大氣科學的發(fā)展史是人類探索大氣的奧秘，逐步認識大氣及其演變規(guī)律，預測其變化趨勢，從而趨利避害為人類的生產和生活服務的歷史。它的發(fā)展同人類社會生產力的發(fā)展、科學技術的進步和人類日益增長的需要是分不開的。
縱觀大氣科學的發(fā)展歷史，大體上可分為四個發(fā)展時期：氣象經驗、知識的積累時期；大氣科學開始建立的時期；大氣科學主要分支的形成時期；大氣科學迅速發(fā)展的時期。
古代氣象知識的積累時期(自人類文明開始至16世紀)
自人類文明史開始至十六世紀的五、六千年，為古代氣象知識的積累時期。其源流主要有兩個：一個在亞洲，以中國和印度為主；一個在地中海東部，歐亞非三洲的交匯地帶，即埃及文化、巴比倫文化和希臘文化的發(fā)祥地。
中國有關氣象知識的記載，可追溯到公元前14世紀的殷代，如在甲骨卜辭中就發(fā)現(xiàn)了殷代文丁六年(公元前1217年)三月中旬連續(xù)10天的氣象記錄。其后，諸如天氣現(xiàn)象和氣候情況、天氣諺語和天氣經驗、各種天氣現(xiàn)象成因的探索、有關二十四節(jié)氣和七十二候的論說，以及觀測儀器的設計等在中國的史料中也都有極豐富的記載。它們反映了中國的先民們在氣象經驗知識的積累時期的卓越貢獻。
從考古發(fā)掘出的巴比倫興盛時期(公元前3000～前300年)的粘土片上發(fā)現(xiàn)有許多天氣諺語。這些諺語用現(xiàn)代語言表述，有“月有黑暈，本月陰雨”“云變黑，有風來”等。此外，還有關于八個方位風的記載。
在古希臘，阿那克西曼德在一篇關于自然哲學的文章中，提出風是“空氣的流動”，并認為組成世界的基本元素是空氣。巴門尼德約在公元前500年，根據(jù)所接受的太陽熱量的多少，把氣候分為無冬區(qū)、中間區(qū)和無夏區(qū)，這是迄今所見記載最早的氣候分類。
阿那克薩哥拉觀察并解釋了夏天產生冰雹的原因，他認為，夏天被曬熱的地面可以使含有水汽的云上升到能凍結的高度，形成雹，然后降到地面。他還觀察到了空氣溫度是隨高度的增加而下降的現(xiàn)象，認為這是由于被地表反射的陽光強度隨高度的增加而降低的緣故。在尚無溫度和輻射觀測儀器的古代，能推論出溫度隨高度的變化的規(guī)律，是很可貴的。
德謨克利特在研究了尼羅河的年際泛濫之后指出，地中海季風是造成河水泛濫的原因。他認為在夏至時北方的冰雪融化，其水汽形成云，受地中海季風作用向南飄到埃及，因而引起風暴。他還研究了雷和閃電，認為雷和閃電是同時發(fā)生的，只是因為看到的比聽到的快，人們才覺得它們是分開的。
希波克拉底則在《論至氣、水和環(huán)境》中探討了不同氣候對人體健康的影響，并研究了某些特定風向和疾病流行的關系。歐多克索斯編著了論文《惡劣天氣之預測》，詳細討論了惡劣天氣的預測問題和有關天氣現(xiàn)象發(fā)生的周期性問題。
古希臘學者亞里士多德將他以前的各種氣象知識作了系統(tǒng)的綜合，大約在公元前340年寫了《氣象匯論》一書。這是世界上最早的氣象學專著�！稓庀髤R論》共四卷42集 。第一卷闡述氣象學在自然科學中的地位及其研究對象和范圍，云、雨、雹和霾的形成，高層大氣的現(xiàn)象，以及氣候變化等；第二卷談到風的成因、分布、各種風的名稱和特點，以及雷電現(xiàn)象等；第三卷中論及颶風、焚風以及暈和虹等大氣光象 ，第四卷主要是有關化學的內容。
