“大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、水文科學(xué)”簡(jiǎn)介、含義、起源、歷史與發(fā)展

“大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、水文科學(xué)”簡(jiǎn)介、含義、

起源、歷史與發(fā)展

研究對(duì)象

覆蓋整個(gè)地球的大氣，質(zhì)量約5.3X1021克，約占地球總質(zhì)量的百萬(wàn)

分之一。由于地心引力的作用，大氣質(zhì)量的90%集合在離地表15公里高度

以下的大氣層內(nèi)，99.9%在48公里以內(nèi)。2000公里高度以上，大氣極其稀

薄，逐步向星際空間過(guò)渡，無(wú)明顯上界。大氣本身的可壓縮性、太陽(yáng)輻射、

地球的形狀和它的重力、地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)、地球表面的海陸分布和地勢(shì)

起伏、地球的演化和地球生態(tài)系統(tǒng)等是造成地球大氣特定組分、特定結(jié)構(gòu)

和特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的要緊自然條件。人類活動(dòng)及其對(duì)生態(tài)因素所起的作用，

是阻礙大氣組分、大氣結(jié)構(gòu)和大氣運(yùn)動(dòng)的人為條件。

地球大氣的組分以氮、氧、氫為主，它們占大氣總體積的99.96%o其

他氣體含量甚微，有二氧化碳、氯、氯、氨、甲烷、氫、一氧化碳、筑、

臭氧、氨、水汽等。大氣中還懸浮著水滴、冰晶、塵埃、抱子、花粉等液

態(tài)、固態(tài)微粒。太陽(yáng)系的九大行星，都存在大氣（見(jiàn)行星大氣）。地球大氣

中的氧氣是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，氧氣的顯現(xiàn)及其含量的變化，同地

球的形成過(guò)程和生物的演化過(guò)程緊密有關(guān)（見(jiàn)地球大氣演化）。大氣中的水

汽來(lái)自江河、湖泊和海洋表面的蒸發(fā)，植物的散發(fā)，以及其他含水物質(zhì)的

蒸發(fā)。在夏季濕熱處（如高溫的洋面或森林），大氣中水汽含量的體積比可

達(dá)4%,而冬季干寒處（如極地），則低于0.01%。水汽隨著大氣溫度發(fā)生

相變，成云致雨，成為淡水的要緊資源。水的相變和水文循環(huán)過(guò)程不僅把

大氣圈同水圈、巖石圈、生物圈緊密地聯(lián)系在一起，而且對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的能

量轉(zhuǎn)換和變化有重要阻礙（見(jiàn)大氣環(huán)流的能量平穩(wěn)和轉(zhuǎn)換）。大氣中的二氧

化碳含量受植物的光合作用、動(dòng)物的呼吸作用、含碳物質(zhì)的燃燒以及海水

對(duì)二氧化碳的吸取作用所阻礙，在工業(yè)進(jìn)展、化石燃料（如煤、石油、天

然氣）燃量增加、森林覆蓋面積減少的情形下，已觀測(cè)到二氧化碳含量與

年俱增。大氣中本來(lái)沒(méi)有或極少存在的如甲烷、一氧化二氮等氣體，由于

人類活動(dòng)的阻礙，近年來(lái)它們的含量也迅速增加。這些有溫室效應(yīng)的氣體

含量的變化對(duì)大氣溫度的重要阻礙，已成為研究現(xiàn)代氣候變化的一個(gè)前沿

課題。大氣中臭氧的含量專門(mén)少，即使在離地表20?30公里的濃度最大處,

其含量也不到這層大氣的十萬(wàn)分之一。然而大氣臭氧層能夠大量吸取太陽(yáng)

紫外輻射中對(duì)生命有害的部分，起著對(duì)人類十分重要的愛(ài)護(hù)作用。另外，

大氣臭氧層的存在，對(duì)平流層大氣的溫度也有重要作用。由于人類活動(dòng)對(duì)

高空光化學(xué)過(guò)程的阻礙會(huì)引起臭氧含量的變化，人類活動(dòng)對(duì)臭氧含量阻礙

的研究，已成為醫(yī)學(xué)界和氣象學(xué)界共同關(guān)注的咨詢題。

地球大氣的密度、溫度、壓力、組分和電磁特性等都隨高度而變化，

具有多層次的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。大氣的密度和壓力一樣隨高度按指數(shù)律遞減；溫

度、組分和電磁特性隨高度的變化不同，按各自的變化特點(diǎn)可分為若干層

次。

地球大氣按溫度隨高度的變化，由地表向上，依次分為對(duì)流層、平流

層、中層和熱層。對(duì)流層緊鄰地表，其中溫度隨高度增加而降低，平均每

升高1公里約減少6.52,至對(duì)流層頂溫度降到極小值。對(duì)流層中的對(duì)流運(yùn)

動(dòng)明顯，是熱量鉛直輸送的要緊操縱因子，云和降水要緊發(fā)生在這一層。

對(duì)流層頂?shù)母叨仍诔嗟赖貐^(qū)約18公里，中緯度地區(qū)約12公里，極地地區(qū)

約8公里。平流層位于對(duì)流層之上，平流層頂離地表約50公里。平流層中

的臭氧層吸取太陽(yáng)紫外輻射，是使這層大氣溫度隨高度增加而上升的要緊

因子。這層大氣溫度層結(jié)專門(mén)穩(wěn)固，其中的熱量鉛直輸送以輻射傳輸為主。

中層位于平流層之上，中層頂離地表約85公里，層內(nèi)溫度隨高度增加而下

降。熱層位于中層之上，熱層頂離地表約500公里。這層大氣由于吸取太

陽(yáng)紫外輻射，溫度隨高度增加而上升。熱層頂以上為外逸層，那兒大氣已

極稀薄，每立方厘米不到1019個(gè)原子（海平面處每立方厘米約1019個(gè)原

子）。

地球大氣按組分狀況可分為勻和層和非勻和層。離地表約85公里高度

以下為勻和層，層內(nèi)的大氣組分比例相同，平均分子量為常數(shù)。約110公

里高度以上為非勻和層，層內(nèi)大氣組分按重力分離后，輕的在上，重的在

下，平均分子量隨高度增加而減小。離地表85?110公里為勻和層到非勻

和層的過(guò)渡層。

地球大氣按電磁特性可分為中性層、電離層和磁層。由地表向上到60

公里高度為中性層。離地表60公里到500?10（）0公里高度為電離層。離地

表500?1000公里以上為磁層。電離層能反射無(wú)線電波，對(duì)電波通信極為

重要。磁層是地球大氣的最外層，磁層頂是太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)能密度和地磁場(chǎng)能密

度相平穩(wěn)的曲面。

地球大氣的運(yùn)動(dòng)專門(mén)復(fù)雜。地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及地球自轉(zhuǎn)軸的

方向產(chǎn)生了地球上的晝夜交替、四季變化和溫度自赤道向兩極遞減的規(guī)律。

由于海陸分布和地貌等的不平均性，地表的溫度并不完全按緯圈帶分布，

而出現(xiàn)出非帶狀的不平均分布。大氣的溫度、壓力和密度之間有緊密的關(guān)

系。大氣壓力分布（即氣壓場(chǎng)）的不平均會(huì)導(dǎo)致大氣的運(yùn)動(dòng)，大氣的運(yùn)動(dòng)又會(huì)

引起氣壓場(chǎng)的重新調(diào)整。大氣的水平輻合運(yùn)動(dòng)和輻散運(yùn)動(dòng)會(huì)引起大氣在鉛

直方向的上升運(yùn)動(dòng)和下沉運(yùn)動(dòng)，大氣的鉛直運(yùn)動(dòng)也會(huì)阻礙大氣的水平運(yùn)動(dòng)。

大氣通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行水平方向和鉛直方向的物

質(zhì)和能量的傳輸和轉(zhuǎn)換。整個(gè)大氣圈通過(guò)各種機(jī)制相互緊密地聯(lián)系在一起，

形成了空間尺度小至幾米以下、大至幾千公里甚至上萬(wàn)公里，時(shí)刻尺度短

至幾秒、長(zhǎng)至數(shù)十天或更長(zhǎng)時(shí)刻的多種大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。在阻礙大氣運(yùn)動(dòng)的

因素中，人為的因素在變化著（如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起大氣中有溫室效應(yīng)的氣

體增加，大面積森林砍伐等），自然的因素也在變化著（如火山爆發(fā)等引起

輻射能的變化，地球自轉(zhuǎn)軸方向的變化等）。有些變化是有規(guī)律的，有些變

化是無(wú)規(guī)則的。大氣的運(yùn)動(dòng)也就出現(xiàn)出既有規(guī)律性又有隨機(jī)性的特點(diǎn)。

大氣科學(xué)的研究對(duì)象——地球大氣，不管它的組分，它的結(jié)構(gòu)，依舊

它的運(yùn)動(dòng)，都存在著確定性和不確定性兩個(gè)方面。這正是大氣科學(xué)研究復(fù)

雜性的一面。天氣變化、氣候?qū)ｉT(mén)以及大氣質(zhì)量變化同人類的生活和生產(chǎn)

活動(dòng)休戚有關(guān)，正確的天氣預(yù)報(bào)、氣候推測(cè)以及改善大氣污染情形對(duì)人們

具有極大的迫切性，這正是大氣科學(xué)研究為人類緊迫所需的應(yīng)用性的一面。

這種艱巨而有意義的科學(xué)事業(yè)持續(xù)吸引著人們?nèi)ヌ骄康厍虼髿獾碾[秘。

研究特點(diǎn)

大氣科學(xué)研究不能僅限于大氣圈在地球表層，除大氣圈以外，還

存在著水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈，這些圈層組成一個(gè)綜合系統(tǒng)。大

氣圈中發(fā)生的各種變化都受其他圈層的阻礙；反之，大氣圈也阻礙著其他

圈層的變化。研究大氣運(yùn)動(dòng)的能源，大氣中的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和變化

過(guò)程，大氣環(huán)流及天氣、氣候的分布和變化，都必須考慮大氣圈同水圈、

冰雪圈、巖石圈、生物圈之間的相互阻礙和相互作用。如：大氣運(yùn)動(dòng)的全

然能源是太陽(yáng)輻射。但大氣直截了當(dāng)吸取的太陽(yáng)輻射能僅占到達(dá)大氣上界

輻射能的19%,大部分太陽(yáng)輻射能（約51%）是被地表吸取后，再通過(guò)感

熱通量、潛熱通量和輻射通量方式供給大氣的。這些通量受近地層大氣狀

態(tài)、地表的狀態(tài)（如海洋、陸地、植被、冰雪）及其熱力特性等所操縱。

又如：大氣的組分及其物理和化學(xué)性質(zhì)，除受大氣內(nèi)部物理、化學(xué)過(guò)程的

阻礙外，還受水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈的阻礙。海洋通過(guò)水的相變、

水汽通量和感熱通量過(guò)程，植被通過(guò)光合作用和散發(fā)過(guò)程，土壤通過(guò)水汽

通量和感熱通量過(guò)程等阻礙大氣的溫度、水汽和二氧化碳等的含量。火山

爆發(fā)和人類活動(dòng)等阻礙大氣中氣溶膠含量、大氣成分和輻射過(guò)程等。再如:

