WRF-China一個致力于關注國內外模式發展動態和大氣科學的專業網絡平臺

大氣科學分支學科全介紹（1）

大氣科學概述

大氣科學是研究大氣的各種現象及其演變規律，以及

如何利用這些規律為人類服務的一門學科。大氣科學是地

球科學的一個組成部分。它的研究對象主要是覆蓋整個地

球的大氣圈，此外也研究太陽系其他行星的大氣。

大氣圈，特別是地球表面的低層大氣，以及和它相關

的水圈、巖石圈、生物圈是人類賴以生存的主要環境。如

何認識大氣中的各種現象，如何及時而又正確地預報未來

的天氣、氣候，并對不利的天氣、氣候條件進行人工調節

和防御，是人類自古以來一直不斷探索的領域。

隨著科學技術和生產的迅速發展，大氣科學在國民經

濟和社會生活中的巨大作用日益顯著,其研究領域已經越

出通常所稱的氣象學的范圍。

大氣科學簡史

大氣科學是一門古老的學科，有關天氣、氣候知識起

源于長久的生產勞動和社會生活的經驗之中。早在漁獵時

代和農業時代，人們就逐漸積累起有關天氣、氣候變化的

知識。中國在公元前2世紀見于《淮南子?天文訓》和《逸

周書?時訓解》的二十四節氣和七十二候，就是從生產和

生活實踐中總結出來的，它又被用來指導農事活動。

17世紀以前，人們對大氣以及大氣中各種現象的認

識是直覺的、經驗性的。17?18世紀，由于物理學和化

學的發展，溫度、氣壓、風和濕度等測量儀器的陸續發明,

氮、氧等元素的相繼發現，為人類定量地認識大氣的組成、

大氣的運動等創造了條件。于是，大氣科學研究開始由單

純定性的描述進入了可以定量分析的階段。這是大氣科學

發展進程中的一次飛躍。

1820年，在氣壓、溫度、濕度、風等氣象要素的測

定和氣象觀測站網逐步建立的條件下，布蘭德斯繪制了歷

史上第一張天氣圖，開創了近代天氣分析和天氣預報方

法，為大氣科學向理論研究發展開辟了途徑。這是大氣科

學發展史上的又一次飛躍。

1835年科里奧利力的概念和1857年白貝羅提出的風

和氣壓的關系，成為地球大氣動力學和天氣分析的基石。

1920年前后，氣象學家皮耶克尼斯，索爾貝格和伯杰龍

等提出的鋒面、氣旋和氣團學說，為天氣分析和預報1?

