清代(1644~1911年)西方气象知识传入中国后,明末清初的中国科学家,对之进行了一些讨论,例如西方将大气分为“三际”(近地为温际、近日为热际、空中为冷际),方以智(1611~1672年)在其《物理小识》中加以评述,认为应考虑“日所到则暖、日去则冷”、揭暄(约1605年~?)则认为“西国三际之说未尽然也。向日则暖、背日则寒”。但中西气象理论的接触,必互相渗透。因此,此后中国科学家思考气象问题时,常受西方气象知识的影响是无疑的。上面提到的方以智的《物理小识》一书,系由其子方中通整理印行。该书强调“质测”,内容有多处涉及气象原理。如“气映论”谈大气折射现象,“声异”谈声的异常折射,“三际”谈雨、雪、雷、电、雹的形成,“风雷雨暘类”谈台风、南北风有寒温之异,东西风有湿燥不同,谈雨的预报、雹的形状、雨滴大小之故,谈霜前冷、雪后寒及雪花六出的原因,谈虹霓、谈风土、谈海市山市、阳焰、水影、旱浪,谈南北方雨暘之异。游艺对其老师熊明遇的《日火下降、赐气上升图》进行修改,附于所著《天经或问》一书之后。游艺的《天经或问》主要以问答方式,阐明天文和气象问题,对不少气象现象均有解释。揭暄所著《写天新语》,又名《璇玑遗术》,内容与《天经或问》相近。顾铁卿的《清嘉录》(约成书于1830年),按月介绍苏州风俗习惯,其中包括不少气候及节气的典故,如“看风云”、“冻狗肉”、“老和尚过江”、“田鸡报”、“麦秀寒”、“分龙雨”、“黄梅天”、“三时”、“拔草风”、“黄昏阵”、“山糊海幔”、“龙接”、“朝夜立秋”、“木樨蒸”、“风湖”、“处暑十八盆”、“重阳信”、“祭钉鞋”、“五风情”、“三朝迷路发西风”等。王士祯(1634~1711年)的《香祖笔记》,对台湾风信有详细说明,对台风与跟风的风力特征及出现月份的不同作了区别,还指出台风出现前的先兆及各月的飓日。19世纪末,盛星(1830~1899年)辑有《几暇格物编》一书,内容为康熙时期(1662~1722年)的科学言论或实验记录,内有不少涉及气象、气候的内容,如“蒙气”、“哈密引雪水流田”、“南方物性”、“山气(即山市)”、“风随地转”等。刘献廷(1648~1695年)在《广阳杂记》中指出气候会有变迁,要求对此进行记录,以便日后查对。吴鹄的《卜岁恒言》记录了扬州天气谚语,书中“风暴”一节,列出全年风暴在扬州出现的大致日期。黄叔敬的《台海使槎录》介绍了台湾省气候;肖雄的《听园西疆杂述诗》介绍了新疆气候;檀萃的《滇海虞衡志》介绍了云南气候。周煌的《琉球国志》介绍了赴琉球途中的风情风暴,以及桅顶电晕现象。清乾隆时,国家令鄂尔泰等搜集古来有关农业生产的著述,编成《授时通考》一书,把《天时门》放在最先。从这种编排及书名来看,对气象条件是十分重视的。在该门中分四季辑录农家作业及占候的内容。南怀仁(1623~1688年)在《灵台仪象志》中,介绍过测寒热、燥湿的两件仪器,即温度计和湿度计,说明其构造及用法。书中还列有测虹、云高等的方法。乾隆二十六年载源的《测园图解》介绍了方形测雨器及蒸发器,并注有用法,很有价值。乾隆时,李元的《蠕范》虽是一本动物学专著,但其中也有动物物候的内容。还记述了一些兆雨的动物表现,如鸟翅膀沉重、蚂蚁封住洞口等都是要下雨的征兆。咸丰时艾约瑟(1823~1905年)与张福僖同译《光论》一书,其中不仅介绍了海市屡楼原理,还绘有形成虹时日光过水滴受折射、反射、色散的图像。
