大气科学概述

大气科学概述

大气科学是研究发生在地球大气中的各种时空尺度的运动及现象的演变规律，和利用这些规律为人类服务的一门学科。由于影响大气运动和现象的因素多而复杂，人们很难在实验室内对它们进行完整的复制和研究，只能以大自然为实验室，对它们进行观测，并对各种资料进行整理、分析和综合。从而提炼出它们的演变规律或归纳出模式。随着观测手段的突飞猛进和数学物理的进展，人们对它们的认识越来越丰富，从而不断产生新的概念和模式，并大大推动大气科学的应用，为其它学科开辟新的研究前沿课题。

大气科学基础理论以观测事实为背景，广泛应用近代数学物理基础，着重研究发生在大气中的各种时空尺度的运动形态及其相互作用和相互转换的物理过程，探讨大气物理量的演变规律，从而做出准确的天气预报和给出恰当的气候变化，为国民经济和整个社会服务。

从大气科学基础理论研究的重大意义可以看到：一方面，高技术带来的新的观测事实，是大气科学基础理论研究的基础；另一方面，大气科学的新概念、新方法等基础性的研究，将会推动大气科学的应用。因此，我们既要注意应用研究，攻克急需的中期数值预报等课题，同时，还需要考虑我国国情，创造一定条件，使研究人员发挥其聪明才智，在大气科学基础理论研究上取得新的突破。

近代大气科学紧密地与现代数学物理的前沿概念和方法想联系。新的非线性数学物理的概念和方法，如分岔、突变、混沌、耗散结构、奇异摄动法都已在大气科学中应用和发展。同时，近代大气科学基于探讨全球气候变化的需要，已把大气、海洋视为一体，广泛地开展地球流体力学的研究，如海气耦合等，与此相呼应，世界气候的研究计划（WCRP）及其子计划——海洋和全球大气（TOGA）和海气耦合响应试验（COARE）等均在全世界范围内执行。

在大气科学领域中，全球气候一直是一个重要的课题。1990年代以来，随着全球变暖加剧，极端天气气候事件明显增多，气候变化导致暴雨洪涝、严重干旱、水资源短缺、海平面上升、沙漠化和流行病传播等对全球的生态、资源和环境安全构成严重影响。在这种情况下，环境与可持续发展问题越来越引起各国政府的重视，也对大气科学的发展提出了更迫切和更高的要求。我国政府近年来提出的和谐发展观，就是要重视环境问题，就是要协调好天、地、生之间的关系，而“天”则是大气科学的主要研究对象。

地球的气候系统是一个很复杂的系统，包括大气圈、水圈（海洋、湖泊等）、冰雪圈（极地冰雪覆盖、大陆冰川、高山冰川等）、岩石圈（平原、高山、平地、高原等地形）、生物圈（动植物群落以及人类）及其与气候相关的相互影响的物理学、化学和生物学的运动变化过程。

气候变化不仅是由于发生在大气内部的动力、热力过程所造成，更重要的是由于受海洋、冰雪圈(包括冰川、海冰和大陆上冰雪覆盖)、岩石圈(主要是山脉、陆面、土壤)、生物圈和人类活动的影响。这些各不相同的“圈层”之间的相互作用可以形成月一季度、年际、年代际以及100年以上时间尺度的气候变化。

气候变化有两种不同的变化，一种是气候的自然变化，它是一种气候变率，这可能是气候系统各“圈”相互作用的结果；另一种是像全球增暖这样的全球变化，它不是振荡，也很可能是一种气候变迁。在研究气候系统动力学时必须加以区别。狭义的气候系统动力学主要是研究前者，而广义的气候系统动力学应是两方面均要研究。

气候系统的状态与演变决定着全球和区域性的气候变化，气候系统动力学不仅要研究气候系统状态和演变特征(包括月一季度、年际和年代际等)，而且要研究气候系统中气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈以及生物圈相互作用的动力、热力、化学和生物过程，并建立数值模式，经过大量数值模拟，从而达到在某种程度上可以预测气候的变化。

