过去几个世纪的气象观测

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  气象学一直是人类关心的问题。人类第一本著作中就有丰富的气象描述，比如在所有文明中都广为流传的关于洪水的神话。在中世纪的欧洲，编年史学家直接记录天气事件（风暴，寒冷等）或者通过葡萄收获日期间接记录天气事件，但直到16世纪末才出现了第一批对大气状态进行科学描述所必需的测量仪器。到了17世纪，为了定量地描述地球的气候特征便提出观测网络这个概念。接下来在1860年，电报以及更广泛的传输技术的发展使得可以利用气象观测来预测天气。在20世纪初，随着天气预报的发展高空天气观测受到关注逐渐增加。自1960年以来，也开始用卫星进行气象观测。今天，天气观测数据被存档和储存在数据库中并被用于数值天气预报或气候变化模型。

1. 器测时期以前的观测

1.1. 第一本著作

  所有有关古代人类历史的文献都提到了天气事件，其中最有名的事件可能是大洪水。摩诃婆罗多描述了一颗彗星点燃了地平线并带来一场持续12年的暴雨震撼场景。在《圣经》中，彩虹标志着大洪水后降雨的结束和神与人之间的新约（见图1）。

  中国有着最长的天气观测历史。早在公元前1216年，天气现象每隔十天就被用文字记录下来，其中甚至还标明了风向。迦勒底或巴比伦的巫师也在泥板上留下了对天气现象的描述。而希腊人认为则气象学是一门科学，大约在公元前334年，亚里士多德写了第一本气象论文，将气象观测与物理而不是神的行为联系起来 [1]。

1.2. 中世纪到17世纪的欧洲

  历史学家伊曼纽尔·勒·罗伊·拉杜里（Emmanuel Le Roy Ladurie）利用中世纪学者留下的编年史来了解人类的历史及其遭受的气候灾害。他使用天气观测资料作为直接和次要的资料来源，例如葡萄采摘日（图2）、收获日以及产量和质量，天气对这些时期的具体到来日期具有重要影响[2]。其他历史学家也使用天气观测资料作为研究的辅助补充资料，例如用于修正过去文章的日期[3]。有关预测天气的谚语（其中一些甚至可以追溯中世纪）也证明了人类观察天气并试图预测其变化。

2. 观测仪器

  尽管很久以前就有气象观测仪器存在的证据，但大多数测量气象要素所需的仪器直到16世纪才被发明出来。

2.1. 气压计

  托里拆利（Torricelli，1608-1647）第一个提出了气压计的原理并在1644年通过一个充满水银的管子证明了大气压力的存在(图3)。帕斯卡（Pascal，1623-1662）在1648年指出，用托里拆利管测量的大气压力随着海拔的增加而减小。1663年，他发明了一种虹吸气压计[4]。英国科学家罗伯特·博伊尔（Robert Boyle，1627-1691）在1665年首次使用气压计这个名称[5]。从那时起，气压计经历了许多变化和发展，其中最重要的一个是卢西安·维迪（Lucien Vidie，1805-1866）对它进行的改进。卢西安·维迪为19世纪的科学考察提供了一种便携式、无汞的仪器：无液气压计。无液气压计包括一个可变形的金属盒子（被称为维迪（Vidie）胶囊），其中部分是真空的，它的压缩受到弹簧的限制，而弹簧的张力是压力的函数。Vidie胶囊仍然是当今许多气压计的敏感元件。

2.2. 温度计

  即使我们知道一些古希腊的物理学家，拜占庭的菲罗（Philo）或亚历山大的希罗（Hero）测量了气温的变化，一些17世纪的科学家也声称是他们第一个开始测量的。巴洛梅奥·泰利乌（Barlomeo Telioux）在1611年解释了利用温度计测量温度的原理，即可以通过测量水柱的高度来估计气压和温度的变化（图4）。

