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大气科学简史
大气科学的发展史是人类探索大气的奥秘,逐步认识大气及其演变规律,预测其变化趋势,从而趋利避害为人类的生产和生活服务的历史。
它的发展同人类社会生产力的发展、科学技术的进步和人类日益增长的需要是分不开的。
纵观大气科学的发展历史,大体上可分为四个发展时期:
气象经验、知识的积累时期;大气科学开始建立的时期;大气科学主要分支的形成时期;大气科学迅速发展的时期。
古代气象知识的积累时期(自人类文明开始至16世纪)
自人类文明史开始至十六世纪的五、六千年,为古代气象知识的积累时期。
其源流主要有两个:
一个在亚洲,以中国和印度为主;一个在地中海东部,欧亚非三洲的交汇地带,即埃及文化、巴比伦文化和希腊文化的发祥地。
中国有关气象知识的记载,可追溯到公元前14世纪的殷代,如在甲骨卜辞中就发现了殷代文丁六年(公元前1217年)三月中旬连续10天的气象记录。
其后,诸如天气现象和气候情况、天气谚语和天气经验、各种天气现象成因的探索、有关二十四节气和七十二候的论说,以及观测仪器的设计等在中国的史料中也都有极丰富的记载。
它们反映了中国的先民们在气象经验知识的积累时期的卓越贡献。
从考古发掘出的巴比伦兴盛时期(公元前3000~前300年)的粘土片上发现有许多天气谚语。
这些谚语用现代语言表述,有“月有黑晕,本月阴雨”“云变黑,有风来”等。
此外,还有关于八个方位风的记载。
在古希腊,阿那克西曼德在一篇关于自然哲学的文章中,提出风是“空气的流动”,并认为组成世界的基本元素是空气。
巴门尼德约在公元前500年,根据所接受的太阳热量的多少,把气候分为无冬区、中间区和无夏区,这是迄今所见记载最早的气候分类。
阿那克萨哥拉观察并解释了夏天产生冰雹的原因,他认为,夏天被晒热的地面可以使含有水汽的云上升到能冻结的高度,形成雹,然后降到地面。
他还观察到了空气温度是随高度的增加而下降的现象,认为这是由于被地表反射的阳光强度随高度的增加而降低的缘故。
在尚无温度和辐射观测仪器的古代,能推论出温度随高度的变化的规律,是很可贵的。
德谟克利特在研究了尼罗河的年际泛滥之后指出,地中海季风是造成河水泛滥的原因。
他认为在夏至时北方的冰雪融化,其水汽形成云,受地中海季风作用向南飘到埃及,因而引起风暴。
他还研究了雷和闪电,认为雷和闪电是同时发生的,只是因为看到的比听到的快,人们才觉得它们是分开的。
希波克拉底则在《论至气、水和环境》中探讨了不同
气候对人体健康的影响,并研究了某些特定风向和疾病流行的关系。
欧多克索斯编著了论文《恶劣天气之预测》,详细讨论了恶劣天气的预测问题和有关天气现象发生的周期性问题。
古希腊学者亚里士多德将他以前的各种气象知识作了系统的综合,大约在公元前340年写了《气象汇论》一书。
这是世界上最早的气象学专著。
《气象汇论》共四卷42集。
第一卷阐述气象学在自然科学中的地位及其研究对象和范围,云、雨、雹和霾的形成,高层大气的现象,以及气候变化等;第二卷谈到风的成因、分布、各种风的名称和特点,以及雷电现象等;第三卷中论及飓风、焚风以及晕和虹等大气光象,第四卷主要是有关化学的内容。
公元前300年,亚里士多德的学生提奥弗拉斯图斯写了《天气迹兆》一书,书中收集了大量的天气谚语,如“冬季雨多、春季干旱,冬季干旱、春季湿润”“牛舔前蹄狗打滚,将有暴风雨来临”,“月亮清亮、本月微风,月壳暗淡、潮湿多雨”“日出红天必有雨”等,它是欧洲留存最早的一本天气谚语专辑。
约在公元二世纪,古希腊天文学家托勒密根据新月、满月和弦月前后三天的月面清淡、红淡、暗淡等现象来预报天气。
他还将气候从赤道到北极划分为二十四个气候带。
