作者：气象昭回（笔名，LASG国家重点实验室 助研）
天气和气候与人类的身体健康和农业生产息息相关，从古至今人类从来没有间断过对天气和气候的关注与探索。中国春秋时代用圭表测日影来确定时长和二十四节气，秦汉时期就有二十四节气、七十二候的完整记载。
“……清阳为天，浊阴为地。地气上为云，天气下为雨；雨出地气，云出天气。”这段话出自秦汉时期《黄帝内经》，是对云雨天气现象形成原因的探索和描述，黄帝和岐伯等人认为天气气候现象是上天之气和地球共同作用的结果。他们对天体（包括日月和金木水火土五星）和地球运行规律引起气候的变化规律，以及气候对人体健康的影响，都有详细的讨论。书中二十四节气和中医保健养生的思想和方法仍在沿用，气候论述也被现代气象学者论证在一些地区是符合的。
而西方，现代科学的发源地，其气候一词（climate）源自古希腊文，指出各地气候的冷暖同太阳光线的倾斜程度有关。最早的气象书是古希腊亚里士多德撰写的《气象学》，认为天气现象是由火、空气、水和地四个元素相互作用造成的，一直影响到十八世纪。
虽然古人对气候具体的一些论述有些不正确，但那怜悯民众病苦的出发点、孜孜不倦地探索精神、放眼宇宙全局的系统观点，以及人与环境和谐相处的思想，一直是值得继承和发扬的宝贵财富。
现代科学更是孜孜不倦地求索，设立专门研究天气和气候的气象学，气象学属于大气科学，而大气科学起先是作为物理学的一个分支。随着对大气、海洋、人类生存环境的研究，以及对太阳、月球和行星的天体环境的研究，现代物理学、化学、生物学、数学、计算机科学、地球科学、大气科学等各学科的充分发展，为气候的研究提供源源不断的动力。
特别是近年来的全球气候变化、环境污染等问题，如空气中CO2持续增多、气候变暖、海平面升高、北极冰川融化和干旱暴雨等极端气候等，更是把各学科紧密结合起来，地质、地理、农林、生物学家等都用他们的角度研究气候，使气候的研究越来越广泛和深入，气候从只是单纯地对温度和降水等物理现象的描述，增添了更多的内容，变得更加系统和复杂起来。
下面，我们就以气象工作者的眼光，基本围绕着气候的科学概念、气候研究的方法，粗略看看气候和气候研究的大致情况。
简单地说，气候是某一个地区一段时间的天气状况的通常状态。国际气象组织定义的气候是一段时间内气象要素即基本物理量和天气现象的相对量值的平均和变率的统计描述。时间尺度可以为月、季、年、数年、数百年到千年以上。一些基本气象要素包括空气温度、湿度、气压、风向风速、云量云状、日照、辐射、能见度、降水、太阳辐射、雾等，是气象台、站、所每日观测的基本项目。大气与地球之间的能量、水分和物质随时间的交换也是气候的范畴，地球的每个地方都有其独特的气候，由物理属性（纬度、经度、高度、与海洋和其他水体的关系）决定，同时受周边生物环境包括土地覆盖和生态条件的影响。因此气象要素也不止这些，还包括地表蒸发、大气离子数、大气稳定度、大气透明度等。气候总是在演变，随着对气候认识的加深，气候的概念也在扩展。
二十世纪初，局地气候被认为是温度和降水长期平均值的年变化过程。根据地球纬度不同接受太阳辐射和地表特征的不同，把地球分为赤道、热带、副热带、温带、海洋性、大陆性、极区、雨林、沙漠、草原、冻原等多种气候带。研究方法以观测和理论为主。当然，这两种方法一直都是研究气候的主要方法。
二十世纪中叶的气候范畴不仅包括温度和降水，还包括高空和地表的所有大气特征，是由一组大气的长期统计特征量构成。气候不再限于大气自身的热量和水分收支，它也包括了大气内部的能量、水汽和动量的输送作用，这些输送已成为大气环流理论的基本因素。大气环流本身是一种气候现象，同时也是气候变化的内部因子，太阳辐射、地球下垫面，以及人类活动，都是影响气候的因子，内因和外因相互作用，综合影响气候和气候变化。大气运动遵循牛顿第二定律、质量守恒定律、热力学能量守恒定律、以及气体实验定律和水汽守恒定律等自然规律，根据大气运动遵循的基本物理规律给出相应的数学表达式，即动量方程、连续方程、热力学方程、状态方程和水汽方程等一组非线性偏微分方程组，经过简化和离散处理，建立模拟大气运动的闭合方程组，由已知初始时刻的大气状态，和太阳辐射、地球下垫面等作为外部参数和边界条件，来求解预报未来某一时刻的大气状态。这种抽象的数值模式方法，与观测诊断和理论分析，逐渐成为气候研究的三个重要方法。建立的大气模式可按不同用途分为数值预报模式和大气环流模式等，按区域可分为区域模式和全球模式等。大气环流模式即在这个时期建立起来的，逐渐发展成为气候模式。
