大部分天气发生在对流层内。大气层约8英里（13公里）厚，直接位于地球表面之上，且包含着大气（按重量计）的90%。对流层的状态变化迅速。因此，尽管技求有了进步，但现在两周以上的预报仍然是不可靠的。除了辐射（这可通过气象卫星进行观测），其他产生和改变天气的过程不能直接测定，而必须根据大气变量的观测值进行计算。气象人员所测定的主要变量是温度、降水（雨或雪）、风、湿度、云、气压和空气中污染物。 1.1.1气象学的发展
气象学的发在19世纪后期气球首次到达16公里的高度之前，气象观测人员只能主要依赖他们从地面所能得知的情况。这些资料中大多数是定性的。亚里斯多德的巨著“气象学”（成书于公元前约350年）是那个时代的杰作。直到亚里斯多德死后2000年左右，即1593年前后伽利略发明温度表及1643年托里拆利发现气压表原理之后，才首次进行了仪器测定并将记录保存了起来。历史最长的是在巴黎自1664年以来一直连续地记录的测值。美国最长的记录是它1779年以来在索至狄格州纽黑文市所保存的记录。
对来自不同地点的天气观测资料进行比较，得出了天气系统移动的概念。1743年在杰明·富兰克林使用邮件收集到天气报告去跟踪猛烈风暴的路经。他发现虽然沿大西洋海岸的风是从东北方向吹来的，但许多风暴到达波士顿要比到这费城晚一些。观测台站网和19世纪初电报的发明使得天气体利益可以根据广大地区同一时间取得的观测资料进行绘制。不久人们认识到了空气在顺时针向和反时针向的巨大旋涡中运
动，它们覆盖着直径达500—Ｉ000英里（805—1609公里）的圆形区域。在北半球这些旋局分别叫做反气旋和气旋，而在南半球它们是反方向旋转的。在纬度30到60度之间的地区，它们通常向东运动，每天移动500—1000英里（805—1609公里）并带着各自云系前进。 9世纪的气象观测员获知反气旋区通常是天气晴好的地区，而在气旋区内则有狂风降水发生且温度变化迅速。对这些特征，挪威气象学家威尔海姆·皮叶克涅斯和他儿子雅各市曾作了相当精辟的描述。1920年他们发现温度变化及恶劣天气来临主要是与风剧烈变化的明显分界线（他们把这叫做“锋”）相联系的。沿气旋中心前的暖锋是来自热带地区的暖空气。在冷锋上这一暖气团则为极地来的冷空气新的爆发所取代。这一发现给预报员们提供了一个借以分析天气现象的模式。如果天气变化是符合某一逻辑推理的模式发生的，那末就可运用数学计算作出预报。
大约在应叶克涅斯的气旋模式问世的前后，气象学进入了一个迅速发展的时期。为航空发展所促进，高层大气观测成了日常工作。飞机本身也提供了在越来越高的高度上测定气压、气温和湿度的工具。风则通过观测陆地台站施放的气球所经的路径来研究。二十世
纪三十年代出现了无线电探空仪，这是一种可以吊在气象气球下在上升过程中发送压、温、湿资料的仪器。自四十年代雷达臻于完善以来，无线电探空气球一直通过无线电讯号进行跟踪，从而使得风的测定即使天空云层密布也可进行。
第二次世界大战以来技术装备的发展扩大了人们对大气的认识。现在，气象情报是通过飞机、远洋船只、漂移浮标、系留浮标以及陆地台站来收集的。雷达跟踪系统测定乱流、风速、空气污染以及大气成分。气象监测卫星持续贤视全球天气。使气象人员在新的天气系统刚形成时就能发现。计算机对所收集到的资料作出评价并进行数学计算以推断未来几天或几周的天气状况。全球天气研究方面的国际合作已经大大增加了时效更长的预报的可能性.
