天氣學

**天氣學**（英語：meteorology）是把大氣當作研究的客體，從定性和定量兩方面來說明大氣特徵的學科，集中研究大氣的天氣情況和變化規律和對天氣的預報。天氣學是大氣科學的一個分支。

## 發展歷史

第一位建立天氣學的人是古希臘哲學家亞里斯多德。在他的專書《氣象匯論》中，他最先敘述和粗淺地解釋了風、雲、雨、雪、雷、雹等天氣現象，而這書是世界上最早的氣象書籍。直到 18-19 世紀，由於物理學和化學的發展以及氣壓、溫度、濕度和風等測量儀器的陸續發明德國人布德蘭繪製了第一張地面天氣圖，開創了近代天氣分析和預報方法。1835 年，法國人科利奧里提出風偏轉的概念；而 1857 年荷蘭人白貝羅提出風和氣壓的關係，他們的概念都成為大氣動力學和天氣分析的基礎。1854 年 11 月 14 日克里米亞戰爭期間，一場暴雨使亨利四世的軍艦及商船毀壞殆盡，造成 400 人死亡，當時的國防部長瓦揚（Vaillant）請天文學家于爾班・勒維耶負責找出原委。經過研究後，于爾班證明這場暴風雨在 11 月 12 日即已存在，且在兩天之內便自西北往東南方向襲捲整個歐洲。因此他指出影響天氣的大部份因子都具有遷移性。此次事件使他認為有必要發展天氣學，他促使這門學科在 1855 年獲得正式地位，現代天氣學就此踏出第一步。

1920 年前後，挪威的皮耶克尼斯父子提出了一套名為「極鋒學說」的理論，來說明中緯度地區的天氣變化情況。這套理論在 1920 年代發表之後，至今已有百多年，但仍然是今日作天氣預報的主要理論依據，亦為分析和預報未來 1-2 天的天氣奠定了理論基礎。1930 年代，無線電探空儀的廣泛使用，真正開始了三維空間的大氣科學研究。根據大量探空資料繪製的高空天氣圖，發現了大氣長波。1939 年卡爾 - 古斯塔夫・羅斯貝提出了長波動力學，他的理論亦對天氣預報有莫大的貢獻。到了 1950 年代至 60 年代，電腦、天氣雷達，衛星和遙感的技術的應用，使大氣的各種現象，大至大氣環流，小至雨滴的形成過程，都可依照物理學和化學的數學形式來表示，例如熱力學第一定律、偏微分。從而使大氣科學有了突飛猛進的發展。

## 研究方法

天氣學研究的方法主要有：

### 觀測研究

觀測研究是藉觀測去了解不同的大氣現象，可以說是天氣學理論的其中一塊基石，亦是一般氣象愛好者所關注的。觀測方法亦有很多種，氣象站、高空氣球、衛星雲圖、雷達回波圖等。觀測研究不只是觀測，也有一定程度的歸納和分析，例如一句「明天轉冷」，便是一種分析。此外，繪製天氣圖、整理熱帶氣旋路徑、氣候區域分類等，亦是觀測研究所要做的。

### 理論研究

理論研究有三大部份，除觀測外，物理和數學對理論研究亦很重要。理論可以從兩方面產生，一方面是從觀測數據中直接建立出來的，例如分析熱帶氣旋強度的德沃扎克分析法，另一方面是從物理理論或其他氣象理論演化出來的，例如地轉方程、氣壓梯度方程等。物理理論很多時需要數學的幫助，反過來說，數學語言有時更能使我們明白物理和氣象理論。

### 數值模式研究

現代的天氣預報即是建立在數值模式上，數值模式透過非線性方程式以及超級電腦的插點格運算，反演出一地區未來數天天氣。數值模式研究是較少人所認識的，它們都需要相當的理論知識、電腦程序技巧和實驗技巧。數值模式研究會把不同的物理和氣象方程，以電腦程序的方式放進電腦裡，再計算出未來溫度、濕度、氣壓、風向等變化，以協助天氣預報或理論研究。

比較有名的天氣數值模式有：

* 歐洲中期預報中心 [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 美國 UCAR MM5 [2] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 美國 UCAR WRF [3]
* 中國氣象局開發的 GRAPE [4] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

