还把地球的热平衡、辐射分布、大

气环流、洋流、气候带等理论应用到古气候的研究中去。

此外，还对影响古气候的地内和地外原因进行深入探讨。

另一重要的进展是根据氧同位素对古气温的测定。60

年代以后，古代海洋和大陆温度定量恢复方法的发展，对

第四纪大冰期陆、海、冰古地理的恢复，大气海洋一般环

流模式及冰期气候的模拟，及地球轨道变化对气候的影响

的研究等，使古气候学取得了很大发展。

古气候学基本内容

按研究的侧重点不同，古气候学可以分为记述古气候

学、成因古气候学、应用古气候学、历史古气候学四个学

科。

记述古气候学，也称普通古气候学。它研究古气候的

各种生物、沉积标志，如化石或岩石代表在什么气候条件

下生长或形成的，根据这些记录恢复某地区在一定时期的

古气候。它与沉积岩岩石学、岩相古地理、古生物学、古

生态学、古生物地理和同位素化学有密切的关系。

成因古气候学是在恢复和记述古气候的基础上,进一

步探讨古气候的成因及过程，它涉及地球物理学、大气物

理学、现代气候学、板块构造学和天文学等。气候与太阳

和地球间缓慢变化，以及与太阳辐射、太阳黑子活动周期

等有关。此外，如地磁极变动，黄道倾斜（即地球自转轴

的倾斜度）、地球自转速度变化地壳外表山脉的形成、火

山爆发、大气圈的演化、洋流的改变等都影响气候。

应用古气候学是在恢复某一时期某些地区古气候的

基础上，推测在该种气候条件下可能形成的矿产，指导矿

产资源的寻找和勘探。这需要与成因矿床学、成因矿物学、

地球化学、大地构造学等结合起来研究。

历史古气候学是论述各地质时代古气候及其演化的

学科。

生物都是在一定的环境中生存的，生物的演化也是生

物不断适应周围环境的结果。因此，生物能反映其所生存

的环境，如生物的分异度，从赤道向两极呈现由高到低的

梯度变化，反映了当时的气候状况。热带生物最丰富，温

带动、植物种类较少，而南北极最为贫乏。除纬度外，海

拔高度、湿度和水深等也影响生物的分异度。

一般来说，用植物化石来判断古气候是比较可靠的,

其次是底栖固着的无脊椎动物。脊椎动物小型两栖类、爬

行类由于有冬眠的习性，在较冷的气候条件下还能生存。

而大型的爬行类如鳄，绝大多数分布在热带和亚热带，只

有很少的代表分布在温带。

一些岩石的形成也有它的古气候意义，如冰磺岩、冰

川漂砾和冰川纹泥代表寒冷冰川或大陆冰盖气候。

任何元素同位素的分偏系数都与温度有关，原则上都

可以作为地质过程的温暖标志。目前同位素温标主要用于

较低温度范围内的温度测量，它在古气候测定方面显示了

特殊的优越性，其中氧、碳、氢同位素温度计应用员广泛。

此外，有用氨基酸外消旋法、惰性气体溶解度法和微量元

素法来测定环境温度或古海水温度等。地球物理学方法主

要是通过古地磁的研究确定古纬度，阐明地球气候变化与

地球磁场变化的关系。

元古宙晚期有全球性冰期出现，代表普遍的寒冷气

候。寒武纪时气候转暖，当时各个分散的大陆板块和冈瓦

钠古陆的大部地区都扯于赤道附近。因此，在西伯利亚、

澳大利亚和中国西南地区都发现了蒸发岩沉积。

奥陶纪早、中期，海侵广泛，气候温暖，但奥陶纪晚

期至志留纪初期，则在西冈瓦纳大陆（北非、南美、南欧）

发生了大规模的大陆冰盖和冰晦沉积，代表寒冷的极地气

候。东冈瓦纳大陆和其他陆块仍处于赤道附近。在北美、

西伯利亚和中国华北地区有蒸发岩沉积，推测为干热的古

气候条件。

志留纪早期与奥陶纪晚期古气候情况相似，以后气候

转暖，冰川溶化，海侵加大。志留纪时，西冈瓦纳大陆大

部已脱离极地气候区，处于温凉气候带，同时出现了冷温

水动物群，仅在南美仍有少量冰川沉积，代表寒冷的极地

气候。北美有重要的盐类沉积和珊瑚礁，代表热带气候。

西伯利亚板块位于古北纬约30。〜40。位置，其南

北方向与现在相反，所以阿尔泰、大兴安岭一带出现图瓦

贝动物群，可能代表北温带的温凉气候。晚古生代地球上

北大陆气候是温暖的，但古气候变化中最引入注目的是晚

石炭世至早二叠世南大陆上大规模冰川活动。

大陆冰盖中心最初位于南非，以后经南极洲向澳大利

亚移动，至早二叠世晚期最后消失由于植物大量繁盛，大

气中二氧化碳含量降低，氧含量增加，由于太阳紫外辐射

的光化作用，在地球上空大气平流层内产生臭氧层。臭氧

层能吸收危害生命的太阳紫外辐射，这对古生代生物的演

化发展并由海域登上陆地起了促进作用。

中、新生代的气候是早期以干燥气候为特点，中期温

暖潮湿气候遍布全球，晚期则逐渐转冷，出现大冰期。到

全新世全球气候普遍转暖。

年轮气候学

年轮气候学是根据树木年轮的变化推论过去气候的

一门学科。

除热带外，气候有明显年变化的地区，树木一般每年

形成一个生长轮，即年轮。年轮宽度和气候条件有十分密

切的关系。在温暖湿润的年份，树木生长快，年轮宽度大;