1.1.2天气过程
技术装备的进展已使气象人员可对决定天气的各种过程进行比较精确的研究。现对这些研究中一些比较重要的课题讨论如下：辐射是能量以电磁波形式由太阳输送到地球和大气及返回空间的过程。所有天气现象实质上都是由辐射过程所引起。入射的太阳能中约王分之二被地球表面和大气中的水汽和二氧化碳所吸收。余下的三分之～则被地球、大气和云反射回空间去了。所造成的地球热收入由热损失特别是热通过水分蒸发过程（此过程需要耗费能量）的损失所抵销。
地球获得的辐射能分布是不均匀的，地球向大气输送的能量也是如此。所有空气运动和天气系统从根本上来说都是由这种不均匀加热造成热由暖区流向冷区所引起的。尤应指出的是，在热带增收能量的同时，极地在冬季不断损失热量。极地地区的气候因巨大风系不断地把较暖空气向极地输送，把较冷空气向赤道输送而得到暖和。
由于有了不同类型的气象卫星，可在全球范围内对太阳辐射及其效应进行观测。
乱流运动（湍流）是把热量、水汽和其他物质输送给大气的随机的、小尺度的运动。乱流运动还在能量消散中起着重要作用，因为（借助于乱流）能量可从大尺度运动中转移到小尺度运动中去，再转变成热能，即热。当风速发生脉动以及当地表的加热产生浮力的时候，就要产生乱流。当风基本静息，而乱流被抑制，烟尘及其他污染物质就以烟雾形式滞留于地表附近。乱流运动还可把植物种子、病毒及其他有机体激活到整个对流层。乱流运动因其杂乱无章的特性最适宜于用统计方法进行分析。近地层大气乱流的计算机模拟被用来计算污染物质的扩散以及用来鉴别导致污染物过分集中的条件。
云是水滴或冰晶的积聚物。水汽凝结发生于非常小的盐粒、尘埃或烟粒上。这些叫做凝结核，它们在大气中含量是十分丰富的。当空气处于接近百分之百的相对湿度时，即使
温度远低于冻结点，小水滴也可形成。要达到雨滴的大小，这些云滴的直径必须增大达一百倍。
冰晶可在冻结核上发展起来。这些冻结核来自某些土壤的尘位，也有可能来自陨石尘。由于冻结核数量远小于凝结核，所以水滴可在低达-40Ｆ（－40℃）的温度下存在而不冻结。这种状态叫做过冷却状态。如果冰晶进人过冷却云，这种云可能变成冰晶云。我们可以通过对大气引进人工核（如碘化银），使过冷却云变成冰晶云。
冰晶与过冷却水滴相互作用影响了云中电荷。当在对流云中小水滴冻结时，就产生电。电荷分离，正电行上升到云顶部，负电荷下降到云底层。当其间电压足够大时，就出现闪电。
1.1.3大气总环流
天气以多种尺度出现。规模最大的空气运动称为总环流，包括引起日常天气变化的风系。这些风系又控制象雷暴这样的小尺度运动。大气中空气这种永不止息的环流引起某一特定年份出现的地球上温度、降水、风和云量的巨大差异。
正如卡尔·古斯塔夫·罗斯贝在1940年所发现的，在温带由西向东的宽阔高空气流形成了一连串的…长波‟。之所以叫“长波”，是因为一个波的东西向长度可以长达三千到五千英里（4826到8046公里）。长波数目，其移动速率及根幅都随时间而变化。它们在很大程度上左右着天气类型的变化。在这一波状的西风气流中有一中心风带叫做急流，其速度每小时150到200英里（即每小时241到322公里人有时还要大些。沿着这一风带的轴通常出现最急剧的天气变化。
1.1.4科里奥利力
流向极地的暖空气及流向赤道的冷空气（这些气流运动使地球上热量分布得以平衡）是引起所有运动的推动力。然而为了理解大气总环流，我们还必须考虑地球的自转。风通常是根据在地球上静止的观
测者的观点来描述的。由于这一参考系，即地球是不断旋转的，所以在静止参考系中直线的运动，对地球上的观测者来说似乎变得弯曲了。这一效应叫做科里奥利力，这是根据法国数学家加斯帕德·古斯塔夫．科里奥利而命名的。风遵循这一流型而吹：在北半球风向偏右，在南半球偏左。所以，地球自转产生西风、东风以及南风、北风。
大尺度的大气运动主要是因地球目转才存在的。尤其要指出，由于气压和科氏力相互作用而平衡，才使空气倾向于作匀速运动。这种受到平衡的风就叫做地转风。因此，空气
基本上是沿压力等值线即多压线运动的。由于这一重要关系，所以对大气中气压分布的分析是气象工作的重要手段。
1.2大气运动理论的发展探空气球
1.2.1流体力学背景
流体力学背景
十七世纪三项并行的发展为流体力学的成长铺平了道路。它们是：（1）流体是一种可对固体运动产生阻力的气体或液体的连续性物质的概念；（2）质量、动量和机械能守恒的运动诸定律的形成，它们不仅适用于固体而且还可用于流体的弹性作用（即声音传播）；（3）微积分的发展。这些科学发展在牛
顿（1699）和莱布尼兹（1693）的著作中达到了顶峰。他们的工作继承了前人——特别是伽利略、笛卡尔和开普勒的重要实验成果和思想成果，以及年代更早的阿基米德的流体静力学工作。