1871年由金楷理与华蘅芳合译的《测候丛谈》,是明末后全面介绍西方气象学原理的又一部重要书籍。全书共分四卷,约六万三千宇。此书已采用“日心说”,而不用“三际”理论,它介绍了太阳辐射加热地面、海风、陆风、台风、哈得来环流、大气潮、霜露云雾雨雪雹雷、平均值及年、日较差计算法、大气光象等。清代后期,“气象学”称为“气学”。当时介绍西方气象仪器及观测方面的书主要有:江蘅和傅兰雅(1839~1928年)译的《测候诸器记》,费理饬撰的《测候易知》,华蘅芳和傅兰雅同译的《风雨表说》,徐寿和傅兰雅合译的《燥湿表说》,丁韪良(1827~1916)撰的《气学测算》和《气学入门》,傅兰雅撰的《测候器》等。同治年间,国家设同文馆,招收学生学习外文,吸收新技术,欲图自强。在《清会典》一书中,记有同文馆备科的学习内容,计有文字、天文、舆图、算学、化学、格致等七门课程。在格致学中,又分为力学、水学、声学、气学、火学(即热学)、光学、电学等,气象学属于格致学。另有动植物学、公法、及富国策(即农、工、商业)。同文馆有关格物的考试题目当中,每年均有一定比例的气象考题。例如1872年共出九道格物题(英文),其中气象占四题;1873年格物题十二道,气象占五题;1878年格物题六道,气象占三题,另在算学题中有气象题一道。清末的许多学校均开有格致或气学的课目,其教授多为外国人,教科书主要由他们和中国教师合译或合编,内容主要是西方气象科学。自此以后,我国的气象科学与西方气象科学已融为一炉,很难再有中西之分了。
(第二节)我国现代气象业务
一、现状及发展趋势
气象业务是指在气象及与之相关的领域中从信息的采集、传输存储、加工处理到应用服务的全过程。新中国成立以来,我国气象业务和服务工作稳步发展。特别是改革开放以来,气象现代化建设进展迅速,业务服务总体水平上了一个新台阶。
气象观测是指对地球大气圈及与之密切相关的水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈等的物理、化学、生物特征及其变化过程进行系统的、连续的观察和测定,并对获得的记录进行整理的过程。
气象观测系统按照传感器所处位置可分为天基观测、空基观测和地基观测系统。目前,我国已初步形成天基、空基和地基相结合、门类较为齐全、布局较为合理的基本气象观测系统。它们由气象观测、海洋观测、水文观测、冰冻圈观测、农业与生态观测、卫星观测等系统组成。
未来气象观测的发展趋势是:从人工观测到自动化遥感遥测;从定性观测到定量观测;从以地基观测为主到以天基观测为主;从单一的大气圈观测到地球各大圈层及其相互作用的综合观测;综合利用多种手段、多种技术,实现高准确度、高时空分辨率、连续、自动、一体化定量观测;各种观测数据的融合和处理技术受到高度重视;部门间和国际间的合作日益加强,观测资料的共享成为必然。
截至目前,我国已经建立了较完整的数值预报体系;数值预报产品得到广泛应用;专业气象业务以需求为导向,取得了较好的发展。业务产品在决策气象服务、公众气象服务和专业气象服务中发挥了显著作用。
未来数值天气预报将迅速发展,可用时效达10天以上,水平分辨率达1000米;天气业务将大大突破现有范畴,向地球系统领域延伸;各种资料的同化与融合更好地满足数值预报和预报业务的需要;专业气象服务的精细化、个性化和针对性显著提高;使气象服务的专业领域、用户的范围以及服务的区域更加广阔。
目前,国家层面上初步完善了由气候监测诊断、气候预测、气候影响评价、气候应用服务组成的新的业务系统;建立了动力气候预测系统。气候监测诊断和影响评价业务全面展开,并已建立起气候变化检测、预估、影响评估和适应对策等业务。
未来气候系统模式将得到显著发展,并向地球系统模式发展。短期气候预测将采用动力模式和物理统计相结合的方法,并逐步向以动力模式为主的短期气候预测业务过渡;气候监测、诊断、分析、影响评估等业务不断向定量化、多领域、多应用方向发展;气候变化业务工作将得到显著发展,气候变化检测和气候变化影响评估得到加强。
高性能计算机能力明显增强;建成了全国广域网系统;初步形成了资料和档案管理体系,逐步开始建立分布式数据库;水文、航空、海洋等部门的气象信息系统也取得了较大的发展。
未来10年,千万亿次的并行机将得到应用,我国也将有能力研制生产出突破万亿次的高性能计算机;全球范围的通信网络和信息技术将会持续快速发展;数据管理技术和数据处理技术迅速发展。