  意大利医生桑克托里奥·桑克托里奥（Santorio Santorio，1561-1636）在1612年使用温度计来诊断病人的发烧程度[6]。荷兰人科内利斯·德雷贝尔（Cornelis Drebbel）在1621年发明了一种具有基本功能的温度计：一个装有一个长长的锥形颈部的玻璃气球，可以插入装满水的容器中，水可以在管子里升降，当病人把手放在球上时，释放的热量会使球体内的空气膨胀，并将水位降低到一定的高度，可以通过定期重复实验并每次测量这个高度来监测温度变化[7]。

  在1641年的佛罗伦萨，桑克托里奥（Santorio）在托斯卡纳大公费迪南德二世的支持下完善了温度计：将水封在一个密封的管子里以消除了大气压力的影响。德国的大卫·华氏（David Fahrenheit，1686-1736）通过将水银注入一个封闭的玻璃管中并通过标明刻度范围来提高其可靠性。瑞典人安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius1701-1744）提出了一个标度，其中零对应于水的沸腾，而100对应于冰的融化温度。一旦将上述数值颠倒过来，这个标准就逐渐变成了现代水的温度变化的参考值。1954年，开尔文成为测量温度的国际单位，在摄氏温度加上273.15便从摄氏温度转换到开氏温度。然而，世界气象组织（WMO）仍然在一些文件中使用摄氏温度。

2.3. 湿度计

  在列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）的《亚特兰蒂斯》手抄本中收集了许多从1478年至1518年间绘制的科学和技术图纸，其中便有湿度计的最初模型：该模型的一个托盘装有海绵，另一个托盘装有石头的称重装置，它可以用来测量空气湿度的变化，因为海绵的重量会随环境湿度的变化而变化，而石头的重量则保持稳定。

  已经在前面温度计章节中提到意大利的桑克托里奥·桑克托里奥（图5）也提出了几种可能测量湿度的方法。17和18世纪的几位科学家也发明了某些测量空气湿度的仪器，而瑞士的霍勒斯·本尼迪克特·德·索绍尔（Horace Benedict de Saussure，1740-1799）发明了毛发湿度计（图6），这是一种简单、廉价、便携的仪器，长期以来一直用于气象观测[8]。

2.4. 风速计

  如果说观测风向自古以来就很普遍的话，那么直到1450年里昂·巴蒂斯塔·阿尔贝蒂(Leone Battista Alberti，1414-1472)提出了一种根据标板绕水平轴移动的角度来估计风力的改进的风向标以后测量风力才算是第一次正式出现。1664年，英国人罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635-1703）发明了一种能同时测量风向和风力的风速计。1806年，英国海军上将弗朗西斯·蒲福爵士（Sir Francis Beaufort，1774-1857）根据对一艘三桅护卫舰的观察，在风速计里引入了一种非常简单的数字刻度[9]。然而直到1846年，托马斯·罗姆尼·罗宾逊（Thomas Romney Robinson，1792-1882）发明了杯型风速计（图7），风力测量才被认为是相对可靠的。了解风速计是如何进行测量的是很重要的，因为风力是一个在时间和空间上变化极大的气象要素。

3. 观测网络

  测量仪器的发展使当时的科学家能够比较其测量结果，以确定测量区域的气候。费迪南德二世（图8）托斯卡纳大公在西门多学院的主持下在11个城市（佛罗伦萨，比萨，瓦隆布罗萨，库蒂利亚诺，博洛尼亚，米兰，帕尔马，奥瑞斯，奥斯纳布鲁克，因斯布鲁克，华沙）设置了气压计和温度计并收集了10年观测数据。1667年，来自天主教会的敌意使得这个气象观测网络被迫停止运作[10]。

