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世界科技全景百卷书: 历史时代的气候变化
从第四纪更新世晚期，距今约1.1万年前后开始，地球从第四纪冰期中的最近一次亚冰期，进入到现代的亚间冰期，人们也称之为冰后期。这一段时间大体上相当于人类进入到有文字记载的历史时代。关于这时期的气候，挪威的冰川学家曾做出近10000年来的雪线升降图，说明雪线升降幅度并不小，表明冰后期以来，气候有明显的变化。我国有悠久的历史记载，竺可桢将这些记载加以整理分析，发现我国在5000多年来的气候有4次温暖期和4次寒冷期交替出现。 在公元前3000～1000年左右，即从仰韶文化时代到安阳殷墟时代，是第一个温暖期，这个时期大部分时间的年平均温度比现在高2℃左右，最冷月温度约比现在高 ～3 5℃。 从公元前1000年左右到公元前850年（周代初期），有一个短暂的寒冷期，温度在0℃以下。 从公元前770年到公元初年，即秦汉时代，又进入到一个新的温暖时期。 从公元初年到公元600年，即东汉，三国到六朝时代，进入第二个寒冷时期。 从公元600年到1000年，即隋唐时代，是第三个温暖期。 从公元1000～1200年，即南宋时代是第三个寒冷期，温度比现代要低1℃左右。 从公元1200～1300年，即宋末元初，是第四个温暖期，但是这次不如隋唐时那样温暖，表现在象的北限，逐渐由淮河流域移到长江流域以南，如浙江、广东、云南等地。 在公元1300年以后，即明、清时代以来，是第四个寒冷期，温度比现代要低1～2℃。 近5000年来，虽然是寒冷期与温暖期交替出现，但是总的趋势是由温暖向寒冷变化，寒冷期一次比一次长，一次比一次冷。在第二次寒冷期，只有淮河在公元225年有封冻。而在第四个寒冷期的1670年，长江都几乎封冻了。 有趣的事情是：挪威冰川学家用雪线高度表示气温升降，竺可桢用的是历史文献记载资料，结果却十分一致，说明冰后期以来的气候变化具有全球的普遍性，绝对不是一种巧合。 近代的气候变化 从1850年农业机械化开始以来，近100多年来的气候变化，我们称之为近代气候变化。近百年来气候变化的基本趋势是：1961年以后的世界气候与本世纪前半期相比有显著不同，而与19世纪后半期相类似。从19世纪末期开始，到20世纪40年代，是世界性气候增暖时期，增暖的趋势在20世纪40年代达到顶峰，以后温度下降，20世纪60年代后变冷更加明显，这次变化很可能是近 10000年来的一次气候振动。 这种振动可以从大气环流变化中得到解释。根据英国气候学家拉姆巴的说法，从1895年开始，世界环流突然由经向环流占优势的时期，转变为纬向环流占优势的时期。从此，纬向环流不断加强。到1940年前后达到最盛时期；随后，纬向环流又逐渐减弱，经向环流又逐渐加强，到1961年前后，纬向环流显著减退，重新恢复成为经向环流占优势的时期。 在纬向环流强盛时期，气旋性活动增强，行星风系影响加剧，南北半球的气候带向两极方向移动。在纬向环流衰弱的时期，反气旋性活动加强，季风发达，南北半球高低纬度之间气流交换频繁。地球上的气候带向赤道方向移动。可见，世界环流型式的改变，对全球性气候变化的影响多么巨大。 人类活动对气候的影响 从有人类活动以来，人类就开始影响气候。随着人类社会经济的发展，人类影响气候的规模和深度也不断发展。 在人类历史初期，人类还完全是气候的奴隶，人类活动完全受气候条件的限制，只能生活在温暖湿润的热带森林中。大约在进入石器时代之前，人类还处在自生自灭状态。进入石器时代以后，人类掌握了火，才开始增强对气候的适应能力。这个痛苦的过程，至少经历了一百多万年。 以后，人类开始对周围的气候实行局部地有限地改造，衣着和房屋就是一个标志。往后，人们在农业和其他生产活动中，也开始局部地改变着气候。产业革命以来，科学技术飞速发展，人们不但能在各种不同的自然气候条件下采取措施，取得人类适应的气候；而且能够在规模越来越大的局部范围内改造气候。人工控制天气也在发展着。随着人们认识水平的提高和技术能力的增长，人类主动规划环境，改造气候，把气候环境引向有利于人类的方向发展，已构成现代科学的一个重要特点。 从历史事实来看，人类有对气候有目的地主动积极地改造的方面，也有盲目地消极被动地使气候恶化的方面。 运用衣着、房屋改造气候，是人类为了适应气候条件，而建立适合自己生存与生活环境的一种技术行为。共同的特点是：在大气候的背景条件下，建立起一种适合人类生存与生活的人工小气候环境，从而达到保温、御寒、防风的目的。不同点在于衣着是包装人体的气候壳，能够随着人体移动；能够随着天气气候变化增减衣服的厚度和层次；能够随着经济水平的差异使用不同的衣着材料，从而控制并调节小气候。房屋则不能移动：不能随意增减厚度和层次；不能随意变更建筑材料。