“大气科学、海洋科学、水文科学”简介、含义、起源、历史与发展rz.docx

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1、大气科学大气科学是研究大气的各种现象（包括人类活动对它的影响），这些现象的演变规律，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，还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。大气的各种现象及其变化过程，既可带来雨泽和温暖，造福人类；也可造成酷暑严寒，以至旱涝风雹等灾害，直接影响人类的生产和安全。人类在生产和生活的过程中，也不断地影响着自然环境(包括大气)。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

2、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。本文仅对大气科学的研究对象、研究特点、学科分支、同其他学科的关系以及发展状况作一概括描述，大气科学丰富的内容和悠久的历史则由本卷其他有关条目介绍。 研 究 对 象覆盖整个地球的大气，质量约 5.31021克，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、

3、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、氩为主，它们占大气总体积的 99.96。其他气体含量甚微，有二氧化碳、氪、氖、氦、甲烷、氢、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大气中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃、孢子、花粉等液态、固态微粒。太阳系的九大行星，都存在大气 (见行星大气)。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

4、程密切相关（见地球大气演化）。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（如高温的洋面或森林），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（见大气环流的能量平衡和转换）。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，在工业发展、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，

5、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。大气中臭氧的含量很少，即使在离地表2030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，起着对人类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

6、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，平流层顶离地表约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

7、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，其中的热量铅直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1019个原子（海平面处每立方厘米约1019个原子）。地球大气按组分状况可分为匀和层和非匀和层。离地表约85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 851

8、10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5001000公里高度为电离层。离地表5001000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。大气的温度、压力和密度之间有密切的关系。大气压力分布(即气压场

9、)的不均匀会导致大气的运动，大气的运动又会引起气压场的重新调整。大气的水平辐合运动和辐散运动会引起大气在铅直方向的上升运动和下沉运动，大气的铅直运动也会影响大气的水平运动。大气通过机械运动、热运动等多种运动形式进行水平方向和铅直方向的物质和能量的传输和转换。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）。

10、有些变化是有规律的，有些变化是无规则的。大气的运动也就呈现出既有规律性又有随机性的特征。大气科学的研究对象地球大气，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。天气变化、气候异常以及大气质量变化同人类的生活和生产活动休戚相关，正确的天气预报、气候预测以及改善大气污染情况对人们具有极大的迫切性，这正是大气科学研究为人类紧迫所需的应用性的一面。这种艰巨而有意义的科学事业不断吸引着人们去探索地球大气的奥秘。 研研 究 特 点点大气科科学研究究不能仅仅限于大大气圈在地地球表层层，除大大气圈以以外，还还存在着着水圈、冰冰雪圈、岩岩石圈和和生物圈

11、圈，这些些圈层组组成一个个综合系系统。大大气圈中中发生的的各种变变化都受受其他圈圈层的影影响；反反之，大大气圈也也影响着着其他圈圈层的变变化。研研究大气气运动的的能源，大大气中的的物质循循环、能能量转换换和变化化过程，大大气环流流及天气气、气候候的分布布和变化化，都必必须考虑虑大气圈圈同水圈圈、冰雪雪圈、岩岩石圈、生生物圈之之间的相相互影响响和相互互作用。如如：大气气运动的的根本能能源是太太阳辐射射。但大大气直接接吸收的的太阳辐辐射能仅仅占到达达大气上上界辐射射能的119，大大部分太太阳辐射射能（约约51）是被被地表吸吸收后，再再通过感感热通量量、潜热热通量和和辐射通通量方式式供给大大气的。这

12、这些通量量受近地地层大气气状态、地地表的状状态（如如海洋、陆陆地、植植被、冰冰雪）及及其热力力特性等等所控制制。又如如：大气气的组分分及其物物理和化化学性质质，除受受大气内内部物理理、化学学过程的的影响外外，还受受水圈、冰冰雪圈、岩岩石圈和和生物圈圈的影响响。海洋洋通过水水的相变变、水汽汽通量和和感热通通量过程程，植被被通过光光合作用用和散发发过程，土土壤通过过水汽通通量和感感热通量量过程等等影响大大气的温温度、水水汽和二二氧化碳碳等的含含量。火火山爆发发和人类类活动等等影响大大气中气气溶胶含含量、大大气成分分和辐射射过程等等。再如如：地形形起伏和和植被状状况对气气流的摩摩擦作用用，影响响着地