公元前300年，亞里士多德的學生提奧弗拉斯圖斯 寫了《天氣跡兆》一書，書中收集了大量的天氣諺語，如“冬季雨多、春季干旱，冬季干旱、春季濕潤”“牛舔前蹄狗打滾，將有暴風雨來臨”，“月亮清亮、本月微風，月殼暗淡、潮濕多雨”“日出紅天必有雨”等，它是歐洲留存最早的一本天氣諺語專輯。
約在公元二世紀，古希臘天文學家托勒密根據(jù)新月、滿月和弦月前后三天的月面清淡、紅淡、暗淡等現(xiàn)象來預報天氣。他還將氣候從赤道到北極劃分為二十四個氣候帶。阿拉伯學者海桑的主要著作《光象理論》，給出了曙暮光的正確定義，證明了太陽在地平線到地平線下19°之間時可見曙暮光，并利用這個結果和幾何學的證明，得出大氣的最大高度約95公里的結論。
英國的圣比德，被稱為英國氣象學的奠基人，他在公元703年著的《自然本質》一書，描述了大氣、風、雷、閃電、云和雪等。他認為風是“擾動的空氣如扇子造成的空氣運動”“空氣中孕育的風使云碰撞產生雷”。英國教士阿德拉德則認為雷是云中的冰碰撞破碎形成的，英國學者培根在《大氣現(xiàn)象》一書中強調了科學實驗和觀測的重要性。
從人類文明開始到16世紀，人類對于大氣科學的知識正逐步由少到多，由淺入深地積累起來。但為當時生產力和科學水平所限，知識還是零碎的、片面的，有許多僅是推測性的，尚未被觀測事實所證明，有的甚至是錯誤的，因此還不能形成系統(tǒng)的大氣科學。
大氣科學的建立時期(十七世紀至十九世紀初)
17～18世紀可以稱為是科學革命的時代。隨著14～16世紀的文藝復興、資本主義生產方式的出現(xiàn)，以及航海事業(yè)的興起，天文學和物理學出現(xiàn)了重大的突破。測量儀器的陸續(xù)發(fā)明，觀測和實驗的大量開展，以及在觀測和實驗的基礎上進行 的理論研究，是大氣科學進入這一時期的重要標志。
1597年，意大利的物理學家和天文學家伽利略發(fā)明了空氣溫度表；1643年意大利物理學家托里拆利發(fā)明了氣壓表；1662年，英國的 雷恩發(fā)明了虹吸式自記雨量計；1667年英國物理學家和數(shù)學家胡克發(fā)明了壓板式風速器，后來又發(fā)明了自記儀器上的自記鐘；1768年德國朗伯設計了羊腸線濕度表；1783年瑞士索絮爾發(fā)明了毛發(fā)濕度計。這些儀器以及其他觀測儀器的陸續(xù)發(fā)明和不斷改進，使氣壓、氣溫、大氣濕度、風速等實現(xiàn)了定量觀測，為大氣科學的建立奠定了物質基礎。
上述種種氣象儀器，開始都是由物理學家研究物理問題而發(fā)明研制的，但很快就被用到氣象觀測上�，F(xiàn)在保存下來的世界上最早用儀器觀測的氣象記錄，是法國巴黎、克萊蒙費朗和瑞典斯德哥爾摩等地1649～1651年間的記錄。
世界上第一個氣象觀測站是由意大利的斐迪南二世于1653年，在意大利北部的佛羅倫薩建立的。同年，在他的領導下，又建立了一個包括十個測站的歐洲氣象觀測網，觀測工作一直持續(xù)到1667年。此后，德國醫(yī)生卡諾爾德于1717年組織了國際性氣象觀測網，觀測工作持續(xù)了10年。法國氣象學家和醫(yī)學家科特在1776年領導巴黎的法國醫(yī)學會時，曾爭取歐洲和北美的氣象觀測站進行合作，當年參加合作的有31個站，到1786年更增至65個。