房屋是固定的，只能依靠门窗局部调节，材料的选用，建筑结构和形式的设计，平面布局的安排，都是为了适应气候环境的一种优化选择。 改变地球表面形态，如植树造林、灌溉农田、干化沼泽、建造水库，也能够改变局部气候环境。植树造林可以挡风挡沙，保持土壤水分，改变空气湿度和温度。建造水库和进行灌溉虽然并不是直接为了改造气候，但是却起到减小气温年、日较差，提高最低温度和平均温度，增加湿度和降水量的作用。 从消极方面看，人类取得了自身的利益的同时，盲目垦荒、刀耕火种、破坏森林，造成水土流失，使气候恶化。因为森林是地球表面的重要保护层，它对地面水分和热量的保存、交换都有很大作用。据估计，500万亩森林的蓄水量，相当于一亿立方米的水库。在干旱地区的护田林带，能使空气相对湿度提高10％～15％，能使土壤含水量增加22～27毫米。这就是人们呼吁保护森林的气候意义。 人类活动的盲目性还表现在工业污染物的增加。工业发展的一个结果，就是废物、废水、废气和余热的大量排放。使土壤、水体和大气遭到严重污染。在极大程度上改变了大气成分，大气混浊度和热性质，从而导致气温和降水量等气候要素发生变化。 我们前面已经提到，大气中的二氧化碳 （CO），水汽（HO），及其他 2 2微量气体，如甲烷 （CH），一氧化二氮（NO）、氯氟碳化合物（俗称氟利 4 2昂（CFCL），对地面气候都有温室效应，所以人们称之为温室气体。人类活 3动排放出来的温室气体，使大气的温室效应增强，导致整个地球气温升高。自从产业革命以来，大气中二氧化碳含量上升约25％，甲烷上升160％，一氧化二氮上升 8％，氟利昂以前根本就没有过。这些气体在大气中可以长期停留，使温室效应不断增强。根据气候学家们分析，由于温室气体的作用，到21世纪，地表气温可能升高1.5～4.5℃。地球增暖的结果，随之而来的将是海洋变暖，南极大陆和格林兰冰盖融化，海平面上升。由于工农业发达、人口稠密的地方，正好多分布在沿海地区，海平面上升会给人类带来严重的灾难。我国的所有海滨地带，都在遭受灾害的范围内，主要受灾地区可能是华北平原，长江三角洲和珠江三角洲地区。21世纪全球气候变暖后怎么办呢？已经引起各国政府和人民的关注。 气候变化对人类的影响 人类影响气候，气候也影响人类。短时间的气候变化，特别极端的异常气候现象，如干旱、洪涝、冻害、冰雹、沙暴等等，往往造成严重的自然灾害，足以给人类社会造成毁灭性的打击。比如，1943～1954年孟加拉地区的暴雨灾害，引起了20世纪最大的饥荒，饿死人口达 300～400万。 1968年～1973年非洲干旱是非洲人民的一次大灾难，使得乍得、尼日尔、埃塞俄比亚的牲口损失70％～90％，仅在埃塞俄比亚的沃洛省就饿死20万人。当然，这种打击往往是短暂的、局部的，虽然不至于影响生态系统，但是对人类造成的灾害却十分大。 长期的气候变化，即使变化比较缓慢，也会使生态系统发生本质性的改变，使生产布局和生产方式完全改变，从而影响人类社会的经济生活。 例如，在公元前3000～1000年的温暖时期，竹类在黄河流域直到东部沿海都有广泛分布；安阳殷墟发现，水牛和野猪等热带亚热带动物；甲骨文记载打猎时获得一象，表明殷墟的化石象是土产的。河南原称豫州，就是一个人牵着大象的标志。商、周时代，梅子是北方人民重要的日常食品。《诗经》说：“若作和羹，尔唯盐梅”，可见当时梅子是和盐一样重要的食品，是做菜不可缺少的佐料。《诗经》说：“终南何月，有条有梅”。终南山在西安之南，宋代以来就无梅了。陕西、山西等地人民只好用醋代替梅。 秦汉时期气候也比较温暖，《史记》记载当时经济作物的地理分布是： “桔之在江陵，桑之在齐鲁，竹之在渭川，漆之在陈夏。”可知当时亚热带植物的地界比现在更加偏北。 由于气候变化直接影响农作物的地理分布，必然会影响以农产品为原料的工业布局。例如，在先秦到西汉以前，我国丝织业布局是北丝南麻，丝织业绝大部分在黄河中下游和冀中平原，当时最大的丝纺业中心在河北定县，其他较小的中心也都在河北，河南和山东一带；长江流域及南方各地则主要生产麻织物；西汉时期，蜀中仅以产麻布著名。虽然在东汉到魏晋以后，中原地区战乱频繁，经济下降剧烈，南方各地社会生活则相对安定，丝织业有所发展，可是北丝南麻的布局一直维持到隋唐时代。从气候变迁情况看，至隋唐时代，虽然气候也有变化，但是平均气温仍暖于现代，可见，丝绸之路出现在北方是有原因的。 北丝南麻布局的改变发生在宋代。由于气候变冷，气温已低于现代，北方不利于桑蚕生产生殖，再加上唐末五代时北方战乱，南方经济发展，丝织业规模逐渐超过北方。北宋时镇江，三台已形成为全国丝织业中心。南宋时，南京、常州、镇江、苏州都拥有巨大的丝织业生产能力。丝织业重心南移，正好相当于我国气候由温暖到寒冷的时期，这个历史经验是值得我们研究的。 