2天以后的天氣變化奠定了理論基礎。

1783年，法國查理制成了攜帶探測氣象要素儀器的

氫氣氣球。20世紀30年代無線電探空儀開始普遍使用，

這就能夠了解大氣的鉛直結構，真正三度空間的大氣科學

研究從此開始。根據探空資料繪制的高空天氣圖，發現了

大氣長波。1939年氣象學家羅斯比提出了長波動力學，

并由此引出了位勢渦度理論。這不僅使有理論依據的天氣

預報期限延伸到3?4天，而且為后來的數值天氣預報和

大氣環流的數值模擬開辟了道路。

1946年朗繆爾、謝弗和馮內古特的“播云”試驗，

探明了在過冷云中播撒固體二氧化碳或碘化銀，可以使云

中的過冷水滴冰晶化，增加云中的冰晶數目，促進降水,

從此進入了人工影響天氣的試驗階段。

20世紀50年代以前，大氣科學雖然取得了很大的進

展，但因受海洋、沙漠等人煙稀少地區缺乏資料的限制以

及計算上的困難，還不能擺脫定性或半定性的研究狀態。

50年代以后，由于各種新技術特別是電子計算機和氣象

衛星的采用，大氣科學有了突飛猛進的發展。

由于采用氣象衛星、氣象火箭和激光、微波、紅外等

遙感探測手段以及各種化學痕量分析手段等新技術，對大

氣的觀測能力增強了，觀測空間擴展了。如赤道上空五個

地球同步衛星和兩個極軌衛星幾乎能提供全球大氣同時

間的情況，不再存在氣象資料的空白地區。

氣象衛星、新型氣象雷達、飛機等探測手段聯合應用，

為開展各種規模的綜合觀測試驗，為早期發現和追蹤臺風

及生命史短至幾小時的小尺度災害性天氣系統，為提高短

期和短時預報水平，以及改進中期預報提供了條件。氣象

衛星在大氣層外探測大氣，不僅加大了觀測范圍，而且極

大地豐富了觀測內容，如廣闊洋面的溫度、云的微觀結構、

大氣的輻射平衡等。氣象衛星已成為現代大氣科學發展的

支柱之一。

電子計算機的使用，使大氣科學研究進入了定量和試

驗研究的新階段。大氣的各種現象,大至全球的大氣環流,

小至雨滴的形成過程，都可以依照物理和化學原理以數學

形式表達,然而只有用電子計算機才可能進行運算并模擬

這些現象的發生、發展和消亡的過程。

此外，科學技術的發展，人類往往需要了解幾星期、

幾個月甚至一年以上大氣可能出現的狀態。這也需依靠高

速計算機獲取和處理全球資料，以全球模式來進行天氣預

報和氣候預報。電子計算機是現代大氣科學發展的另一個

支柱。可以預期下一代甚至再下一代最大的電子計算機將

首先用于大氣科學。

大氣科學的內容

覆蓋整個地球的大氣，質量約五千三百萬億噸，約占

地球總質量的百萬分之一。由于地心引力的作用，大氣質

量的90%聚集在離地表15公里高度以下的大氣層內，

99.9%在48公里以內。2000公里高度以上，大氣極其稀

薄，逐漸向星際空間過渡，無明顯上界。

大氣本身的可壓縮性、太陽輻射、地球的形狀和它的

重力、地球的公轉和自轉、地球表面的海陸分布和地形起

伏、地球的演化和地球生態系統等是造成地球大氣特定組

分、特定結構和特定運動狀態的主要自然條件。人類活動

及其對生態因素所起的作用，是影響大氣組分、大氣結構

和大氣運動的人為條件。

地球大氣的組分以氮、氧、氮為主，它們占大氣總體

積的99.96%。其他氣體含量甚微，有二氧化碳、氮泵、

氨、甲烷、氫、一氧化碳、氤、臭氧、氫、水汽等。大氣

中還懸浮著水滴、冰晶、塵埃、抱子、花粉等液態、固態

微粒。太陽系的九大行星，都存在大氣。

地球大氣中的氧氣是人類賴以生存的物質基礎，氧氣

的出現及其含量的變化，同地球的形成過程和生物的演化

過程密切相關。大氣中的水汽來自江河、湖泊和海洋表面

的蒸發，植物的散發，以及其他含水物質的蒸發。在夏季

濕熱處，大氣中水汽含量的體積比可達4%,而冬季干寒

處（如極地），則低于0.01%。水汽隨著大氣溫度發生相變,

成云致雨，成為淡水的主要資源。

水的相變和水文循環過程不僅把大氣圈同水圈、巖石

圈、生物圈緊密地聯系在一起，而且對大氣運動的能量轉

換和變化有重要影響。大氣中的二氧化碳含量受植物的光

合作用、動物的呼吸作用、含碳物質的燃燒以及海水對二

氧化碳的吸收作用所影響，化石燃料（如煤。石油、天然

氣）燃量增加，森林覆蓋面積減少的情況下，已觀測到二

氧化碳含量與年俱增。大氣中本來沒有或極少存在的如甲

烷、一氧化二氮等氣體，由于人類活動的影響，近年來它

們的含量也迅速增加。這些有溫室效應的氣體含量的變化

對大氣溫度的重要影響，已成為研究現代氣候變化的一個

前沿課題。

大氣中臭氧的含量極少，即使在離地表20?30公里

的濃度最大處，其含量也不到這層大氣的十萬分之一，然

而大氣臭氧層能夠大量吸收太陽紫外輻射中對生命有害

的部分，對人類起著十分重要的保護作用。另外，大氣臭

氧層的存在，對平流層大氣的溫度也有重要作用。由于人

類活動對高空光化學過程的影響會引起臭氧含量的變化,

人類活動對臭氧含量影響的研究，已成為醫學界和氣象學

界共同關注的問題。

地球大氣的密度、溫度、壓力、組分和電磁特性等都

隨高度而變化，具有多層次的結構特征。大氣的密度和壓

力一般隨高度按指數律遞減；溫度、組分和電磁特性隨高

度的變化不同，按各自的變化特征可分為若干層次。

地球大氣按溫度隨高度的變化，由地表向上，依次分

為對流層、平流層、中層和熱層。對流層緊鄰地表，其中

溫度隨高度增加而降低，平均每升高1公里約減少6.5℃,

至對流層頂溫度降到極小值。對流層中的對流運動顯著,

是熱量鉛直輸送的主要控制因子，云和降水主要發生在這

一層。對流層頂的高度在赤道地區約18公里，中緯度地

區約12公里，極地地區約8公里。

平流層位于對流層之上,平流層頂高地表約50公里。

平流層中的臭氧層吸收太陽紫外輻射，是使這層大氣溫度

隨高度增加而上升的主要因子。這層大氣溫度層結非常穩

定，其中的熱量輸送以輻射傳輸為主。

中層位于平流層之上，中層頂離地表約85公里，層

內溫度隨高度增加而下降。熱層位于中層之上，熱層頂離

地表約500公里。這層大氣由于吸收太陽紫外輻射，溫度

隨高度增加而上升。熱層頂以上為外逸層，那里大氣已極

稀薄，每立方厘米不到一千萬個原子（海平面處每立方厘

米約一百億億個原子）。

地球大氣按組分狀況可分為勻和層和非勻和層。高地

表約35公里高度以下為勻和層，層內的大氣組分比例相

同，平均分子量為常數。約110公里高度以上為非勻和層,

層內大氣組分按重力分離后，輕的在上，重的在下，平均

分子量隨高度增加而減小。離地表95-110公里為勻和層

到非勻和層的過渡層。

地球大氣按電磁特性可分為中性層、電離層和磁層。

由地表向上到60公里高度為中性層。離地表60公里到

500?1000公里高度為電離層。離地表500—1000公里以

上為磁層。電離層能反射無線電波，對電波通信極為重要。

磁層是地球大氣的最外層，磁層頂是太陽風動能密度和地

磁場能密度相平衡的曲面。

地球大氣的運動非常復雜。地球的自轉和公轉運動以

及地球自轉軸的方向產生了地球上的晝夜交替、四季變化

和溫度自赤道向兩極遞減的規律。由于海陸分布和地貌等

的不均勻性，地表的溫度并不完全按緯圈帶分布，而呈現

出非帶狀的不均勻分布。

整個大氣圈通過各種機制相互緊密地聯系在一起，形

成了空間尺度小至幾米以下、大至幾千公里甚至上萬公

里，時間尺度短至幾秒、長至數十天或更長時間的多種大

氣運動系統。在影響大氣運動的因素中，人為的因素在變

化著（如工農業生產引起大氣中有溫室效應的氣體增加，

大面積森林砍伐等），自然的因素也在變化著（如火山爆發

等引起輻射能的變化，地球自轉軸方向的變化等）。大氣

的運動也就呈現出既有規律性又有隨機性的特點。

大氣科學的研究對象一一地球大氣，無論它的組分,

它的結構，還是它的運動，都存在著確定性和不確定性兩

個方面。這正是大氣科學研究復雜性的一面。