阿拉伯学者海桑的主要著作《光象理论》,给出了曙暮光的正确定义,证明了太阳在地平线到地平线下19°之间时可见曙暮光,并利用这个结果和几何学的证明,得出大气的最大高度约95公里的结论。
英国的圣比德,被称为英国气象学的奠基人,他在公元703年著的《自然本质》一书,描述了大气、风、雷、闪电、云和雪等。
他认为风是“扰动的空气如扇子造成的空气运动”“空气中孕育的风使云碰撞产生雷”。
英国教士阿德拉德则认为雷是云中的冰碰撞破碎形成的,英国学者培根在《大气现象》一书中强调了科学实验和观测的重要性。
从人类文明开始到16世纪,人类对于大气科学的知识正逐步由少到多,由浅入深地积累起来。
但为当时生产力和科学水平所限,知识还是零碎的、片面的,有许多仅是推测性的,尚未被观测事实所证明,有的甚至是错误的,因此还不能形成系统的大气科学。
大气科学的建立时期(十七世纪至十九世纪初)
17~18世纪可以称为是科学革命的时代。
随着14~16世纪的文艺复兴、资本主义生产方式的出现,以及航海事业的兴起,天文学和物理学出现了重大的突破。
测量仪器的陆续发明,观测和实验的大量开展,以及在观测和实验的基础上进行的理论研究,是大气科学进入这一时期的重要标志。
1597年,意大利的物理学家和天文学家伽利略发明了空气温度表;1643年意大利物理学家托里拆利发明了气压表;1662年,英国的雷恩发明了虹吸式自记雨量计;1667年英国物理学家和数学家胡克发明了压板式风速器,后来又发明了自记仪器上的自记钟;1768年德国朗伯设计了羊肠线湿度表;1783年瑞士索絮尔发明了毛发湿度计。
这些仪器以及其他观测仪器的陆续发明和不断改进,使气压、气温、大气湿度、风速等实现了定量观测,为大气科学的建立奠定了物质基础。
上述种种气象仪器,开始都是由物理学家研究物理问题而发明研制的,但很快就被用到气象观测上。
现在保存下来的世界上最早用仪器观测的气象记录,是法国巴黎、克莱蒙费朗和瑞典斯德哥尔摩等地1649~1651年间的记录。
世界上第一个气象观测站是由意大利的斐迪南二世于1653年,在意大利北部的佛罗伦萨建立的。
同年,在他的领导下,又建立了一个包括十个测站的欧洲气象观测网,观测工作一直持续到1667年。
此后,德国医生卡诺尔德于1717年组织了国际性气象观测网,观测工作持续了10年。
法国气象学家和医学家科特在1776年领导巴黎的法国医学会时,曾争取欧洲和北美的气象观测站进行合作,当年参加合作的有31个站,到1786年更增至65个。
此外,德国气象学家哈默尔在18世纪80年代组建了由欧洲、北美洲和西伯利亚共20个国家的57个气象观测站构成的观测网。
这个观测网的每个观测站都用统一的仪器、规范、观测时次和记录格式进行观测和记录,并将所得资料集中整理,刊载于德国《巴拉丁气象学会杂志》中。
气象观测站网的建立和逐渐扩大,观测项目、观测时间和记录格式的逐步趋于统一,对于大气科学研究的进展具有非常重要的意义。
18世纪中叶,人们开始进行高空探测的尝试。
1748年英国的威尔逊等人开始用风等携带温度表观测低空温度;1752年美国科学家富兰克林利用风筝等研究雷暴云中电的性质;1783年法国的查理第一次用氢气球携带温度、气压等自记气象仪器测量各个高度的温度和气压等。
这些较早进行的高空探测,为以后研究大气的三维结构开辟了道路。
气象要素的定量测量,尤其是气压表的发明,使人们不仅获得了气压的概念,而且能够定量测出不易为人感知的大气压强,从而使研究气体状态方程、流体静力学方程和一切大气运动方程成为可能。
而观测站的建立,观测资料的积累,又使人们可以用图表等形式分析气象要素的空间分布和时间变化,为进一步研究大气环流和天气气候的变化提供了条件。
英国气象学家肖曾指出“气压表
的发明标志着大气物理学研究的开始。
”