气候变迁对农业耕作也有影响，孟子 （公元前372～前289年）、荀子 （公元前313～前238年）都说，他们那个时候，齐、鲁（河北、山东一带）农业种植可以一年两熟。在这些地方直到解放初期，还只习惯于两年三熟。唐朝的生长季也比现在长，《蛮书》（约成书于862年）说，曲靖以南，滇池以西，一年收获两季作物，9月收稻，4月小麦或大麦。而现代由于生长季缩短，不得不种豌豆和蚕豆，以代替小麦和大麦。 这种历史经验仍有现实意义。例如，如果气候变暖，就可以考虑双季稻向高纬度、向高海拔扩展；若气候变冷，就得采取措施，缩短水稻的生长时间。现在流行热门话题是：“到21世纪，地球将会变暖。”面临着这种可能出现的现实，我们将采取什么样的战略性对策呢？ 大气晴雨表——探测 睛天，风和日丽，碧空如洗；雷雨天，电闪雷鸣，狂风怒吼；阴天，浓云密布，天色阴沉。当你在为这些捉摸不定、扑朔迷离的目然现象而唏嘘感叹时，你可知道，时时刻刻，每分每秒，从地上到半空，从陆地到海洋，从平原到高山，从大湖到荒漠，处处都有一双双警惕的“眼睛”，在密切地关注着大气的变化。其实啊，那些和风细雨的迷人风光，漫天雪飞的壮观场面，还有那雷风电雨的大煞风景，都不过是大气所玩弄的一点点小小把戏而已。说到这儿，大家会弄不明白：什么是大气呢？为什么要探测大气呢？怎么探测呢？一个个疑问接踵而至。好！现在我们就来一一地回答这些问题。 为何要探测大气 先要澄清一个事实，就是说，我们这儿谈的大气，主要是指地球最底层的大气。具体地说，就是地面以上的约十多公里距离的大气。在赤通地区要厚一些，约有17～18公里；到南北两极要薄一些，约7～9公里；我国大约为10～12公里。这个底层叫对流层。对流层，就是指空气对流运动强烈。大气中的各种物理状态和现象，如风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、雷、电等，都发生在这一层。 那么大气是什么呢？大气是一种无色、无味的混合气体，它在我们周围到处存在。可以说，它就是空气。过去打过一个谜语，叫“看不见、摸不着、离不了”，指的就是它。说大气是混合物，一点也没有错。地球上大气按重量来计算，其中氮占75.5％，氧占23.1％，氩占1.3％，二氧化碳和其他气体占0.01％。不用说，这是指大气的化学组成。从这个组成我们可以了解到，空气中氧约占四分之一，正是因为它，才使我们人类在这个小小的寰球上得以生存，一直繁衍到今天。大气对于我们的生命是多么重要啊！ 是的，大气不仅对于地球现存的五十多亿生灵有着至关重要的作用，在我们生命的演化史上，大气还立下过汗马功劳呢。你看，地球上原始生命起初只在太阳辐射达不到的深水中出现，这些生物体后来发展为吸收金属氧化物来维持生命的低等生物。氧介酶出现后，生物转入到浅水中活动，地球原始大气中的二氧化碳溶入水中，生物借此与太阳光进行光合作用，于是出现了绿色植物，氧气开始增多。当含氧量增到约今天的1％时，高空大气的臭氧层出现，它吸收太阳紫外辐射，保护了地球原始生命，于是浮游生物，多细胞生物大量产生。当大气含氧量达到今天的三倍时，恐龙这一爬行动物出现。有人认为，由于恐龙产生的二氧化碳太多，植物来不及放出足够的氧气，最后导致恐龙等爬行动物灭绝。又过了一段时间，适应新气候的哺乳动物出现。约数百万年前，人类产生。看来，没有地球的大气，就不会有人这一高级动物的产生，更不用说今天。看看那荒芜的火星，赤裸的月球，寂静的金星，我们人类是多么幸运啊。 但是，我们今天要探测大气，还不仅仅是由于大气过去和现在给过我们人类某些恩惠，我们还得同形形色色的大气现象打交道呢！进一步说，我们生活在形形色色的大气现象之中，我们能不了解它们吗？你知道，云，有的像重重叠叠的山峰；有的像成片成片的瓦块，我们通过探测知道，它们其实是空气在上升运动时，在有凝结核的条件下形成的小水滴、小冰晶。再如风，有时轻风拂面，水波荡漾；有时北风凛冽，寒气刺骨；有时阴风怒号，浊浪排空，我们通过探测知道，其实它是空气的水平运动。我们也知道，雨、雪就是变大后从空中掉下来的水滴、冰晶；雷电其实是积雨云中正、负电荷中心之间，或者云中电荷中心与大地之间的放电现象，等等。因而通过对大气的探测，再经过研究，人们知道了某些天气现象的成因。 特别有意思的是，人们对一些怪现象，如虹、晕、华、宝光也有了新认识。虹是阳光经过雨滴的折射和散射后产生的彩色光带，主要出现在与太阳相反的方向上；晕是太阳光线照射到冰晶上发生折射形成的彩色光环；华也是一种在太阳周围云层上呈现的多色光环，它由太阳光线经过小水滴或冰晶衍射而形成；还有宝光，也是一种光环，它包括观察者的幻影和以幻影头部为中心的光圈。可以说，这些奇异的自然景观无非是大气在某一时期、某一地点的艺术杰作而已。懂得了这个道理，我们就不必把它们看成什么神秘的 “雀桥”、“假太阳”、“佛光”等。