大氣圈以外，還存在著水圈、冰雪圈、巖石圈和生物

圈這些圈層組成一個綜合系統。大氣圈中發生的各種變化

都受其他圈層的影響；反之，大氣圈也影響著其他圈層的

變化。研究大氣運動的能源，大氣中的物質循環、能量轉

換和變化過程，大氣環流及天氣、氣候的分布和變化，都

必須考慮大氣圈同水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈之間的

相互影響和相互作用。

大氣圈不是孤立的，在空間和時間上具有寬廣尺度譜

的各種大氣現象也不是孤立的。它們種類繁多，相互疊加

又相互影響。即使同一類現象，其結構也不盡相同。影響

這些大氣現象的因素非常復雜，人類至今還很難在實驗室

內用人工控制的方法對它們進行完整的實驗和研究。只能

以大自然為實驗室，組織從局地到全球的氣象觀測網，運

用多種觀測手段對大氣現象進行長期的連續的觀測，特別

是定量的觀測，以獲取資料；對有關氣候現象還需搜集地

質考查、考古發掘和歷史文獻等資料。

大氣科學家們通過對大量資料的分析和綜合,提煉出

量與量之間的定性的或定量的關系，歸納出典型現象的模

式特征，如鋒面、氣旋、大氣長波等。在模式的基礎上運

用已知的物理學和化學的基本原理，以及數學工具和計算

技術進行理論上的演繹和模擬，導出新的結論。理論模式

是否合理，還需回到大自然的實驗室中進行檢驗，有些理

論模式還有待于新的觀測資料加以證實。

全球大氣在不停地運動著，而且是一個整體。為掌握

大氣運動變化快、范圍廣、形式多的特征，就必須對大氣

進行連續的、高頻率的、全球性的觀測。全球數以萬計的

為天氣預報進行觀測的氣象站，要在相同的時間、用接近

相同的儀器和觀測方法，在全球各地進行同步觀測；由氣

象衛星、氣象雷達等探測手段觀測的大量資料，凡用于天

氣預報業務的資料還要作同步處理。

這些資料都要在觀測完畢后的短短數十分鐘內迅速

集中到世界氣象中心和各國的氣象中心。再加上為數更多

的水文氣象站的觀測資料。資料的范圍之大、數量之多、

傳遞之快是驚人的，這是自然科學中的奇觀。這一切只有

通過國際間的密切合作才能實現。

大氣科學的分支學科

大氣科學的分支學科主要有大氣探測、氣候學、天氣

學、動力氣象學、大氣物理學、大氣化學、人工影響天氣、

應用氣象學等。

大氣探測

是一門研究探測地球大氣中各種現象的方法和手段

的學科。按探測范圍和探測手段劃分，大氣探測有地面氣

象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感、氣象雷達、氣象衛星

等次一層分支。探測手段的飛躍往往帶來以往難以預計的

重大發現，在大氣科學的發展進程中，大氣探測起了十分

重要的作用。

氣候學

是一門研究氣候的特征、形成和演變以及氣候同人類

活動相互關系的學科。研究內容主要包括氣候特征、氣候

分類、氣候區劃、氣候成因、氣候變化、氣候與人類活動

的關系、氣候預報和應用氣候等。電子計算機的采用，促

進了對氣候變化物理因子和氣候模擬的研究，氣候預測已

不再是虛無縹緲的難題，而已成為一個具有戰略意義的課

題了。

天氣學

是一門研究大氣中各種天氣現象發生發展的規律以

及如何應用這些規律來制作天氣預報的學科。研究內容主

要包括天氣現象、天氣系統、天氣分析和天氣預報等。氣

候學和天氣學研究的成果，不但為大氣科學提供豐富的研

究課題，而且還直接為國民經濟服務。

動力氣象學

是一門應用物理學和流體力學定律及數學方法，研究

大氣運動的動力和熱力過程及其相互關系的學科。研究內

容主要包括大氣熱力學、大氣動力學、大氣環流、大氣湍

流、數值天氣預報和數值模擬等，動力氣象學的發展對更

深刻地認識大氣運動的機理、掌握天氣和氣候變化的規律

有十分重要的作用，它是大氣科學的理論基礎學科。

大氣物理學

是一門研究大氣的物理現象、物理過程及其該變規律

的學科。研究內容主要包括云和降水物理學、大氣光學、

大氣電學、大氣聲學、大氣輻射學等。大氣物理學也是大

氣科學中的理論基礎學科。50年代以后，也有人把動力

氣象學包括在內都稱為大氣物理學。

大氣化學

是一門研究大氣組成和大氣化學過程的學科。研究內

容主要包括大氣微量氣體及其循環、大氣氣溶膠、大氣放

射性物質和降水化學等。

人工影響天氣，研究如何通過影響云和降水的微物理

過程使某些大氣現象、大氣過程發生改變的技術和方法。

如人工降水、人工防雹、人工消霧等。人工影響天氣是人

類改造自然的一個組成部分。

應用氣象學

是將氣象學的原理、方法和成果應用于農業、水文、

航海、航空、軍事、醫療等方面，同各個專業學科相結合

而形成的邊緣性學科，也是充分開發利用氣候資源的重要

領域。

大氣科學的各個分支學科彼此不是孤立的，如天氣學

和氣候學與動力氣象學相結合，產生了天氣動力學和物理

動力氣候學。

探測手段的不斷革新和痕量化學分析技術的發展,推

動了對大氣的物理性質和化學性質的分析研究，促進了大

氣化學的發展。尤其是大氣中二氧化碳和甲烷等微量氣體

對氣候影響的日益顯著，以及大氣污染和酸雨問題的出

現，不僅使人們更加認識到大氣化學在大氣科學中的重要

性，而且隨著研究的深入，更認識到大氣化學過程和大氣

物理過程的相互作用，從而促進了這兩個分支學科的相互

結合。

大氣科學與其它學科的關系

大氣科學在很長的歷史發展過程中，先是以氣候學、

天氣學、大氣的熱力學和動力學問題，以及大氣中的物理

現象（如電象、光象、聲象）和比較一般的化學現象等為主

要研究內容，傳統稱之為“氣象學”。隨著現代科學技術

在氣象學中的應用，其研究范疇日益擴展，因而從20世

紀60年代以來，“大氣科學”術語的應用日益廣泛，它大

大擴充了傳統氣象學的研究內容。

近年來，由于人類越來越認識到大氣圈與水圈、冰雪

圈、巖石圈和生物圈之間相互作用和相互影響的重要性,

要了解大氣變化過程就不能不深入到其他圈層變化過程

的研究。因此，大氣科學的研究內容越來越廣泛，與其他

學科之間的相互滲透也越來越深入。

比如：研究大氣運動，需同流體力學、熱力學、數學

密切合作;研究太陽輻射以及太陽擾動在大氣中引起的各

種機制，需同高層大氣物理學、太陽物理學和空間物理學

密切合作；研究水分循環、海洋和大氣的相互作用，需同

水文科學海洋科學密切合作；研究地球大氣的演化、地球

氣候的演變，需同地球化學、地質學、冰川學、海洋科學、

生物學和生態學密切合作；研究大氣化學、大氣污染，需

同化學、物理學、生物學和生態學密切合作；研究大氣問

題的數值模擬、數值天氣預報等，需同計算數學等密切合

作；研究大氣探測的手段和方法，需同有關的技術科學密

切合作；在大氣探測、天氣預報等自動化的進程中，大氣

科學還不斷同信息理論、系統工程等科學技術領域密切合

作。在相互合作和相互滲透的過程中，大氣科學不斷汲取

其他學科的養料;大氣科學特定的要求又不斷為其他學科

開辟新的研究前沿，不斷豐富著其他學科的內容。

大氣科學的迅猛發展正方興未艾。隨著世界氣候計劃

及其他專項計劃的執行，在常規觀測系統的基礎上，將更

多地運用氣象衛星、海洋觀測衛星、多普勒雷達和各種特

殊裝備的飛機等多種探測手段，以及新的大氣化學觀測和

分析方法，進行各種特殊項目的觀測，如海面高度、太陽

常數、云和輻射的反饋、近海面風力、土壤濕度、碳循環

等。

總之。人類生產和生活的發展，將不斷提出新的問題

和要求，推動大氣科學新理論和新分支的發展。大氣科學

新的發展，必將不斷提高它為生產和生活服務的能力，如

提高天氣和氣候預報的準確率、為開發利用氣象資源和制

定經濟政策提供更加可靠的科學依據等，其經濟效益和社

會效益將不可估量。

大氣科學分支學科全介紹（2）

氣候學