“经典”流体力学的发展是在十九世纪中叶完成的，与热力学原理几乎同时确定。在流体力学发展中一些杰出的学者是Ｄ．伯努里（1738）、达朗伯（1752）、欧拉（1755）、拉格朗目（1781－1789）、纳维（1882）、斯托克斯（1845）以及赫姆霍兹（1858，1868）。在十九世纪快要结束时人们开始重视真实流体的湍流不稳定属性（如布辛尼斯克、凯尔文、雷利、普朗特、泰勒、施密特、海森堡、柯莫格罗夫以及其他许多学者）和热对流特征。重大的非经典流体力学向气象学的发展则是皮叶克涅斯对他的环流定理的系统阐述（1898），这第一次展示了在大气和海洋中十分重要的密度变化的动力学效应。
1.2.2大尺度大气运动
信风成为第一个得到合理解释的大气运动特征是不奇怪的。它是人们所认识到的与全球日射分布具有同样尺度的第一个有规律的大气运动现象。最早作出尝试性解释的是哈利（1686太地把这一现象归因子太阳绕地球的西行视运动。他只限干在认识到对流作用这一点上是正确的。真正提出地球自转效应的是哈德莱（1735）还有独立进行研究的道尔顿（1843），他们推测被对流驱使沿经向向赤道运动的空气应向西偏转。但是他们没有认识到在自转的地球上向任何方向运动的空气都会发生偏转。这一事
实首先是由科里奥利（1835）和泊松（1839）归纳成数学形式而由特雷西（1843）正确地用于气象学以解释风暴的旋转特性。达夫（1837）在哈德莱理论上又加上这样观点，即所观测到的中纬度的非规律性运动是由于极地气流与赤道气流的交锋。这一含糊的（虽然部分是正确的）观点一直没有得到实质性的阐明而被保留到十九世纪末。与此同时，莫里（1855）根据他对半球海洋上风的测值纪录提出一个新的经向环流模式。按照他的说法，这个模式还能够说明
中纬度盛行西风带的形成原因。这一模式的缺陷促使费雷尔（1856）提出一个从力学角度讲比较圆满的模式，在其中包括了一个使他成名的中间环流圈。Ｊ·汤姆森（1857）也独立地提出了一个类似的模式。不满足于仅仅提出描述性的物理观点，费雷尔第一次列出大气运动方程组并以恰当的近似植获得了一个符合于他的模式特征的解（1859－1861）。这标志着现代动力气象学的开端。一个附带的结果是地转公式，它把白贝罗风压场关系经验法则置于数学基础之上。费雷尔理论的进一步精细化则是由别人，特别是戈德堡、莫恩（1876一1883）和奥伯拜克（1888）所完成的。然而最有意义的新观点是由赫姆霍兹（1888）提出的。他认识到了摩擦的重要性，他作为普通流体力学不连续理论（1868）的创始人，把这一理论用于波状云并且还提出极锋的波状涡旋扰动观点。这后一观点为赫尔曼斯发展（1894），提出了探讨大气中气旋和“主”气流的正确关系的最新思路。
在十九世纪大部分时间内，气象学者都在争论…局地‟风暴成因的解释（关于其旋转性质和移动性质及其对大气的重要性在此世纪初已确定下来），主要是把它看成与反气旋区或与大气环流没有什么关系
的一种独立现象。争论的焦点（直到该世纪晚期才清楚地认识到。如冯·贝索尔德，1893）是关于风暴运动的能量来源。而在这个问题上的混乱是可以理解的，因为缺少象人们很容易遇到的信风尺度那种明显的热强迫机制。埃斯皮、卢米斯、费雷尔以及戈德堡和莫恩等研究者认为风暴主要是因对流潜热释放所驱动。这一观点似乎可由对风暴热力结构的观测所证实。
然而，以汉恩（1891）为首的研究者却根据欧洲山区的观测资料得到了相冲突的证据。这使他们提出主气流的某种形式的动力不稳定是能量的来源。这一问题的解决已成为这世纪主要成就。
1903年马古勒斯说明了风暴怎样通过高地对流翻腾获得它们的能量，而在1906年。他导出了锋面不连续的平衡条件。后来（挪威）卑尔根小组和柯茨钦（1935）解释了气旋怎样才能由于锋面波动不稳定而生成；此过程既包括为达到平衡所需要的来自切变运动的动能输送，也包括由上下翻腾机制造成的势能的转换。与此同时，他们解释了所观测到的不同地方的风暴的热力特征上的差异是如何形成的，它是由风暴移动并从对流阶段演化到非对流阶段时的波动结构变化而引起的。（在稳定性研究中一个必不可少的附加成果是从皮叶克涅斯为大气运动的分析引进了扰动方程。）其后一个重要贡献是杰弗里（1933）对气旋和反气旋在大气动量收支方面的重要意义的讨论。高空波比有关的低空气旋是更为重要的能量储所的发现，以及其后在二次世界大战前的罗斯贝（根据赫姆罗兹淄区定理）和大战后的查尼、伊迪、弗焦夫特、伊莱亚森、斯塔尔、郭晓岚、洛伦茨和菲利普析这些学者对高空波的理论分析，最终导致了确定大气中大尺度运动的相当完整的概述，而以菲利
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