在寒冷干旱的年份，树木生长慢，年轮宽度小。因此测定

树木年轮宽度的差异，可以获得过去气候变化的信息，推

论出某些气候要素的变化状况，弥补历史气候资料的不

足。除了年轮宽度外，气候还与植物组织结构有密切关系,

也可作为推论过去气候的依据。

20世纪初，美国道格拉斯最早论证了大约500年之

久的年轮宽度变化和实际降水量之间的关系，并在30年

代创建了专门研究树木年轮的实验室。此后，许多年轮气

候学家对年轮形成的生理过程与气候的关系作了深入剖

析,对样本树种的选择和年轮序列的统计分析等有了新的

认识，逐步建立了年轮气候学的基本原理和分析方法。

在选取样本时，必须选择生长条件最受某气候要素

（温度或降水）限制的树木。例如生长在高纬度或高寒山区

森林接近消失处(上界)的树木，由于受到热资源不足的限

制，常能很好地反映出冷暖的变化；干旱、半干旱地区，

由森林向草原或荒漠过渡的林缘树木,则由于受到雨量不

足的限制，常能反映干湿的变化。在实际应用中，常在同

一地点选取许多重复的样本，互相对比，确定年份，以消

除非气候因子的影响。

此外,对年轮宽度变化还应进行必要的生长量等方面

的订正，并用已有的各项资料检验，才能得到真正表征气

候变化的年轮指数序列o这种序列可以反映大尺度的气候

变化。如：美国拉马奇在加利福尼亚惠特尼山树线上界附

近所取的年轮序列，和欧洲气温变化趋势是一致的。70

年代初，美国弗里茨还根据年轮宽度变化和气压距平场的

关系，绘制出1700年以来北半球西半部每十年平均的环

流图。

中国自20世纪30年代开始研究年轮气候学，得知华

北和西北广大地区的年轮宽度变异，可以作为分析历史时

期气候变化的资料，尤其是用它表征降水变化方面，很有

价值。70年代后半期，北方的许多省和青藏高原等地，

都广泛开展了这项工作，得到许多表征温度或降水的长达

数百年的序列，对现代小冰期(约1430〜1850)以来气候变

化的史实，提供了更多的依据。

世界上许多年轮气候学家正密切配合,深入探讨树木

生长受气候影响的机制和在更大范围内开展年轮研究的

可能性。为从树木年轮中获得更多的气候变化信息，已尝

试对年轮的密度和同位素含量变化进行分析，并已获得显

著效果。显然，这种研究将与年轮宽度分析一道，成为年

轮气候学中重要的研究途径。

大气化学

大气化学是研究大气组成和大气化学过程的大气科

学分支学科。它涉及大气各成分的性质和变化，源和汇,

化学循环，以及发生在大气中、大气同陆地或海洋之间的

化学过程。研究的对象包括大气微量气体、气溶胶、大气

放射性物质和降水化学等。研究的空间范围涉及对流层和

平流层，即约50公里高度以下的整个大气层。研究的地

区范围包括全球、大区域和局部地区。

对大气化学的研究始于19世纪下半叶，初期只限于

研究降水中的痕量物质和气溶胶，有一时期集中于研究臭

氧和微量放射性物质。在20世纪60年代以前，大气化学

并没有引起人们的重视,多数研究偏重于大气中天然微量

成分的全球性平衡源、汇、循环和气溶胶的物理性质等。

20世纪60年代后，由于人类活动对大气产生的影响,

出现了较严重的大气污染大气化学才引起广泛的注意。并

由于应用了微量分析技术、实验室模拟技术和电子计算机

技术，使大气化学的研究向定量化和模式化的方向发展。

尤其是在大气污染形成的机制、污染物对平流层臭氧浓度

的影响等研究方面，取得了较大进展。