地勢(shì)起伏和植被狀況對(duì)氣流的摩擦作用，阻礙著地表和大氣之間的動(dòng)量交

換（見(jiàn)大氣角動(dòng)量平穩(wěn)）；大地勢(shì)對(duì)氣流的強(qiáng)迫繞流和強(qiáng)迫爬升及下滑作用，

阻礙著大氣的環(huán)流特點(diǎn)；海陸分布的不平均性，阻礙著大氣環(huán)流和天氣、

氣候的非帶狀分布和南北半球的非對(duì)稱分布。

大自然是大氣科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)基地大氣圈不是孤立的。在空間和

時(shí)刻上具有寬廣尺度譜的各種大氣現(xiàn)象也不是孤立的。它們種類繁多，相

互疊加又相互阻礙。即使同一類現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)也不盡相同。阻礙這些大氣

現(xiàn)象的因素專門(mén)復(fù)雜，人類至今還專門(mén)難在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用人工操縱的方法對(duì)

它們進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)和研究。只能以大自然為實(shí)驗(yàn)室，組織從局地到全球

的氣象觀測(cè)網(wǎng)，運(yùn)用多種觀測(cè)手段（如氣象衛(wèi)星、氣象雷達(dá)、飛機(jī)等）對(duì)

大氣現(xiàn)象進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)的觀測(cè)，專門(mén)是定量的觀測(cè)，以獵取資料；對(duì)有

關(guān)氣候現(xiàn)象還需搜集地質(zhì)考查、考古挖掘和歷史文獻(xiàn)等資料。大氣科學(xué)家

們通過(guò)對(duì)大量資料的分析和綜合，提煉出量與量之間的定性的或定量的關(guān)

系，歸納出典型現(xiàn)象的模式特點(diǎn)，如鋒面、氣旋、大氣長(zhǎng)波等，在模式的

基礎(chǔ)上運(yùn)用已知的物理學(xué)和化學(xué)的差不多原理以及數(shù)學(xué)工具和運(yùn)算技術(shù)進(jìn)

行理論上的演繹和模擬，導(dǎo)出新的結(jié)論。理論模式是否合理，還需回到大

自然的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行檢驗(yàn)，有些理論模式還有待于新的觀測(cè)資料加以證實(shí)。

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的理論才可指導(dǎo)實(shí)踐（如指導(dǎo)天氣預(yù)報(bào)等）。大氣科學(xué)正是通過(guò)

大自然那個(gè)實(shí)驗(yàn)室，遵循觀測(cè)（實(shí)踐）一理論一觀測(cè)（實(shí)踐）那個(gè)差不多

法則持續(xù)進(jìn)展，持續(xù)為社會(huì)的生產(chǎn)和人類的生活服務(wù)的。

國(guó)際合作是推動(dòng)大氣科學(xué)進(jìn)展的必要途徑全球大氣在不停地運(yùn)動(dòng)

著，而且是一個(gè)整體，一個(gè)地區(qū)的大氣運(yùn)動(dòng)受著其他地區(qū)大氣運(yùn)動(dòng)的阻礙,

不同尺度的大氣運(yùn)動(dòng)又相互作用著，其變化之快、變化范疇之廣、變化形

式之多，是自然界突出的。為把握大氣運(yùn)動(dòng)變化快、范疇廣、形式多的特

點(diǎn)，就必須對(duì)大氣進(jìn)行連續(xù)的、高頻率的、全球性的觀測(cè)。為把握全球大

氣的各種信息，必須在站網(wǎng)布局、觀測(cè)項(xiàng)目、資料處理規(guī)范、信息傳輸?shù)?/p>

方面作出統(tǒng)一規(guī)劃和求得和諧。全球數(shù)以萬(wàn)計(jì)的為天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行觀測(cè)的氣

象站，要在相同的時(shí)刻、用接近相同的儀器和觀測(cè)方法，在全球各地進(jìn)行

同步觀測(cè)；由氣象衛(wèi)星、氣象雷達(dá)等探測(cè)手段觀測(cè)的大量資料，凡用于天

氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的資料還要作同步處理。這些資料都要在觀測(cè)完畢后的短短數(shù)

十分鐘內(nèi)迅速集中到世界氣象中心和各國(guó)的氣象中心。再加上為數(shù)更多的

水文氣象站的觀測(cè)資料。資料的范疇之大、數(shù)量之多、傳遞之快是驚人的,

這是自然科學(xué)中的奇跡。這一切只有通過(guò)國(guó)際間的緊密合作才能實(shí)現(xiàn)。大

氣科學(xué)研究中的這種高度分散（觀測(cè)站點(diǎn)）、高度集中（資料迅速集中）、

高度和諧（觀測(cè)站址、觀測(cè)儀器和方法）、高度合作（國(guó)際間合作）的特點(diǎn),

是其他學(xué)科無(wú)法比擬的。

學(xué)科分支

大氣科學(xué)的分支學(xué)科要緊有大氣探測(cè)、氣候?qū)W、天氣學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)、

大氣物理學(xué)、大氣化學(xué)、人工阻礙天氣、應(yīng)用氣象學(xué)等。

大氣探測(cè)是一門(mén)研究探測(cè)地球大氣中各種現(xiàn)象的方法和手段的學(xué)科。

按探測(cè)范疇和探測(cè)手段劃分，大氣探測(cè)有地面氣象觀測(cè)、高空氣象觀測(cè)、

大氣遙感、氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等次一層分支。探測(cè)手段的飛躍往往帶來(lái)

以往難以估量的重大發(fā)覺(jué)，在大氣科學(xué)的進(jìn)展進(jìn)程中，大氣探測(cè)起了十分

重要的作用。

氣候?qū)W是一門(mén)研究氣候的特點(diǎn)、形成和演變以及氣候同人類活動(dòng)相互

關(guān)系的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容要緊包括氣候特點(diǎn)、氣候分類、氣候區(qū)劃、氣候成

因、氣候變化、氣候與人類活動(dòng)的關(guān)系、氣候預(yù)報(bào)和應(yīng)用氣候等。20世紀(jì)

70年代以來(lái)，全世界發(fā)生幾次氣候?qū)ｉT(mén)，許多地區(qū)糧食產(chǎn)量大幅度下降，

引起世人對(duì)氣候的嚴(yán)峻關(guān)注。工業(yè)生產(chǎn)引起大氣中二氧化碳和其他有溫室

效應(yīng)的氣體（如甲烷、一氧化二氮等）含量逐年增加，若干年后它們對(duì)地

球氣候?qū)l(fā)生什么阻礙，也是專門(mén)令人關(guān)懷的咨詢題。電子運(yùn)算機(jī)的采納,

促進(jìn)了對(duì)氣候變化物理因子和氣候模擬的研究，氣候推測(cè)已不再是虛無(wú)縹

緲的難題，而已成為一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的課題了。

天氣學(xué)是一門(mén)研究大氣中各種天氣現(xiàn)象發(fā)生進(jìn)展的規(guī)律以及如何應(yīng)用

這些規(guī)律來(lái)制作天氣預(yù)報(bào)的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容要緊包括天氣現(xiàn)象、天氣系統(tǒng)、

天氣分析和天氣預(yù)報(bào)等。氣候?qū)W和天氣學(xué)研究的成果，不但為大氣科學(xué)提

供豐富的研究課題，而且還直截了當(dāng)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

動(dòng)力氣象學(xué)是一門(mén)應(yīng)用物理學(xué)和流體力學(xué)定律及數(shù)學(xué)方法，研究大氣

運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力和熱力過(guò)程及其相互關(guān)系的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容要緊包括大氣熱力

學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)、大氣環(huán)流、大氣湍流、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和數(shù)值模擬等。動(dòng)

力氣象學(xué)的進(jìn)展對(duì)更深刻地認(rèn)識(shí)大氣運(yùn)動(dòng)的機(jī)理、把握天氣和氣候變化的

規(guī)律有十分重要的作用，它是大氣科學(xué)的理論基礎(chǔ)學(xué)科。

大氣物理學(xué)是一門(mén)研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過(guò)程及其演變規(guī)律的學(xué)

科。研究?jī)?nèi)容要緊包括云和降水物理學(xué)、大氣光學(xué)、大氣電學(xué)、大氣聲學(xué)、

大氣輻射學(xué)等。大氣物理學(xué)也是大氣科學(xué)中的理論基礎(chǔ)學(xué)科。50年代以后,

也有人把動(dòng)力氣象學(xué)包括在內(nèi)都稱為大氣物理學(xué)。

大氣化學(xué)是一門(mén)研究大氣組成和大氣化學(xué)過(guò)程的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容要緊

包括大氣微量氣體及其循環(huán)、大氣氣溶膠、大氣放射性物質(zhì)和降水化學(xué)等。

人工阻礙天氣，研究如何通過(guò)阻礙云和降水的微物理過(guò)程使某些大氣

現(xiàn)象、大氣過(guò)程發(fā)生改變的技術(shù)和方法。如人工降水、人工防雹、人工消

霧等。人工阻礙天氣是人類改造自然的一個(gè)組成部分。

應(yīng)用氣象學(xué)是將氣象學(xué)的原理、方法和成果應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、航海、

航空、軍事、醫(yī)療等方面，同各個(gè)專業(yè)學(xué)科相結(jié)合而形成的邊緣性學(xué)科，

也是充分開(kāi)發(fā)利用氣候資源的重要領(lǐng)域。

大氣科學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科彼此不是孤立的，如天氣學(xué)和氣候?qū)W與動(dòng)力

氣象學(xué)相結(jié)合，產(chǎn)生了天氣動(dòng)力學(xué)和物理動(dòng)力氣候?qū)W。探測(cè)手段的持續(xù)革

新和痕量化學(xué)分析技術(shù)的進(jìn)展，推動(dòng)了對(duì)大氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的分

析研究，促進(jìn)了大氣化學(xué)的進(jìn)展。專門(mén)是大氣中二氧化碳和甲烷等微量氣

體對(duì)氣候阻礙的日益明顯，以及大氣污染和酸雨咨詢題的顯現(xiàn)，不僅使人

們更加認(rèn)識(shí)到大氣化學(xué)在大氣科學(xué)中的重要性，而且隨著研究的深入，更

認(rèn)識(shí)到大氣化學(xué)過(guò)程和大氣物理過(guò)程的相互作用，從而促進(jìn)了這兩個(gè)分支

學(xué)科的相互結(jié)合。氣象衛(wèi)星探測(cè)與天氣分析相結(jié)合產(chǎn)生了衛(wèi)星氣象學(xué)，氣

象雷達(dá)探測(cè)與云和降水物理學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了雷達(dá)氣象學(xué)。大氣科學(xué)學(xué)科分

支又分又合的過(guò)程，反映了大氣科學(xué)的持續(xù)深入進(jìn)展。

大氣科學(xué)在專門(mén)長(zhǎng)的歷史進(jìn)展過(guò)程中，先是以氣候?qū)W、天氣學(xué)、大氣

的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)咨詢題以及大氣中的物理現(xiàn)象（如電象、光象、聲象）

和比較一樣的化學(xué)現(xiàn)象等方面為要緊研究?jī)?nèi)容，傳統(tǒng)稱之為“氣象學(xué)”（me

teor-ology,此詞源于希臘文meteoros和logos,意為“上空的"和"推理"）。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在氣象學(xué)中的應(yīng)用，其研究范疇日益擴(kuò)展，因而從20世