13、表表和大气气之间的的动量交交换（见见大气角角动量平平衡）；大地形形对气流流的强迫迫绕流和和强迫爬爬升及下下滑作用用，影响响着大气气的环流流特征；海陆分分布的不不均匀性性，影响响着大气气环流和和天气、气气候的非非带状分分布和南南北半球球的非对对称分布布。大自然然是大气气科学研研究的实实验基地地大大气圈不不是孤立立的。在在空间和和时间上上具有宽宽广尺度度谱的各各种大气气现象也也不是孤孤立的。它它们种类类繁多，相相互叠加加又相互互影响。即即使同一一类现象象，其结结构也不不尽相同同。影响响这些大大气现象象的因素素非常复复杂，人人类至今今还很难难在实验验室内用用人工控控制的方方法对它它们进行行完整的的实

14、验和和研究。只只能以大大自然为为实验室室，组织织从局地地到全球球的气象象观测网网，运用用多种观观测手段段（如气气象卫星星、气象象雷达、飞飞机等）对对大气现现象进行行长期的的连续的的观测，特特别是定定量的观观测，以以获取资资料；对对有关气气候现象象还需搜搜集地质质考查、考考古发掘掘和历史史文献等等资料。大大气科学学家们通通过对大大量资料料的分析析和综合合，提炼炼出量与与量之间间的定性性的或定定量的关关系，归归纳出典典型现象象的模式式特征，如如锋面、气旋旋、大气气长波等，在在模式的的基础上上运用已已知的物物理学和和化学的的基本原原理以及及数学工工具和计计算技术术进行理理论上的的演绎和和模拟，导导出

15、新的的结论。理理论模式式是否合合理，还还需回到到大自然然的实验验室中进进行检验验，有些些理论模模式还有有待于新新的观测测资料加加以证实实。经实实践检验验的理论论才可指指导实践践（如指指导天气气预报等等）。大大气科学学正是通通过大自自然这个个实验室室，遵循循观测（实实践）理论观测（实实践）这这个基本本法则不不断发展展，不断断为社会会的生产产和人类类的生活活服务的的。国际合合作是推推动大气气科学发发展的必必要途径径全全球大气气在不停停地运动动着，而而且是一一个整体体，一个个地区的的大气运运动受着着其他地地区大气气运动的的影响，不不同尺度度的大气气运动又又相互作作用着，其其变化之之快、变变化范围围之

16、广、变变化形式式之多，是是自然界界突出的的。为掌掌握大气气运动变变化快、范范围广、形形式多的的特征，就就必须对对大气进进行连续续的、高高频率的的、全球球性的观观测。为为掌握全全球大气气的各种种信息，必必须在站站网布局局、观测测项目、资资料处理理规范、信信息传输输等方面面作出统统一规划划和求得得协调。全全球数以以万计的的为天气气预报进进行观测测的气象象站，要要在相同同的时间间、用接接近相同同的仪器器和观测测方法，在在全球各各地进行行同步观观测；由由气象卫卫星、气气象雷达达等探测测手段观观测的大大量资料料，凡用用于天气气预报业业务的资资料还要要作同步步处理。这这些资料料都要在在观测完完毕后的的短短

17、数数十分钟钟内迅速速集中到到世界气气象中心心和各国国的气象象中心。再再加上为为数更多多的水文文气象站站的观测测资料。资资料的范范围之大大、数量量之多、传传递之快快是惊人人的，这这是自然然科学中中的奇观观。这一一切只有有通过国国际间的的密切合合作才能能实现。大大气科学学研究中中的这种种高度分分散（观观测站点点）、高高度集中中（资料料迅速集集中）、高高度协调调（观测测站址、观观测仪器器和方法法）、高高度合作作（国际际间合作作）的特特点，是是其他学学科无法法比拟的的。 学 科科 分 支大气科科学的分分支学科科主要有有大气探探测、气气候学、天气学学、动力气气象学、大气物物理学、大气化化学、人工影影响天