但就学科的发展进程而言，大气化学仍处于初始发展

阶段，许多事实和现象还不清楚，尤其是关于一些大气微

量成分的源、汇和时空分布，它们的迁移、输送和全球循

环等问题，都需要进行观测和研究。

无论从组成上或从迁移和转化上看，大气都是一个复

杂的体系，受很多因素的制约。大气吸收太阳的紫外辐射

和可见光波段的辐射与光化学有极其密切的关系；各种物

质输入大气中的情况，或者在大气中的迁移、扩散、混合

和反应，随时随地都在变化，所以大气化学反应的模式，

必须与大气端流扩散联系起来考虑；大气的成分不但有气

体，而且有悬浮着的固体和液体粒子（气溶胶），它们有的

是天然存在的，有的是人类活动输入的或者是大气化学反

应产生的。气溶胶在大气的化学过程中起着重要的作用，

所以除了研究大气的均相反应外，还要研究大气的多相反

应和表面效应；大气中许多成分以痕量存在，必须采用痕

量的分析化学技术。

大气化学主要研究对流层和平流层大气中主要成分

和微量成分的组成、含量、起源和演化等问题。

对流层化学主要包括碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、

碳氢化物和气溶胶的源、汇和循环，污染物之间的化学反

应和对流层空气污染形成的化学机制。

二氧化硫是由煤炭、石油等矿物燃料燃烧产生的主要

污染物，其中一部分在大气中被氧化成硫酸或硫酸盐气溶

胶。由于其比重大，沉降而接近地面，特别是汇聚于谷地

或盆地，形成酸雾而造成污染；或者被降水带下而形成酸

雨。硫酸的为害，远远超过二氧化硫，所以人们对二氧化

硫氧化的机制，进行了许多研究。从很多结果看来，在非

污染空气中，二氧化硫的含量极微，它分别同氢氧自由基、

氢过氧自由基和云、雾水滴反应；在污染空气中二氧化硫

的含量较高，它与氢过氧自由基的反应是重要的。并且,

在污染空气中还存在着过渡金属（如镒）的多相催化反应。

随着机动车辆的发展，光化学烟雾污染问题日益突

出。它是由氧氧化物和碳氢化物在紫外辐射作用下发生光

解反应和一系列氧化反应生成臭氧和其他氧化物而造成

的。通过室内外烟雾箱模拟反应及计算机对复杂反应系列

的计算结果看来，氧化反应中起主要作用的也是氢氧自由

基和氢过氧自由基。1979年研究发现，当有芳香胺污染

物存在时，烟雾中能检出致癌物亚硝胺。此外，对非污染

地区臭氧形成问题的研究，发现一氧化碳的氧化也很重

要。

平流层化学的中心问题是臭氧的光化学反应，在太阳

紫外辐射照射下平流层臭氧经历强烈的光化学过程。20

世纪60年代以来，人类活动对臭氧层的影响，引起了人

们的密切关注。

人们曾经认为超音速飞机的飞行将使氮氧化物排入

平流层而破坏臭氧，这将造成在地球表面小于0.3微米波

长的紫外辐射强度加大，引起皮肤癌的增加和农业生产降

低。对含氟氯烧类化合物也有类似的担忧，它们在对流层

是化学稳定的，但在平流层可以进行光分解而破坏臭氧。

这个问题还存在着看法上的分歧，尤其是对于氧氧化物的

影响，还有待进一步研究。

气溶胶化学主要包括气溶胶的化学组成（硫酸盐气溶

胶、硝酸盐气溶胶和有机物气溶胶），二次气溶胶的形成

机制，气溶胶的长距离传输，以及多相反应化学等。长期

以来，人们对气溶胶只着重于物理性质的研究，从20世

纪70年代以来，气溶胶化学的研究逐渐引起注意，特别

是多相反应化学，已引起广泛重视。

大气物理学

大气物理学是研究大气的物理现象、物理过程及其演