紀(jì)60年代以來(lái)，“大氣科學(xué)”術(shù)語(yǔ)的應(yīng)用日益廣泛，它大大擴(kuò)充了傳統(tǒng)氣

象學(xué)的研究?jī)?nèi)容。近年來(lái)，由于人類越來(lái)越認(rèn)識(shí)到大氣圈與水圈、冰雪圈、

巖石圈和生物圈之間相互作用和相互阻礙的重要性，要了解大氣變化過(guò)程

就不能不深入到其他圈層變化過(guò)程的研究。因此，大氣科學(xué)的研究?jī)?nèi)容越

來(lái)越廣泛，與其他學(xué)科之間的相互滲透也越來(lái)越深入。

與其他學(xué)科的關(guān)系

大氣科學(xué)依據(jù)物理學(xué)和化學(xué)的差不多原理，運(yùn)用各種技術(shù)手段和數(shù)學(xué)

工具，研究大氣的物理和化學(xué)特性、大氣運(yùn)動(dòng)的各種能量及其轉(zhuǎn)換過(guò)程、

各種天氣氣候現(xiàn)象及其演變過(guò)程、天氣以及其他某些現(xiàn)象的預(yù)報(bào)方法、阻

礙某些天氣過(guò)程的技術(shù)措施、大氣現(xiàn)象各種信息的觀測(cè)和獵取以及傳遞的

方法和手段等。和其他學(xué)科一樣，大氣科學(xué)是同許多學(xué)科相互滲透、相互

借鑒的。諸如：研究大氣運(yùn)動(dòng)，需同流體力學(xué)、熱力學(xué)、數(shù)學(xué)緊密合作；

研究太陽(yáng)輻射以及太陽(yáng)擾動(dòng)在大氣中引起的各種機(jī)制，需同高層大氣物理

學(xué)、太陽(yáng)物理學(xué)和空間物理學(xué)緊密合作；研究水分循環(huán)、海洋和大氣的相

互作用，需同水文科學(xué)、海洋科學(xué)緊密合作；研究地球大氣的演化、地球

氣候的演變，需同地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、冰川學(xué)、海洋科學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)

學(xué)緊密合作；研究大氣化學(xué)、大氣污染，需同化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和生

態(tài)學(xué)緊密合作；研究大氣咨詢題的數(shù)值模擬、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等，需同運(yùn)算

數(shù)學(xué)等緊密合作；研究大氣探測(cè)的手段和方法，需同有關(guān)的技術(shù)科學(xué)緊密

合作；在大氣探測(cè)、天氣預(yù)報(bào)等自動(dòng)化的進(jìn)程中，大氣科學(xué)還持續(xù)同信息

理論、系統(tǒng)工程等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊密合作。在相互合作和相互滲透的過(guò)程

中，大氣科學(xué)持續(xù)汲取其他學(xué)科的養(yǎng)料；大氣科學(xué)特定的要求又持續(xù)為其

他學(xué)科開(kāi)創(chuàng)新的研究前沿，持續(xù)豐富著其他學(xué)科的內(nèi)容。

發(fā)展概略

大氣科學(xué)是一門(mén)古老的學(xué)科。有關(guān)天氣、氣候知識(shí)起源于長(zhǎng)久的生產(chǎn)

勞動(dòng)和社會(huì)生活的體會(huì)之中。早在漁獵時(shí)代和農(nóng)業(yè)時(shí)代，人們就逐步積存

起有關(guān)天氣、氣候變化的知識(shí)。中國(guó)在公元前2世紀(jì)見(jiàn)于《淮南子?天文

訓(xùn)》和《逸周書(shū)?時(shí)訓(xùn)解》的二十四節(jié)氣和七十二候，確實(shí)是從生產(chǎn)和生

活實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，它又被用來(lái)指導(dǎo)農(nóng)事活動(dòng)。后來(lái)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),

軍事活動(dòng)，航海、航空、航天活動(dòng)，以及對(duì)海洋、冰川、高原、空間等考

察的進(jìn)展，都為大氣科學(xué)持續(xù)提出新的課題，推動(dòng)著大氣科學(xué)的進(jìn)展。

17世紀(jì)往常，人們對(duì)大氣以及大氣中各種現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)是直覺(jué)的、體會(huì)

性的。17?18世紀(jì)，由于物理學(xué)和化學(xué)的進(jìn)展，溫度、氣壓、風(fēng)和濕度等

測(cè)量?jī)x器的連續(xù)發(fā)明，氮、氧等元素的相繼發(fā)覺(jué)，為人類定量地認(rèn)識(shí)大氣

的組成、大氣的運(yùn)動(dòng)等制造了條件。因此，大氣科學(xué)研究開(kāi)始由單純定性

的描述進(jìn)入了能夠定量分析的時(shí)期。這是大氣科學(xué)進(jìn)展進(jìn)程中的一次飛躍。

1820年，在氣壓、溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素的測(cè)定和氣象觀測(cè)站網(wǎng)逐步

建立的條件下，H.W.布蘭德斯繪制了歷史上第一張?zhí)鞖鈭D，開(kāi)創(chuàng)了近代天

氣分析和天氣預(yù)報(bào)方法，為大氣科學(xué)向理論研究進(jìn)展開(kāi)創(chuàng)了途徑。這是大

氣科學(xué)進(jìn)展史上的又一次飛躍。1835年科里奧利力的概念和1857年C.H.

D.白貝羅提出的風(fēng)和氣壓的關(guān)系，成為地球大氣動(dòng)力學(xué)和天氣分析的基石。

1920年前后，氣象學(xué)家J.皮耶克尼斯、H.索爾貝格和T.H.P.伯杰龍等提出的

鋒面、氣旋和氣團(tuán)學(xué)講，為天氣分析和預(yù)報(bào)1?2天以后的天氣變化奠定了

理論基礎(chǔ)。1783年，法國(guó)J.A.C.查理制成了攜帶探測(cè)氣象要素儀器的氫氣

氣球。20世紀(jì)30年代無(wú)線電探空儀開(kāi)始普遍使用，這就能夠了解大氣的鉛

直結(jié)構(gòu)，真正三度空間的大氣科學(xué)研究從此開(kāi)始。按照探空資料繪制的高

空天氣圖，發(fā)覺(jué)了大氣長(zhǎng)波。1939年氣象學(xué)家C.-G?羅斯比提出了長(zhǎng)波動(dòng)力

學(xué)，并由此引出了位勢(shì)渦度理論（見(jiàn)大氣動(dòng)力方程）。這不僅使有理論依據(jù)

的天氣預(yù)報(bào)期限延伸到3?4天，而且為后來(lái)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和大氣環(huán)流的

數(shù)值模擬開(kāi)創(chuàng)了道路。1946年I.朗繆爾、V.J.謝弗和B.馮內(nèi)古特的“播云”

試驗(yàn)，探明了在過(guò)冷云中播撒固體二氧化碳或碘化銀，能夠使云中的過(guò)冷

水滴冰晶化，增加云中的冰晶數(shù)目，促進(jìn)降水，從此進(jìn)入了人工阻礙天氣

的試驗(yàn)時(shí)期。

50年代往常，大氣科學(xué)盡管取得了專門(mén)大的進(jìn)展，但因受海洋、沙漠

等人煙稀少地區(qū)缺乏資料的限制以及運(yùn)算上的困難，還不能擺脫定性或半

定性的研究狀態(tài)。50年代以后，各種新技術(shù)專門(mén)是電子運(yùn)算機(jī)和氣象衛(wèi)星

的采納，大氣科學(xué)有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，要緊表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

①持續(xù)采納新的探測(cè)技術(shù)，使大氣科學(xué)研究進(jìn)入了宏觀愈宏、微觀

愈微的新時(shí)期。由于采納氣象衛(wèi)星、氣象火箭和激光、微波、紅外等遙感

探測(cè)手段以及各種化學(xué)痕量分析手段等新技術(shù)，對(duì)大氣的觀測(cè)能力增強(qiáng)了，

觀測(cè)空間擴(kuò)展了。如赤道上空五個(gè)地球同步衛(wèi)星和兩個(gè)極軌衛(wèi)星幾乎能提

供全球大氣同時(shí)刻的情形，不再存在氣象資料的空白地區(qū)。氣象多普勒雷

達(dá)可觀測(cè)云的細(xì)微結(jié)構(gòu)。氣象衛(wèi)星、新型氣象雷達(dá)、飛機(jī)等探測(cè)手段聯(lián)合

應(yīng)用，為開(kāi)展各種規(guī)模的綜合觀測(cè)試驗(yàn)，為早期發(fā)覺(jué)和追蹤臺(tái)風(fēng)及生命史

短至幾小時(shí)的小尺度災(zāi)難性天氣系統(tǒng)，為提升短期和短時(shí)（1、2小時(shí)至12

小時(shí)）預(yù)報(bào)水平，以及改進(jìn)中期預(yù)報(bào)提供了條件。氣象衛(wèi)星在大氣層外探

測(cè)大氣，不僅加大了觀測(cè)范疇，而且極大地豐富了觀測(cè)內(nèi)容，如寬敞洋面

的溫度、云的微觀結(jié)構(gòu)、大氣的輻射平穩(wěn)等。氣象衛(wèi)星已成為現(xiàn)代大氣科

學(xué)進(jìn)展的支柱之一。

②電子運(yùn)算機(jī)的使用，使大氣科學(xué)研究進(jìn)入了定量和試驗(yàn)研究的新

時(shí)期。大氣的各種現(xiàn)象，大至全球的大氣環(huán)流，小至雨滴的形成過(guò)程，都

能夠按照物理和化學(xué)原理以數(shù)學(xué)形式表達(dá)，然而只有用電子運(yùn)算機(jī)才可能

進(jìn)行運(yùn)算并模擬這些現(xiàn)象的發(fā)生、進(jìn)展和消亡的過(guò)程。大氣中各類現(xiàn)象的

相互阻礙，以及大氣現(xiàn)象中的躍變形式（如胞線），都存在專門(mén)復(fù)雜的非線

性咨詢題。由于數(shù)學(xué)上的困難，以往大差不多上在某種假定下，第一把非

線性的數(shù)學(xué)模式線性化，然后求解；大型高速電子運(yùn)算機(jī)的咨詢世，為解

非線性方程提供了條件。此外，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，人類往往需要了解幾星

期、幾個(gè)月甚至一年以上大氣可能顯現(xiàn)的狀態(tài)。這也需依靠高速運(yùn)算機(jī)獵

取和處理全球資料，以全球模式來(lái)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)報(bào)。電子運(yùn)算機(jī)

是現(xiàn)代大氣科學(xué)進(jìn)展的另一個(gè)支柱。能夠預(yù)期，下一代甚至再下一代最大

的電子運(yùn)算機(jī)將第一用于大氣科學(xué)。

大氣科學(xué)的迅猛進(jìn)展正方興未艾。隨著世界氣候打算及其他專項(xiàng)打算

的執(zhí)行，在常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將更多地運(yùn)用氣象衛(wèi)星、海洋觀測(cè)衛(wèi)

星、多普勒雷達(dá)和各種專門(mén)裝備的飛機(jī)等多種探測(cè)手段，以及新的大氣化

學(xué)觀測(cè)和分析方法，進(jìn)行各種專門(mén)項(xiàng)目的觀測(cè)，如海面高度、太陽(yáng)常數(shù)、

云和輻射的反饋、近海面風(fēng)力、土壤濕度、碳循環(huán)等。通過(guò)以上觀測(cè)和打

算的執(zhí)行，將對(duì)氣候變化和中小尺度天氣系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其發(fā)生進(jìn)展緣