氣候學是研究氣候的特征、形成和演變，及其與人類

活動的相互關系的一門學科。它既是大氣科學的分支，又

是地理學的組成部分。

隨著生產規模的日益擴大,氣候和人類社會的關系越

來越密切。為了合理地開發和利用氣候資源，減輕氣候災

害的影響，避免人類活動對大氣環境造成的不良后果，無

論是大規模的開墾、重大工程的設計和管理，還是制訂各

種發展規劃和研究工農業的布局，都需要了解所在地區的

氣候特征及其演變規律。氣候學的研究成果及其應用，正

日益受到各方面的重視。

氣候學發展簡史

氣候學成為一門科學是有了氣象儀器觀測以后的事。

但是，有關氣候現象的記載和氣候知識的積累卻可追溯到

三千年前。

中國在殷代就已知一年四季和某些農事季節的劃分。

到春秋時代,更創造了利用圭表測日影以定氣候季節的方

法。秦漢時期，二十四節氣已成為農事活動的主要依據。

《逸周書?時訓解》系統地記載了反映氣候年變化規律的

七十二候的自然物候歷。《呂氏春秋?十二紀》更對12

個月的氣候特點及其異常現象作了概括的記述。

古希臘學者發現，從希臘往北，太陽光傾斜加劇，氣

候轉寒；往南，太陽傾斜減緩，氣候轉暖。這反映出氣候

的冷暖與太陽光線的傾斜程度有關。據此，他們將地球氣

候劃分為五帶，即：北寒帶、北溫帶、熱帶、南溫帶和南

寒帶。

隨著人類活動范圍的擴大，古代學者還進一步認識

到，氣候除與緯度密切有關外，還與地勢高低，海陸分布

和氣流方向等許多因素有關。在占埃及、巴比倫和印度等

地，在這個時期也有許多關于氣候的記載。

到了16?18世紀，隨著氣象觀測儀器的出現和氣象

觀測網的建立，氣象觀測資料大量積累。這些為氣候學的

形成準備了條件。1817年，德國的洪堡首先繪制了全球

等溫線圖，成為近代氣候學研究的開端。

1883年，奧地利的漢恩編著了《氣候學手冊》一書，

不僅為研究全球氣候提供了寶貴的資料,更重要的是提出

了較完整的研究氣候學的方法體系。1884年俄國的沃耶

伊科夫發裹了《全球氣候及俄國氣候》一書，分析了太陽

輻射、水分循環、下墊面等對氣候的作用。同年，德國的

柯本對世界氣候進行了分類。這些成果奠定了氣候學的基

礎。

20世紀初，隨著氣團概念、氣旋模式和鋒面理論的

出現，天氣圖資料的積累，人們進一步研究氣候的形成原

因。特別是1930年瑞典氣象學家伯杰龍提出的天氣氣候

學，影響很大。從此，氣候學便從以描述性為主轉而向理

論方面的研究發展。這個時期氣候學在各方面的應用也開

始受到重視。

第二次世界大戰以后，隨著高空氣象觀測、氣象衛星

和電子計算機的廣泛應用，氣候學進入了蓬勃發展的新時

期。尤其是20世紀70年代以來，在世界上出現大范圍災

害性氣候異常，氣候問題成為世界矚目的中心問題之一。

氣候學的研究內容

由于太陽輻射，大氣環流和下墊面的特征不同，各地

的氣候特征有顯著的差異。如大陸東岸和西岸的氣候特征

各異；即使同屬東岸，歐亞大陸東岸和北美大陸東岸的氣

候也不相同。這種地域性的特點，正是氣候學成為地理學

分支的重要原因，也是氣候學中進行氣候分類研究的基

礎。只有在廣闊的范圍內進行觀測和調查研究，才能得出

具有同類氣候特征的區域和界限。

按氣候學研究的空間尺度劃分，有全球氣候、北半球

氣候、大區域氣候和地方氣候等不同尺度的氣候。按時間

尺度劃分，有年際氣候變化、幾十年以上的氣候變化和萬

年以上變化周期的氣候變遷等。要研究年際氣候變化和較

短時期的氣候變化，至少需要有連續三十年的觀測資料。

而要研究幾十年周期的變化，就需要有至少十倍于該周期

時間長度的資料，所以，除現代氣象資料外，還需要利用

歷史記載和樹木年輪等進行分析，以延長資料年限。對于

萬年以上的變化，常利用地質巖心、冰心、化石等資料進

行分析推測。

氣候學是應用性很強的學科。從工農業生產、交通、

通信、能源、軍事以至人類的一切活動，都和氣候有密切

的關系，大量的邊緣學科，如城市氣候、建筑氣候、軍事

氣候、農業氣候、森林氣候、海洋氣候以及旅游氣候等逐

漸形成。

太陽輻射、大氣環流，下墊面狀況（如海、陸、植被）

是氣候形成的幾個主要因子，然而，這些因子之間如何互

相作用而形成一個地方的氣候特征，尚待進一步研究；還

有，由于人類活動使大氣中的微量元素和污染物質含量的

增加而對氣候變化的影響，以及各種地球天文參數對氣候

的影響等。這些都使氣候形成理論的研究變得極其復雜，

至今還缺乏精確有效的理論模式。

氣候學概論包括氣候學一般原理、氣候特征的時間和

空間分布、演變及其分類等。人們常以氣候要素的空間分

布圖和時間分布圖、氣候要素的綜合關系圖和各種氣候統

計圖等記述某地點、某區域或全球范圍的基本氣候特征。

某個地方的氣候志是對該地多年氣象資料整理和分析概

括出的基本氣候狀況的資料。

物理氣候學與動力氣候學主要以動力學的理論和方

法研究氣候形成和氣候變化的原因。主要內容包括：輻射

平衡、熱量平衡、水分循環以及大氣中各種污染物質和微

量元素等的變化與氣候的關系。運用大型電子計算機進行

氣候模擬，是研究物理動力氣候學的重要方法，這一新分

支的出現，為氣候學的理論研究開辟了新的前景。

天氣氣候學是研究多年間大氣環流的一般狀態及其

變動的規律性。如：環流的分型及其出現的頻率，天氣系

統的頻率、強度和路徑，大范圍氣候異常與大氣環流的關

系等問題。

應用氣候學根據工農業生產和生活等各方面的特殊

需要，研究它們同氣候的相互關系，以及如何將氣候知識

廣泛應用于各個方面。主要研究內容為：氣候資源的利用，

氣候災害的防御，大氣環境的分析、評定和區劃，以及各

有關專業相應的氣候問題。

此外，氣候學還可按大氣的分層分為：近地層氣候學

和平流層氣候學等。

氣候學同各門基礎科學、技術科學及至社會科學間有

著廣泛的聯系。無論是從理論還是從方法看，氣候學和數

學、物理學、化學、天文學、地學等基本學科以及大氣科

學各分支都有密切的關系。氣候監測更需要應用各種技術

科學。所以，氣候學是同其他多種學科廣泛聯系的一門學

科。

由于氣候涉及到人類生活和生產的各個方面，從

1972年以來，在國際上關于環境、糧食、水資源、沙漠

化等一系列重要會議上，氣候問題都占有顯著地位。1979

年世界氣候大會提出了世界氣候計劃,使氣候問題成為國

際協作的重大課題，氣候學成了日益活躍的學科，氣候學

的含義也正在不斷發展，包括大氣圈、水圈、冰雪圈、巖

石圈和生物圈在內的氣候系統的概念也正在形成。

雖然，當前氣候學仍以大氣為其主要研究對象，但其

內容正在不斷地豐富和充實，從大氣科學的一個分支向著

綜合性的氣候系統的學科發展。

物候學

物候學是研究自然界植物和動物的季節性現象同環

境的周期性變化之間的相互關系的科學，它主要通過觀測

和記錄一年中植物的生長榮枯,動物的遷徙繁殖和環境的

變化等，比較其時空分布的差異，探索動植物發育和活動

過程的周期性規律，及其對周圍環境條件的依賴關系，進

而了解氣候的變化規律，及其對動植物的影響。它是介于

生物學和氣象學之間的邊緣學科。

環境對動植物生長和發育的影響是一個極其復雜的

過程。但是，用儀器只能記錄當時的環境條件的某些個別

因素，而物候現象卻是過去和現在各種環境因素的綜合反

映。因此，物候現象可以作為環境因素影響的指標，也可

以用來評價環境因素對于動植物影響的總體效果。

中國最早的物候記載，見于公元前一千年以前的《詩

經?幽風?七月》，其后的《夏小正》、《呂氏春秋?十二

紀》、《淮南子?時則訓》和《札記?月令》等，則已經按

月記載全年的物候歷了。而《逸周書?時訓解》更把全年

分為七十二候，記有每候五天的物候，成為更加完善的物

候歷，北魏時曾附屬于歷書。

在西漢，著名的農學著作《汜勝之書》有以物候為指

標來確定耕種時期的記載，如“杏始華榮，輒耕輕土弱土;