变规律的大气科学的分支学科。它主要研究大气中的声

象，光象、电象、辐射过程、云和降水物理、近地面层大

气物理、平流层和中层大气物理等。它既是大气科学的基

础理论部分，又是环境科学的一个部分。

人们对大气中的许多物理现象，如虹、晕、华、雷、

闪电等早巳注意，并进行过研究，但内容分散在物理、化

学、天文、无线电等学科之中，把它们纳入大气物理学一

个学科，则是近三、四十年中的事情。

20世纪40年代以来，随着人类在大气中活动范围的

迅速扩展，大气物理学的研究领域不断扩大。如为了改进

大气中的电波通信、光波通信、提高导弹制导水平，就需

要了解它们所赖以传播的大气介质及相互作用，因此就要

研究大气的声、光、电和无线电气象；又如，为避免晴空

湍流引起飞机堕毁的事故，就要研究大气湍流。

由于工业生产排入大气中的大量气溶胶和污染物通

过扩散造成大气污染，有些通过沉降或降水形成酸雨等,

又被送到地面，导致土地河流污染、造成对植物和人类的

严重影响。既要发展生产，又必须使大气不超过其对污染

物质的稀释能力，这就要详细研究大气边界层的物理特

性。

生产活动和人类的其他活动，影响着自然环境。如大

气中二氧化碳含量逐年增加，影响着大气辐射程和气候变

化规律。这些又影响农业生产，特别是粮食生产。粮食问

题导致对气候变化的关注,进而促进了对大气辐射问题的

研究。

工农业用水逐年增加，就必须充分利用大气中丰富的

水分，这就要开发大气中的水资源；此外，为避免或减轻

天气灾害，又推动着人工影响天气试验研究的广泛开展,

从而促进了云和降水物理学的研究。

20世纪60年代以来，遥感技术飞速地发展起来，辐

射传输是遥感的基础，由此推动着大气辐射学的研究；人

造卫星、电子计算机的发展，新技术（如激光、雷达、微

波）的应用，给大气物理研究提供了有力的探测工具，获

得了更多的探测资料,从而大大加速大气物理学发展的进

程。

大气物理学主要包括大气边界层物理学、云和降水物

理学、雷达气象学、无线电气象学、大气声学、大气光学

和大气辐射学、大气电学、平流层和中层大气物理学。它

们都各有自己的特点：

大气声学、大气光学，大气电学和无线电气象学，是

研究大气中声、光、电的现象和声波、电磁波在大气中传

播的特性;雷达气象学研究用气象雷达探测大气的原理和

方法，及其在天气分析预报、云和降水物理中的应用；大

气辐射学研究辐射在地球大气系统内的传输转换过程和

辐射平衡；云和降水物理学研究云和降水的形成、发展和

消散的过程;大气边界层物理研究受地面影响较大的大气

低层的温度、湿度、风等要素的水平和铅直分布，大气湍

流和扩散，水汽和热量传输等；平流层和中层大气物理学

研究对流层顶（10公里左右）到80〜90公里大气层中发生

的物理过程。大气过程常是多因素综合作用的结果，故大

气物理诸方面常常相互联系，如大气电学同云和降水物理

学都研究雷暴。既各有侧重，又紧密相关。

大气物理学和大气科学其他分支有紧密的联系，如大

气物理过程受到天气背景的制约，同时大气物理研究和探

测的结果，又广泛用于天气分析和预报，所以它和天气学

关系密切；云动力学是大气物理学和大气动力学结合的产

物；大气物理学的许多内容涉及对气候变化的研究；大气

物理学是大气探测和应用气象学的基础，而这两个学科的

发展，又丰富了大气物理学的内容。例如大气物理为气象

雷达观测提供原理依据，而雷达的气象信息则为研究大气