此外，德國氣象學家哈默爾在18世紀80年代組建了由歐洲、北美洲和西伯利亞共20個國家的57個氣象觀測站構成的觀測網。這個觀測網的每個觀測站都用統(tǒng)一的儀器、規(guī)范、觀測時次和記錄格式進行觀測和記錄，并將所得資料集中整理，刊載于德國《巴拉丁氣象學會雜志》中。氣象觀測站網的建立和逐漸擴大，觀測項目、觀測時間和記錄格式的逐步趨于統(tǒng)一，對于大氣科學研究的進展具有非常重要的意義。
18世紀中葉，人們開始進行高空探測的嘗試。1748年英國的威爾遜等人開始用風等攜帶溫度表觀測低空溫度；1752年美國科學家富蘭克林利用風箏等研究雷暴云中電的性質；1783年法國的查理第一次用氫氣球攜帶溫度、氣壓等自記氣象儀器測量各個高度的溫度和氣壓等。這些較早進行的高空探測，為以后研究大氣的三維結構開辟了道路。
氣象要素的定量測量，尤其是氣壓表的發(fā)明，使人們不僅獲得了氣壓的概念，而且能夠定量測出不易為人感知的大氣壓強，從而使研究氣體狀態(tài)方程、流體靜力學方程和一切大氣運動方程成為可能。而觀測站的建立，觀測資料的積累，又使人們可以用圖表等形式分析氣象要素的空間分布和時間變化，為進一步研究大氣環(huán)流和天氣氣候的變化提供了條件。英國氣象學家肖曾指出“氣壓表的發(fā)明標志著大氣物理學研究的開始�！�
17世紀帆船航海以風為動力。隨著航海事業(yè)的發(fā)展和氣象觀測儀器的應用，導致了對信風和全球大氣環(huán)流的研究。1686年英國天文學家哈雷首先發(fā)現(xiàn)信風，并在《哲學會刊》中發(fā)表他的信風理論，他認為信風同太陽供給赤道較多的熱有關。1688年，他又首先根據(jù)海上風的資料繪制了北緯30°～南緯30°的信風和季風分布圖 ，認為信風和季風的形成同地表太陽熱的分布有關。
另一位英國天文學家哈得來在1735年發(fā)表的《關于信風之起因》一文中，第一次對大氣環(huán)流考慮地球自轉的因素，他正確地解釋了北半球的東北信風和西半球的東南信風，修正了哈雷的理論，并首次創(chuàng)立了經圈環(huán)流的理論。
他認為赤道地區(qū)比極地較多地接受來自太陽的輻射熱，因而低緯度地區(qū)的空氣產生上升運動，較高緯度地區(qū)的空氣則產生下沉運動，高空空氣由赤道向極地流動，低層空氣由極地流回赤道。低層流向赤道的氣流由于地球自轉的影響而偏折(北半球向右偏，南半球向左偏)，遂形成北半球的東北信風和南半球的東南信風；高空由赤道向極地的氣流也受到偏折，形成高空的西風帶，由于下沉作用又形成地面西風帶。他的這種環(huán)流理論雖較粗略，但卻成為以后大氣環(huán)流研究的基礎之一。至今人們還把地球上赤道附近的經圈環(huán)流稱為哈得來環(huán)流。
17世紀～19世紀初，流體的概念及牛頓的力學三大定律和微積分學，為動力氣象學提供了理論基礎。1743年法國數(shù)學家達朗貝爾把數(shù)學方法引入了氣象學的研究中，這對用數(shù)學方程式來表示大氣運動具有啟發(fā)作用 ；1752年瑞士數(shù)學家和物理學家歐拉提出反映質量守恒的連續(xù)方程，1755年又提出理想流體動力學方程組，初步形成了流體力學方程組的基礎。以后大氣靜力學方程、科里奧利力和熱力學第一定律的發(fā)現(xiàn) ，并被引入流體力學方程組中，更為大氣動力方程組的完備性奠定了基礎。
大氣科學主要分支學科的形成(19世紀初～20世紀40年代)
在氣象儀器的發(fā)明、觀測網的建立，以及流體動力學理論的發(fā)展的基礎上，大氣科學的主要分支學科(天氣學、動力氣象學、氣候學和云和降水物理學等)相繼形成。從19世紀20年代第一張?zhí)鞖鈭D的出現(xiàn)，至20世紀40年代末，屬于這一時期。
