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关于大气科学发展的回顾与展望

摘要：在科学信息技术高速发展的今天，大气科学利用大气探测、计算能力和信息输送方面的技术，已转变为一门既有理论基础又有客观定量化的数理学科,本文将进行回顾近百年来大气科学在探测、数值天气预报和气候研究三方面所取得的主要成就,并对大气科学在21世纪的潜在发展作一展望。

关键词：大气科学；必要性；历史回顾；未来展望

一、大气科学概述

大气科学是运用数学、物理、化学、计算信息高技术等方面的知识,设计和运用各种探测仪器进行大气监测，揭示大气运动、天气演变和气候变化的规律,研究大气动力、物理、化学和热力学过程，发展多种模式用来模拟和预报大气和地球表面状态的一门学科。

二、大气科学研究的必要性

近年来由于土地沙漠化、温室气体和污染物过度排放,造成全球气候变暖、酸雨事件和灾害性天气频发。所以,大气科学已与水文、海洋、环境、地理、生态及其他学科相结合研究大气运动在不同时、空尺度上的演变特征。

因此,大气科学的发展直接影响到与国计民生有关的工业、农业、国防、交通、能源、水资源、城市建设、污染控制、商业、体育、旅游直至人民生命和财产,并使它一直成为最受各国人民和政府关注的重要科学领域之一。如在西方发达国家,气象信息已成为排在政经、社会和体育之后让公众关心的第4大日常新闻,且大约1/7的国民经济与气象有关。随着近代科学技术的飞跃发展,特别是高速电子计算机、卫星探测技术和互联网的迅猛发展,大气科学在近50年来取得很多辉煌成果,并且其发展步伐在不断加快，为人类各种生产活动提供更多的便利，从而有利于人类改善生活环境，促进人类文明发展进步。

三、对大气科学发展的历史回顾

20世纪初,大气科学作为物理学科的分支起始于局地天气观测,用电报收集资料、绘制地面天气图并试作天气预报。第一次世界大战初,美国开始发布北半球气压和温度地面图。虽然许多地区仍无观测,但这些地面图显示了大尺度高、低压系统的移动特征。第二次世界大战期间,由于前线飞机轰炸等战争需要加速了欧、美高空观测网的建立,使天气分析从二维空间扩充到三维空间,展示了高空气流结构与地面气压系统的关系。20世纪50年代以来,大气科学研究的各分支领域均取得很大发展。

四、对大气科学发展的未来展望

（一）地面观测不断采用先进、成熟的遥测遥感技术，并向自动化方向发展，常规地面观测已实现高度自动化和网络化。高空观测正逐步应用各种更为先进的遥感探测系统。自动商业飞机气象观测已实现业务化并成为重要业务；GPS等测风技术逐步实现业务化；廓线仪技术、多普勒雷达技术、激光遥感技术等都得到迅速发展，并广泛应用于高空探测。

（二）以全球变暖为代表的全球气候和环境变化使我国的宏观生存环境面临新的挑战。而未来几年是我国经济和社会发展极为关键的一个时期，有关气候和环境变化问题的国家重大需求是极其迫切的。随着气候系统模式研究的发展，以及地球系统模式概念的提出，高性能计算机向大规模并行方向发展，性能价格比越来越优，气候变化和灾害性天气的数值预报所需的每秒万万亿次的计算能力，已成为现实；高速、智能化、综合化的通信网络技术、分布式数据库技术和海量存储技术的发展，使气象通信、计算机网络以及大气科学信息处理融为一体，形成综合信息网络系统，从而使高度分散的气象台站网，在采集、存取、分发与应用等方面真正做到信息资源共享。

（三）建立大气-冰雪-陆地-海洋-生物过程相耦合的完整的天气和气候动力学模式系统，注重系统中各组成成分相互作用的研究，尤其是其中物理、化学和生物过程的相互作用以及人类活动的影响，已成为国际大气科学发展的主流。未来大气科学的发展思路应该是坚持走观测与分析、理论研究与模拟、预测与调控等方法的密切结合的道路，观测是基础，分析和理论研究是基础创新的关键，模式和模拟研究是大气科学研究和预测应用的主要工具，预测和调控是大气科学发展的应用目标；特别加强大气科学与海洋科学、生物学、化学、数理科学等的交叉；大力抓好公共的观测和信息及模式等方面的平台设计和建设，为大气科学的发展提供强有力的支持和发展空间；积极推进大气科学成果的应用，为解决国家发展所面临的气候、天气、环境、生态、减灾等重大课题服务。

（四）结合国际大气科学和相关学科发展的前沿和趋势，并充分考虑到我国未来经济和社会发展的重大需求，展望未来，大气科学的发展离不开探测、计算机、信息传播及其他学科的进步。地面气象观测、遥感观测站将进一步加密且实现自动化。越来越多的商业飞机、火车、汽车、船只等其他运载工具都可提供自动测量的气象信息。人们可从网上下载数字化的具有高分辨率、高质量的逐周全球地表信息(如地形、土地使用、植被、地表粗糙度、土壤条件)用作各种数值天气和气候预报模式的下边界条件。这必将显著减少模式地表过程参数化中的不确定性,从而改善未来各种尺度天气和气候的数值预报水平。卫星资料将会在天气分析、预报、气候研究和模式初始化中起决定性作用。借助于卫星探测,海表气象要素和海浪、洋流速度的预报也许要比陆面上气象要素的预报准确。人们将会努力发展出具有自动分析、天气解释、发布异常天气警报的智能软件。各种快速、有效的三维和四维同化技术也将进一步发展，以除了需要进行大量陆面过程和湍流输送作用的研究外,还需要使用多偏振雷达、卫星和飞机在各种降水系统中的探测资料对现有云物理参数化和各相水的模式处理进行严格验证。

（五）各种观测资料及时通过四维同化随时间积分滚动加入模式,将会显著提高灾害性天气的预报准确度。同时,需要大量工作来研究模式与各种观测仪器间的误差统计特征,以减少初始条件中的不确定性。在中小尺度天气系统远远超过自身生命史时段以后发生的概率(由地形决定的系统除外),将依赖于能代表初值条件中和模式本身不确定性的有足够数量成员组成的集合预报。集合预报今后将成为大多数预报中心的主要产品,至少作为动力预报可信度使用。使用该种模式，这将大大提高中尺度对流系统的预报准确度,使长期以来进展一直缓慢的夏季定量降水预报有显著改善。

（六）随着全球范围初始条件的改善,21世纪的气候研究主要将围绕与ENSO有关的ElNino-LaNina现象的进一步认识和准确预报,温室气体和空气污染的监测和控制以及它们在近代气候变化中的作用,人类活动和大自然变化在气候变化中的相对重要性。此外,极地振荡以及全球气候变化对冰雪层、特别对极地冰原和高山冰川的影响将日益受到重视。随着未来计算机速度、存储、网络和并行技术的进步,具有变网格、变时间步长且含有各种物理和化学过程相互作用的统一模式将成为未来模式的发展方向。美国很多气象学家正合作发展新一代开放式天气研究和预报(WRF)中尺度模式供各气象单位作科学研究或业务预报之用。同时中国也在发展类似的多尺度通用资料同化与数值预报系统(GRAPES)

所以,大气科学研究必将进一步走向全球化,多学科化和社会化,以便及时把握地球---大气系统的变化规律,共同采取对策以保证人类社会的持续健康进步。

参考文献：

[1]前言——写在中国科学院大气物理研究所80周年华诞之际[J].王会军.大气科学.2008(04)

[2]21世纪初大气科学回顾与展望[M].气象出版社,国家自然科学基金委员会地球科学部等[编],2000