故有更加廣泛和深入的研究，研究成果將持續(xù)提升對(duì)災(zāi)難性天氣預(yù)報(bào)的水

平，持續(xù)預(yù)示人類活動(dòng)對(duì)氣候阻礙的可能后果，以防患于未然。如近年來(lái)

由人類活動(dòng)造成大氣中甲烷和一氧化二氮等微量氣體含量的增加而引起的

大氣溫室效應(yīng)，據(jù)估量，可能專門(mén)快達(dá)大氣中二氧化碳所引起的溫室效應(yīng)

的一半。這些溫室效應(yīng)的總成效可能導(dǎo)致地球氣候發(fā)生專門(mén)大變化。對(duì)溫

室效應(yīng)氣體和大氣污染等咨詢題的深入研究，使得過(guò)去有一定忽略的大氣

化學(xué)的重要性越來(lái)越明顯，大氣化學(xué)將會(huì)更加迅速地進(jìn)展?？傊?，人類生

產(chǎn)和生活的進(jìn)展，將持續(xù)提出新的咨詢題和要求，推動(dòng)大氣科學(xué)新理論和

新分支的進(jìn)展。大氣科學(xué)新的進(jìn)展，必將持續(xù)提升它為生產(chǎn)和生活服務(wù)的

能力，如提升天氣和氣候預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率、為開(kāi)發(fā)利用氣象資源和制定經(jīng)濟(jì)

政策提供更加可靠的科學(xué)依據(jù)等，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將不可估量。

海洋科學(xué)（卷名：大氣科學(xué)海洋科學(xué)水文科學(xué)）

海洋科學(xué)是研究海洋的自然現(xiàn)象、性質(zhì)及其變化規(guī)律，以及與開(kāi)發(fā)利

用海洋有關(guān)的知識(shí)體系。它的研究對(duì)象是占地球表面71%的海洋，包括海

水、溶解和懸浮于海水中的物質(zhì)、生活于海洋中的生物、海底沉積和海底

巖石圈，以及海面上的大氣邊界層和河口海岸帶。因此，海洋科學(xué)是地球

科學(xué)的重要組成部分，它與物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)以及大氣科學(xué)、

水文科學(xué)等緊密有關(guān)。海洋科學(xué)的研究領(lǐng)域十分廣泛，其要緊內(nèi)容包括關(guān)

于海洋中的物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)過(guò)程的基礎(chǔ)研究，和面向海洋資源開(kāi)

發(fā)利用以及海上軍事活動(dòng)等的應(yīng)用研究。由于海洋本身的整體性、海洋中

各種自然過(guò)程相互作用的復(fù)雜性和要緊研究方法、手段的共同性而統(tǒng)一起

來(lái)，使海洋科學(xué)成為一門(mén)綜合性專門(mén)強(qiáng)的科學(xué)。

海洋科學(xué)又是一門(mén)正在迅速進(jìn)展的科學(xué)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，專門(mén)是20

世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速進(jìn)展以及海洋資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)

模的持續(xù)擴(kuò)大，海洋科學(xué)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)展中的作用日益明顯，許多國(guó)家都

專門(mén)重視海洋科學(xué)的基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)利用海洋資源的技術(shù)研究，同時(shí)取得

專門(mén)大的進(jìn)步。本文對(duì)海洋科學(xué)的研究對(duì)象和特點(diǎn)、學(xué)科體系和進(jìn)展史及

現(xiàn)狀作一概括的介紹。

研究對(duì)象——世界海洋

在太陽(yáng)系的行星中，地球處于“得天獨(dú)厚”的位置。地球的大小和質(zhì)

量、地球與太陽(yáng)的距離、地球的繞日運(yùn)行軌道以及自轉(zhuǎn)周期等因素相互的

作用和良好配合，使得地球表面大部分區(qū)域的平均溫度適中（約152）,以

致它的表面同時(shí)存在著三種狀態(tài)（液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)）的水，而且地球上

的水絕大部分是以液態(tài)海水的形式匯聚于海洋之中，形成一個(gè)全球規(guī)模的

含鹽水體——世界大洋。地球是太陽(yáng)系中惟一擁有海洋的星球。因此，我

們的地球又稱為“水的行星

全球海洋總面積約3.6億平方公里，約占地表總面積的71%,相當(dāng)于

陸地面積的2.5倍。全球海洋的平均深度約3800米，最大深度11034米，

太平洋、大西洋和印度洋的主體部分，平均深度都超過(guò)4000米。全球海洋

的容積約為13.7億立方公里，相當(dāng)于地球總水量的97%以上。假設(shè)地球的

地殼是一個(gè)平坦光滑的球面，那么地球便成為一個(gè)表面被2600多米深的海

水所覆蓋的“水球世界海洋每年約有50.5萬(wàn)立方公里的海水在太陽(yáng)輻射

作用下被蒸發(fā)，向大氣供應(yīng)87.5%的水汽。每年從陸地上被蒸發(fā)的淡水僅

有7.2萬(wàn)立方公里，約占大氣中水汽總量的12.5%o從海洋或陸地蒸發(fā)的水

汽上升凝聚后，又作為雨或雪降落在海洋和陸地上。陸地上每年約有4.7

萬(wàn)立方公里的水在重力的作用下，或沿地面注入河流，或滲入土壤形成地

下水，最終注入海洋，從而構(gòu)成了地球上周而復(fù)始的水文循環(huán)。

海水是一種含有多種溶解鹽類的水溶液。在海水中，水占96.5%左右,

其余則要緊是各種各樣的溶解鹽類和礦物，還有來(lái)自大氣中的氧、二氧化

碳和氮等溶解氣體。世界海洋的平均含鹽量約為3.5%。而世界大洋的總鹽

量約為48X1015噸。假若將全球海水里的鹽分全部提煉出來(lái)，平均地鋪在

地球表面上，便會(huì)形成厚約40米的鹽層。目前在海水中已發(fā)覺(jué)的化學(xué)元素

超出80種。組成海水的化學(xué)元素，除了構(gòu)成水的氫和氧以外，絕大部分呈

離子狀態(tài)，要緊有氯、鈉、鎂、硫、鈣、鉀、澳、碳、勰、硼、氟等11種,

它們占海水中全部溶解元素含量的99%；其余的元素含量甚微，稱為海水

微量元素。溶解于海水中的氧、二氧化碳等氣體，以及磷、氮、硅等營(yíng)養(yǎng)

鹽元素，對(duì)海洋生物的生存極為重要。海水中的溶解物質(zhì)不僅阻礙著海水

的物理化學(xué)特點(diǎn)，而且也為海洋生物提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。海洋關(guān)

于生命具有專門(mén)重要的意義。海水中要緊元素的含量和組成，與許多低等

動(dòng)物的體液幾乎一致，而一些陸地高等動(dòng)物甚至人的血清所含的元素成分

也與海水類似。研究證明，地球上的生命起源于海洋，而且絕大多數(shù)動(dòng)物

的門(mén)類生活在海洋中。在陸地上，生物集中棲息在地表上下數(shù)十米的范疇

內(nèi);但是在海洋中，生物棲息范疇可深達(dá)1萬(wàn)米。因此，研究生命起源的學(xué)

者把海洋稱作“生命的搖籃

海洋作為地球水圈的重要組成部分，同大氣圈、巖石圈以及生物圈相

互依存，相互作用，成為操縱地球表面的環(huán)境和生命特點(diǎn)的一個(gè)差不多環(huán)

節(jié)，并具有下面一些特點(diǎn)：

第一，海洋是大氣-海洋系統(tǒng)的重要組成部分。由于水具有專門(mén)高的熱

容量，因此世界海洋是大氣中水汽和熱量的重要來(lái)源，并參與整個(gè)地表物

質(zhì)和能量平穩(wěn)過(guò)程，成為地球上太陽(yáng)輻射能的一個(gè)龐大的儲(chǔ)存器。在同一

緯度上，由于海陸反射率的固有差異，海面單位面積所吸取的太陽(yáng)輻射能

約比陸地多25?50%。因此，全球大洋表層海水的年平均溫度要比全球陸

地上的平均溫度約高10℃o由于太陽(yáng)輻射能在地球表面上分布的固有差異,

赤道鄰近的水溫明顯地高于高緯度海區(qū)，因此，在海洋中導(dǎo)致暖流從赤道

流向高緯度、寒流從高緯度流向赤道的大尺度循環(huán)。從而引起能量重新分

布，使得赤道地區(qū)和兩極的氣候不致過(guò)分懸殊。海面在吸取太陽(yáng)輻射能的

同時(shí)，還有蒸發(fā)過(guò)程。海水的汽化熱專門(mén)高，蒸發(fā)時(shí)便消耗大量熱量。反

之，在水汽受冷凝聚時(shí)又會(huì)開(kāi)釋出相同的熱量。因此，海水的蒸發(fā)既是物

質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，也是能量狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。海面蒸發(fā)產(chǎn)生的大量水汽，可被大

氣環(huán)流及其他局部空氣運(yùn)動(dòng)攜帶至數(shù)千公里以外，重新凝聚成雨雪降落到

所有大陸的表面，成為地球表面淡水的源泉，從而參與地表的水文循環(huán)，

參與整個(gè)地表的物質(zhì)和能量平穩(wěn)過(guò)程。由此可見(jiàn)，海洋對(duì)全球天氣和氣候

的形成，以至地球表面形狀的塑造都有深遠(yuǎn)的阻礙。

全球尺度的海洋-大氣相互作用，不僅能夠在幾個(gè)月、幾年內(nèi)對(duì)地球上

氣候帶來(lái)阻礙，而且能夠在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中導(dǎo)致明顯的氣候變異。地球

表面的水，除海水以外，約有2%被束縛在固體水（冰）中，這也確實(shí)是今

天的南極洲和格陵蘭等冰川。海洋-大氣相互作用和氣候演變，能夠通過(guò)海

平面的高度和冰川體積的變化顯示出來(lái)。地質(zhì)學(xué)研究表明，在地球最近所

經(jīng)歷的10億年中，地球表面的水量是近似恒定的。由此能夠推知，假若現(xiàn)

代冰川全部融解則海平面將升高約60米。這關(guān)于人類無(wú)疑將是一場(chǎng)龐大的

災(zāi)難。事實(shí)上，在地質(zhì)時(shí)期中，曾顯現(xiàn)過(guò)大陸冰川進(jìn)展和融解的多次交替,

每次交替都阻礙地球的氣候、大氣環(huán)流和水文循環(huán)，引起生物的大調(diào)整。

據(jù)地質(zhì)學(xué)和古地理學(xué)的考察，在第四紀(jì)最大的冰期中，冰川的體積3倍于

現(xiàn)代冰川，海平面則平均低于現(xiàn)代海平面約130米，露出了大部分大陸架。

基于這些觀測(cè)事實(shí)，目前對(duì)地球氣候長(zhǎng)期變異過(guò)程已建立多種“冰川-海洋-

大氣”系統(tǒng)的相互作用模型，并從數(shù)值上模擬出接近觀測(cè)事實(shí)的結(jié)果。這

種模擬結(jié)果大體同按照更新世地質(zhì)、古地理資料復(fù)原的氣候演變相符。

第二，海洋是地球表面有機(jī)界與無(wú)機(jī)界相互轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。地