气候系统动力学与气候预测主要通过大量的全球气候系统各分量的观测资料进行分析、诊断研究；利用当今数学、物理学最新成就把气候系统的各圈层相互作用及其物理、化学、水文和生物过程用数值模式来描述；并利用巨型计算机来模拟气候系统的年际、年代际变化，以便能够利用这样的数值模式预测这种变化。

由于计算机以及卫星遥感技术的发展，由于人们对大气、海洋、陆面的动力特性认识的提高，人们已有可能把气候系统中一部分子系统用较详细的数学模型来描述，井把它变成数值模式，从而在某种程度上来描述季度、年际的气候变化以及温室气体增加的气候效应。随着80年代以后所实施的世界气候研究计划(WCRP)(主要是热带海洋与全球大气计划TOGA)、国际地圈生物圈计划(IGBP)和90年代后半期将要实蓝的全球能量与水循环实验(GEWEX)、全球大洋环流实验(WOCE)以及正在酝酿的气候变率及其可预报性(CLIVAR)研究计划，人们有可能构造一个较完善的海-气耦合模式来模拟年际和年代际的气候变化以及模拟物理气候系统对外界强迫因子(温室气体和气溶胶浓度)的响应；并且有可能对气候系统和生物圈相互作用有更深入地了解。因此，有可能把气候系统、生物圈、人类活动因素作为一个整体，利用数学模型来描述，从而更深入理解控制气候变化的各子系统相互作用及其与生物圈、人类活动相互作用的物理、水文、化学和生物过程。就以气候变化研究来说，这样的气候模式已是极其复杂的，而人类活动所产生的温室气体和臭氧等痕量气体在大气中输运及其光化学过程也是相当重要的，因此，利用数值模式来研究温室气体、痕量气体在大气中的输运动力学及其光化学过程也是一项重要的研究内容。

与此同时，计算机的迅速发展和大气环流模式的发达，使得人们有可能预测l0天以下的天气的演变，但是目前还不能利用有效的方法来预报月以上时间尺度的气候变化。因此，研究季至几年时间尺度的气候变化在什么时间尺度、什么空间尺度可以预报，这是当前非常重要的研究课题；并且发展动力过程和热力过程协调一致的全球大气一海洋一冰面一陆面一生态系耦合模式，定期或准业务预测时间尺度为季度至几年、空间尺度从区域列全球的气候变化这样一项具有重要科学价值的研究。预计下个世纪初月至季度时间尺度的气候变化的预测有可能获得

突破，并有可能对ENSO循环所影响的气候年际变化作出较准确的预报。

回顾过去，20 世纪百年来大气科学与其它自然科学一样，有着非常迅速的发展。现今21 世纪是高新科技飞速发展的世纪，空间遥感技术和计算机信息技术的发展将会大大促进大气科学更快发展。展望大气科学未来的发展趋势：在新世纪初，大气科学将在气候系统动力学与气候预测、数值天气预报理论与技术、中小尺度系统与风暴动力学、大气化学、大气环境学与边界层物理学、中层大气物理以及以空基遥感技术为主的大气探测系统等方面将得到更大发展。特别是由于在新世纪，高新技术将急剧发展，大气科学不仅在探测技术与探测系统将有更大发展，为大气科学的各分支领域发展提供更全面更丰富的全球观测资料和信息；而且在灾害性天气季度和年际的短期气候预测、大气环境质量变化的预测和调控方面，将可能取得突破性进展，使之能够更好地成为世界各国防灾减灾、环境保护和经济的可持续性发展服务。并且在新世纪，由于工业更加迅速发展，全球气候变化及全球环境问题将成为更加引起世界各国民众和政府所关注的科学问题。大气科学与地球科学中的海洋学、水文学、地理学、地质学、地球生物化学等各分支学科的联系更加紧密，大气科学有可能成为地球系统科学中一门关键的科学。