17世纪帆船航海以风为动力。
随着航海事业的发展和气象观测仪器的应用,导致了对信风和全球大气环流的研究。
1686年英国天文学家哈雷首先发现信风,并在《哲学会刊》中发表他的信风理论,他认为信风同太阳供给赤道较多的热有关。
1688年,他又首先根据海上风的资料绘制了北纬30°~南纬30°的信风和季风分布图,认为信风和季风的形成同地表太阳热的分布有关。
另一位英国天文学家哈得来在1735年发表的《关于信风之起因》一文中,第一次对大气环流考虑地球自转的因素,他正确地解释了北半球的东北信风和西半球的东南信风,修正了哈雷的理论,并首次创立了经圈环流的理论。
他认为赤道地区比极地较多地接受来自太阳的辐射热,因而低纬度地区的空气产生上升运动,较高纬度地区的空气则产生下沉运动,高空空气由赤道向极地流动,低层空气由极地流回赤道。
低层流向赤道的气流由于地球自转的影响而偏折(北半球向右偏,南半球向左偏),遂形成北半球的东北信风和南半球的东南信风;高空由赤道向极地的气流也受到偏折,形成高空的西风带,由于下沉作用又形成地面西风带。
他的这种环流理论虽较粗略,但却成为以后大气环流研究的基础之一。
至今人们还把地球上赤道附近的经圈环流称为哈得来环流。
17世纪~19世纪初,流体的概念及牛顿的力学三大定律和微积分学,为动力气象学提供了理论基础。
1743年法国数学家达朗贝尔把数学方法引入了气象学的研究中,这对用数学方程式来表示大气运动具有启发作用;1752年瑞士数学家和物理学家欧拉提出反映质量守恒的连续方程,1755年又提出理想流体动力学方程组,初步形成了流体力学方程组的基础。
以后大气静力学方程、科里奥利力和热力学第一定律的发现,并被引入流体力学方程组中,更为大气动力方程组的完备性奠定了基础。
大气科学主要分支学科的形成(19世纪初~20世纪40年代)
在气象仪器的发明、观测网的建立,以及流体动力学理论的发展的基础上,大气科学的主要分支学科(天气学、动力气象学、气候学和云和降水物理学等)相继形成。
从19世纪20年代第一张天气图的出现,至20世纪40年代末,属于这一时期。
1820年德国的布兰德斯利用《巴拉丁气象学会杂志》刊载的气象观测资料,将1783年各地同一时刻的气压和风的记录填在地图上,绘成了世界上第一张天气图。
它虽然是用历史资料而不是用当时资料绘制成的,但它已为分析气压、风和天气的关系以及建立天气系统的概念,作出了贡献。
现代的天气图就是在此基础上发展起来的。
天气图的诞生,是近代气象学研究起点的标志。
电报的发明,为各地气象观测资料的迅速传递和集中提供了条件,使绘制当日天气图成为可能。
1851年,英国的格莱舍利用电报传送资料,绘制了天气图。
但是,真正推动天气预报业务开展的却是一次天气事件的教训:
1853~1856年,英、法同俄国发生了瓜分土耳其的克里米亚战争,由于1854年11月14日黑海出现风暴,使法舰亨利四号沉没,造成英法联军大败。
事后,法国政府命巴黎天文台台长勒威耶总结此事故的天气原因。
勒威耶收集了该年11月12~16日的气象资料,查明此风暴于11月12~13日还在西班牙和法国西部,至14日,就东移到了黑海地区,使法国兵舰遭受损失。
如能及时预告风暴移动的情况,损失是可能避免的。
因此,他提出了组织气象台站网、开展天气图分析和天气预报的建议。
法国政府采纳了这个建议,于1856年组织了气象观测网,1860年创立风暴警报业务。
从此,绘制天气图便成为一项日常业务,并陆续推广到欧美各国。
1857年荷兰的白贝罗提出风与气压的关系(在北半球背风而立,低压在左、高压在右:
南半球反之);1861年美国费雷尔在研究大气运动时引入科里奥
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