我们完全可以相信，这并非是什么妖魔鬼怪在起作用，它们背后的指使者就是大气。明白了这些神奇现象的成因，对于我们破除封建迷信思想、提高科技意识、树立唯物主义世界观，是多么有意义啊。 不仅如此，探测大气的性质，了解它们的活动规律，对于我们把握各种天气现象，进行各种工农业生产，还起一种防患于未然的作用。暴雨如注，洪水如虎，台风挡不住，没有预先的预测，人民的生命财产只会毁于一旦。然而，暴雨、台风、洪水，还有霜冻、冰雪、大雾等，都不过是大气在特殊条件下演绎的花样而已。如果我们能及时有效地跟踪和预报各种天气形势，就常常有截然不同的结果。如1989年8909号和8923号台风在浙江省登陆，由于预报准确及时，使各级领导和防汛部门事先做好了充分准备，估计减少经济损失6～8亿元。再看别的国家的一个例子，1970年11月12日，孟加拉国大风暴潮造成30万人死亡，后来装备了气象卫星，建立了大风暴警报系统后，1985年遭受同样规模的风暴潮，却只死亡了一万人。 到目前为止，人们不仅对于各种灾害性天气可以监测和预报，部分非气象性自然灾害，如地震，现在通过气象卫星的监测，预报水平也有所提高。原来，地震前有各种大气异常现象，比如地光、地气、增温、狂风暴雨等，气象卫星通过对这些现象的探测，就可以捕捉到地震的蛛丝马迹。如 1989、1990年、1991年，我国国家地震局利用气象卫星的遥感热红外线数据，成功地进行了大同、阳高、北京地区、台湾等地的地震预报。我国科学家甚至还发现了1991年5月日本云仙台火山和6月菲律宾比纳图博火山的喷发前兆，很了不得。 当然，科学家们不仅利用大气来探索天气的变化，还能预测未来的气候变化。科学家们通过对地球大气气温的研究发现，目前全球平均地面气温有上升的趋势，大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度在不断增加，这就不得不使地球大气增温。大气增温后会使全球的气候条件发生极大变化，到时候南极冰山融化，海平面上升，干旱面积加大，物种灭绝等等，一系列不容乐观的结果等待着我们。而且，科学家们还发现，南极上空的臭氧层趋于衰减，这会使全球大气臭氧保护层变薄，形成一个巨大的空洞，届时大量的太阳紫外线会对地球生物产生伤害。这就使我们不得不保持高度警惕，及时采取防范措施，以免悲剧发生。 总而言之，通过对大气的探测，我们了解了我们生活的大气环境，弄清了各种天气现象的规律，进而预报各种天气，提高了应付自然灾害的能力。对大气本身的探测，有利于认识未来气候的变化形势，从而有助于我们采取有力措施，改善我们的生存环境。 观测形态走势 前面说大气探测是如何如何重要，那么到底要探测什么呢？大气现象复杂多变，大气组成多种多样，到底探测什么为好，是头发胡子一把抓吗？不是，这儿有两种观测。 一是常规观测。常规观测主要包括温度、湿度、气压、风力、风向等观测项目。可别看只有这几项基本因素，它们却分别反映了大气的热力状态和运动状态。 气温的高低表明了气体的冷热程度。测量气温的仪器叫温度表。和测量人体体温的体温表一样，它是利用热胀冷缩的原理制成的，如酒精最低温度表和水银最高温度表；也有根据导体、半导体电阻随温度变化原理制成的电阻温度表；或者根据温差不同、电流不同原理制成的温差电偶温度表。另有一些测温元件，如铂电阻、热敏电阻等。 气压是地球大气圈的大气对地球表面和周围大气产生的压强，测量气压的仪器常用水银气压表。 湿度是指大气中所含水汽多少的量，测量湿度的仪器有干湿球湿度表和毛发湿度表。干湿球湿度表实际上由两支温度表组成，其中一支绑有纱布，很显然，是用水分蒸发导致温差变化的原理来反映湿度的。 二是特殊观测。常规观测是每个气象站在每天规定时间，按照一定程序进行对规定内容的观测。特殊观测不同于常规观测，这主要反映在观测内容和观测位置上。一方面，特殊观测要观察目前变化比较大、并可能对未来气候产生很大影响的一些内容，如二氧化碳、甲烷、臭氧、酸雨、气溶胶粒子，这可以称为大气化学观测；另一方面，特殊观测主要把观测范围集中在地面以上一公里内，这叫边界层观测。大家可以猜到，这主要是因为边界层与我们生活生产活动太密切。 特殊观测的历史并不长，我国只有二十多年的经验。由于特殊观测对所涉及的知识、仪器精度、观测条件要求很高，所以难度很大。我国对大气的化学观测有一定的成果，如酸雨曾经在部分省市进行专题观测与研究，一个酸雨观测网已经建成。据悉，我国与美国、澳大利亚等国还展开了一些特殊观测的合作，成果显著。 特殊观测是适应新形势需要而产生的观测，它在未来将变得越来越重要，一些新型的观测项目会增加。因此特殊观测会得到加强，但这并不意味着常规观测就不重要。事实上，我们的天气预报的主要根据仍然来源于常规观测。可以说，将来这两种观测会互为弥补，各分秋色。 处处有警惕的眼睛 夜阑人静时，伴着甜甜的鼻息声，你进入了梦乡；白天，你兴味盎然地走在行人如织的大街上。