  1776年，皇家医学会在法国创建了一个气象观测网络，以研究周围环境的天气与疾病之间的联系。该网络由一位奥尔特里亚神父路易·科特（Louis Cotte，1740-1815年）来组织和运作：他列出了要使用的仪器，设定了仪器的安装和维护条件，提供了要填写的表格，并组织了仪器的收集和数据的归档。1784年，该网络包含了来自世界各地的76个观测站。位于曼海姆的普法尔茨气象学会从1780年起选择了57家机构进行合作并与之交换气象观测资料。在1792年，法国大革命事件使得这些观测网络停止运作，幸运的是，由科特[11]（图9）和普法尔茨学会收集的观测记录[12]得到了保存。

  尽管观测网络被迫停止运作，一些爱好者，尤其是农民和医生仍继续进行气象观测。在法国，第一本《法国气象年鉴》直到1848年才出版，其中汇集了许多爱好者自发收集的气象观测资料。查尔斯圣克莱尔·德维尔（Charles Sainte-Claire Deville，1814-1876）和埃米利安·雷诺（Emilien Renou，1815-1902）于1852年提出并创立了法国气象学会（SMF），接管了该年鉴的出版。

  专业气象服务的建立为不同的网络提供了必要的一致性，以便于观测数据的实际应用。1864年奥本勒维耶（Urbain Le Verrier，1811-1877）在法国利用小学教师培训学院网络在法国提供气象观测。1865年，气象委员会部门成立。1914年，该委员会管理了一个由2000多名志愿观察员组成的网络（图10）。

  在德国，气候学家威廉·马尔曼（Wilhem Mahlmann，1812-1848）在1847年成立的普鲁士气象研究所中定义了区域气候的概念，并组建了气象观测网络。在1833年创建的布鲁塞尔天文台，每天都有气象观测记录，而朗伯阿道夫雅克凯特勒（Adolphe Quetelet，1796-1874）则利用这些观测记录进行统计并试图确定天气根据时间演变的物理规律。1850年成立的伦敦皇家气象学会，结合了早在1848年的英国报纸《每日新闻》上就有的英国气象观测资料出版了不同城市的天气观测表。在1853年，海军上将罗伯特·菲茨罗伊（Admiral Robert Fitzroy）就提出了基于海上观测数据的预测规则，但直到美国人马修·方丹·毛利（Matthew Fontaine Maury）在同一年实现的海上观测数据的标准化，海上观测数据才可以被所有人使用。

  詹姆斯·波拉德·埃斯佩（James Pollard Espy，1785-1860）向美国国会建议每个县都应配备气象站，包括气压计，温度计和雨量计。美国国会同意了他的请求，这些观测使他早在1841年就可以绘制天气图。然而，美国直到1870年2月9日才成立了气象局。

  世界气象组织于1873年在维也纳成立，第一任主席是英国人查尔斯-亨利（Charles-Henri Buys Ballot，1817-1890）（图11）。该组织的主要目的是交换气象观测数据，因此它侧重于数据标准化和定义它们的传输编码。

4. 观测数据的传输

  1851年，在伦敦世界博览会上，电报公司展示了一张地图，上面显示了收到地图时的时间状态、风压和方向。通过电报或无线电迅速交换气象观测结果使这些观测网络变得越来越重要，因为可以在收到观测数据几个小时内对其进行分析使得预测天气成为可能，而不再仅仅只是用于研究气候。

  1855年，奥本·勒维耶（U. Le Verrier）在法国（图12）向拿破仑三世证明，电报气象观测网络的存在可以让他避免塞瓦斯托波尔灾难。

  1854年11月14日一场风暴使得法国舰队大部分损失了大部分，而如果有适当的观测网络的话，这场风暴是可以预测到的（塞瓦斯托波尔灾难）。

  1856年，法国决定建立一个通过电报传送观测数据的国际气象服务机构。

  1857年11月2日，《巴黎天文台国际公报》发布了一份气象观测表。

  1863年9月7日，出现了第一张欧洲前一天的等压线地图（图13）。

  威尔海姆·布兰德斯（Wilhem Brandes，1777-1834）通过以四张地图为例（1821年12月24日至26日之间从英格兰到挪威的强低压区）撰写了他于1826年发表的论文[13]。