球上存在著一個(gè)專門(mén)薄的“生物圈”，它集中在地球表面三種形狀的水的交

界面鄰近。地球上那個(gè)有生命的物質(zhì)圈層之因此能夠產(chǎn)生、進(jìn)化并連續(xù)下

去，是依靠大規(guī)模的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化以及有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。

而這些物質(zhì)和能量的循環(huán)與轉(zhuǎn)化過(guò)程的方式和強(qiáng)度，在迄今已知的星球中

也是獨(dú)一無(wú)二的。否則，我們賴以生存的地球?qū)⑷缤阎獩](méi)有發(fā)覺(jué)生命現(xiàn)

象的星球一樣，只能是一個(gè)死寂的世界。

海洋中的動(dòng)物約16?20萬(wàn)種，植物約1萬(wàn)多種。海洋中的生物，如同

整個(gè)生物圈中的生物一樣，絕大多數(shù)直截了當(dāng)?shù)鼗蜷g接地依靠于光合作用

而生存。在地球上，植物的光合作用能將無(wú)機(jī)物直截了當(dāng)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，

從而將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。動(dòng)物是不進(jìn)行光合作用的，差不多上依

靠于消耗植物（直截了當(dāng)或間接）而生存繁育。假若植物的光合作用過(guò)程

一旦中止，則絕大多數(shù)的動(dòng)物就有滅絕的可能。如此，由海洋光合植物、

食植性動(dòng)物和食肉性動(dòng)物逐級(jí)依靠和制約，組成了海洋食物鏈。在這鏈的

每一個(gè)環(huán)節(jié)，都有物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化，包括真菌和細(xì)菌對(duì)動(dòng)植物尸體的分

解作用，把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物。因此，由植物、動(dòng)物、細(xì)菌、真菌以及

與之有關(guān)的非生命環(huán)境組成一個(gè)將有機(jī)界與無(wú)機(jī)界聯(lián)系起來(lái)的系統(tǒng)，即通

常所講的海洋生態(tài)系。那個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，通常可用兩類指標(biāo)來(lái)描述:一類是

靜態(tài)指標(biāo)，如生物量等；另一類是動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如生產(chǎn)力等。按照有的學(xué)者

估算，海洋的總生物量約為3X1010噸，只有陸地總生物量的1/200左右,

如按干重運(yùn)算則僅相當(dāng)于陸地總生物量的1/350。然而，就生產(chǎn)率而論，海

洋卻同陸地大體相當(dāng)（海洋為4.3X1011噸/年，陸地為4.5X1011噸/年）；

更值得注意的是，海洋有機(jī)物質(zhì)的相對(duì)生產(chǎn)率（即生產(chǎn)力與生物量之比值）

遠(yuǎn)高于陸地，兩者之比相差200多倍。這是因?yàn)楹Ｑ笾杏袡C(jī)物質(zhì)的生產(chǎn)者

要緊是單細(xì)胞生物，而陸地上有機(jī)物質(zhì)的生產(chǎn)者要緊是多細(xì)胞生物。

第三，海洋作為一個(gè)物理系統(tǒng)，其中發(fā)生著各種不同類型和不同尺度

的海水運(yùn)動(dòng)和過(guò)程，關(guān)于海洋中的生物、化學(xué)和地質(zhì)過(guò)程有著明顯的阻礙。

海水運(yùn)動(dòng)按其成因，大致分為：①海水密度變化產(chǎn)生的“熱鹽”運(yùn)動(dòng)，如

海面蒸發(fā)、冷卻和結(jié)冰，以及海水混合等，使海水密度增大而下沉，并下

沉至與其密度相同的等密度面或海底作水平運(yùn)動(dòng);②海面風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)形成的

風(fēng)生運(yùn)動(dòng)，如風(fēng)海流和風(fēng)生環(huán)流等；③天體引力作用產(chǎn)生的潮汐運(yùn)動(dòng)；④

海水運(yùn)動(dòng)速度切變產(chǎn)生的湍流運(yùn)動(dòng)；⑤各種擾動(dòng)產(chǎn)生的波動(dòng)，如風(fēng)浪、慣

性波和行星波等。而海洋中的各種物理過(guò)程，通常除了按其物理本質(zhì)分為

力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)等過(guò)程以外，一樣按其特點(diǎn)空間尺度（或

特點(diǎn)波數(shù)，要緊是水平特點(diǎn)空間尺度或波數(shù)）和特點(diǎn)時(shí)刻尺度（或特點(diǎn)頻

率），大致分為小尺度過(guò)程、中尺度過(guò)程和大尺度過(guò)程。其中，小尺度過(guò)程

要緊包括：小尺度各向同性湍流，海水層結(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)、聲波、表面張力

波、表面重力波和重力內(nèi)波;中尺度過(guò)程要緊包括:慣性波、潮波、海洋鋒、

中尺度渦或行星波；大尺度過(guò)程要緊包括：海況的季節(jié)變化、大洋環(huán)流、

海水層結(jié)的緯向不平均性和熱-鹽環(huán)流等。

海洋是生物的生存環(huán)境，海水運(yùn)動(dòng)等物理過(guò)程會(huì)導(dǎo)致生物環(huán)境的改變。

因此，不同的流系、水團(tuán)具有不同的生物區(qū)系和不同的生物群落。海水運(yùn)

動(dòng)或波動(dòng)是海洋中的溶解物質(zhì)、懸浮物和海底沉積物搬運(yùn)的重要?jiǎng)恿σ蛩?

因此，海洋中化學(xué)元素的分布和海洋沉積，以及海岸地貌的塑造過(guò)程差不

多上不能脫離海洋動(dòng)力環(huán)境的。反過(guò)來(lái)，海水的運(yùn)動(dòng)狀況也與特定的地理

環(huán)境、化學(xué)環(huán)境有關(guān)。這確實(shí)是海洋自然環(huán)境的統(tǒng)一性的具體表現(xiàn)。

第四，大洋地殼作為全球地殼的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，具有不同于大陸地殼

的一系列特點(diǎn)。陸殼較輕、較厚，比較古老；洋殼較重、較薄（缺失花崗

巖層），相對(duì)年輕。在地殼的均衡作用下，陸殼質(zhì)輕而浮起，洋殼質(zhì)重而深

陷。地球之因此存在著如此深廣的海洋，是與洋殼的物質(zhì)組成有關(guān)的。

由于海水的覆蓋，海底地殼是難以直截了當(dāng)觀看的。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),

深海考察發(fā)覺(jué)了海洋中有深度超過(guò)萬(wàn)米的海溝，長(zhǎng)達(dá)上千公里的斷裂帶以

及眾多的海山;而給人印象最深的是存在著一條圍繞全球、縱貫大洋盆地、

延伸達(dá)80000公里的水下山脈體系。這條水下山脈縱貫大西洋和印度洋的

洋盆中部，因此稱為大洋中脊。在大洋中脊頂部發(fā)育有一條被斷裂帶錯(cuò)開(kāi)

的縱向的大裂谷，稱為中央裂谷。

和大陸地殼相比較，大洋地殼缺乏陸上那種擠壓性的褶皺山系。龐大

的大洋中脊要緊由來(lái)自酷熱的地球深處的玄武巖所組成。觀測(cè)和研究表明,

大洋中脊的裂谷是地殼最薄弱之處。那個(gè)地點(diǎn)有頻繁的地震、火山活動(dòng)和

極高的熱流值，地球內(nèi)部酷熱的熔巖通過(guò)那個(gè)薄弱帶持續(xù)涌上來(lái)，冷卻后

凝聚成新的洋底地殼，并向兩側(cè)擴(kuò)張。擴(kuò)張速度可達(dá)每年1?16厘米。這

種擴(kuò)張過(guò)程迄今仍在連續(xù)。這條全球性的大洋中脊和裂谷系以及海溝等構(gòu)

造活動(dòng)帶把全球巖石圈分成六大板塊（歐亞板塊、非洲板塊、印度板塊、

南極洲板塊、美洲板塊和太平洋板塊）和許多小板塊。板塊是位于地球軟

流層上的剛性塊體，板塊的邊界是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最活躍的地點(diǎn)，而板塊之間的

相對(duì)運(yùn)動(dòng)則是全球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差不多緣故。

在板塊的分離、漂移和聚合作用下，海陸位置不時(shí)變動(dòng)。在地質(zhì)歷史

上，大陸曾反復(fù)裂離和聚合，大洋則屢經(jīng)張開(kāi)和關(guān)閉。2億年前，地球上只

有一個(gè)超級(jí)大陸和超級(jí)大洋，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有大西洋和印度洋。近2億年來(lái)，

大西洋和印度洋從無(wú)到有，從小到大，而太平洋卻在持續(xù)地收縮。在一個(gè)

表面積差不多不變的地球上，一些大洋的張開(kāi)必定相伴著另一些大洋的縮

小或關(guān)閉。海洋是個(gè)專門(mén)古老的地質(zhì)體，海水的年齡能夠遠(yuǎn)溯至前寒武紀(jì)。

但大洋地殼是一邊生長(zhǎng)，一邊俯沖，處于持續(xù)更新的過(guò)程。現(xiàn)代洋殼的年

齡不到2億年。古老的海水與年輕的洋底共存，應(yīng)當(dāng)講是海洋系統(tǒng)的一個(gè)

重要特點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，海洋學(xué)者乘坐潛水器考察大洋中脊和裂谷，發(fā)覺(jué)

從裂谷底噴涌出來(lái)的熱泉。原先，冷海水沿裂隙滲入酷熱的新生洋殼內(nèi)部,

變成熱海水，熱海水和洋殼玄武巖之間發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。玄武巖中的

鐵、鎰、銅、鋅等被淋濾出來(lái)進(jìn)入熱海水，從而噴出富含金屬的熱泉。由

河流帶入海洋中的鎂、硫酸根，在上述過(guò)程中也大部分被中脊軸部的洋殼

所吸取。據(jù)估量，沿著80000公里長(zhǎng)的大洋中脊只需800?1000萬(wàn)年，與

世界海洋等量的海水就能夠通過(guò)脊軸洋殼循環(huán)一遍。這關(guān)于海水化學(xué)成分

的演化，不能不產(chǎn)生十分深遠(yuǎn)的阻礙。

總之，海洋中發(fā)生的各種自然過(guò)程，在不同程度上同大氣圈、巖石圈

和生物圈都有耦合關(guān)系，同時(shí)同全球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及某些天文因素（如太陽(yáng)黑

子活動(dòng)、日-地距離、月-地距離、太陽(yáng)和月球的起潮力等）緊密有關(guān)，這些

自然過(guò)程本身也相互制約，彼此間通過(guò)各種形式的物質(zhì)和能量循環(huán)結(jié)合在

一起，構(gòu)成一個(gè)具有全球規(guī)模的、多層次的海洋自然系統(tǒng)。正是如此一個(gè)

系統(tǒng)，決定著海洋中各種過(guò)程的存在條件，制約著它們的進(jìn)展方向。海洋

科學(xué)研究的目的，就在于通過(guò)觀看、實(shí)驗(yàn)、比較、分析、綜合、歸納、演

繹以及科學(xué)抽象方法，去揭示那個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，認(rèn)識(shí)海洋中各種自

然現(xiàn)象和過(guò)程的進(jìn)展規(guī)律，并利用這些規(guī)律為人類服務(wù)。

研究特點(diǎn)