望杏花落，復耕/至南末，浙江金華（婺州）人呂祖謙記

載了南宋淳熙七年和八年（1180、H81）金華的物候,有臘

梅、桃、李、梅、杏、紫荊、海棠、蘭、竹、豆蓼、芙蓉、

蓮、菊、蜀葵和萱草等24種植物開花結果的日期，春鶯

初到和秋蟲初鳴的時間,是世界上最早的實際觀測的物候

記錄。

明代，李時珍的《本草綱目》所載的近2000種藥物

中，有著極為豐富的植物物候資料，此書的第四十八、四

十九兩卷記述了候鳥布谷鳥和杜鵑的地域分布、鳴聲、音

節和出現時間等，是鳥類物候的翔實記載。19世紀中葉,

太平天國頒發的《天歷》，其中《萌芽月令》就是以物候

指導農時的月歷。

在歐洲，古希臘的雅典人就已經編制了農用物候歷。

英國馬香子孫五代，則從1736年起到20世紀40年代止,

對植物、候鳥和昆蟲等27種動植物進行了長期觀測和記

錄。這是歐洲年代最長的物候記錄。18世紀中葉，瑞典

植物學家林奈所著《植物學哲學》一書，概述了物候學的

任務，物候的觀測和分析方法，并組織了有18個點的觀

測網。他是歐洲物候學的主要倡導者之一。

在德國，植物學家霍夫曼從19世紀90年代起建立了

一個物候觀測網。他選擇34種植物作為中歐物候觀測的

對象，親自觀測了40年。其后，又由其學生伊內接替。

在美國，森林昆蟲學家霍普金斯于1918年提出了北美溫

帶地區物候現象陸空間分布的生物氣候定律。

在中國，現代物候學研究的奠基者是竺可楨。他在

1934年組織建立的物候觀測網，是中國現代物候觀測的

開端。在他的領導下，1962年，又組織建立了全國性的

物候觀測網，進行系統的物候學研究。為了統一物候觀測

標準，1979年又出版了《中國物候觀測方法》，并逐年匯

編出版《中國動植物物候觀測年報》。

20世紀50年代以來，由于各國物候觀測網的擴大，

物候資料更加豐富了。更由于遙感技術和電子計算機等的

應用，使物候學的研究在規律的探索和應用方面都得到了

更大的發展。

物候學的基本研究方法是平行觀測法，即同時觀測生

物物候現象和氣象因子的變化，以研究其互相關系。主要

是定點觀測生物物候現象的周年變化;按照統一的觀測方

法組織物候觀測網，對物候現象同時進行觀測；在短期內

（3~5天）使用汽車等交通工具進行小地區的物候觀測；通

過地球資源衛星照片來分析農作物和植被的物候變化;通

過試驗來研究物候期受氣候等因子影響時的生理機制。

各種生物物候現象的出現日期，雖然每年隨氣候條件

變化而變，但在同一氣候區內，如果不受局地小氣候的影

響，其先后順序每年保持不變。在不同的氣候區域內，由

于生物品種和氣候條件的組合發生變化，物候現象的順序

就會改變。物候現象的順序性是編制自然歷和預報農時的

基礎。

由于氣候分布的地帶性和非地帶性，物候現象隨緯

度、經度和高度的變化具有推移性的特點。如1918年霍

普金斯提出的生物氣候定律：在其它因素相同的條件下,

北美溫帶地區，每向北移緯度1。向東移經度5。，或上

升約122米，植物的階段發育在春天和初夏將各延期四

天；在晚夏和秋天則各提前四天等等。

物候學研究已成為生態系統的分析和管理的一個方

面，在物候區劃、農作物的合理配置、山區垂直分布帶土

地的合理利用、防止環境污染和三廢利用等方面，正進行

著大量的物候學研究工作。除對物候現象作宏觀研究外,

已經開始對植物器官內部形態的變化進行觀察研究。在研

究氣象條件對生物物候影響方面，已開始利用人工氣候室

進行實驗研究，及建立氣象條件和生物物候變化的數學模

式等研究。

古氣候學

古氣候學是研究地質時期氣候形成的原因、過程、分

布及其變化規律的學科。即根據物質成分、沉積巖結構特

點和生物，按一定的理論和方法推斷各地質時代的氣候。

古氣候學的研究與地質學、古生物學、地球化學、同位素

化學、大氣物理學和天文學等密切相關。

古氣候學發展簡史

19世紀早期，古氣候的研究材料主要來源于歐洲和

北美。由于當時北美前寒武紀晚期冰川沉積尚未發現，所

以認為整個地質時期的氣候都是溫暖的，直到第三紀氣候

才開始變冷，到第四紀更新世出現冰川。把高緯度地區指

示溫暖氣候的沉積與化石，認為是熱帶或亞熱帶氣候曾達

到極地附近的證據。

19世紀后期至20世紀初期，在南大陸發現晚古生代

冰硬物以后，地質學家不再把冰川看作是更新世特有的古

氣候現象。于是對高緯度地區曾存在溫暖氣候的事實產生

了另一種解釋，即地質時期古地理面貌與現在不同，各大

陸及相對的極地曾發生過大規模的位移。這就是魏格納大

陸漂移說的基礎之一。與此同時，先后有不少論述古氣候

的論著，從而奠定了古氣候學的基礎。

20世紀50年代以后，利用現代大氣物理學研究成果,

古氣候學在研究方法、測試技術、古氣候成因研究以及應

用上都有較大的發展。還把地球的熱平衡、輻射分布、大

氣環流、洋流、氣候帶等理論應用到古氣候的研究中去。

此外，還對影響古氣候的地內和地外原因進行深入探討。

另一重要的進展是根據氧同位素對古氣溫的測定。60

年代以后，古代海洋和大陸溫度定量恢復方法的發展，對

第四紀大冰期陸、海、冰古地理的恢復，大氣海洋一般環

流模式及冰期氣候的模擬，及地球軌道變化對氣候的影響

的研究等，使古氣候學取得了很大發展。

古氣候學基本內容

按研究的側重點不同，古氣候學可以分為記述古氣候

學、成因古氣候學、應用古氣候學、歷史古氣候學四個學

科。

記述古氣候學，也稱普通古氣候學。它研究古氣候的

各種生物、沉積標志，如化石或巖石代表在什么氣候條件

下生長或形成的，根據這些記錄恢復某地區在一定時期的

古氣候。它與沉積巖巖石學、巖相古地理、古生物學、古

生態學、古生物地理和同位素化學有密切的關系。

成因古氣候學是在恢復和記述古氣候的基礎上,進一

步探討古氣候的成因及過程，它涉及地球物理學、大氣物

理學、現代氣候學、板塊構造學和天文學等。氣候與太陽

和地球間緩慢變化，以及與太陽輻射、太陽黑子活動周期

等有關。此外，如地磁極變動，黃道傾斜（即地球自轉軸

的傾斜度）、地球自轉速度變化地殼外表山脈的形成、火

山爆發、大氣圈的演化、洋流的改變等都影響氣候。

應用古氣候學是在恢復某一時期某些地區古氣候的

基礎上，推測在該種氣候條件下可能形成的礦產，指導礦

產資源的尋找和勘探。這需要與成因礦床學、成因礦物學、

地球化學、大地構造學等結合起來研究。

歷史古氣候學是論述各地質時代古氣候及其演化的

學科。

生物都是在一定的環境中生存的，生物的演化也是生

物不斷適應周圍環境的結果。因此，生物能反映其所生存

的環境，如生物的分異度，從赤道向兩極呈現由高到低的

梯度變化，反映了當時的氣候狀況。熱帶生物最豐富，溫

帶動、植物種類較少，而南北極最為貧乏。除緯度外，海

拔高度、濕度和水深等也影響生物的分異度。

一般來說，用植物化石來判斷古氣候是比較可靠的,

其次是底棲固著的無脊椎動物。脊椎動物小型兩棲類、爬

行類由于有冬眠的習性，在較冷的氣候條件下還能生存。

而大型的爬行類如鱷，絕大多數分布在熱帶和亞熱帶，只

有很少的代表分布在溫帶。

一些巖石的形成也有它的古氣候意義，如冰磺巖、冰

川漂礫和冰川紋泥代表寒冷冰川或大陸冰蓋氣候。

任何元素同位素的分偏系數都與溫度有關，原則上都

可以作為地質過程的溫暖標志。目前同位素溫標主要用于

較低溫度范圍內的溫度測量，它在古氣候測定方面顯示了

特殊的優越性，其中氧、碳、氫同位素溫度計應用員廣泛。

此外，有用氨基酸外消旋法、惰性氣體溶解度法和微量元

素法來測定環境溫度或古海水溫度等。地球物理學方法主

要是通過古地磁的研究確定古緯度，闡明地球氣候變化與

地球磁場變化的關系。

元古宙晚期有全球性冰期出現，代表普遍的寒冷氣

候。寒武紀時氣候轉暖，當時各個分散的大陸板塊和岡瓦

鈉古陸的大部地區都扯于赤道附近。因此，在西伯利亞、

澳大利亞和中國西南地區都發現了蒸發巖沉積。

奧陶紀早、中期，海侵廣泛，氣候溫暖，但奧陶紀晚

期至志留紀初期，則在西岡瓦納大陸（北非、南美、南歐）

發生了大規模的大陸冰蓋和冰晦沉積，代表寒冷的極地氣

候。東岡瓦納大陸和其他陸塊仍處于赤道附近。在北美、

西伯利亞和中國華北地區有蒸發巖沉積，推測為干熱的古

氣候條件。

志留紀早期與奧陶紀晚期古氣候情況相似，以后氣候

轉暖，冰川溶化，海侵加大。志留紀時，西岡瓦納大陸大

部已脫離極地氣候區，處于溫涼氣候帶，同時出現了冷溫

水動物群，僅在南美仍有少量冰川沉積，代表寒冷的極地

氣候。北美有重要的鹽類沉積和珊瑚礁，代表熱帶氣候。

西伯利亞板塊位于古北緯約30。?40。位置，其南

北方向與現在相反，所以阿爾泰、大興安嶺一帶出現圖瓦

貝動物群，可能代表北溫帶的溫涼氣候。晚古生代地球上

北大陸氣候是溫暖的，但古氣候變化中最引入注目的是晚

石炭世至早二疊世南大陸上大規模冰川活動。

大陸冰蓋中心最初位于南非，以后經南極洲向澳大利

亞移動，至早二疊世晚期最后消失由于植物大量繁盛，大

氣中二氧化碳含量降低，氧含量增加，由于太陽紫外輻射

的光化作用，在地球上空大氣平流層內產生臭氧層。臭氧

層能吸收危害生命的太陽紫外輻射，這對古生代生物的演

化發展并由海域登上陸地起了促進作用。

中、新生代的氣候是早期以干燥氣候為特點，中期溫

暖潮濕氣候遍布全球，晚期則逐漸轉冷，出現大冰期。到

全新世全球氣候普遍轉暖。

年輪氣候學

年輪氣候學是根據樹木年輪的變化推論過去氣候的

一門學科。

除熱帶外，氣候有明顯年變化的地區，樹木一般每年

形成一個生長輪，即年輪。年輪寬度和氣候條件有十分密

切的關系。在溫暖濕潤的年份，樹木生長快，年輪寬度大;