物理过程提供了丰富的资料。

科学技术的许多新成就，推动大气物理学向前发展,

又不断向大气物理学提出新的要求，人类在大气中活动频

繁，有意和无意地影响大气，使大气状态变得更加复杂。

如何进一步认识大气的精细结构，深入了解大气三维空间

的演变，有效地利用、妥善地保护和不断地改造大气，是

大气物理学长期的重大任务。

大气边界层物理

大气边界层物理学是研究在大气边界层中所发生的

物理现象的学科，是大气物理学的一个分支。

在大气边界层中，气象要素分布具有一定的特点，如

近地面层的气温、水汽含量和风速的铅直梯度特别大；风

速随高度变化有其特殊规律等等。

边界层的大气，既要受气压梯度力、科里奥利力和湍

流粘性力的作用，又要受地面的摩擦作用和由辐射引起的

温度分布不均匀性的影响，运动非常复杂，具有涡旋和可

压缩流体的湍流特征,故大气边界层物理是建立在大气湍

流理论基础上的。

大气边界层物理的主要内容包括：大气边界层中的湍

流特征；边界层中各物理量（如动量、热量、水汽等）的湍

流输送，气溶胶、二氧化硫、二氧化碳等的湍流扩散；大

气边界层内风、温度、湿度等气象要素的铅直分布及随时

间的变化规律；大气边界层的辐射传输，以及蒸发、霜、

露等诸天气现象等问题。

大气边界层物理需要一些非常规的气象仪器来进行

探测，如气象塔上安装的能测量温度、风速等大气特性的

仪器，能对这些气象要素的脉动（频率约每秒几周至每分

几周）快速响应的仪器，和直接测量边界层通量的仪器等。

在遥感仪器中，声雷达和调频连续波雷达都是探测边界层

的有力工具。

地面的摩擦作用，使大气边界层成为大尺度运动动能

的汇。地面的物理量，如动量、热量、水汽含量等，向自

由大气的输送，都要通过边界层。从这种意义上讲，大气

边界层又是向大气输送物理量的源。因此关于大气边界层

的物理知识，对大尺度天气过程的演变、长期预报和气候

理论等问题的研究，都是很重要的。

大气边界层物理的发展,还与国民经济和国防建设的

发展密切相关。例如：高建筑物的风负荷；波在湍流大气

中的传播；对于原子、化学、细菌战争的防护；导弹、火

箭运行的气象保障，新式兵器现场使用的气象条件的研

究；随着工业发展而出现的大气污染，大气公害问题的研

究；农作物生长的气象条件的研究等；都与大气边界层物

理的研究有关。

大气科学分支学科全介绍（3）

动力气象学

动力气象学是应用物理学定律研究大气运动的动力

和热力过程，以及它们的相互关系，从理论上探讨大气环

流、天气系统和其他大气运动演变规律的大气科学的分支

学科。

空气是一种流体,如果说流体力学研究的是流体运动

的一般规律，那么动力气象学研究的则是发生在自转地球

上、并且密度随高度递减的空气流体运动的特殊规律。从

这个意义上说，它又是流体力学的一个分支。

在动力气象学中，常要考虑大气中的热源和各种形式

能量的转换问题。大气运动的根本能量来自太阳辐射能，

大气和地球表面吸收太阳辐射能后，转化成大气的重力势

能和内能，或称全势能。像通常的热机一样，其中的一部

分可以转换成大气运动的动能，这部分可以转换的全势能

称为有效势能。据估计，在重力场中，能够转换的那部分

势能仅占全势能的0.5%左右，也就是说，大气是一部效

率很低的热机，所以大气运动的水平速度是不大的。

如果研究的是大尺度的大气运动，则需要引进一个与

地球自转有关的科里奥利力，在这个力的作用下，使一般

流体力学中的，在梯度压力作用下，流体自高压向低压运