世界海洋中所發(fā)生的各種自然現(xiàn)象和過(guò)程具有自身的特點(diǎn)，海洋科學(xué)

研究也相應(yīng)地表現(xiàn)出某些特點(diǎn)。

第一，在自然條件下對(duì)海洋中各種現(xiàn)象進(jìn)行直截了當(dāng)觀測(cè)是其差不多

研究方法。世界海洋是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的自然客體，其中發(fā)生著各種尺

度不一、性質(zhì)不同的運(yùn)動(dòng)。它們的空間尺度能夠從幾厘米到幾千公里，時(shí)

刻尺度從數(shù)秒到幾個(gè)月，甚至幾年，深層環(huán)流的時(shí)刻尺度可長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年。

阻礙海洋氣候狀態(tài)的一些天文因素，如地球軌道參數(shù)隨時(shí)刻變化的尺度可

達(dá)1萬(wàn)年至10萬(wàn)年的量級(jí)，至于大洋海盆形狀變化的時(shí)刻尺度，則長(zhǎng)達(dá)幾

百萬(wàn)年至幾千萬(wàn)年。這些不同尺度的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象之間存在著復(fù)雜的作用。由

于質(zhì)量運(yùn)動(dòng)連續(xù)性原理，海水的垂直運(yùn)動(dòng)總是和水平運(yùn)動(dòng)共存的，即使是

同一種運(yùn)動(dòng)，也能夠由不同的力學(xué)緣故而引起。海洋科學(xué)還具有明顯的區(qū)

域性特點(diǎn)，即使是同一區(qū)域，海洋、水文、化學(xué)要素及生物分布也是互相

各異、多層次性的。因此，專門(mén)難在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)各類海洋現(xiàn)象和過(guò)程以及

它們之間的相互作用進(jìn)行精細(xì)的實(shí)驗(yàn)，也不能只靠數(shù)學(xué)分析和數(shù)學(xué)模擬來(lái)

進(jìn)行研究。而是要充分利用科學(xué)調(diào)查船等設(shè)備在自然條件下進(jìn)行觀看研究。

直截了當(dāng)?shù)挠^看研究，既為實(shí)驗(yàn)室研究和數(shù)學(xué)研究的模式提供確切的可靠

資料，又能夠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室和數(shù)學(xué)方法研究結(jié)論的可靠性。因此，在自然條

件下進(jìn)行長(zhǎng)期的、周密的、系統(tǒng)的海洋考察是海洋科學(xué)研究的差不多方法。

第二，在海洋科學(xué)研究中，海洋觀測(cè)儀器和技術(shù)設(shè)備起著重要的作用，

有時(shí)甚至是決定性的作用。海水深而廣，具有大密度和流淌性，給人們的

直截了當(dāng)觀測(cè)帶來(lái)極大困難。從海面向下大約每增加10米，壓力就要增加

一個(gè)大氣壓，在萬(wàn)米深處，海水的壓力作用能夠把潛水鋼球的直徑壓縮進(jìn)

幾個(gè)厘米，人類專門(mén)難在如此大的深處活動(dòng)；從技術(shù)角度來(lái)講，人在深海

底行走比在月球上閑逛還要困難。海水對(duì)電磁波的吸取也相當(dāng)明顯，在水

深200米以下，可見(jiàn)光波被吸取殆盡。因此，靠簡(jiǎn)單的手段去觀測(cè)海洋深

層的生物活動(dòng)、海底沉積和海底地殼的組成及變化是專門(mén)困難的。即使在

海洋上層，海水處于持續(xù)的流淌和波動(dòng)狀態(tài)，依靠一個(gè)點(diǎn)上的觀測(cè)資料，

也專門(mén)難講明面上的情形。增加調(diào)查船只的數(shù)量當(dāng)然能夠擴(kuò)大觀測(cè)范疇以

取得大量必須的資料，但耗資龐大。因此，只有大力進(jìn)展海洋觀測(cè)儀器和

技術(shù)設(shè)備才能取得所需要的大量海洋資料，以推動(dòng)海洋科學(xué)的進(jìn)展。20世

紀(jì)60年代以來(lái)，海洋科學(xué)的進(jìn)展表明，幾乎所有要緊的重大進(jìn)展都和新的

觀看實(shí)驗(yàn)儀器、裝備的建筑，新的技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用，觀看實(shí)驗(yàn)的精度以

及數(shù)據(jù)處理能力的提升有緊密關(guān)系。例如，浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)、航天遙感技術(shù)

和運(yùn)算技術(shù)的應(yīng)用，促成了關(guān)于海洋環(huán)流結(jié)構(gòu)、海-氣相互作用、中尺度渦

旋、鋒區(qū)、上升流、內(nèi)波和海洋表面現(xiàn)象等理論和數(shù)值模型的建立；高精

度的溫鹽深探測(cè)設(shè)備和海洋聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的進(jìn)展，則為海洋熱鹽細(xì)微結(jié)構(gòu)

的研究和海況監(jiān)測(cè)提供了差不多條件；回聲測(cè)深、深海鉆探、放射性同位

素和古地磁的年齡測(cè)定、海底地震和地?zé)釡y(cè)量等新技術(shù)的興起和進(jìn)展，對(duì)

海底擴(kuò)張講和板塊構(gòu)造講的建立作出了重要奉獻(xiàn)。

第三，信息論、操縱論、系統(tǒng)論等方法在海洋科學(xué)研究中越來(lái)越顯示

其作用。海洋科學(xué)的觀看要緊是在自然條件下進(jìn)行的，不能不受到自然條

件的限制。各種海洋現(xiàn)象和過(guò)程，有的“時(shí)過(guò)境遷”，有的“浩渺無(wú)際”，

有的因時(shí)刻尺度太長(zhǎng)，短時(shí)刻的觀測(cè)資料不足以揭示其歷史演變規(guī)律。加

之，其中各種作用相互交叉、隨機(jī)起伏，因此在自然條件下的觀看只能獲

得關(guān)于海況的一些片斷的、局部的信息。即使獲得某一海區(qū)近百年的海況

和海洋生物種群動(dòng)態(tài)的觀測(cè)序列，那也只是整個(gè)海洋生態(tài)環(huán)境和生物種群

動(dòng)態(tài)總體中的一個(gè)小小的樣本。因此，在海洋科學(xué)研究中比較著重于從信

息論、操縱論和系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，研究海洋現(xiàn)象和過(guò)程的行為與動(dòng)態(tài)，并按

照已有的信息，通過(guò)系統(tǒng)功能模擬模型進(jìn)行研究，對(duì)以后海況作出推測(cè)。

第四，海洋科學(xué)研究和科學(xué)理論出現(xiàn)出日益增強(qiáng)的整體化趨勢(shì)。如前

所述，海洋中的各種現(xiàn)象和過(guò)程既表現(xiàn)出多樣性，又存在統(tǒng)一性。隨著海

洋科學(xué)的進(jìn)展，揭示出的海洋現(xiàn)象越來(lái)越多，因此學(xué)科的劃分也就越來(lái)越

細(xì)，研究領(lǐng)域也越來(lái)越廣。然而各個(gè)學(xué)科往往過(guò)多地強(qiáng)調(diào)本學(xué)科的獨(dú)立性、

重要性，而忽視學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系。然而，近20年來(lái)對(duì)海洋現(xiàn)象和過(guò)程

的深入研究發(fā)覺(jué)，各分支學(xué)科之間是彼此依存、相互交叉、相互滲透的，

而每一門(mén)分支學(xué)科只有在整個(gè)海洋科學(xué)體系的相互聯(lián)系中才能得到重大進(jìn)

展，從而顯現(xiàn)了現(xiàn)代海洋科學(xué)研究以及海洋科學(xué)理論體系的整體化趨勢(shì)。

這不僅打破了各分支學(xué)科的傳統(tǒng)界限，而且突破了把研究對(duì)象先分割成個(gè)

別部分，然后再綜合起來(lái)的傳統(tǒng)研究方法。要求從整體動(dòng)身，從部分與整

體、整體與外部環(huán)境的聯(lián)系中，揭示整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和進(jìn)展規(guī)律。例如，

研究海洋中沉積物的形狀、性質(zhì)及其演化，就必須了解海流、生物和化學(xué)

等因素對(duì)沉積物的搬運(yùn)及阻礙過(guò)程；研究海洋生態(tài)系的堅(jiān)持、進(jìn)展或被破

壞的過(guò)程，必須了解海洋中有關(guān)的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和地質(zhì)過(guò)程。

學(xué)科體系

現(xiàn)代海洋科學(xué)的研究體系，大體能夠分為基礎(chǔ)性學(xué)科研究和應(yīng)用性技

術(shù)研究?jī)刹糠??；A(chǔ)性學(xué)科是直截了當(dāng)以海洋的自然現(xiàn)象和過(guò)程為研究對(duì)

象，探究其進(jìn)展規(guī)律;應(yīng)用性技術(shù)學(xué)科則是研究如何運(yùn)用這些自然規(guī)律為人

類服務(wù)。

海洋中發(fā)生的自然過(guò)程，按照內(nèi)秉屬性，大體上可分為物理過(guò)程、化

學(xué)過(guò)程、地質(zhì)過(guò)程和生物過(guò)程四類，每一類又是由許多個(gè)別過(guò)程所組成的

系統(tǒng)。對(duì)這四類過(guò)程的研究，相應(yīng)地勢(shì)成了海洋科學(xué)中相對(duì)獨(dú)立的四個(gè)基

礎(chǔ)分支學(xué)科：海洋物理學(xué)、海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)和海洋生物學(xué)。

海洋物理學(xué)是以物理學(xué)的理論、技術(shù)和方法研究發(fā)生于海洋中的各種

物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律的學(xué)科。要緊包括物理海洋學(xué)、海洋氣象學(xué)、海洋

聲學(xué)、海洋光學(xué)、海洋電磁學(xué)、河口海岸帶動(dòng)力學(xué)等。要緊研究海水的各

類運(yùn)動(dòng)（如海流、潮汐、波浪、內(nèi)波、行星波、湍流和海水層的微結(jié)構(gòu)等）,

海洋同大氣圈和巖石圈的相互作用規(guī)律，海洋中聲、光、電的現(xiàn)象和過(guò)程,

以及研究有關(guān)海洋觀測(cè)的各種物理學(xué)方法。

海洋化學(xué)是研究海洋各部分的化學(xué)組成、物質(zhì)分布、化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)