1820年德國的布蘭德斯利用《巴拉丁氣象學會雜志》刊載的氣象觀測資料，將1783年各地同一時刻的氣壓和風的記錄填在地圖上，繪成了世界上第一張?zhí)鞖鈭D。它雖然是用歷史資料而不是用當時資料繪制成的，但它已為分析氣壓、風和天氣的關系以及建立天氣系統(tǒng)的概念，作出了貢獻�，F(xiàn)代的天氣圖就是在此基礎上發(fā)展起來的。
天氣圖的誕生，是近代氣象學研究起點的標志。電報的發(fā)明，為各地氣象觀測資料的迅速傳遞和集中提供了條件，使繪制當日天氣圖成為可能。1851年，英國的格萊舍利用電報傳送資料，繪制了天氣圖。
但是，真正推動天氣預報業(yè)務開展的卻是一次天氣事件的教訓：1853～1856年，英、法同俄國發(fā)生了瓜分土耳其的克里米亞戰(zhàn)爭，由于1854年11月14日黑海出現(xiàn)風暴，使法艦亨利四號沉沒，造成英法聯(lián)軍大敗。事后，法國政府命巴黎天文臺臺長勒威耶總結此事故的天氣原因。
勒威耶收集了該年11月12～16日的氣象資料，查明此風暴于11月12～13日還在西班牙和法國西部，至14日，就東移到了黑海地區(qū)，使法國兵艦遭受損失。如能及時預告風暴移動的情況，損失是可能避免的。因此，他提出了組織氣象臺站網、開展天氣圖分析和天氣預報的建議。
法國政府采納了這個建議，于1856年組織了氣象觀測網，1860年創(chuàng)立風暴警報業(yè)務。從此，繪制天氣圖便成為一項日常業(yè)務，并陸續(xù)推廣到歐美各國。
1857年荷蘭的白貝羅提出風與氣壓的關系(在北半球背風而立，低壓在左、高壓在右：南半球反之)；1861年美國費雷爾在研究大氣運動時引入科里奧利力；1888年德國亥姆霍茲提出流體切變動力不穩(wěn)定的概念。
在此之后，許多學者開始研究風暴的旋轉特性，并紛紛提出各自的氣旋模式：1863年英國 的菲茨羅伊提出極地氣流和赤道氣流的氣旋模式；1878年英國利提出局地颮線(冷鋒)氣旋模式；1882年德國的柯本提出颮線(冷鋒)結構模式；1906年肖和倫·柯本的颮線(冷鋒)結構模式 ；1906年肖和倫普弗特的地面氣流切變及降水分布的氣旋模式等。這些模式都在不同程度上反映出了氣旋及其天氣的分布。但由于當時臺站較稀，每天觀測的次數(shù)較少，因此還不能完全反映出氣旋的結構和演變過程。
至20世紀20～30年代，以皮耶克尼斯為首的挪威學派，無論在天氣學理論方面，還是在天氣分析和天氣預報的方法上，都作出了卓越的貢獻。20世紀20年代前后，他們在挪威沿海等地組建了稠密的地面氣象觀測網，并仔細分析了由稠密站網所提供的資料繪制而成的天氣圖，在1917～1918年間發(fā)現(xiàn)了暖鋒，并得出了概括冷鋒、暖鋒、錮囚鋒、靜止鋒和低壓及其云雨分布的完整的氣旋模式。他們還提出了反映氣旋生命史的極鋒學說，并把上述模式、理論和學說用于日常的天氣分析和天氣預報。
現(xiàn)代天氣學理論，天氣分析和天氣預報方法，基本上是由皮耶克尼斯、皮耶克尼斯、索爾貝格和伯杰龍等人在20世紀20～30年代期間建立起來的。當時，他們還利用地面觀測資料發(fā)展了根據(jù)云的狀態(tài)和移動判斷高空氣流和溫度、濕度情況的“間接高空氣象學”。