在寒冷干旱的年份，樹木生長慢，年輪寬度小。因此測定

樹木年輪寬度的差異，可以獲得過去氣候變化的信息，推

論出某些氣候要素的變化狀況，彌補歷史氣候資料的不

足。除了年輪寬度外，氣候還與植物組織結構有密切關系,

也可作為推論過去氣候的依據。

20世紀初，美國道格拉斯最早論證了大約500年之

久的年輪寬度變化和實際降水量之間的關系，并在30年

代創建了專門研究樹木年輪的實驗室。此后，許多年輪氣

候學家對年輪形成的生理過程與氣候的關系作了深入剖

析,對樣本樹種的選擇和年輪序列的統計分析等有了新的

認識，逐步建立了年輪氣候學的基本原理和分析方法。

在選取樣本時，必須選擇生長條件最受某氣候要素

（溫度或降水）限制的樹木。例如生長在高緯度或高寒山區

森林接近消失處(上界)的樹木，由于受到熱資源不足的限

制，常能很好地反映出冷暖的變化；干旱、半干旱地區，

由森林向草原或荒漠過渡的林緣樹木,則由于受到雨量不

足的限制，常能反映干濕的變化。在實際應用中，常在同

一地點選取許多重復的樣本，互相對比，確定年份，以消

除非氣候因子的影響。

此外,對年輪寬度變化還應進行必要的生長量等方面

的訂正，并用已有的各項資料檢驗，才能得到真正表征氣

候變化的年輪指數序列o這種序列可以反映大尺度的氣候

變化。如：美國拉馬奇在加利福尼亞惠特尼山樹線上界附

近所取的年輪序列，和歐洲氣溫變化趨勢是一致的。70

年代初，美國弗里茨還根據年輪寬度變化和氣壓距平場的

關系，繪制出1700年以來北半球西半部每十年平均的環

流圖。

中國自20世紀30年代開始研究年輪氣候學，得知華

北和西北廣大地區的年輪寬度變異，可以作為分析歷史時

期氣候變化的資料，尤其是用它表征降水變化方面，很有

價值。70年代后半期，北方的許多省和青藏高原等地，

都廣泛開展了這項工作，得到許多表征溫度或降水的長達

數百年的序列，對現代小冰期(約1430?1850)以來氣候變

化的史實，提供了更多的依據。

世界上許多年輪氣候學家正密切配合,深入探討樹木

生長受氣候影響的機制和在更大范圍內開展年輪研究的

可能性。為從樹木年輪中獲得更多的氣候變化信息，已嘗

試對年輪的密度和同位素含量變化進行分析，并已獲得顯

著效果。顯然，這種研究將與年輪寬度分析一道，成為年

輪氣候學中重要的研究途徑。

大氣化學

大氣化學是研究大氣組成和大氣化學過程的大氣科

學分支學科。它涉及大氣各成分的性質和變化，源和匯,

化學循環，以及發生在大氣中、大氣同陸地或海洋之間的

化學過程。研究的對象包括大氣微量氣體、氣溶膠、大氣

放射性物質和降水化學等。研究的空間范圍涉及對流層和

平流層，即約50公里高度以下的整個大氣層。研究的地

區范圍包括全球、大區域和局部地區。

對大氣化學的研究始于19世紀下半葉，初期只限于

研究降水中的痕量物質和氣溶膠，有一時期集中于研究臭

氧和微量放射性物質。在20世紀60年代以前，大氣化學

并沒有引起人們的重視,多數研究偏重于大氣中天然微量

成分的全球性平衡源、匯、循環和氣溶膠的物理性質等。

20世紀60年代后，由于人類活動對大氣產生的影響,

出現了較嚴重的大氣污染大氣化學才引起廣泛的注意。并

由于應用了微量分析技術、實驗室模擬技術和電子計算機

技術，使大氣化學的研究向定量化和模式化的方向發展。

尤其是在大氣污染形成的機制、污染物對平流層臭氧濃度

的影響等研究方面，取得了較大進展。

但就學科的發展進程而言，大氣化學仍處于初始發展

階段，許多事實和現象還不清楚，尤其是關于一些大氣微

量成分的源、匯和時空分布，它們的遷移、輸送和全球循

環等問題，都需要進行觀測和研究。

無論從組成上或從遷移和轉化上看，大氣都是一個復

雜的體系，受很多因素的制約。大氣吸收太陽的紫外輻射

和可見光波段的輻射與光化學有極其密切的關系；各種物

質輸入大氣中的情況，或者在大氣中的遷移、擴散、混合

和反應，隨時隨地都在變化，所以大氣化學反應的模式，

必須與大氣端流擴散聯系起來考慮；大氣的成分不但有氣

體，而且有懸浮著的固體和液體粒子（氣溶膠），它們有的

是天然存在的，有的是人類活動輸入的或者是大氣化學反

應產生的。氣溶膠在大氣的化學過程中起著重要的作用，

所以除了研究大氣的均相反應外，還要研究大氣的多相反

應和表面效應；大氣中許多成分以痕量存在，必須采用痕

量的分析化學技術。

大氣化學主要研究對流層和平流層大氣中主要成分

和微量成分的組成、含量、起源和演化等問題。

對流層化學主要包括碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、

碳氫化物和氣溶膠的源、匯和循環，污染物之間的化學反

應和對流層空氣污染形成的化學機制。

二氧化硫是由煤炭、石油等礦物燃料燃燒產生的主要

污染物，其中一部分在大氣中被氧化成硫酸或硫酸鹽氣溶

膠。由于其比重大，沉降而接近地面，特別是匯聚于谷地

或盆地，形成酸霧而造成污染；或者被降水帶下而形成酸

雨。硫酸的為害，遠遠超過二氧化硫，所以人們對二氧化

硫氧化的機制，進行了許多研究。從很多結果看來，在非

污染空氣中，二氧化硫的含量極微，它分別同氫氧自由基、

氫過氧自由基和云、霧水滴反應；在污染空氣中二氧化硫

的含量較高，它與氫過氧自由基的反應是重要的。并且,

在污染空氣中還存在著過渡金屬（如鎰）的多相催化反應。

隨著機動車輛的發展，光化學煙霧污染問題日益突

出。它是由氧氧化物和碳氫化物在紫外輻射作用下發生光

解反應和一系列氧化反應生成臭氧和其他氧化物而造成

的。通過室內外煙霧箱模擬反應及計算機對復雜反應系列

的計算結果看來，氧化反應中起主要作用的也是氫氧自由

基和氫過氧自由基。1979年研究發現，當有芳香胺污染

物存在時，煙霧中能檢出致癌物亞硝胺。此外，對非污染

地區臭氧形成問題的研究，發現一氧化碳的氧化也很重

要。

平流層化學的中心問題是臭氧的光化學反應，在太陽

紫外輻射照射下平流層臭氧經歷強烈的光化學過程。20

世紀60年代以來，人類活動對臭氧層的影響，引起了人

們的密切關注。

人們曾經認為超音速飛機的飛行將使氮氧化物排入

平流層而破壞臭氧，這將造成在地球表面小于0.3微米波

長的紫外輻射強度加大，引起皮膚癌的增加和農業生產降

低。對含氟氯燒類化合物也有類似的擔憂，它們在對流層

是化學穩定的，但在平流層可以進行光分解而破壞臭氧。

這個問題還存在著看法上的分歧，尤其是對于氧氧化物的

影響，還有待進一步研究。

氣溶膠化學主要包括氣溶膠的化學組成（硫酸鹽氣溶

膠、硝酸鹽氣溶膠和有機物氣溶膠），二次氣溶膠的形成

機制，氣溶膠的長距離傳輸，以及多相反應化學等。長期

以來，人們對氣溶膠只著重于物理性質的研究，從20世

紀70年代以來，氣溶膠化學的研究逐漸引起注意，特別

是多相反應化學，已引起廣泛重視。

大氣物理學

大氣物理學是研究大氣的物理現象、物理過程及其演

變規律的大氣科學的分支學科。它主要研究大氣中的聲

象，光象、電象、輻射過程、云和降水物理、近地面層大

氣物理、平流層和中層大氣物理等。它既是大氣科學的基

礎理論部分，又是環境科學的一個部分。

人們對大氣中的許多物理現象，如虹、暈、華、雷、

閃電等早巳注意，并進行過研究，但內容分散在物理、化

學、天文、無線電等學科之中，把它們納入大氣物理學一

個學科，則是近三、四十年中的事情。

20世紀40年代以來，隨著人類在大氣中活動范圍的

迅速擴展，大氣物理學的研究領域不斷擴大。如為了改進

大氣中的電波通信、光波通信、提高導彈制導水平，就需

要了解它們所賴以傳播的大氣介質及相互作用，因此就要

研究大氣的聲、光、電和無線電氣象；又如，為避免晴空

湍流引起飛機墮毀的事故，就要研究大氣湍流。

由于工業生產排入大氣中的大量氣溶膠和污染物通

過擴散造成大氣污染，有些通過沉降或降水形成酸雨等,

又被送到地面，導致土地河流污染、造成對植物和人類的

嚴重影響。既要發展生產，又必須使大氣不超過其對污染

物質的稀釋能力，這就要詳細研究大氣邊界層的物理特

性。

生產活動和人類的其他活動，影響著自然環境。如大