5. 高空观测

5.1. 探空气球

  1898年，莱昂·泰瑟伦·德·博尔特（LéonTeisserenc De Bort ，1855-1913） 开始使用风筝和气球对大气进行垂直探测。 1899年，他论证了平流层的存在。 但直到第一次世界大战，人们才认识到这些观测的意义所在，并建立了一个探空站网络。

  1927年，罗伯特·伯克（Robert Bureau，1892-1965年）和皮埃尔·伊德拉克（Pierre Idrac，1885-1935年）发明了无线电探空仪，这使在地面上通过无线电接收气球携带的仪器的测量值成为可能（图14）。在出现卫星数据之前，这些观测值是数值天气预报模式中同化的主要来源。

5.2. 卫星观测

  第一颗气象卫星TIROS-1于1960年4月1日发射升空。1966年，地球同步卫星 ATS1提供了地球和大气层中的云层形成壮观影像。人们决定对地球用气象卫星进行全面观测。第一颗地球同步卫星美国号于1974年发射升空。欧洲卫星 Meteosat 于1977年发射升空（图15）。

5.3. 雷达观测

  1889年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz，1857-1894年）提出了通过电磁波检测金属表面的原理。在第二次世界大战期间，当操作员例行使用雷达探测飞机时，发现了与降水有关的回波的存在。

  随后科学家建立了雷达测得的反射率与降水强度之间的联系（Z-R定律）。美国气象局由此开发了第一台降水探测雷达WSR-57。法国于1980年代[14]在安装了诸如位于丹马丁的Melodi雷达之类的飞行雷达之后（图16）建立了为法国提供雷达气象覆盖的Aramis网络。

6. 在数值天气预报和气候模式中的应用

6.1. 数值天气预报模式

  路易斯·弗莱·理查森（Lewis Fry Richardson，1881-1953年）于1922年提出了如何从一组气象观测结果中计算其演化的方法[15]。 1938年，卡尔·古斯塔夫·罗斯比（Carl-Gustav Rossby，1898-1957年）提出了更简单的方程来计算温带地区的变化量。 1946年8月，约翰·冯·诺依曼（John von Neuman，1903-1957年）在普林斯顿组织了第一届“动态气象学和高速自动电子计算”会议。朱尔·查尼（Jule Charney，1917-1981年）设计了第一个模型，并于1950年3月在阿伯丁的ENIAC（图17，第一台数值天气预报的计算机）上对其进行了测试。即使要花五周时间才得出了三个结论性预测，第一次数值预报也算是成功进行了[16]。

  通过对气象观测值的分析，第一套24小时天气预报于1954年由气象局发布。在法国，直到1970年随着Amethyst预报模型的发展，以无线电探空仪观测作为输入数据的数值预报才开始投入使用[17]，但是其预报范围仅限于法国市区，时间跨度为3小时[18]。

6.2. 气候模式

  与数值天气预报模式不同，气候模式不需要一直输入气象观测数据，而是将观测数据用于定义大气的初始状态，然后模型根据已定义的规则和假设（例如，100年期间的温室气体含量[19]）计算气候演变。此外，观测数据还被用于验证模型模拟和重建过去气候的能力，从而得出其与模拟的未来气候的相关性。气候模式使用的是均一化的气象观测数据，以消除到它们在不同观测条件下的差异和变化。 世界气象组织（WMO）启动了一项庞大的气象观测记录恢复（数据救援）项目去帮助研究人员获得观测数据（图18）以重建地球最近的过去气候[20]。

7. 需要记住的信息：

• 16世纪气象观测仪器的出现使得我们可以开始观测大气状态。
• 标准化的气象观测网络的建立使得我们可以将测量数据用于气候观测和对比现在和过去的地球气候。
• 19世纪下半叶，电报的出现使得人们可以进行快速的交换观测数据从而预测天气。
• 在20世纪两次大战中，航空业的发展和气象资源的投入，使人们对大气有了更充分的认识。
• 20世纪70年代，计算机和卫星的发展标志着气象观测从仅观测到用于预测天气和研究气候变化的一个历史性转折点。