從1783年法國查理制成攜帶探測氣象要素自記儀器的升空氣球并進行高空探測，1928年蘇聯(lián)莫爾恰諾夫發(fā)明無線電探空儀，到探空儀的普遍應用，人們逐漸獲得高空探測資料，對大氣的鉛直結構有了真正的了解。
芝加哥學派的領導人巳羅斯比，在高空天氣圖上發(fā)現(xiàn)了長波，1939年他提出了長波動力學，并由此引出了位勢渦度理論，創(chuàng)立了長波理論。40年代，他領導下的芝加哥學派，包括帕爾門等人，確認了高空西風急流和長波的結構和變化，以及它們與地面氣旋波的關系。芝加哥學派的工作，一方面增強了天氣學與熱力學和動力學的聯(lián)系，充實了天氣分析和預報的物理基礎；另一方面也為研究大型的大氣運動提供了理論依據(jù)，為數(shù)值天氣預報的開展創(chuàng)造了條件。
在18世紀末以前，動力氣象學一直包含在流體力學中。到1897年，皮耶克尼斯將流體力學和熱力學應用于大氣和海洋的大尺度運動的研究中，提出了著名的環(huán)流理論 。從此動力氣象學便逐步由流體力學中分離出來，形成一個獨立的學科。
1922年英國氣象學家理查孫第一個對大氣運動方程，用差分法求解，制作了數(shù)值天氣預報。雖然由于觀測站網的密度和資料的精確度不夠，用的又是完全的原始方程組，所取的時間和空間的間隔不合適，使計算出現(xiàn)不穩(wěn)定，導致預報試驗失�。鼌s為后來開展數(shù)值預報積累了經驗。1950年，諾伊曼和查尼領導的小組，終于用一臺最早的電子計算機，第一次成功地作出了數(shù)值天氣預報。
雖然早在16～17世紀，中國、法國、意大利等就有人工消雹的記載，但那時對其成因并不了解。對成云致雨的物理過程的研究是從19世紀開始的。如1880年愛根研究了云中的凝結核；1911年韋格納提出了過冷水與冰晶共存時，冰晶能消耗過冷水滴而增大 ；1933年伯杰龍?zhí)岢隽死湓平邓睦碚摚?948年朗綏爾提出了積狀暖云因連鎖反應而產生降水的機制；1946年謝弗和馮內古特分別發(fā)現(xiàn)固體二氧化碳和碘化銀可作為人工冰核。同年朗綏爾用固體二氧化碳和碘化銀對云進行了撒播試驗，取得了積極的效果，從而為人工影響天氣的試驗和云物理的研究開辟了道路。
大氣科學迅速發(fā)展的時期(20世紀50年代以來)
第二次世界大戰(zhàn)之后，以遙感技術和計算機技術為代表的新技術迅速發(fā)展。從50年代開始，這些新技術被引進大氣科學領域。從此，大氣科學在探測手段、通信方式、天氣預報、氣候分析 、試驗研究、人工影響天氣、分支學科的發(fā)展和國際合作等各個方面，都有了突飛猛進的發(fā)展。
自1945年分別使用雷達和火箭進行大氣探測以來，逐步建立了氣象雷達和氣達和火箭進行大氣探測以來，逐步建立了氣象雷達和氣象火箭探測網。
雷達技術的運用，能夠在地面探測較大范圍的大氣物理量的變化。從1960年起，又使用了極軌氣象衛(wèi)星，它可從幾百公里至上千公里以外的高空 ，探測全球的云況和其他物理量。1966年，地球同步氣象衛(wèi)星上天，更可以較方便地追蹤臺風等天氣系統(tǒng)的連續(xù)演變。
這些衛(wèi)星裝備有紅外、微波、可見光、紫外等輻射探測儀，綜合運用了遙感技術，能把大氣變化的各種信息及時傳送到地面。由極軌氣象衛(wèi)星和地球同步氣象衛(wèi)星、地面氣象站、高空氣象站、海上船舶和漂浮站、自動氣象站，以及飛機、火箭、定高氣球 等下拋的探空儀等，共同組成的監(jiān)視全球大氣演變的探測系統(tǒng)，有力地促進了大氣科學的迅速發(fā)展。