氣中二氧化碳含量逐年增加，影響著大氣輻射程和氣候變

化規律。這些又影響農業生產，特別是糧食生產。糧食問

題導致對氣候變化的關注,進而促進了對大氣輻射問題的

研究。

工農業用水逐年增加，就必須充分利用大氣中豐富的

水分，這就要開發大氣中的水資源；此外，為避免或減輕

天氣災害，又推動著人工影響天氣試驗研究的廣泛開展,

從而促進了云和降水物理學的研究。

20世紀60年代以來，遙感技術飛速地發展起來，輻

射傳輸是遙感的基礎，由此推動著大氣輻射學的研究；人

造衛星、電子計算機的發展，新技術（如激光、雷達、微

波）的應用，給大氣物理研究提供了有力的探測工具，獲

得了更多的探測資料,從而大大加速大氣物理學發展的進

程。

大氣物理學主要包括大氣邊界層物理學、云和降水物

理學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣聲學、大氣光學

和大氣輻射學、大氣電學、平流層和中層大氣物理學。它

們都各有自己的特點：

大氣聲學、大氣光學，大氣電學和無線電氣象學，是

研究大氣中聲、光、電的現象和聲波、電磁波在大氣中傳

播的特性;雷達氣象學研究用氣象雷達探測大氣的原理和

方法，及其在天氣分析預報、云和降水物理中的應用；大

氣輻射學研究輻射在地球大氣系統內的傳輸轉換過程和

輻射平衡；云和降水物理學研究云和降水的形成、發展和

消散的過程;大氣邊界層物理研究受地面影響較大的大氣

低層的溫度、濕度、風等要素的水平和鉛直分布，大氣湍

流和擴散，水汽和熱量傳輸等；平流層和中層大氣物理學

研究對流層頂（10公里左右）到80?90公里大氣層中發生

的物理過程。大氣過程常是多因素綜合作用的結果，故大

氣物理諸方面常常相互聯系，如大氣電學同云和降水物理

學都研究雷暴。既各有側重，又緊密相關。

大氣物理學和大氣科學其他分支有緊密的聯系，如大

氣物理過程受到天氣背景的制約，同時大氣物理研究和探

測的結果，又廣泛用于天氣分析和預報，所以它和天氣學

關系密切；云動力學是大氣物理學和大氣動力學結合的產

物；大氣物理學的許多內容涉及對氣候變化的研究；大氣

物理學是大氣探測和應用氣象學的基礎，而這兩個學科的

發展，又豐富了大氣物理學的內容。例如大氣物理為氣象

雷達觀測提供原理依據，而雷達的氣象信息則為研究大氣

物理過程提供了豐富的資料。

科學技術的許多新成就，推動大氣物理學向前發展,

又不斷向大氣物理學提出新的要求，人類在大氣中活動頻

繁，有意和無意地影響大氣，使大氣狀態變得更加復雜。

如何進一步認識大氣的精細結構，深入了解大氣三維空間

的演變，有效地利用、妥善地保護和不斷地改造大氣，是

大氣物理學長期的重大任務。

大氣邊界層物理

大氣邊界層物理學是研究在大氣邊界層中所發生的

物理現象的學科，是大氣物理學的一個分支。

在大氣邊界層中，氣象要素分布具有一定的特點，如

近地面層的氣溫、水汽含量和風速的鉛直梯度特別大；風

速隨高度變化有其特殊規律等等。

邊界層的大氣，既要受氣壓梯度力、科里奧利力和湍

流粘性力的作用，又要受地面的摩擦作用和由輻射引起的

溫度分布不均勻性的影響，運動非常復雜，具有渦旋和可

壓縮流體的湍流特征,故大氣邊界層物理是建立在大氣湍

流理論基礎上的。

大氣邊界層物理的主要內容包括：大氣邊界層中的湍

流特征；邊界層中各物理量（如動量、熱量、水汽等）的湍

流輸送，氣溶膠、二氧化硫、二氧化碳等的湍流擴散；大

氣邊界層內風、溫度、濕度等氣象要素的鉛直分布及隨時

間的變化規律；大氣邊界層的輻射傳輸，以及蒸發、霜、

露等諸天氣現象等問題。

大氣邊界層物理需要一些非常規的氣象儀器來進行

探測，如氣象塔上安裝的能測量溫度、風速等大氣特性的

儀器，能對這些氣象要素的脈動（頻率約每秒幾周至每分

幾周）快速響應的儀器，和直接測量邊界層通量的儀器等。

在遙感儀器中，聲雷達和調頻連續波雷達都是探測邊界層

的有力工具。

地面的摩擦作用，使大氣邊界層成為大尺度運動動能

的匯。地面的物理量，如動量、熱量、水汽含量等，向自

由大氣的輸送，都要通過邊界層。從這種意義上講，大氣

邊界層又是向大氣輸送物理量的源。因此關于大氣邊界層

的物理知識，對大尺度天氣過程的演變、長期預報和氣候

理論等問題的研究，都是很重要的。

大氣邊界層物理的發展,還與國民經濟和國防建設的

發展密切相關。例如：高建筑物的風負荷；波在湍流大氣

中的傳播；對于原子、化學、細菌戰爭的防護；導彈、火

箭運行的氣象保障，新式兵器現場使用的氣象條件的研

究；隨著工業發展而出現的大氣污染，大氣公害問題的研

究；農作物生長的氣象條件的研究等；都與大氣邊界層物

理的研究有關。

大氣科學分支學科全介紹（3）

動力氣象學

動力氣象學是應用物理學定律研究大氣運動的動力

和熱力過程，以及它們的相互關系，從理論上探討大氣環

流、天氣系統和其他大氣運動演變規律的大氣科學的分支

學科。

空氣是一種流體,如果說流體力學研究的是流體運動

的一般規律，那么動力氣象學研究的則是發生在自轉地球

上、并且密度隨高度遞減的空氣流體運動的特殊規律。從

這個意義上說，它又是流體力學的一個分支。

在動力氣象學中，常要考慮大氣中的熱源和各種形式

能量的轉換問題。大氣運動的根本能量來自太陽輻射能，

大氣和地球表面吸收太陽輻射能后，轉化成大氣的重力勢

能和內能，或稱全勢能。像通常的熱機一樣，其中的一部

分可以轉換成大氣運動的動能，這部分可以轉換的全勢能

稱為有效勢能。據估計，在重力場中，能夠轉換的那部分

勢能僅占全勢能的0.5%左右，也就是說，大氣是一部效

率很低的熱機，所以大氣運動的水平速度是不大的。

如果研究的是大尺度的大氣運動，則需要引進一個與

地球自轉有關的科里奧利力，在這個力的作用下，使一般

流體力學中的，在梯度壓力作用下，流體自高壓向低壓運

動的現象，發生了根本的改變：在北半球使原來從高氣壓

向低氣壓運動的空氣向右偏轉到接近與等壓線平行的方

向，若觀察者順風而立，高壓在其右側，低壓在其左側，

在南半球則相反。

一般情況下，大尺度運動中的水平氣壓梯度力和科里

奧利力接近平衡,稱地轉平衡。這樣的運動稱準地轉運動,

準地轉運動的水平加速度是很小的。另外，在鉛直方向，

由于大氣對流層的鉛直尺度只有10公里左右，在這一特

殊條件下，重力和鉛直氣壓梯度力接近平衡，這種平衡稱

為靜力平衡。

處在靜力平衡或準靜力平衡狀態下的大尺度大氣運

動，其鉛直方向的加速度小到通常可以忽略不計的程度。

但一些水平尺度較小的大氣運動，如龍卷對流云等，其鉛

直加速度則不可忽略。有人把研究發生在地球上具有上述

特征的運動（包括大氣運動和海洋運動等），稱為地球物理

流體力學。

動力氣象學雖然可以看成是流體力學的一個分支學

科，但由于上述大氣運動的特殊性，動力氣象學在研究內

容和研究方法上又有自身的特點。它需要針對大氣運動的

不同對象及其特點，在一般流體力學方程組中增加反映其

特有物理過程的方程，如水的相變方程、輻射能傳輸方程

等。按動力氣象學研究的內容，又可以分成若干分支學科,

如大氣動力學、大氣熱力學、大氣環流、大氣端流、數值

天氣預報、大氣運動數值試驗、大氣運動，模型實驗等。

近代動力氣象學起源于北歐，在20世紀20年代，提

出了鋒面氣旋學說，形成了以皮耶克尼斯為代表的挪威學

派。相應地在蘇聯，也有以柯欽為首的一系列工作。到

30年代，由于無線電探空儀的使用，對高空的大氣運動

形式有了新的認識，發現了中緯度高空的大氣環流在自西

向東的繞極運動（指北半球）之上，疊加有波長達數千公里

的波動。這些波動除有自身的結構和運動規律外，還與低

空的鋒面氣旋存在內在的聯系。

對于這種波動現象,瑞典氣象學家羅斯比首先在理論

上指出，這是由于科里奧利參數隨緯度變化造成的，從而

提出了長波理論。這是動力氣象學歷史上的一個重大發

展，并由此引出一系列研究，從而形成了以羅斯比為首的

芝加哥學派。

除行星波外，芝加哥學派的主要貢獻有：提出了大氣

運動的地轉適應；行星波的能量頻散；西風帶急流的形成