天气预报的预测准确率尚不能满足经济社会发展和人民生活水平提高的需求;气象探测和气象现代化水平不能满足需求,与发达国家相比差距较大;业务部门分散,资源不能充分共享;业务技术体制不完善,研究型业务有待完善;业务队伍整体素质不高,缺乏既懂业务又懂科研的领军人才和复合型人才。
二、发展目标
(一)构建一体化观测平台
获取各种气象要素和地球物理、大气化学参数以及气候系统五大圈层的地球物理、化学、生物和人类活动等若干要素,尤其是要特别重视发展以天基为主的对全球气候的观测能力,构建一体化的气候系统观测平台。
(二)构建气象信息管理共享平台
着力提高数字化、标准化、实用化、集成化和网络化水平。建成我国气象信息交换、共享的框架,形成信息共享平台,实现国家和省(市、区)级公共气象信息综合数据库的集成和信息的规范化共享。
(三)构建公共气象服务平台
建立具有国际先进水平的天气系统、气候系统和地球系统模式;发展10~30天延伸期天气预报能力;建成定量的灾害性天气临近预警预报业务,构建“无缝隙”预警预报系统;气候预测、预估时效延长到年代际,性能和准确率有显著提高。
开展空间天气历史观测资料的基础建设和相关科学研究,逐步形成规范的业务服务,力争接近世界先进水平。依托气象基本业务系统,以资料与信息共享为主要特征,大力发展专业预测技术,构建专业气象业务体系。
(四)建立多轨道现代气象业务技术体制
建立与我国气象事业发展战略和部门“三大战略”相适应,符合现代气象业务技术发展方向,结构完整、布局合理、功能齐备、综合配套的多轨道、研究型、集约化业务技术体制。业务体系由天气、气候、气候变化、大气成分、空间天气、人工影响天气、雷电、农业与生态气象等多个轨道组成,并能协调发展。
三、发展战略
(一)以天基观测为主综合发展
气象观测的总体发展方向是:遥感、遥测、连续、自动化,逐步形成高时空分辨率的综合观测系统,实现对气候系统信息的连续、全方位和高准确度观测,并向以天基观测为主,天基、空基、地基相结合的方向发展。
天基观测将实现对整个地球系统的高时空分辨率、高光谱分辨率、高辐射准确度和全球、全天候、多波段卫星观测。但是地基和空基观测仍然十分重要,它们将作为基础资料以及资料的基准和真实性检验手段长期存在下去。
(二)向地球环境领域拓展
人口、资源、环境、灾害等重大问题已经摆在各国政府和全人类的面前,任何一个学科都将无法单独解决,气象业务向地球环境领域拓展是必然的选择。
要在提高天气预报预测准确率基础上,延伸原有业务,拓展新业务。要在时间、空间、内容和学科四个方面延伸拓展。要注重从气候系统的角度进行创新拓展,形成新业务服务能力。
(三)大力发展数值预报
要大力发展数值预报系统,加强数值分析预报产品的解释应用工作。要十分重视预报员在高影响天气预报中的作用,不断提高高影响天气的预报水平。要加大气候系统模式和超级集合预报发展的力度。
(四)精细化“无缝隙”预报
精细化“无缝隙”预报服务包含了时间尺度从数分钟到百年,空间水平尺度从数百米到全球范围,空间垂直尺度从海洋表层到“空间天气”的信息预报和服务。精细化“无缝隙”预报服务将突出“精细”“无缝隙”“个性”“先进”的特点。
(五)全面推行质量管理
要建立气象观测、气象信息网络、预报服务的标准和规范;加强各类业务全过程的质量控制;完善业务流程,加强过程的监控和管理;加强产品的检验评估工作,尽快采用国际通用的标准和规范。
(第三节)我国综合观测业务
我国气象事业发展的方向是逐步形成对气候系统多圈层的一体化观测能力,从而获取各种气象要素和地球物理、大气化学参数以及气候系统五大圈层的物理、化学、生物和人类活动等要素。
一、气象观测业务的现状及趋势
(一)发展现状
1.地基气象观测
地基气象观测业务是以地面为传感器设置平台,以整个地球大气圈和相关圈层为观测对象的多门类观测系统。目前,我国已建立了由地面气象观测系统、大气特种观测系统、天气雷达探测系统、水文观测系统等组成的地基气象观测网。此外,海洋气象观测、生态观测、极地气象观测等正在发展之中,为现代化的气象综合观测业务发展奠定了基础。
2.空基气象观测