二十世纪七十年代以来，气候学研究的范畴并不局限于大气的温度、大气压、湿度、大气成分等大气圈内的变化，已经拓展到海洋、冰雪和陆面等领域。因为大气与海洋、陆地表面、土壤和冰雪等介质之间一直进行着水分、热量、动量和物质的交换，必须深入认识这些交换过程和它们之间的相互作用，才能更好地研究大气环流呵气候，以及改进大气环流和气候模式。因此这时期陆面过程现场观测试验研究得到蓬勃发展，实施了一些大型国际核心研究计划（如GEWEX、IGBP和LUCC等），全球在具有代表性的主要气候或生态区相继进行了一系列陆面过程试验研究，如其中有代表性的FIFE、LBA、HAPEX、BOREAS和GAME等计划，我国在同期也相继开展了以HEIFE和TIPEX为代表的试验研究。观测实验的数据为理论研究和模式发展提供了检验基础，使我们对气候的认识加深，也使气候模式得到空前的发展。即随着大气环流模式的建立和发展，海洋环流模式、陆面模式和海冰模式等也纷纷建立和发展起来。这些模式先是独立发展，在单点或小区域内经过检验，然后再扩展到全球，耦合到大气模式中，再经过调整检验，从而代替原来大气模式中相应的简单参数化的模块，最终它们和大气环流模式一起发展成为包括海洋、陆面和海冰的耦合气候模式。
观测试验项目的实施和气候模式的耦合发展，把气候的基础理论研究提高到一个新的层次，形成了包括大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈等五个圈层组成的气候系统（图一）。如前所述，气候模式也从单纯的大气环流模式发展成耦合了海洋模式、陆面模式和海冰模式的气候系统耦合模式（图二）。这种气候模式是以地球流体（大气和海洋）为主体，固体部分只考虑陆面过程，模式只能描述系统的动力过程和物理过程，被称为物理气候系统模式。当然这些模式，包括后来发展的更高级的地球系统气候模式都可以简称为气候模式或气候系统模式。气候系统模式已经发展成为一个重要的手段，是理解气候系统的变化规律、再现其过去演变过程、预测和预估其未来变化的重要工具。
图一：多圈层相互作用
图二：LASG气候系统耦合模式框架示意图，包括大气、海洋、陆面、海冰四个基本子系统。
当前国际气候的研究，总体来说包括由气候系统各圈层相互作用过程引起的内部变化，外部自然因子包括地球轨道参数、太阳活动和火山活动等变化引起的自然变化，以及与人类活动相关的因子变化，如温室气体和气溶胶等大气成分变化、土地利用和土地覆盖变化等造成的人为变化三部分组成。毋庸置疑，气候本身内部的变化一直是气候研究的主要内容。
当前有很大努力在研究CO2增加等人类活动对气候的影响。地球生物圈活动和人类活动不仅直接改变地球大气成分、陆地土地利用和土地覆盖，而且调节着地表与大气之间的物质、能量、水分的交换。由于考虑生物圈的调节作用，必须系统认识清楚生物圈、人类活动及其与气候系统之间的关系。对气候的研究，正在从只考虑大气、海洋、陆面、海冰各圈层间能量和水通量交换过程的物理气候系统，走向进一步考虑碳、氮循环等生物地球化学过程的地球气候系统。预估全球CO2增加量释放到大气中对气候的影响，是无法用全球尺度的实际场地实验来真实模拟的。因此物理理论依赖于观测和模式模拟。观测的台站、网点的增多，卫星遥感技术的发展，获取的数据越来越多，不过数据的历史还不够长，也仍然有空白的区域。模式模拟仍然是重要的研究手段。气候模式从物理气候系统模式，走向进一步考虑碳、氮循环等生物地球化学过程的地球系统模式。即现今的地球系统模式的基础定义，是在物理气候系统模式的基础上，考虑大气化学过程，和模拟陆地生物和海洋生物碳循环过程的地球生物化学过程，能够反映地球各圈层之间的相互作用。
人类活动尤其是工业革命后使我们的气候和生存环境发生了巨大的改变，空气中CO2急剧增加。但人类对气候环境的最大的破坏也许只是毁灭了人类本身，太阳、地球还是照转不误，蓝天白云，千载空悠悠。因此也从未停止过对宇宙天体和地球内部的探索，随着科技发展，当前逐渐增加对空间天体和地球内部对气候影响的研究。在地球气候系统和地球系统模式的基础上，进一步考虑固体地球，如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等地质运动，和空间天气的影响，如太阳风影响大气环流、木星等行星对地球气候的影响。考虑固体地球内部运动，和空间天气的影响，将使地球气候系统的发展完善走向成熟阶段。可以设想一下，这也为宇宙气候系统和宇宙系统气候模式打下基础，即将来更好地考虑地球内部的动力热力等与气候的相互作用，以及天体和空间气候与地球系统的相互作用。
气候与气候的研究始终是因为关系到人类的福祉和与环境的和谐相处。古人说，领悟道理的人，向上通达天文，向下知晓地理，在中谙熟人事，如此可以长久。说的是懂得道理并且遵循道理生活，才可以幸福长久。气候研究到现在，已经基本上得出一些结论，近年来的全球变暖很大程度上是人类过度排放污染造成的。宗教家也说“不满和抗拒如同瘟疫一般四处蔓延，毒害着地球大气”，提醒我们不要过度放纵欲望。如何适当节约、保护环境，过简约平和幸福的生活，每个人可能都有自己的思索。当然对气候的求索之路还漫漫修远，怎么与环境和谐相处也是永远在调整。
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