18、气气、应用用气象学学等。大气气探测是是一门研研究探测测地球大大气中各各种现象象的方法法和手段段的学科科。按探探测范围围和探测测手段划划分，大大气探测测有地面面气象观观测、高空气气象观测测、大气遥遥感、气象雷雷达、气象卫卫星等次次一层分分支。探探测手段段的飞跃跃往往带带来以往往难以预预计的重重大发现现，在大大气科学学的发展展进程中中，大气气探测起起了十分分重要的的作用。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。20世纪70年代以来，全世界发生几次气候异常，不

19、少地区粮食产量大幅度下降，引起世人对气候的严重关注。工业生产引起大气中二氧化碳和其他有温室效应的气体（如甲烷、一氧化二氮等）含量逐年增加，若干年后它们对地球气候将发生什么影响，也是非常令人关切的问题。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

20、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、物理过程及其演变规律的学科。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

21、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

22、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。气象卫星探测与天气分析相结合产生了卫星气象学，气象雷达探测与云和降水物理学相结合产生了雷达气象学。大气科学学科分支又分又合的过程，反映了大气科学的不断深入发展。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方面为主要研究内容，传统称之为“气象学”(meteor-ology，此词源于希腊

23、文meteoros和logos，意为“上空的”和“推理”)。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。 与其其他学科科的关系系大气科科学依据据物理学学和化学学的基本本原理，运运用各种种技术手手段和数数学工具具，研究究大气的的物理和和化学特特性、大大气运动动的各种种能量

24、及及其转换换过程、各各种天气气气候现现象及其其演变过过程、天天气以及及其他某某些现象象的预报报方法、影影响某些些天气过过程的技技术措施施、大气气现象各各种信息息的观测测和获取取以及传传递的方方法和手手段等。和和其他学学科一样样，大气气科学是是同许多多学科相相互渗透透、相互互借鉴的的。诸如如：研究究大气运运动，需需同流体体力学、热热力学、数数学密切切合作；研究太太阳辐射射以及太太阳扰动动在大气气中引起起的各种种机制，需需同高层层大气物物理学、太太阳物理理学和空空间物理理学密切切合作；研究水水分循环环、海洋洋和大气气的相互互作用，需需同水文文科学、海海洋科学学密切合合作；研研究地球球大气的的演化、

25、地地球气候候的演变变，需同同地球化化学、地地质学、冰冰川学、海海洋科学学、生物物学和生生态学密密切合作作；研究究大气化化学、大大气污染染，需同同化学、物物理学、生生物学和和生态学学密切合合作；研研究大气气问题的的数值模模拟、数数值天气气预报等等，需同同计算数数学等密密切合作作；研究究大气探探测的手手段和方方法，需需同有关关的技术术科学密密切合作作；在大大气探测测、天气气预报等等自动化化的进程程中，大大气科学学还不断断同信息息理论、系系统工程程等科学学技术领领域密切切合作。在在相互合合作和相相互渗透透的过程程中，大大气科学学不断汲汲取其他他学科的的养料；大气科科学特定定的要求求又不断断为其他他学

26、科开开辟新的的研究前前沿，不不断丰富富着其他他学科的的内容。 发 展 概概 略大气科科学是一一门古老老的学科科。有关关天气、气气候知识识起源于于长久的的生产劳劳动和社社会生活活的经验验之中。早早在渔猎猎时代和和农业时时代，人人们就逐逐渐积累累起有关关天气、气气候变化化的知识识。中国国在公元元前 22世纪见见于淮淮南子天文训训和逸逸周书时训解解的二二十四节节气和七十二二候，就就是从生生产和生生活实践践中总结结出来的的，它又又被用来来指导农农事活动动。后来来的工农农业生产产活动，军军事活动动，航海海、航空空、航天天活动，以以及对海海洋、冰冰川、高高原、空空间等考考察的发发展，都都为大气气科学不不断