過(guò)程的學(xué)科。研究的內(nèi)容要緊是海洋水層和海底沉積以及海洋一大氣邊界

層中的化學(xué)組成、物質(zhì)的分布和轉(zhuǎn)化，以及海洋水體、海洋生物體和海底

沉積層中的化學(xué)資源開(kāi)發(fā)利用中的化學(xué)咨詢題等。海洋化學(xué)包括化學(xué)海洋

學(xué)和海洋資源化學(xué)等分支。

海洋地質(zhì)學(xué)是研究地球被海水埋住部分的特點(diǎn)和變化規(guī)律的學(xué)科。要

緊研究?jī)?nèi)容為：海岸和海底地勢(shì)，海洋沉積的組成和形成過(guò)程，大洋地層

學(xué)、洋底巖石的巖性、礦物和地球化學(xué)，海底地殼構(gòu)造和大洋地質(zhì)歷史，

海底的熱流、重力專門(mén)、磁專門(mén)和地震波傳播速度等地球物理特性。海洋

地質(zhì)學(xué)當(dāng)前研究的重大課題是海底礦產(chǎn)資源的分布和成礦規(guī)律，大陸邊緣

（包括島弧——海溝系）和大洋中脊為主的板塊構(gòu)造，以及古海洋學(xué)等。

海洋生物學(xué)是研究海洋中一切生命現(xiàn)象和過(guò)程及其規(guī)律的學(xué)科，要緊

研究海洋中生命的起源和演化，海洋生物的分類和分布、形狀和生活史、

生長(zhǎng)和發(fā)育、生理和生化、遺傳，專門(mén)是生態(tài)的研究，以闡明海洋生物的

習(xí)性和特點(diǎn)與海洋環(huán)境之間的關(guān)系，揭示海洋中發(fā)生的各種生物學(xué)現(xiàn)象及

其規(guī)律，為開(kāi)發(fā)、利用和進(jìn)展海洋生物資源服務(wù)。海洋生物學(xué)包括生物海

洋學(xué)、海洋生態(tài)學(xué)等分支學(xué)科。

如同自然科學(xué)中的其他學(xué)科一樣，海洋科學(xué)的各個(gè)基礎(chǔ)分支學(xué)科不僅

互相聯(lián)系，互相依存，而且互相滲透，持續(xù)萌生出許多新的分支學(xué)科，如

海洋地球化學(xué)、海洋生物化學(xué)、海洋生物地理學(xué)、古海洋學(xué)等。另一方面,

海洋科學(xué)的研究，專門(mén)是在早期，具有明顯的自然地理學(xué)方向，著重于從

自然地理的地帶性和區(qū)域性的角度研究海洋現(xiàn)象的區(qū)域組合和相互聯(lián)系，

以揭示區(qū)域特點(diǎn)、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量、區(qū)域差異和關(guān)系，形成了區(qū)域海洋學(xué)。

海洋科學(xué)的基礎(chǔ)性分支學(xué)科的研究成果，是整個(gè)海洋科學(xué)的理論基礎(chǔ),

對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用和海洋環(huán)境工程等生產(chǎn)實(shí)踐起著指導(dǎo)作用。由于現(xiàn)

代科學(xué)技術(shù)進(jìn)展專門(mén)快，海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù)與日俱新，因此需要專門(mén)研究

如何把基礎(chǔ)理論研究成果應(yīng)用到實(shí)踐中去，解決生產(chǎn)技術(shù)咨詢題。如此，

在海洋科學(xué)研究中就逐步分化出一系列技術(shù)性專門(mén)強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科和專業(yè)技

術(shù)研究領(lǐng)域。如海洋工程，它始于為海岸帶開(kāi)發(fā)服務(wù)的海岸工程，即海岸

防護(hù)、海涂圍墾、海港建筑、河口治理等；到了20世紀(jì)后半期，世界人口

和經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)，人類對(duì)蛋白質(zhì)和能源的需求量也急劇增加，因此海洋工

程除了包括人們熟知的海洋石油、天然氣開(kāi)采外，還包括深海采礦、經(jīng)濟(jì)

生物的增養(yǎng)殖、海水淡化和綜合利用、海洋能的開(kāi)發(fā)利用、海洋水下工程、

海洋空間開(kāi)發(fā)等。海洋科學(xué)研究成果的應(yīng)用，由于服務(wù)對(duì)象不同，還相應(yīng)

地勢(shì)成一些相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用性學(xué)科，如海洋水文氣象預(yù)報(bào)、航海海洋學(xué)、

漁場(chǎng)海洋學(xué)、軍事海洋學(xué)等。

隨著海洋開(kāi)發(fā)，專門(mén)是海底石油開(kāi)采事業(yè)的進(jìn)展，向海洋排泄廢棄物

的增加等緣故，海洋污染日趨嚴(yán)峻，海洋環(huán)境愛(ài)護(hù)的研究越來(lái)越受到人們

的重視。從20世紀(jì)60年代以來(lái)，逐步形成一個(gè)新的分支學(xué)科——海洋環(huán)

境科學(xué)。

以上是現(xiàn)代海洋學(xué)研究的學(xué)科分類及其體系結(jié)構(gòu)的梗概。然而，如同

其他自然科學(xué)研究一樣，任何學(xué)科分類和體系都不是最終的封閉系統(tǒng)，隨

著對(duì)海洋研究的深化和擴(kuò)展，海洋科學(xué)的學(xué)科分類和體系將持續(xù)地有所更

新。

研究簡(jiǎn)史

人類認(rèn)識(shí)海洋的歷史，是在沿海地區(qū)和海上從事生產(chǎn)活動(dòng)開(kāi)始的。古

代人類已具有關(guān)于海洋的一些地理知識(shí)。但直到19世紀(jì)70年代，英國(guó)皇

家學(xué)會(huì)組織的“挑戰(zhàn)者”號(hào)完成首次環(huán)球海洋科學(xué)考察之后，海洋學(xué)才開(kāi)

始逐步形成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)50?60年代以后，海洋學(xué)獲得大進(jìn)

展，形成為一門(mén)綜合性專門(mén)強(qiáng)的海洋科學(xué)。現(xiàn)在，有人認(rèn)為海洋學(xué)是海洋

科學(xué)的同義詞，有人認(rèn)為海洋學(xué)僅指海洋科學(xué)的基礎(chǔ)性學(xué)科部分。縱觀海

洋科學(xué)的歷史大致能夠分為3個(gè)時(shí)期。

海洋知識(shí)積存時(shí)期這是海洋學(xué)萌芽時(shí)期，時(shí)刻從古代到18世紀(jì)末。

在科學(xué)不發(fā)達(dá)的古代，人們對(duì)海洋自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和探究，要緊依靠

專門(mén)不充分的觀看和簡(jiǎn)單的邏輯推理。盡管當(dāng)時(shí)只限于直觀地、籠統(tǒng)地把

握海洋的一些性質(zhì)，但也提出了許多杰出的見(jiàn)解。例如，公元前7?前6世

紀(jì)古希臘的泰勒斯認(rèn)為，水是萬(wàn)物的本源，而大地則浮在浩渺無(wú)際的海洋

之中。公元前11?前6世紀(jì)中國(guó)的《詩(shī)經(jīng)》中，已有江河“朝宗于?！钡?/p>

記載。公元前4世紀(jì)，古希臘思想家中知識(shí)最淵博的亞里士多德在《動(dòng)物

志》中，已描述和記載170多種愛(ài)琴海的動(dòng)物。公元1世紀(jì)，中國(guó)東漢王

充曾科學(xué)地指出了潮汐運(yùn)動(dòng)和月亮運(yùn)行的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

從15世紀(jì)到18世紀(jì)末，資本主義生產(chǎn)方式的興起，自然科學(xué)和航海

事業(yè)的進(jìn)展，促進(jìn)了海洋知識(shí)的積存。這時(shí)的海洋知識(shí)以遠(yuǎn)航探險(xiǎn)等活動(dòng)

所記述的全球海陸分布和海洋自然地理概況為主。1405?1433年中國(guó)明朝

鄭和帶領(lǐng)船隊(duì)7次橫渡印度洋；1492?1504年意大利航海家C.哥倫布4次

橫渡大西洋，并到達(dá)美洲；1519?1522年葡萄牙航海家F.麥哲倫等完成了

人類歷史上第一次環(huán)球航行；1768?1779年英國(guó)J.庫(kù)克在海洋探險(xiǎn)中最早

進(jìn)行科學(xué)考察，取得了第一批關(guān)于大洋表層水溫、海流和海深以及珊瑚礁

等資料。這些活動(dòng)和成果，不僅使人們弄清了地球的形狀和地球上海陸分

布的大體形勢(shì)，而且直截了當(dāng)推動(dòng)了近代自然科學(xué)的進(jìn)展，為海洋學(xué)各個(gè)

要緊分支學(xué)科的形成奠定了基礎(chǔ)。如1596年中國(guó)屠本唆寫(xiě)出地區(qū)性海產(chǎn)動(dòng)

物志《閩中海錯(cuò)疏》；1670年英國(guó)R.玻意耳研究海水含鹽量和海水密度的

變化關(guān)系，開(kāi)創(chuàng)了海洋化學(xué)研究;1674年荷蘭A.van列文虎克在荷蘭海域最

先發(fā)覺(jué)原生動(dòng)物；1687年，英國(guó)I.牛頓用引力定律講明潮汐，奠定了潮汐

研究的科學(xué)基礎(chǔ)；1740年瑞士D.貝努利提出一種潮汐靜力學(xué)理論——平穩(wěn)

潮學(xué)講；1772年法國(guó)A.L.拉瓦錫第一測(cè)定海水成分;1775年法國(guó)P.-S.拉普

拉斯首創(chuàng)大洋潮汐動(dòng)力學(xué)理論，等等。

海洋學(xué)建立時(shí)期從19世紀(jì)初到20世紀(jì)中，機(jī)器大工業(yè)的產(chǎn)生和

進(jìn)展，有力地促進(jìn)了海洋學(xué)的建立和進(jìn)展。

英國(guó)科學(xué)家、生物進(jìn)化論的創(chuàng)始人C.R.達(dá)爾文在1831?1836年隨“貝

格爾”號(hào)環(huán)球航行，對(duì)海洋生物、珊瑚礁進(jìn)行了大量研究，于1842年出版

《珊瑚礁的構(gòu)造和分布》，提出了珊瑚礁成因的沉降講；于1859年出版《物

種起源》，建立了生物進(jìn)化理論。英國(guó)生物學(xué)家E.福布斯在19世紀(jì)40、50

年代提出了海洋生物分布分帶的概念，出版了第一幅海產(chǎn)生物分布圖和海

洋生態(tài)學(xué)的經(jīng)典著作《歐洲海的自然史》。美國(guó)學(xué)者M(jìn).F.莫里為海洋學(xué)的建

立作出了更為明顯的奉獻(xiàn)，在1855年出版的《海洋自然地理學(xué)》被譽(yù)為近

代海洋學(xué)的第一本經(jīng)典著作。1872?1876年，英國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)考察被認(rèn)

為是現(xiàn)代海洋學(xué)研究的真正開(kāi)始?！疤魬?zhàn)者”號(hào)在12萬(wàn)多公里航程中，作

了多學(xué)科綜合性的海洋觀測(cè)，在海洋氣象、海流、水溫、海水化學(xué)成分、

海洋生物和海底沉積物等方面取得大量成果，使海洋學(xué)從傳統(tǒng)的自然地理

學(xué)領(lǐng)域中分化出來(lái)，逐步形成為獨(dú)立的學(xué)科。這次考察的另一個(gè)成果是激

起了世界性海洋研究的熱潮，專門(mén)多國(guó)家相繼開(kāi)展大規(guī)模的海洋考察，建

立臨海實(shí)驗(yàn)室和海洋研究機(jī)構(gòu)。1925?1927年德國(guó)“流星”號(hào)在南大西洋

的科學(xué)考察，第一次采納電子回聲測(cè)深法，測(cè)得7萬(wàn)多個(gè)海洋深度數(shù)據(jù)等

資料，揭示了大洋底部并不是平坦的，它像陸地地貌一樣千變?nèi)f化。同時(shí),

各基礎(chǔ)分支學(xué)科（海洋物理學(xué)、海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)和海洋生物學(xué)）的