你可知道，此时此刻，从地上到半空中乃至太空中都有一双双不知“疲倦”的眼睛，警惕地注视着地球大气的一举一动，时刻防备它搞一幕幕“恶作剧”，给地球人类造成伤害。 疏而不漏的地面观测网 地面观测网由各地地面气象站、自动气象站、气象观测塔等组成。 （1）地面气象站： 地面气象站有气象观测员连续不断地对天气进行观测。他们用眼睛观测各种气象要素，如云量、能见度、雨量、风向、风速等。一般地说，这只能得到估算的数据参数，经验很重要。此外，他们还用各种仪器设备来测量大气的温度、湿度、气压、风力等。在这里，温度常用摄氏度 （℃）表示，湿度常用相对湿度、水汽压或露点湿度来表示。气压计算单位是百帕。风向用方位来表示，风速要在10米高的风杆上测量，其单位是米／秒。地面气象站观测项目很多，雨量、蒸发量、日照量、地温、积雪、太阳辐射等都应包括在里面。要强调的是，地面气象站的观测方法很统一，它们都要参照联合国气象组织和国家气象局制定的《观测规范》。观测的仪器性能、规格和计量单位也要符合国际标准。不用多的解释，大家已经明白，这无非是想保证观测结果的准确性和代表性，以便于比较。 （2）自动气象站： 自动气象站就是没有人工操作、完全由仪器自己完成测定地面各气象要素的全自动气象站。它们常常被安置在高山、海洋、沙漠、高原上。由于地球表面面积广大，人力物力有限，建设地面气象站的数目不可能很多，自动气象站弥补了地面气象站的不足。 自动气象站发展到现在已有三代。第一代研制于本世纪50年代末，当时它只能测量温度、湿度、气压、风力、风向、降水等少数几个要素。60年代中期，由于半导体元件和脉冲数字电路的普及，第二代自动气象站产生。它的感应元件能观测云高、降水、辐射总量、雷暴等。但是这种气象站不能自动处理观测资料。70年代后，自动气象站已发展到第三代，电子计算机和卫星通信技术的兴起，使自动气象站自动化程度大为提高。 目前，全世界投入运行的自动气象站有几千台。有一些国家还建立了自动气象站网系统，称之为自动气象遥测系统。这种系统由中心站和野外站组成，中心站控制着野外站，野外站的主要任务是观测，它由铁塔、传感器、电子线路等组成。我国在“七五”期间就研制出了自动气象站，它们分别安装在内蒙古、青海等地，定期通过静止卫星向地面接收站发送各种气象信息，效果良好。 但是，自动气象站并非完美无缺。它需要定期检修，它的观测项目有限，而且其准确性和可靠性赶不上目测，所以，它只能是一种地面气象站的辅助物。未来的气象站或许是两种气象站的有机结合，就像计算机不能完全代替人一样，将来的气象站只会模糊两者的界限。 （3）气象观测塔： 气象观测塔是一种特殊的气象观测装置。前面说过，特殊观测不同于常规观测，而气象观测器恰好是为特殊观测而设的。 气象观测塔常常是用来观测大气边界层的有效工具。其实，用于边界层探测的东西很多，如系留气球、低空探测仪、特殊飞机、声雷达、激光雷达、红外和微波探测器等。但它们的观测效果有很大的局限性，主要是间断不连续，而且因为不是直接探测，结果需要核对，所以人们对之并不十分满意，而气象观测塔却有这方面的优势。 用气象观测塔对大气边界层的观测，作为特种观测来看，目的很明确，其了解的是对地表几十米至上千米这一范围大气的温湿度，以及高度分布随时间的变化状况。这种观测能为数值天气预报提供不同高度的准确数据。另外，它对高层建筑设计也给出了一些参考资料，因为不同高度的建筑对风力的考虑不容忽视，能否节省建设资金，又提高质量，是建筑设计的重要问题。 气象观测塔，有专一性质的，如我国1979年在北京北郊建立的高约325米的专用气象塔；也有多用途的，如一些电视塔、广播塔、导航信号发射台，气象观测只是其“业余”任务的一部分。不过，这些塔身都是用钢筋混凝土筑成的，升温快，降温也快，为了避免观测仪器受塔体的影响，一般仪器感应部分都离塔体较远，形成水平伸臂。所以，这些塔从近处看去，像全身长满了长长的刺似的。 数不清的空中观测员 这儿的空中观测员可不是地面气象站的观测人员，它们是在空中进行各种气象探测的工具。从空中对各种大气现象进行探测，改变了过去气象观测的单一形式，呈现出一种立体的效果。 （1）风筝： 风筝能够飞上天，当然可以用于大气探测。据说，大约在1749年时，携有温度表的风筝就到达了云层深处进行过温度测量。大家熟悉的科学家富兰克林也于1725年把风筝升到了雷雨云中，从而证明了闪电与摩擦生电是一个道理。所以说，风筝在大气探测史上还有过功勋呢。风筝最大的好处在于它设备简单、造价低廉、上升容易，但是它的上升高度有限，充其量不过三千多米。再者风筝容易断线，在地面建筑物和丛林多的地方还不能施放。这样一来，到19世纪之后，风筝就只作为玩具形式而存在了。 （2）探空气球： 早期的气球充满了热空气，后来为了安全，由乳胶制成的气球出现，灌入适量的氢气，借助空气的浮力就可以上升。现代的载人气球高度已达三十多公里，是在本世纪60年代创下的纪录，对于探测大气的风筝高度来说，是个不小的突破。气球用于大气探测大约是在1893年，当时法国使用的是橡胶做成的气球，上面携有气象仪器升到了16公里的高空。早些时期，气球上面的气象仪器需要气球破裂，然后摔下来后才能获得各种气象数据；而现代常常使用无线电探空仪器，无需回收。 气球探测可以分成以下几种： 一是系留气球，又称风筝气球。它用绳索维系在地面上，其形状有的像船，有的像球。气球上面都带有测量温度、湿度、风向、风速的仪器。这些仪器要么用无线电发送测得的数据信号、要么直接采用有线传输的方式。系留气球的高度可以由绳索控制，不过一般只有几百米，它主要用于低空大气的探测。 二是探空气球。这种气球下面悬挂着探空仪。探空仪带有温度、湿度、气压三个传感器、转换器和发射机。气球升空后，会随时把测得的气压、温度、湿度等数据转换成无线电信号，再发送到地面，地面再经过信号转换得出探测结果。探空气球有的很低，只能测定2000米以下范围的大气物理状态；有的很高，可达到3万米的高空。我国的探空气球可达离地面2.5万米以上的位置。 目前全球约有一千多个高空气象观测站，每天定时施放探空气球，由此获得常规的高空气象资料。这些资料可以加工成气象台预报人员使用的高空天气图。 三是平衡气球。它也叫无外力气球或定高气球。此气球施放后，球体可以保持在某一高度上，随着空气水平飘移。如果使用经纬仪和测风雷达，就可以判断其所在的位置；再根据其时间的变化，就可以求出同一高度层的大气各个气象数据。 平衡气球有的定点于平流层上，顺着西风带，可以围绕地球飘行。平衡气球的探测仪器和无线电发报机常常靠太阳能电池来供电，其信号则通过卫星直接转发到地面接收站。 四是“母球”系统。它包括一个大型气球和在飘飞途中逐次下投的探空仪。探空仪在下落时一边探测大气一边发报，母球接收到它的数据后，再经过卫星中继站传给地面站。 （3）气象火箭： 火箭有上千年的历史，但现代火箭投入运用的时间却不长，致于气象火箭的使用年限更短。目前使用气象火箭进行大气探测的国家有二十多个。一些国家，如美、苏、英、法、日等设置了许多气象火箭探测点，建成了全球气象火箭网，定期发射火箭，互相传递信息。我国的探空火箭已能发射到离地面120～140公里的高度，在海南省还建有探空火箭发射场。 火箭飞行依靠的是它本身携带的固、液体燃料，它的速度快，可以达到上百公里的高度，因而它填补了气球和卫星所在高度之间空白区的大气探测。但是火箭飞行的时间短，仪器因空气摩擦产生的温度也高，而且火箭本身需要制导系统，这些都给火箭的大气探测带来了不便。为了取得更大的收获，一些光学经纬仪、高精度气象雷达、计算机等常常与气象火箭配合，以弥补气象火箭的先天性不足。 运用火箭探测大气的方法有以下几个：一方面，火箭在上升途中运用其所带的仪器直接测量，这种方法常见于早期，现已淘汰；另一方面，火箭在上升时，可以按时将其携有的仪器分开，仪器再依靠降落伞缓慢下降，自动测量；还有一个就是火箭在上升或下降时，陆续释放出不同的仪器。这些仪器有的是探空仪，它们将所测的温度、湿度、气压和风向的数据，通过无线电发射机准确地发回地面；有的是各种跟踪物，如纳云、金属丝、无声榴弹、带反射靶的气球带，用以测量不同高度的风速、风向等。还有的你怎么也想不到，它们竟然是取样瓶，在取得空气样品后，能返回到地面。 气象火箭的类型有大有小。小的只测几种常规要素，大的能探上十种要素。气象火箭美国有洛基、阿卡斯型号；日本有MT—135型号；英国有大鸥火箭；俄罗斯有MP—100和MMP—06型号等。 （4）多面手的飞机： 飞机的诞生到现在还不到100年，但由于飞机有其卓越的性能，这使它在高空大气探测上显示出得天独厚的优势。飞机在垂直高度和水平范围的机动灵活性都比较好，因此它比气球、火箭的本领要大得多。飞机在气象上得到运用的有螺旋桨飞机和喷气式飞机；也有少量中低空飞行的各种飞机，如直升机。 飞机有一个最大的优点，就是能够载上各种遥感仪器。这等于是说在空中设置了一个气象平台，有利于提高天气预报水平。另外，经过特殊改装后的飞机可以在台风眼中飞行，在核爆炸后的蘑菇云中飞行，甚至可以在积雨云的附近探测云中的水量及气流分布的情况。当然，飞机还可以用来人工降雨，这里已是题外话了。 气象飞机是为了填补空中气象情报的不足，或者是为了执行某种特殊任务而用的，它需要安装有特殊的仪器设备。一般地讲，气象飞机除了装有测量大气温度、湿度、气压、风速、风向的仪器和数据处理机外，部分的还有红外线、微波遥感设备，用以测量海水温度、云粒子分布、臭氧等。 