27、提出出新的课课题，推推动着大大气科学学的发展展。17世世纪以前前，人们们对大气气以及大大气中各各种现象象的认识识是直觉觉的、经经验性的的。177188世纪，由由于物理理学和化化学的发发展，温温度、气气压、风风和湿度度等测量量仪器的的陆续发发明，氮氮、氧等等元素的的相继发发现，为为人类定定量地认认识大气气的组成成、大气气的运动动等创造造了条件件。于是是，大气气科学研研究开始始由单纯纯定性的的描述进进入了可可以定量量分析的的阶段。这这是大气气科学发发展进程程中的一一次飞跃跃。18820年年，在气气压、温温度、湿湿度、风风等气象象要素的的测定和和气象观观测站网网逐步建建立的条条件下，HH.W.布兰德

28、德斯绘制制了历史史上第一一张天气气图，开开创了近近代天气气分析和和天气预预报方法法，为大大气科学学向理论论研究发发展开辟辟了途径径。这是是大气科科学发展展史上的的又一次次飞跃。118355年科里里奥利力力的概念念和18857年年C.HH.D.白贝罗罗提出的的风和气气压的关关系，成成为地球球大气动动力学和和天气分分析的基基石。119200年前后后，气象象学家JJ.皮耶耶克尼斯斯、H.索尔贝贝格和TT.H.P.伯伯杰龙等等提出的的锋面、气气旋和气气团学说说，为天天气分析析和预报报122天以后后的天气气变化奠奠定了理理论基础础。17783年年，法国国J.AA.C.查理制制成了携携带探测测气象要要素仪

29、器器的氢气气气球。220世纪纪30年年代无线线电探空空仪开始始普遍使使用，这这就能够够了解大大气的铅铅直结构构，真正正三度空空间的大大气科学学研究从从此开始始。根据据探空资资料绘制制的高空空天气图图，发现现了大气气长波。119399年气象象学家CC.-GG.罗斯斯比提出出了长波波动力学学，并由由此引出出了位势势涡度理理论（见见大气动动力方程程）。这这不仅使使有理论论依据的的天气预预报期限限延伸到到344天，而而且为后后来的数数值天气气预报和和大气环环流的数数值模拟拟开辟了了道路。119466年I.朗缪尔尔、V.J.谢谢弗和BB.冯内内古特的的“播云云”试验验，探明明了在过过冷云中中播撒固固体二

30、氧氧化碳或或碘化银银，可以以使云中中的过冷冷水滴冰冰晶化，增增加云中中的冰晶晶数目，促促进降水水，从此此进入了了人工影影响天气气的试验验阶段。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，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，主要表现在以下两个方面： 不断采用新的探测技术，使大气科学研究进入了宏观愈宏、微观愈微的新阶段。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

31、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。气象多普勒雷达可观测云的细微结构。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（1、2小时至12小时）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

32、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。大气中各类现象的相互影响，以及大气现象中的跃变形式（如飑线），都存在非常复杂的非线性问题。由于数学上的困难，以往大都是在某种假定下，首先把非线性的数学模式线性化，然后求解；大型高速电子计算机的问世，为解非线性方程提供了条件。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

33、代最大的电子计算机将首先用于大气科学。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。通过以上观测和计划的执行，将对气候变化和中小尺度天气系统的精细结构及其发生发展原因有更加广泛和深入的研究，研究成果将不断提高对灾害性天气预报的水平，不断预示人类活动对气候影响的可能后果，以防患于未然。如近年来由人类活动造成大气中甲烷和一氧化二氮等微量气体含量的增

34、加而引起的大气温室效应，据估计，可能很快达大气中二氧化碳所引起的温室效应的一半。这些温室效应的总效果可能导致地球气候发生很大变化。对温室效应气体和大气污染等问题的深入研究，使得过去有一定忽略的大气化学的重要性越来越显著，大气化学将会更加迅速地发展。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。海洋科学(卷名：大气科科学 海海洋科学学 水文文科学)海海洋科学学是研究究海洋的的自然现