 

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参考资料及说明

封面图片：50年代的气象观测。[图片来源:©法国气象局]

[1] FIERRO A. (1991). History of meteorology. Paris: Denoël

[2] THE ROY LADURIE E. (1967) History of climate since the year 1000. Paris: Flammarion

[3] LITZENBURGER L. (2015), A City Facing Climate: Metz at the End of the Middle Ages, Nancy: PUN

[4] PASCAL B. (1663) Treatises on the balance of liquors, and the gravity of air mass…Paris: Guillaume Desprez

[5] JAVELLE JP, ROCHAS M., PASTRE C., HONTARREDE M., BEAUREPAIRE M., JACOMY B. (2000), Du baromètre au satellite, Paris : Delachaux & Nestlé

[6] JAVELLE JP, ROCHAS M., PASTRE C., HONTARREDE M., BEAUREPAIRE M., JACOMY B. (2000), Du baromètre au satellite, Paris : Delachaux & Nestlé

[7] RENOW E. (1876), Histoire du thermomètre, Annuaire de la Société météorologique de France, n°24, http://bibliotheque.meteo.fr/exl-php/oaidoc/DOC00028778.html

[8] AVELLE JP, ROCHAS M., PASTRE C., HONTARREDE M., BEAUREPAIRE M., JACOMY B. (2000), Du baromètre au satellite, Paris : Delachaux & Nestlé

[9] JAVELLE JP, ROCHAS M., PASTRE C., HONTARREDE M., BEAUREPAIRE M., JACOMY B. (2000), Du baromètre au satellite, Paris : Delachaux & Nestlé

[10] FIERRO A. (1991). History of Meteorology, Paris: Denoël

[11] COTTE L (1774), Traité de météorologie, Paris: Imprimerie Royale http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k94863w

[12] SOCIETAS METEOROLOGICA PALATINA (1781-1786), Ephemerides Societatis meteorologicae palatinae, Manheim : Schwan, http://bibliotheque.meteo.fr/exl-php/vue-consult/mf_-_research_advance/ISO0000008104

[13] PARROCHIA D. (1998), Météores – Essay on the sky and the city, Paris:ChampVallon

[14] PARENT OF CHATELET J. (2003), Aramis, the French radar network for precipitation monitoring, La Météorologie, n°40, http://documents.irevues.inist.fr/handle/2042/36263(1922), Weather prediction by natural process, Cambridge University Press, https://archive.org/details/weatherpredictio00richrich

[15] RICHARDSON LF. (1922),  Weather prediction by natural process, Cambridge University Press, https://archive.org/details/weatherpredictio00richrich

[16] ROCHAS M., JAVELLE .-P. (1993), La météorologie : la prévision numérique du temps et du climat, Aubenas : Syros

[17] PAILLEUX J., (2002), Les besoins en observations pour la prévision numérique du temps, La Météorologie, n°39, p29-35, http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/handle/2042/36244/meteo_2002_39_29.pdf?sequence=1&isAllowed=y

[18] ROUSSEAU D., LE PHAM H, JUVANON DU VACHAT R. (1995), Vingt-cinq ans de prévision numérique du temps, La Météorologie, n°spécial, p129-134. http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/handle/2042/52038/meteo_1995_SP_129.pdf

[19] PLANTON S., DUFRESNE J.-L. (2007), Description of a generic organizational chart, Le climat à découvert, p150-153, https:https://books.openedition.org/editionscnrs/11431?lang=en

[20] JOURDAIN S., ROUCAUTE E., DANDIN P., JAVELLE JP, DONET I., MENASSERE S., CENAC N., (2015), Le sauvetage de données climatologiques, La Météorologie, N°89, p47-55

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译者：刘惠渊          审校：张文霞          责任编辑：胡玉娇