1946年發(fā)展起來的電子計算機，使得解大氣動力方程開展數(shù)值天氣預報成為可能。1950年，查尼、菲約托夫特和諾伊曼用準地轉正壓模式，在電子計算機上成功地對北美地區(qū)500毫巴(百帕)等壓面的高度場作了24小時的預報。此后，各國便陸續(xù)建立了數(shù)值天氣預報業(yè)務。中國于1965年開展國便陸續(xù)建立了數(shù)值天氣預報業(yè)務。中國于1965年開展數(shù)值天氣預報業(yè)務，1981年底開始正式向全國播發(fā)天氣形勢預報。
從對觀測資料的描述分析到進行實驗，是質的飛躍。50年代以來，大氣科學研究逐漸進入了實驗階段。大氣科學的實驗一般有三種形式：實驗室實驗(或模型實驗)、數(shù)值試驗、大氣觀測試驗。
自古以來人類就有改造(控制)天氣和氣候的愿望。迄今雖然由于科學有改造(控制)天氣和氣候的愿望。迄今雖然由于科學技術的局限性還不能實現(xiàn)這一愿望，但通過試驗研究，在探索影響天氣和氣候的科學問題上是有所收獲的。
自二十世紀40年代中葉第一次向云中撒播播云催化劑以來，人工影響天氣的試驗延續(xù)不斷。50年代中期，云和降水物理學逐步形成分支學科。60年代美國辛普森進行了積云動力催化實驗；蘇聯(lián)蘇拉克韋利澤等用冷云催化方法進行了大規(guī)模的防雹試驗；美國還開展了用飛機在某一部位撒播碘化銀以影響臺風的試驗。
中國從50年代末以來在大多數(shù)省份進行了人工降水、人工防雹和人工防霜的試驗。這些試驗雖然在設計和效果檢驗方面還存在不少問題，還難以作出肯定的評論，但為今后的試驗研究積累了經驗，并大大推動了云和降水物理學研究的發(fā)展。
50年代以來，隨著對海洋和大氣相互關系的研究，動力氣象學的發(fā)展，出現(xiàn)了動力氣候學。 它從動力學角度來研究地-氣系統(tǒng)的輻射收支和能量轉換，探討氣候形成的原因。近年來，通過數(shù)值模式對氣候變化進行模擬的研究取得了不少成果。從70年代起，氣候學已突破了只從大氣的角度來研究的限制，而擴展到同時考慮大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈的氣候系統(tǒng)進行研究，氣候學正向著更加廣泛、更為綜合的方向發(fā)展。
現(xiàn)在，大氣科學已發(fā)展成一門分支眾多的科學。如大氣遙感、雷達氣象學和衛(wèi)星氣象學等分支；大氣物理學下的大氣邊界層物理、平流層和中層大氣物理學，以及大氣光學、大氣聲學、大氣電學和大氣輻射學等 ；同大氣物理學同時發(fā)展起來的，還有大氣化學；天氣學和動力氣象學則相互滲透而形成天氣動力氣象學，其應用學科數(shù)值天氣預報也發(fā)展成了獨立的分支；由于對極地、熱帶和高原地區(qū)情況的研究日益深入，而出現(xiàn)極地氣象學、熱帶氣象學和高原氣象學 ；氣候學也出現(xiàn)了動力氣候學、氣候變化等分支。
由于大氣科學廣泛應用于生產、生活和科研等各種領域，許多邊緣學科如海洋氣象學、水文氣象學、農業(yè)氣象學、森林氣象學、生物氣象學、航空氣象學、建筑氣象學和醫(yī)療氣象學等相繼出現(xiàn)，在氣象業(yè)務工作自動化進程中，大氣科學不斷地從信息理論、系統(tǒng)工程、計算機技術和計算數(shù)學等科學技術領域中獲得新的實驗手段和理論方法；同時，也不斷地用自己的成就豐富著這些領域。