35、现象、性性质及其其变化规规律，以以及与开开发利用用海洋有有关的知知识体系系。它的的研究对对象是占占地球表表面711的海海洋，包包括海水水、溶解解和悬浮浮于海水水中的物物质、生生活于海海洋中的的生物、海海底沉积积和海底底岩石圈圈，以及及海面上上的大气气边界层层和河口口海岸带带。因此此，海洋洋科学是是地球科科学的重重要组成成部分，它它与物理理学、化化学、生生物学、地地质学以以及大气气科学、水水文科学学等密切切相关。海海洋科学学的研究究领域十十分广泛泛，其主主要内容容包括对对于海洋洋中的物物理、化化学、生生物和地地质过程程的基础础研究，和和面向海海洋资源源开发利利用以及及海上军军事活动动等的应应用研

36、究究。由于于海洋本本身的整整体性、海海洋中各各种自然然过程相相互作用用的复杂杂性和主主要研究究方法、手手段的共共同性而而统一起起来，使使海洋科科学成为为一门综综合性很很强的科科学。海洋洋科学又又是一门门正在迅迅速发展展的科学学。近半半个世纪纪以来，特特别是220世纪纪60年年代以来来，随着着现代科科学技术术的迅速速发展以以及海洋洋资源开开发利用用规模的的不断扩扩大，海海洋科学学在社会会经济发发展中的的作用日日益显著著，许多多国家都都非常重重视海洋洋科学的的基础研研究和开开发利用用海洋资资源的技技术研究究，并且且取得很很大的进进步。本本文对海海洋科学学的研究究对象和和特点、学学科体系系和发展展史

37、及现现状作一一概括的的介绍。 研究对象世界界海洋在太阳阳系的行行星中，地地球处于于“得天天独厚”的的位置。地地球的大大小和质质量、地地球与太太阳的距距离、地地球的绕绕日运行行轨道以以及自转转周期等等因素相相互的作作用和良良好配合合，使得得地球表表面大部部分区域域的平均均温度适适中（约约15），以以致它的的表面同同时存在在着三种种状态（液液态、固固态和气气态）的的水，而而且地球球上的水水绝大部部分是以以液态海海水的形形式汇聚聚于海洋洋之中，形形成一个个全球规规模的含含盐水体体世世界大洋洋。地球球是太阳阳系中惟惟一拥有有海洋的的星球。因因此，我我们的地地球又称称为“水水的行星星”。全球球海洋总总面

38、积约约3.66亿平方方公里，约约占地表表总面积积的711，相相当于陆陆地面积积的2.5倍。全全球海洋洋的平均均深度约约38000米，最最大深度度110034米米，太平平洋、大西洋洋和印度洋洋的主体体部分，平平均深度度都超过过40000米。全全球海洋洋的容积积约为113.77亿立方方公里，相相当于地地球总水水量的997以以上。假假设地球球的地壳壳是一个个平坦光光滑的球球面，那那么地球球便成为为一个表表面被226000多米深深的海水水所覆盖盖的“水水球”。世世界海洋洋每年约约有500.5万万立方公公里的海海水在太太阳辐射射作用下下被蒸发发，向大大气供应应87.5的的水汽。每每年从陆陆地上被被蒸发的

39、的淡水仅仅有7.2万立立方公里里，约占占大气中中水汽总总量的112.55。从从海洋或或陆地蒸蒸发的水水汽上升升凝结后后，又作作为雨或或雪降落落在海洋洋和陆地地上。陆陆地上每每年约有有 4.7万立立方公里里的水在在重力的的作用下下，或沿沿地面注注入河流流，或渗渗入土壤壤形成地地下水，最最终注入入海洋，从从而构成成了地球球上周而而复始的的水文循循环。海海水是一一种含有有多种溶溶解盐类类的水溶溶液。在在海水中中，水占占96.5左左右，其其余则主主要是各各种各样样的溶解解盐类和和矿物，还还有来自自大气中中的氧、二二氧化碳碳和氮等等溶解气气体。世世界海洋洋的平均均含盐量量约为 3.55。而而世界大大洋的