### 實驗研究

實驗研究同樣是較少人所認識的，實驗研究因數值模式研究的出現而比往日式微，但亦有其存在價值，例如要驗証某些理論，數值模式研究是做不到的。

另外，一些天氣學研究需要實地觀測數據，往往需要到野外進行實地考察、觀測，收集觀測數據。

## 天氣學概念與研究主題

* 大氣動力學
  * 干空氣氣體常數
  * 科里奧利力
  * 准地轉模型
  * 大氣波動
  * 長波動力學（羅斯貝波、開爾文波）
  * 淺水模型
  * 納維爾 - 斯托克斯方程
  * w 方程
  * 湍流（卡門渦街）
* 氣團、對流概念
* 雲和降水物理學
  * 雲凝結核
* 氣膠
* 雲的分類
  * 低雲、中雲、高雲、直展雲
  * 積雲、層雲、捲雲、積雨雲
  * 冰雲、水雲、混合雲
* 氣象要素、天氣預報
  * 氣溫、降水、濕度、大氣壓、風

* 天氣圖
  * 等壓線、位勢高度
  * 位溫、溫度遞減率
  * 渦度
  * 露點
  * 衛星雲圖
* 天氣系統
  * 鋒面（冷鋒、暖鋒、准靜止鋒、錮囚鋒）、高空急流、西風急流
  * 氣旋和反氣旋
    * 颶風或颱風
    * 溫帶氣旋
    * 副熱帶高氣壓
    * 冷渦
    * 熱帶輻合帶
    * 阻塞高壓和切斷低壓
  * 中尺度系統
    * 颮線
    * 對流雲
* 大氣光學
  * 暈、彩虹（霓）、華、峨眉寶光、假日
* 雷電
  * 閃電、雷、高層大氣閃電
* 氣候、氣象災害
  * 聖嬰現象、拉尼娜、季風、信風
  * 颱風、洪水、乾旱、沙塵暴、寒潮、熱浪、冰暴
* 天氣現象
  * 降水、霧、雪、陣雨、霰、冰雹、冰珠、凍雨、霧凇、冰針、露、霜、雨夾雪（霙）
  * 沙塵暴、霾
  * 暴風雪、暴雨、強對流天氣、龍捲風、下擊暴流
  * 極光、地磁暴
* 氣象觀測手段
  * 陸基（自動氣象站）、海基（測量船、浮標）、空基（航測）、天基（衛星遙感）
* 人工影響天氣
  * 人工降雨、人工除雹
* 氣象測量儀表和設備
  * 風速計、氣壓計、濕度計、溫度計、雨量計、風向標、雷達、地球觀測衛星、都卜勒雷達

## 天氣學的研究尺度

### 行星尺度（氣候尺度）

水平尺度達 10000 公里，大氣超長波，超大型系統如南亞高壓、熱帶輻合帶等。

### 大尺度

水平尺度大約 1000～10000 公里、時間尺度在幾周到數月，地區性大型天氣系統，比如蒙古高壓、夏威夷高壓、阿留申低壓、亞速爾高壓、西太平洋副熱帶高壓等。

### 中尺度（天氣尺度）

水平尺度 100～2000 公里，時間尺度一天到十幾天。研究對象如熱帶氣旋，各種規模較小的切斷低壓（或低渦）與阻塞高壓，鋒面過程等。

### 小尺度

水平尺度 100 公里以內，還有細分微尺度的（10 公里以內），時間在幾小時的尺度。研究對象如雷暴雲團、龍捲風、塵捲風等等，時效性要求極高，比較困難。

## 應用

### 天氣預報

天氣學主要應用就是天氣預報，根據天氣預報可以指導生產生活等多方面活動。以下其他天氣學應用主要就是天氣預報的應用。

### 交通

根據天氣預報，當災害性天氣來臨時有必要暫停航空、航船和鐵路交通。

### 工農業生產

當災害性天氣來臨時不宜進行某些工農業活動，比如暴雨時應當暫停施工，高溫低溫時減短或暫停施工。農業種植也需要考慮天氣狀況來安排各項生產活動。

### 戶外大型活動

戶外大型活動如奧運會、大型馬拉松等需要考慮天氣因素，天氣不宜時應當推遲或取消。

## 另見

* 極端價值學說
* 微天氣學
* 大氣科學

## 參考文獻

## 外部連結

* Glossary of Meteorology （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - From the American Meteorological Society, an excellent reference of nomenclature, equations, and concepts for the more advanced reader.