理論及其在大氣環流中的重要作用；行星波的正壓和斜壓

不穩定性。芝加哥學派對動力氣象學的貢獻為數值天氣預

報的發展奠定了理論基礎。

20世紀50年代以來，在中小系統動力學、熱帶波動、

大氣環流和氣候形成的數值模擬等方面取得了新的成就。

至60年代，短、中期數值預報已成為業務預報的一種主

要方法。

中國在開展動力氣象學研究方面的創始人是趙九章,

他曾經早在20世紀30年代就提出了信風形成的熱力學理

論，并最早提出了行星波斜壓不穩定性的概念。

過去動力氣象學研究的主要對象以及所取得的重要

成果，著重在中、高緯度的大尺度運動方面。近年來，隨

著觀測工具的進步和觀測資料的豐富，天氣學又對中小尺

度天氣系統和熱帶大氣運動等揭露了很多新的現象。相應

地，動力氣象學在研究中小尺度運動、熱帶大尺度運動以

及子流層大氣運動等方面也取得了新的成果，其中如臺風

發展的動力學研究，熱帶羅斯比一重力混合波的動力學研

究等。

當前,隨著對全球大氣環流和氣候的形成及其變化的

研究，動力氣象學研究的對象已不只局限于大氣本身，而

需要把發生在海洋和陸地中的過程統一起來考慮了。

云和降水物理學

室內實驗是利用云室和風洞等裝置,在精確控制的溫

度、壓力、濕度和風等條件下，對云和降水粒子的生成、

增長等過程，進行模擬實驗，將其結果同外場觀測結果相

互驗證。

理論研究是在室內實驗和外場觀測試驗的基礎上，應

用數學和物理的基本規律，建立云和降水的理論模式，利

用電子計算機計算，定量研究云和降水的過程。

云和降水是在一定的天氣形勢條件下產生和發展的，

大部分重要的天氣現象，如雷暴、冰雹、龍卷以及暴雨、

梅雨、臺風、連陰雨等，都與云和降水有關，所以云和降

水物理學與天氣學有密切的關系；從另外的角度看，云和

降水過程是地球大氣的熱量、水分和動量平衡的關鍵因

素，它不僅影響到局地的和短期的天氣過程，也影響到大

氣環流和全球氣候的變化；此外，云和降水還會影響大氣

污染、大氣雷電和電磁波的傳播。因此，云和降水物理學

與氣候學、動力氣象學、大氣物理學、大氣探測和大氣化

學等分支學科，以及應用技術都有密切的關系。

由于人工影響天氣的主要途徑是影響云和降水的微

物理過程，因此云和降水物理學是人工影響天氣的理論基

礎；反過來，人工影響天氣試驗的廣泛開展，又大大地促

進了云和降水物理學的發展，并豐富了它的內容。

隨著儀器裝備的革新、現代計算技術的應用、探測資

料的積累和理論研究的不斷深入,云和降水物理學無論在

微物理學方面，還是在宏觀動力學方面，都有不少進展。

但由于云和降水的過程極其復雜，它包括了從尺度小于一

微米的云核，直到尺度達千公里的云系之間的許多物理過

程，因此，無論在探測和實驗方面，還是在理論方面，都

還待進一步的深入研究。

云動力學

云動力學是研究云的熱力、動力結構及其演變規律的

學科，它是云和降水物理學的組成部分，同云和降水微物

理學的關系十分密切。

云的宏觀動力過程為微物理過程提供了背景，決定了

后者的進行速率、持續時間和空間范圍；反過來，微物理

過程中水分相變潛熱的釋放，和降水粒子的拖曳作用，對

云的宏觀動力過程又有重要的影響。

云動力學是一門年輕的學科，由于取得積云尺度(1?

10公里)和層狀云尺度(10²~10³公里)空氣運

動的資料很困難，實驗室內又不好模擬，因此對云的動力

過程的了解仍很膚淺。從二十世紀60年代以來，各種新

的雷達技術、現代化數據處理方法，以及數值模式等成果

的采用，推動了這門學科迅速發展。

因為層狀云和積狀云的水平尺度和動力過程都有顯

著的差別，所以云動力學分為層狀云動力學和積云動力學

兩個分支。

層狀云動力學主要研究層狀云中各種尺度的動力、熱

力結構及其演變規律。層狀云是在氣流輻合而緩慢抬升、

湍流混合和輻射冷卻等過程中形成的，其中以氣流輻合抬

升最為重要。大范圍的降水層狀云系，一般都同氣旋、鋒

和切變線等天氣系統相聯系。層狀云系的上升氣流運動速

度約為每秒幾厘米，它同地面雨強約為每小時一毫米的降

水區相對應。

夏季，由于對流的發展，在層狀云系中往往觀測到積

狀云，形成層狀一積狀復合云系，其熱力、動力結構更為

復雜。這類復合云系有時能產生暴雨，一天的降雨量可達

幾百毫米。層狀云中各種尺度的熱力結構和動力結構，對

降水的形成過程起著十分重要的作用，必須加強對它們的

細致觀測。至于云內外不同尺度的空氣運動和各種作用力

的關系，還有待于探索和研究。

積云動力學主要研究積云（包括淡積云、濃積云、積

雨云等整個積狀云）的熱力、動力結構，各種作用力和積

云內外的空氣運動的關系。

積云的水平尺度和鉛直尺度具有同一數量級，約為

1~10公里。積云發展的完整過程一般經歷三個階段：發

展階段時，云頂向上發展，云中盛行上升氣流，其速度為

1~20米/秒；成熟階段時，云頂高度變化很小，云中除

上升氣流外，局部出現有系統的下沉氣流，降水產生并發

展；消散階段時，云體逐漸消散或轉化為層狀云，云內盛

行下沉氣流，降水維持，轉而停止。

積云的生命一般為幾十分鐘到兩小時,特別強盛的積

雨云可持續幾小時，其水平范圍可達四十公里，常產生強

烈的降水、冰雹、雷暴和大風天氣。

影響積云發展的主要因素有大氣溫度直減率；近地面

層大氣的不均勻加熱和水平輻合；積云同環境在熱量、動

量和水分的混合交換（又稱夾卷）；云的微物理過程；環境

風的鉛直切變、低層空氣和水汽的輻合、積云周圍空氣的

補償下沉運動等。它們對積云發展有明顯的影響。

從二十世紀40年代以來，人們提出了氣塊模式、氣

柱模式、運動場模式等幾種積云理論模式。這些理論模式,

一般包括積云動力方程、熱力學方程、連續方程，以及反

映云和降水微物理過程的方程組等。它們是十分復雜的非

線性方程組，一般用電子計算機求解。

理論模式的計算，已能在不同程度上模擬積云的結

構、演變以及降雨、降雹等過程，并開始應用于人工降水、

人工防雹等試驗的設計和效果的檢驗方面。從二十世紀

70年代以來，對幾個積云的合并、中尺度環境同積云的

相互作用等問題的理論研究，已取得了進展。

云和降水微物理學

云和降水微物理學是研究云粒子（云滴、冰晶）和降水

粒子（雨滴、雪花、霰粒、雹塊等）的形成、轉化和聚合增

長的物理規律的學科。它是云和降水物理學的重要組成部

分，又是人工影響天氣的理論基礎。

大氣中的水汽凝結而成的云滴很小，半徑大約10微

米，濃度為每升一萬至一百萬個，下降的速度約1厘米/

秒，通常比云中上升的氣流速度小得多，因而云滴不能落

出云底。即使離開云底而下降，也會在不飽和的空氣中迅

速蒸發而消失。只有當云滴通過各種微物理過程，集聚和

轉化成為降水粒子后，才能降落到地面。

成云致雨要經過一系列復雜的微物理過程：濕空氣上

升膨脹冷卻，其中的水汽達到飽和，并在一些吸濕性強的

云凝結核上，凝結而成初始云滴的凝結核化過程；云中的

過冷水滴或水汽，在冰核上凍結或凝華以及在-40℃以下,

自然凍結成初始冰晶胚胎的冰相生成過程;水汽在略高于

飽和的條件下時，在云滴（冰晶）上進一步凝結（凝華），使

云滴（冰晶）長大的凝結增長過程（凝華增長過程）；云內尺

度較大的云滴，在下落過程中與較小的云滴碰并而長大的

重力碰并過程；冰晶和過冷水滴同時存在時，因為過冷水

滴的飽和水汽壓比冰面的大，造成過冷水滴逐漸蒸發，而

冰晶則由于水汽的凝華而逐漸長大的冰晶過程。降水粒子

的尺度大約是云滴的一百倍，但其濃度卻僅為云滴的百萬

分之一。

云滴由于受表面張力作用，通常呈球形。球形純水滴

表面的飽和水汽壓，高于平水面的飽和水汽壓。以半徑為

0.01微米的水滴為例，其飽和水汽壓超過平水面的

12.5%。在沒有任何雜質的純凈空氣中，初始的云滴只能

靠水汽分子隨機碰撞而生成。靠分子隨機碰撞而產生云滴

的可能性隨著尺度增大而變小。

微小的初始云滴，只有在相對濕度達百分之幾百的環

境中才不致蒸發。但實際大氣的水汽含量很少能夠超過飽

和值的1%。因此，在沒有雜質的純凈空氣中是難以直接

形成云滴的。事實上，大氣中存在著各種凝結核，這為凝

結成云滴提供了條件。

云凝結核可分