40、总总盐量约约为48810015 吨吨。假若若将全球球海水里里的盐分分全部提提炼出来来，均匀匀地铺在在地球表表面上，便便会形成成厚约440米的的盐层。目目前在海海水中已已发现的的化学元元素超出出80种种。组成成海水的的化学元元素，除除了构成成水的氢氢和氧以以外，绝绝大部分分呈离子子状态，主主要有氯氯、钠、镁镁、硫、钙钙、钾、溴溴、碳、锶锶、硼、氟氟等111种，它它们占海海水中全全部溶解解元素含含量的999；其余的的元素含含量甚微微，称为为海水微微量元素素。溶解解于海水水中的氧氧、二氧氧化碳等等气体，以以及磷、氮氮、硅等等营养盐盐元素，对对海洋生生物的生生存极为为重要。海海水中的的溶解物物质不仅仅

41、影响着着海水的的物理化化学特征征，而且且也为海海洋生物物提供了了营养物物质和生生态环境境。海洋洋对于生生命具有有特别重重要的意意义。海海水中主主要元素素的含量量和组成成，与许许多低等等动物的的体液几几乎一致致，而一一些陆地地高等动动物甚至至人的血血清所含含的元素素成分也也与海水水类似。研研究证明明，地球球上的生生命起源源于海洋洋，而且且绝大多多数动物物的门类类生活在在海洋中中。在陆陆地上，生生物集中中栖息在在地表上上下数十十米的范范围内;可是在在海洋中中，生物物栖息范范围可深深达1万万米。因因此，研研究生命命起源的的学者把把海洋称称作“生生命的摇摇篮”。海洋作为地球水圈的重要组成部分，同大气圈

42、、岩石圈以及生物圈相互依存，相互作用，成为控制地球表面的环境和生命特征的一个基本环节，并具有下面一些特征：第一，海洋是大气-海洋系统的重要组成部分。由于水具有很高的热容量，因此世界海洋是大气中水汽和热量的重要来源，并参与整个地表物质和能量平衡过程，成为地球上太阳辐射能的一个巨大的储存器。在同一纬度上，由于海陆反射率的固有差异，海面单位面积所吸收的太阳辐射能约比陆地多2550。因此，全球大洋表层海水的年平均温度要比全球陆地上的平均温度约高10。由于太阳辐射能在地球表面上分布的固有差异，赤道附近的水温显著地高于高纬度海区，因此，在海洋中导致暖流从赤道流向高纬度、寒流从高纬度流向赤道的大尺度循环。从

43、而引起能量重新分布，使得赤道地区和两极的气候不致过分悬殊。海面在吸收太阳辐射能的同时，还有蒸发过程。海水的汽化热很高，蒸发时便消耗大量热量。反之，在水汽受冷凝结时又会释放出相同的热量。因此，海水的蒸发既是物质状态的转化，也是能量状态的转化。海面蒸发产生的大量水汽，可被大气环流及其他局部空气运动携带至数千公里以外，重新凝结成雨雪降落到所有大陆的表面，成为地球表面淡水的源泉，从而参与地表的水文循环，参与整个地表的物质和能量平衡过程。由此可见，海洋对全球天气和气候的形成，以至地球表面形态的塑造都有深远的影响。全球尺度的海洋-大气相互作用，不仅可以在几个月、几年内对地球上气候带来影响，而且可以在漫长的

44、地质时期中导致显著的气候变异。地球表面的水，除海水以外，约有2被束缚在固体水（冰）中，这也就是今天的南极洲和格陵兰等冰川。 海洋-大气相互作用和气候演变，可以通过海平面的高度和冰川体积的变化显示出来。地质学研究表明，在地球最近所经历的10亿年中，地球表面的水量是近似恒定的。由此可以推知，假若现代冰川全部融化则海平面将升高约60米。这对于人类无疑将是一场巨大的灾难。事实上，在地质时期中，曾出现过大陆冰川发展和融化的多次交替，每次交替都影响地球的气候、大气环流和水文循环，引起生物的大调整。据地质学和古地理学的考察，在第四纪最大的冰期中，冰川的体积3倍于现代冰川，海平面则平均低于现代海平面约130米