飞机的外表也很独特，如有的飞机机身某处有凸出的雷达天线罩，它是为保护雷达而设置的，为的是使雷达天线更方便地获取云、降水、台风、冰雹等数据参数；还有的头部有一个尖尖的鼻子，可别以为它是歼击机的空速管，其实它是特地用来测量温度的设备。 （5）运筹帷幄的雷达： 雷达运用于气象上，是二战期间的事。由于雷达在搜索敌方飞机、舰艇目标时，云和雨在荧光屏上的意外出现严重干扰了军事搜索，但受其启发却产生了气象雷达。此后，精明的英国人首次用军事雷达对一块降水云体进行了成功的观测，并做出了天气预报。于是，各种气象探测雷达如雨后春笋般地发展起来。 气象雷达是如何测定天气的呢？说到这儿，大家会情不自禁地想起蝙蝠飞行和捕食的原理。没错，蝙蝠靠的是嘴发出的超声波，它的耳朵能接收回声，并由此判断前方障碍物的位置距离。气象雷达的发射机按时通过天线发射高频的电磁波，电磁波遇到云雨等目标后，经过折射、散射、绕射，就产生了回波，雷达天线接收后再交给接受机处理，这样就观察到了云雨的存在。电磁波的传播速度是每秒30万公里，根据发射脉冲和接收回波的时间间隔，经过核算，就可以得出云雨和雷达之间的距离。另外，根据雷达天线的仰角与方位角，也可以确定降水的性质和降水强度。 气象雷达测定内容有测云、测雨、测风、测雹等等。测云和测雨雷达使用的波长较短。如有用8.6毫米或1.25厘米波长的测云雷达，测量不降水的云；用波长3.5或10厘米的测雨雷达，可探测可能降水的云。10厘米波长的雷达宜用于探测大粒子降水（如冰雹）或大范围强降水（如暴雨、台风雨）。测风雷达常需要悬挂有一个角反射耙的气象气球的帮助。 雷达按使用效应不同也可分成不同种类，这里举多普勒雷达、声雷达、激光雷达简要谈谈。 多普勒雷达，是用多普勒效应来测定云和降水粒子等运动速度的雷达。 激光雷达，是利用一种特殊的光——激光制造的雷达。激光亮度高，方向性强，发射角小，有人称它为“目光犀利”、“明察秋毫”，一点也不为过。它的亮度比太阳光还高，红宝石激光器产生的亮度比太阳光要亮上百亿倍，可以看到大气中的气体分子、烟尘等溶胶粒子。而且它单色性好，一般普通光源有很宽的光谱，而激光只有单一频率。激光雷达中，红宝石激光雷达有几十年的历史，我国在1966年就研制出了第一台百兆级的红宝石激光雷达。激光技术发展很快，并出现了分枝，如多普勒激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达等，它们在监测大气环境方面起了不少作用。 声波在不均匀的大气中散射本领要比无线电波和光波大，利用这一特点制造出来的雷达叫声雷达。大气温度、湿度、风速变化对声波折射率的影响，一般要比无线电波和光波要大上千倍，所以声波的散射量要比无线电波和光波长。 声雷达最简单的用途就是测定大气中某些目标物的位置。如果要测定大气湿度，则需要通过发射两个不同频率的声波；如果再加一个温度，就要发射四种不同频率的声波。声雷达对低层大气的遥感探测成效显著，它造价低廉，使用方便，深受各国的青睐。我国在1975年就研制出了声雷达，据悉，在大气探测方面已经取得了可喜的成果。 雷达技术发展迅速，目前与之相关的一些较完善的探测系统相继问世。如计算机与天气雷达相联的数字化天气雷达探测系统，它已经远远超出了对天气现象的监测，对洪水预报、江河水位的监视都完成得很好。再如多普勒天气雷达系统，它对警戒龙卷风有特殊的本领。还有一些天气雷达系统，如双波长雷达探测系统、圆盘振波雷达系统，也在发展中。 巡天遥看的卫星 自从1960年1月美国第一颗气象卫星泰罗斯1号升空以来，俄罗斯、日本、中国、法国等都拥有了自己的气象卫星。气象卫星的问世，为太空探测大气翻开了新的一页。 气象卫星不同于气球、飞机、火箭等直接运用气象仪器探测，因为它使用的是遥感技术。遥感技术，就是不实际接触被测对象——大气，而是从远处高空感知事物的性质。但它又不同于雷达的遥感，如微波雷达、激光雷达、声雷达都需要人工主动地发射波动信号，通过回收大气相互作用信号来摸清大气的状况；气象卫星只利用天体信号源 （如太阳），或直接接收大气本身发射的信号 （大气信号源），就可达到探测的目的。按专业述语讲，它属于被动探测系统。 气象卫星利用它的探测器，接收被测目标发射或反射的电磁辐射，就可以测出大气的性质与状况。气象卫星有两个杰出作品，叫可见光云图和红外云图。可见光云图，简言之，就是用照相方式获得的云图，它用辐射仪器直接接收大气反射的太阳光成象。可见光云图很直接，只与反射率有关，如白色部分可能是反射率高的积雪和厚云；黑色的可能是反射率低的陆地或海洋。红外云图也不难理解，因为任何物体都具有温度，温度不同，发射的红外辐射就不一样，根据这种原理就可以得到一张反射不同物体的红外特别图象。当然，我们看到的电视卫星云图是经过计算机加工处理的，并非原图。 气象卫星可以探测大气的温度、湿度以及不同气体的含量。