动的现象，发生了根本的改变：在北半球使原来从高气压

向低气压运动的空气向右偏转到接近与等压线平行的方

向，若观察者顺风而立，高压在其右侧，低压在其左侧，

在南半球则相反。

一般情况下，大尺度运动中的水平气压梯度力和科里

奥利力接近平衡,称地转平衡。这样的运动称准地转运动,

准地转运动的水平加速度是很小的。另外，在铅直方向，

由于大气对流层的铅直尺度只有10公里左右，在这一特

殊条件下，重力和铅直气压梯度力接近平衡，这种平衡称

为静力平衡。

处在静力平衡或准静力平衡状态下的大尺度大气运

动，其铅直方向的加速度小到通常可以忽略不计的程度。

但一些水平尺度较小的大气运动，如龙卷对流云等，其铅

直加速度则不可忽略。有人把研究发生在地球上具有上述

特征的运动（包括大气运动和海洋运动等），称为地球物理

流体力学。

动力气象学虽然可以看成是流体力学的一个分支学

科，但由于上述大气运动的特殊性，动力气象学在研究内

容和研究方法上又有自身的特点。它需要针对大气运动的

不同对象及其特点，在一般流体力学方程组中增加反映其

特有物理过程的方程，如水的相变方程、辐射能传输方程

等。按动力气象学研究的内容，又可以分成若干分支学科,

如大气动力学、大气热力学、大气环流、大气端流、数值

天气预报、大气运动数值试验、大气运动，模型实验等。

近代动力气象学起源于北欧，在20世纪20年代，提

出了锋面气旋学说，形成了以皮耶克尼斯为代表的挪威学

派。相应地在苏联，也有以柯钦为首的一系列工作。到

30年代，由于无线电探空仪的使用，对高空的大气运动

形式有了新的认识，发现了中纬度高空的大气环流在自西

向东的绕极运动（指北半球）之上，叠加有波长达数千公里

的波动。这些波动除有自身的结构和运动规律外，还与低

空的锋面气旋存在内在的联系。

对于这种波动现象,瑞典气象学家罗斯比首先在理论

上指出，这是由于科里奥利参数随纬度变化造成的，从而

提出了长波理论。这是动力气象学历史上的一个重大发

展，并由此引出一系列研究，从而形成了以罗斯比为首的

芝加哥学派。

除行星波外，芝加哥学派的主要贡献有：提出了大气

运动的地转适应；行星波的能量频散；西风带急流的形成

理论及其在大气环流中的重要作用；行星波的正压和斜压

不稳定性。芝加哥学派对动力气象学的贡献为数值天气预

报的发展奠定了理论基础。

20世纪50年代以来，在中小系统动力学、热带波动、

大气环流和气候形成的数值模拟等方面取得了新的成就。

至60年代，短、中期数值预报已成为业务预报的一种主

要方法。

中国在开展动力气象学研究方面的创始人是赵九章,

他曾经早在20世纪30年代就提出了信风形成的热力学理

论，并最早提出了行星波斜压不稳定性的概念。

过去动力气象学研究的主要对象以及所取得的重要

成果，着重在中、高纬度的大尺度运动方面。近年来，随

着观测工具的进步和观测资料的丰富，天气学又对中小尺

度天气系统和热带大气运动等揭露了很多新的现象。相应

地，动力气象学在研究中小尺度运动、热带大尺度运动以

及子流层大气运动等方面也取得了新的成果，其中如台风

发展的动力学研究，热带罗斯比一重力混合波的动力学研

究等。

当前,随着对全球大气环流和气候的形成及其变化的

研究，动力气象学研究的对象已不只局限于大气本身，而

需要把发生在海洋和陆地中的过程统一起来考虑了。

云和降水物理学