研究在大量科學(xué)考察資料的基礎(chǔ)上，也取得明顯進(jìn)展，發(fā)覺(jué)和證實(shí)了一些

海洋自然規(guī)律。例如，海洋自然地理要素分布的地帶性規(guī)律、海水化學(xué)組

成恒定性規(guī)律、大洋風(fēng)生漂流和熱鹽環(huán)流的形成規(guī)律、海陸分布和海底地

貌結(jié)構(gòu)的規(guī)律以及海洋動(dòng)、植物區(qū)系分布規(guī)律等。這一時(shí)期的研究成果，

由聞名的海洋學(xué)家H.U.斯韋爾德魯普和M.W.約翰孫、R.H.弗萊明合作寫(xiě)成

的《海洋》（1942）作了全面而深刻的概括。它是海洋學(xué)建立的標(biāo)志。

現(xiàn)代海洋科學(xué)時(shí)期1957年，海洋研究科學(xué)委員會(huì)（SCOR）和1960

年政府間海洋學(xué)委員會(huì)（IOC）的成立，促進(jìn)了海洋科學(xué)的迅速進(jìn)展。美國(guó)

的深潛器”的里雅斯特II”號(hào)1960年曾深潛到10919米的海洋深處，美國(guó)

核潛艇“鸚鵡螺”號(hào)1958年從冰下穿越北極，表明海洋的任何部分都能為

人類所戰(zhàn)勝。然而，1963年美國(guó)潛艇“脫粒機(jī)”號(hào)和1968年“蝎”號(hào)失事,

全體乘員喪生，又從反面證明海洋環(huán)境仍舊是難以把握的。事實(shí)上，從技

術(shù)的角度來(lái)講，人類要在深海海底上行走比在月球上閑逛還要困難。

現(xiàn)代海洋科學(xué)差不多進(jìn)展成為一個(gè)相當(dāng)龐大的體系。一方面是學(xué)科分

化越來(lái)越細(xì)；另一方面是學(xué)科的綜合化趨勢(shì)又越來(lái)越明顯，海洋科學(xué)各分

支學(xué)科之間，海洋科學(xué)同其他科學(xué)門(mén)類之間相互滲透、相互阻礙，往往萌

發(fā)一些新的邊緣學(xué)科。與此同時(shí)，海洋研究的國(guó)際合作也大大加大。這一

時(shí)期的代表性著作為M.N.海爾主編的《海洋》（已出7卷，1962?1981）和

A.C.莫寧主編的《海洋學(xué)》（10卷，1977?1980）。那個(gè)時(shí)期海洋科學(xué)的進(jìn)

展有如下幾個(gè)差不多特點(diǎn)：

第一，關(guān)于具體的海洋自然現(xiàn)象或特定海區(qū)的研究，普遍地從傳統(tǒng)的

靜態(tài)定性描述和簡(jiǎn)單的因果分析向著動(dòng)態(tài)定量分析進(jìn)展，重視基礎(chǔ)理論、

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和功能模擬研究，以“模擬化”的定量分析取代傳統(tǒng)的定性描述,

以簡(jiǎn)化和近似的模擬模型和數(shù)學(xué)模型去反映具體而復(fù)雜的自然實(shí)體，以實(shí)

驗(yàn)?zāi)M或數(shù)值模擬和推測(cè)代替對(duì)現(xiàn)狀的估量。海洋科學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科，

都力圖將其研究對(duì)象的形狀與本質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能、鼓舞與響應(yīng)、穩(wěn)固與起

伏等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，作為具有動(dòng)態(tài)變化的統(tǒng)一體系來(lái)考察，從而揭示新

現(xiàn)象，進(jìn)展新概念、新方法和新理論。例如，關(guān)于全球規(guī)模的大洋中脊和

超深海溝系統(tǒng)、海底擴(kuò)張和板塊構(gòu)造、大洋深層環(huán)流和赤道潛流系統(tǒng)、中

尺度渦和海水層化結(jié)構(gòu)的細(xì)微結(jié)構(gòu)、熱帶大西洋和全球大氣年際變化、全

球大洋環(huán)流結(jié)構(gòu)以及海洋生態(tài)系統(tǒng)和超深海的生物生理等咨詢題的研究，

都反映了這種趨勢(shì)。

第二，海洋科學(xué)各分支學(xué)科之間、海洋科學(xué)和相鄰基礎(chǔ)科學(xué)之間的相

互結(jié)合、相互滲透，并逐步形成了一系列跨學(xué)科的有高度綜合性的研究課

題。例如，海洋-大氣相互作用和長(zhǎng)期氣候預(yù)報(bào)、海洋生態(tài)系統(tǒng)、海洋中的

物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化、洋底構(gòu)造以及有關(guān)海洋與地球的起源、海洋生命起源如

此一些全然咨詢題。研究這些咨詢題，使許多學(xué)科的研究工作越出了自己

的經(jīng)典領(lǐng)域。人們經(jīng)常發(fā)覺(jué)，構(gòu)成本學(xué)科疑點(diǎn)的課題，往往要借助于其他

學(xué)科的理論和方法來(lái)解決。這就促使海洋科學(xué)近20年來(lái)產(chǎn)生許多邊緣學(xué)科

和新的分支學(xué)科，而且出現(xiàn)方興未艾之勢(shì)。

第三，深海鉆探和海洋地球物理探測(cè)技術(shù)的進(jìn)展，使海洋科學(xué)（專門(mén)

是海洋地質(zhì)學(xué)）以及地球科學(xué)的研究方法和理論顯現(xiàn)新的突破。例如，被

譽(yù)為20世紀(jì)地球科學(xué)最重大成就之一的板塊構(gòu)造理論，要緊確實(shí)是通過(guò)對(duì)

海洋地質(zhì)和地球物理探測(cè)成果的研究建立起來(lái)的。板塊構(gòu)造理論把大陸漂

移、海底擴(kuò)張、地震、火山活動(dòng)、山脈演變、礦床生成等重要課題一起納

入統(tǒng)一的理論體系，并比較合理地講明了大陸和海洋盆地的現(xiàn)代格局，為

進(jìn)一步揭示地球的形成、結(jié)構(gòu)以及演化規(guī)律提供了重要的理論按照。

第四，海洋調(diào)查方法現(xiàn)代化和海洋科學(xué)國(guó)際合作取得龐大進(jìn)展。60年

代以來(lái)海洋科學(xué)中所有的重大進(jìn)展都同新的觀測(cè)儀器、研究手段和方法的

研制成功，以及廣泛而緊密的國(guó)際合作有關(guān)。例如，卓有成效的海洋觀測(cè),

數(shù)據(jù)傳輸、處理系統(tǒng)的應(yīng)用，航天遙感、遙測(cè)技術(shù)和水聲技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)

際地球物理年、國(guó)際印度洋考察、黑潮及鄰近水域的合作研究、國(guó)際海洋

考察十年、全球大氣研究打算大西洋熱帶實(shí)驗(yàn)、深海鉆探打算，以及世界

（海洋科學(xué)）資料中心的建立等國(guó)際性海洋科學(xué)合作研究。由于海洋研究

的時(shí)-空譜段寬廣，狀態(tài)變量眾多，門(mén)類復(fù)雜和綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此新技

術(shù)手段的引進(jìn)和廣泛的國(guó)際合作研究，不僅在專門(mén)大程度上克服了人力、

船只和財(cái)政方面的限制，能以最經(jīng)濟(jì)、有效的方式迅速獲得大量的海洋自

然信息，而且能更準(zhǔn)確及時(shí)地分析和檢驗(yàn)有關(guān)研究成果，從而為現(xiàn)代海洋

科學(xué)的進(jìn)展開(kāi)創(chuàng)了寬敞的前景。

水文科學(xué)（卷名：大氣科學(xué)海洋科學(xué)水文科學(xué)）

水文科學(xué)是地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律和

運(yùn)用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識(shí)體系。地球表層的水由地球內(nèi)部逸出，通

過(guò)約35億年的積聚和演變，逐步形成今天的水圈。水圈的形成不僅改變了

巖石圈的面貌，使大氣圈中的現(xiàn)象變得復(fù)雜多樣，而且導(dǎo)致生物圈的顯現(xiàn)。

因此，水的顯現(xiàn)和水圈的形成，被視為地球自然歷史中最重大的事件。水

是人類存在最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)，暴雨和洪水也給人類帶來(lái)嚴(yán)峻的災(zāi)

難。在人類文明史中，水與人的關(guān)系占有極其重要的地位，而且這種關(guān)系

還在持續(xù)進(jìn)展。在人類面臨糧食、能源和環(huán)境等重大挑戰(zhàn)的今天，水更是

阻礙人類社會(huì)進(jìn)展的重要因素。因此，水文科學(xué)在認(rèn)識(shí)自然、改造世界的

斗爭(zhēng)中，有著重要的意義和寬敞的前景。

水文科學(xué)的研究領(lǐng)域十分寬廣。從大氣中的水到海洋中的水，從陸地

表面的水到地下水，差不多上水文科學(xué)的研究對(duì)象。水圈同大氣圈、巖石

圈和生物圈等地球自然圈層的相互關(guān)系，也是水文科學(xué)的研究領(lǐng)域。水文

科學(xué)不僅研究水量，而且研究水質(zhì)，不僅研究現(xiàn)時(shí)水情的瞬息動(dòng)態(tài)，而且

探求全球水的生命史，推測(cè)它以后的變化趨勢(shì)。20世紀(jì)50年代以來(lái)，水資

源的開(kāi)發(fā)利用規(guī)模日益擴(kuò)大，人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了多方面的阻礙，

因此，現(xiàn)代水文科學(xué)也正以極大的愛(ài)好研究水資源利用和人類活動(dòng)對(duì)自然

環(huán)境的反饋效應(yīng)。專門(mén)應(yīng)當(dāng)指出的是，地球上各種水體的水通過(guò)水文循環(huán)

緊密地聯(lián)系在一起，因此，對(duì)地區(qū)和全球水文循環(huán)的研究，是水文科學(xué)的

核心內(nèi)容。人們?cè)陂L(zhǎng)期觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)中逐步認(rèn)識(shí)了水文循環(huán)的差不多規(guī)律，

使水文科學(xué)進(jìn)展成為一門(mén)近代自然科學(xué)。

水文科學(xué)是地球科學(xué)的組成部分，也是現(xiàn)代技術(shù)科學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域。它

要緊包括海洋水文學(xué)和陸地水文學(xué)。海洋水文學(xué)以海洋中的水為研究對(duì)象,

陸地水文學(xué)以陸地上的水為研究對(duì)象，大氣中的水盡管也是水文科學(xué)的研

究對(duì)象，只是，有關(guān)這方面的知識(shí)還沒(méi)有形成完全獨(dú)立的學(xué)科。

陸地上的水量盡管只約占全球總水量的3.5%,然而，淡水幾乎都分布

在陸地，整個(gè)人類生活在陸地，最復(fù)雜的水文過(guò)程也發(fā)生在陸地，因此，

對(duì)陸地上的水的研究專門(mén)受到人們的重視。陸地水文學(xué)是水文科學(xué)的要緊

組成部分。本文要緊按照陸地水文學(xué)的研究成果，對(duì)水文科學(xué)的研究對(duì)象、

研究方法、學(xué)科體系、進(jìn)展簡(jiǎn)史、現(xiàn)狀和趨勢(shì)作一概要的闡述。詳細(xì)內(nèi)容

由