如波长为6.3微米左右的水汽对红外辐射吸收能力很强，如果在卫星探测器上装有波长为6.3微米的滤光片，就可以发现大气中的水汽含量。气象卫星的探测能力正在逐渐增强，它已由最初的电视摄象方式发展为扫描辐射仪和分光计 （可见光、红外和遥感的结合），可以获取昼夜高低分辨率云图和大气要素以及环境参数的定量资料。卫星资料的传输已发展为速率更高、抗干扰力更强的数字制方式；在资料处理方面，人机对话系统已经建立。 气象卫星按运行轨道可以分成两种，一种叫地球静止气象卫星，高度约为36，000公里左右，绕地球一周的时间为24小时，正好与地球自转速度相同，因而，从地球上看，好像卫星是静止不动的。目前，全球上空的静止卫星每30分钟可获得一张云图照片，通过连续图片的拼接，可以知道云的移动形势、高度、湿度、海水温度等。地球静止卫星已经发展了几代。在这之中，欧洲气象卫星组织已经和准备从1988年到2006年，分别发射3—7、MSG—3，共10颗气象卫星；印度将从1990年到1998年分别发射印度卫星1d、2a、2b、2e气象卫星；日本从1984年到1999年要发射向日葵—3———5号，气象卫星—1号共四颗卫星；美国从1987年到2004年要发射地球静止环境业务卫星—7、I～M号六颗卫星；俄罗斯计划从1994年到1997年发射电子—1，电子—2气象卫星。 另一种叫极地轨道气象卫星，高度约为800～1000公里。它每天围绕地球运行14圈，可以对世界各地巡视两遍。由于这种卫星采用的是太阳同步轨道，所以每天几乎在同一时间经过同一地区的上空。显然，每天获得的观测资料由于时间相同，因而具有可比较性。极地轨道卫星探测的内容除了静止卫星的以外，还包括洪涝灾害、森林覆盖、气压、臭氧总量等。极地轨道气象卫星也发展了几代。目前美国有实验研究性气象卫星雨云系列；前苏联从1969年开始发展了流星系列，包括Ⅰ型和Ⅱ型。我国从 1988年开始已发射了风云号系列卫星。最近在十几年中，一些国家和地区还将发射新的极地轨道气象卫星，这包括：欧洲气象组织预计2000年发射的极地轨道气象卫星—1———3；美国国家海洋大气局预计到2006年发射的—11、—12、—J———N、NPOESS—1———3，共11颗卫星；中国预计到本世纪末以前发射的风 9云—1C、—1D型卫星；俄罗斯预计到2 000年发射的流星2—21、3－5～8、3M—1～2六颗卫星。 日益密集的天气监测网 随着科学技术的发展，科学家们已经不满足于单纯的依靠气象站、飞机、火箭、雷达、卫星的大气探测，而是把它们统一地规划，系统地结合起来，从而形成了一张奇特的天气监视网。 从1962年初开始，世界气象组织就开始着手制定世界天气监视网计划，即 WWW计划 （World Weather Watch）。第五届气象组织大会批准了WWW的第一期计划。WWW计划是世界上对地球大气监测规模最大的计划。 与此相应，世界气象组织还制定了全球大气研究计划。其中第一次大气试验从1977年到1984年引人注目。可以说，这次全球大气试验是第一次全球性的系统观测大气的尝试。当时，气象专家们为第一次全球大气试验设计了一个综合观测系统，它包括基本观测系统和特殊观测系统。基本观测系统以世界天气监视网的地面观测系统和气象卫星观测系统为主。特殊观测系统是反映在特殊观测时期所特有的特殊观测手段。 在第一次全球大气试验期间，世界气象组织 150个成员国大约有9200个地面观测站每天进行定时观测；约有850个探空站每天进行1～2次释放探空气球活动。在海洋观测方面，约使用了五十多艘专业船、7400艘商业船、17架专用气象观测飞机、八十多架航空公司的飞机、三百多个定高气球。我国的实践号、向阳红9号探测船参加了这次活动。在气象卫星观测系统方面，有五颗静止气象卫星和五颗极地轨道气象卫星参与了行动。这个规模庞大、组织复杂、经历时间长的国际性大气探测活动为世界监视网的建立打下了良好的基础。 目前世界天气监视网比较完善，它由三大系统，即全球观测系统、全球资料处理系统、全球电信系统组成。全球观测系统已经形成了立体网络，它有地面观测网、陆地海洋观测网、卫星观测网；全球资料处理系统包括世界气象中心处理系统、区域气象中习资料加工处理系统、国家气象中心资料加工处理系统；全球电信系统有三级通信线路和三级通信中心。前者包括主干线及其支线、区域通信网和国家通信网；通信中心包括世界气象中心、区域通信枢纽和国家气象中心。世界气象中心有三个，区域气象中心有30个。 世界天气监视网的建立，为大气探测提供了良好的条件，它必将提高天气预报水平。随着科技的发展，新型探测仪器会不断增加，探测的规模、广度也会扩大；那时，气象观测仪器密切协作、互相配合，组成一个密集的“疏而不漏”的天网，任何大气现象也休想逃出它的眼睛。 |
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