室内实验是利用云室和风洞等装置,在精确控制的温

度、压力、湿度和风等条件下，对云和降水粒子的生成、

增长等过程，进行模拟实验，将其结果同外场观测结果相

互验证。

理论研究是在室内实验和外场观测试验的基础上，应

用数学和物理的基本规律，建立云和降水的理论模式，利

用电子计算机计算，定量研究云和降水的过程。

云和降水是在一定的天气形势条件下产生和发展的，

大部分重要的天气现象，如雷暴、冰雹、龙卷以及暴雨、

梅雨、台风、连阴雨等，都与云和降水有关，所以云和降

水物理学与天气学有密切的关系；从另外的角度看，云和

降水过程是地球大气的热量、水分和动量平衡的关键因

素，它不仅影响到局地的和短期的天气过程，也影响到大

气环流和全球气候的变化；此外，云和降水还会影响大气

污染、大气雷电和电磁波的传播。因此，云和降水物理学

与气候学、动力气象学、大气物理学、大气探测和大气化

学等分支学科，以及应用技术都有密切的关系。

由于人工影响天气的主要途径是影响云和降水的微

物理过程，因此云和降水物理学是人工影响天气的理论基

础；反过来，人工影响天气试验的广泛开展，又大大地促

进了云和降水物理学的发展，并丰富了它的内容。

随着仪器装备的革新、现代计算技术的应用、探测资

料的积累和理论研究的不断深入,云和降水物理学无论在

微物理学方面，还是在宏观动力学方面，都有不少进展。

但由于云和降水的过程极其复杂，它包括了从尺度小于一

微米的云核，直到尺度达千公里的云系之间的许多物理过

程，因此，无论在探测和实验方面，还是在理论方面，都

还待进一步的深入研究。

云动力学

云动力学是研究云的热力、动力结构及其演变规律的

学科，它是云和降水物理学的组成部分，同云和降水微物

理学的关系十分密切。

云的宏观动力过程为微物理过程提供了背景，决定了

后者的进行速率、持续时间和空间范围；反过来，微物理

过程中水分相变潜热的释放，和降水粒子的拖曳作用，对

云的宏观动力过程又有重要的影响。

云动力学是一门年轻的学科，由于取得积云尺度(1〜

10公里)和层状云尺度(10²~10³公里)空气运

动的资料很困难，实验室内又不好模拟，因此对云的动力

过程的了解仍很肤浅。从二十世纪60年代以来，各种新

的雷达技术、现代化数据处理方法，以及数值模式等成果

的采用，推动了这门学科迅速发展。

因为层状云和积状云的水平尺度和动力过程都有显

著的差别，所以云动力学分为层状云动力学和积云动力学

两个分支。

层状云动力学主要研究层状云中各种尺度的动力、热

力结构及其演变规律。层状云是在气流辐合而缓慢抬升、

湍流混合和辐射冷却等过程中形成的，其中以气流辐合抬

升最为重要。大范围的降水层状云系，一般都同气旋、锋

和切变线等天气系统相联系。层状云系的上升气流运动速

度约为每秒几厘米，它同地面雨强约为每小时一毫米的降

水区相对应。

夏季，由于对流的发展，在层状云系中往往观测到积

状云，形成层状一积状复合云系，其热力、动力结构更为

复杂。这类复合云系有时能产生暴雨，一天的降雨量可达

几百毫米。层状云中各种尺度的热力结构和动力结构，对

降水的形成过程起着十分重要的作用，必须加强对它们的

细致观测。至于云内外不同尺度的空气运动和各种作用力

的关系，还有待于探索和研究。

积云动力学主要研究积云（包括淡积云、浓积云、积

雨云等整个积状云）的热力、动力结构，各种作用力和积

云内外的空气运动的关系。

积云的水平尺度和铅直尺度具有同一数量级，约为