45、，露出了大部分大陆架。基于这些观测事实，目前对地球气候长期变异过程已建立多种“冰川-海洋-大气”系统的相互作用模型，并从数值上模拟出接近观测事实的结果。这种模拟结果大体同根据更新世地质、古地理资料复原的气候演变相符。第二，海洋是地球表面有机界与无机界相互转化的一个重要环节。地球上存在着一个很薄的“生物圈”，它集中在地球表面三种形态的水的交界面附近。地球上这个有生命的物质圈层之所以能够产生、进化并延续下去，是依靠大规模的物质和能量转化以及有机物质和无机物质的相互转化。而这些物质和能量的循环与转化过程的方式和强度，在迄今已知的星球中也是独一无二的。否则，我们赖以生存的地球将如同已知没有发现生命现象

46、的星球一样，只能是一个死寂的世界。海洋中的动物约1620万种，植物约1万多种。海洋中的生物，如同整个生物圈中的生物一样，绝大多数直接地或间接地依赖于光合作用而生存。在地球上，植物的光合作用能将无机物直接转化为有机物，从而将太阳辐射能转化为化学能。动物是不进行光合作用的，基本上依赖于消耗植物（直接或间接）而生存繁衍。假若植物的光合作用过程一旦中止，则绝大多数的动物就有灭绝的可能。这样，由海洋光合植物、食植性动物和食肉性动物逐级依赖和制约，组成了海洋食物链。在这链的每一个环节，都有物质和能量的转化，包括真菌和细菌对动植物尸体的分解作用，把有机物转化为无机物。于是，由植物、动物、细菌、真菌以及与之有

47、关的非生命环境组成一个将有机界与无机界联系起来的系统，即通常所说的海洋生态系。这个系统的状态，通常可用两类指标来描述:一类是静态指标，如生物量等；另一类是动态指标，如生产力等。根据有的学者估算，海洋的总生物量约为 31010吨，只有陆地总生物量的1/200左右，如按干重计算则仅相当于陆地总生物量的1/350。但是，就生产率而论，海洋却同陆地大体相当（海洋为4.31011吨/年，陆地为4.51011吨/年）；更值得注意的是，海洋有机物质的相对生产率(即生产力与生物量之比值)远高于陆地，两者之比相差200多倍。这是因为海洋中有机物质的生产者主要是单细胞生物，而陆地上有机物质的生产者主要是多细胞生物

48、。第三，海洋作为一个物理系统，其中发生着各种不同类型和不同尺度的海水运动和过程，对于海洋中的生物、化学和地质过程有着显著的影响。海水运动按其成因，大致分为：海水密度变化产生的“热盐”运动，如海面蒸发、冷却和结冰，以及海水混合等，使海水密度增大而下沉，并下沉至与其密度相同的等密度面或海底作水平运动;海面风应力驱动形成的风生运动，如风海流和风生环流等；天体引力作用产生的潮汐运动；海水运动速度切变产生的湍流运动；各种扰动产生的波动，如风浪、惯性波和行星波等。而海洋中的各种物理过程，通常除了按其物理本质分为力学、热学、声学、光学和电磁学等过程以外，一般按其特征空间尺度（或特征波数，主要是水平特征空间尺度或波数）和特征时间尺度（或特征频率），大致分为小尺度过程、中尺度过程和大尺度过程。其中，小尺度过程主要包括：小尺度各向同性湍流，海水层结的细微结构、声波、表面张力波、表面重力波和重力内波;中尺度过程主要包括:惯性波、潮波、海洋锋、中尺度涡或行星波；大尺度过程主要包括：海况的季节变化、大洋环流、海水层结的纬向不均匀性和热-盐环流等。海洋是生物的生存环境，海水运动等物理过程会导致生物环境的改