1~10公里。积云发展的完整过程一般经历三个阶段：发

展阶段时，云顶向上发展，云中盛行上升气流，其速度为

1~20米/秒；成熟阶段时，云顶高度变化很小，云中除

上升气流外，局部出现有系统的下沉气流，降水产生并发

展；消散阶段时，云体逐渐消散或转化为层状云，云内盛

行下沉气流，降水维持，转而停止。

积云的生命一般为几十分钟到两小时,特别强盛的积

雨云可持续几小时，其水平范围可达四十公里，常产生强

烈的降水、冰雹、雷暴和大风天气。

影响积云发展的主要因素有大气温度直减率；近地面

层大气的不均匀加热和水平辐合；积云同环境在热量、动

量和水分的混合交换（又称夹卷）；云的微物理过程；环境

风的铅直切变、低层空气和水汽的辐合、积云周围空气的

补偿下沉运动等。它们对积云发展有明显的影响。

从二十世纪40年代以来，人们提出了气块模式、气

柱模式、运动场模式等几种积云理论模式。这些理论模式,

一般包括积云动力方程、热力学方程、连续方程，以及反

映云和降水微物理过程的方程组等。它们是十分复杂的非

线性方程组，一般用电子计算机求解。

理论模式的计算，已能在不同程度上模拟积云的结

构、演变以及降雨、降雹等过程，并开始应用于人工降水、

人工防雹等试验的设计和效果的检验方面。从二十世纪

70年代以来，对几个积云的合并、中尺度环境同积云的

相互作用等问题的理论研究，已取得了进展。

云和降水微物理学

云和降水微物理学是研究云粒子（云滴、冰晶）和降水

粒子（雨滴、雪花、霰粒、雹块等）的形成、转化和聚合增

长的物理规律的学科。它是云和降水物理学的重要组成部

分，又是人工影响天气的理论基础。

大气中的水汽凝结而成的云滴很小，半径大约10微

米，浓度为每升一万至一百万个，下降的速度约1厘米/

秒，通常比云中上升的气流速度小得多，因而云滴不能落

出云底。即使离开云底而下降，也会在不饱和的空气中迅

速蒸发而消失。只有当云滴通过各种微物理过程，集聚和

转化成为降水粒子后，才能降落到地面。

成云致雨要经过一系列复杂的微物理过程：湿空气上

升膨胀冷却，其中的水汽达到饱和，并在一些吸湿性强的

云凝结核上，凝结而成初始云滴的凝结核化过程；云中的

过冷水滴或水汽，在冰核上冻结或凝华以及在-40℃以下,

自然冻结成初始冰晶胚胎的冰相生成过程;水汽在略高于

饱和的条件下时，在云滴（冰晶）上进一步凝结（凝华），使

云滴（冰晶）长大的凝结增长过程（凝华增长过程）；云内尺

度较大的云滴，在下落过程中与较小的云滴碰并而长大的

重力碰并过程；冰晶和过冷水滴同时存在时，因为过冷水

滴的饱和水汽压比冰面的大，造成过冷水滴逐渐蒸发，而

冰晶则由于水汽的凝华而逐渐长大的冰晶过程。降水粒子

的尺度大约是云滴的一百倍，但其浓度却仅为云滴的百万

分之一。

云滴由于受表面张力作用，通常呈球形。球形纯水滴

表面的饱和水汽压，高于平水面的饱和水汽压。以半径为

0.01微米的水滴为例，其饱和水汽压超过平水面的

12.5%。在没有任何杂质的纯净空气中，初始的云滴只能

靠水汽分子随机碰撞而生成。靠分子随机碰撞而产生云滴

的可能性随着尺度增大而变小。

微小的初始云滴，只有在相对湿度达百分之几百的环

境中才不致蒸发。但实际大气的水汽含量很少能够超过饱

和值的1%。因此，在没有杂质的纯净空气中是难以直接

形成云滴的。事实上，大气中存在着各种凝结核，这为凝

结成云滴提供了条件。

云凝结核可分