节气学科的研究对象
大气圈，特别是地球表面的低层大气及其相关的水圈、岩石圈和生物圈是人类生存的主要环境。如何认识大气中的各种现象，如何及时正确地预测未来的天气气候，如何对不利的天气气候条件进行人工调节和防御，是人类自古以来一直在探索的领域。
随着科学技术和生产的快速发展，大气科学在国民经济和社会生活中发挥着越来越重要的作用，其研究领域已经超出了通常所说的气象学的范围。
大气科学简史
大气科学是一门古老的学科，关于天气和气候的知识源于长期的生产劳动和社会生活经验。早在渔猎时代和农业时代，人们就逐渐积累了关于天气和气候变化的知识。中国的二十四节气和七十二候，发现于公元前2世纪的《淮南训》和《伊世训解》，是从生产生活实践中总结出来的，用来指导农事活动。
17世纪以前，人们对大气和大气中各种现象的认识是直观的、经验的。17 ~ 18世纪，由于物理和化学的发展，温度、气压、风、湿度等测量仪器的相继发明，氮、氧等元素的相继发现，为人类定量认识大气的组成和运动创造了条件。由此，大气科学研究开始从纯粹的定性描述进入定量分析阶段。这是大气科学发展的一次飞跃。
1820期间，在气压、温度、湿度、风等气象要素确定，气象观测网逐步建立的条件下，布兰德斯绘制了历史上第一张天气图，开创了现代天气分析和天气预报的方法，为大气科学发展到理论研究开辟了道路。这是大气科学发展史上的又一次飞跃。
1835年的科里奥利力概念和1857年白贝罗提出的风与气压的关系成为地球大气动力学和天气分析的基石。1920年前后，气象学家Pierre Knies、solberg和bergeron提出了锋面、气旋和气团理论，为天气分析和预测1 ~ 2天后的天气变化奠定了理论基础。
1783年，法国的查尔斯制作了一个携带探测气象要素仪器的氢气球。20世纪30年代，无线电探空仪被广泛使用，使我们能够了解大气的垂直结构，真正的三维大气科学研究开始了。根据探空资料绘制的高空天气图，发现了大气长波。1939年，气象学家罗斯比提出了长波动力学，由此引出了位涡理论。这不仅将有理论依据的天气预报周期延长到3 ~ 4天，也为后期的数值天气预报和大气环流数值模拟开辟了道路。
Langmuir、Schaefer和vonnegut在1946年的“播云”实验证明，在过冷云中播撒固体二氧化碳或碘化银，可以使云中的过冷水滴变成冰晶，增加云中的冰晶数量，促进降水。从此进入人工影响天气的实验阶段。
20世纪50年代以前，大气科学虽然取得了很大的进步，但由于海洋、沙漠等人烟稀少的地区缺乏数据和计算困难，始终无法摆脱定性或半定性的研究状态。自20世纪50年代以来，由于采用了各种新技术，特别是电子计算机和气象卫星，大气科学得到了突飞猛进的发展。
由于使用了气象卫星、气象火箭、激光、微波、红外等遥感探测手段，以及化学痕量分析方法等各种新技术，增强了对大气的观测能力，拓展了观测空间。比如赤道上空的5颗地球同步卫星和2颗极轨卫星，可以提供几乎相同时间的全球大气，气象数据没有空白区。
气象卫星、新型天气雷达、飞机等探测手段的联合应用，为开展各种尺度的综合观测试验，为早期发现和跟踪台风和生命史短至数小时的小尺度灾害性天气系统，为提高中短期预报水平和改进中期预报提供了条件。气象卫星对大气层外的大气进行探测，不仅扩大了观测范围，还极大地丰富了观测内容，如浩瀚的海洋表面温度、云的微观结构、大气的辐射平衡等等。气象卫星已成为现代大气科学发展的支柱之一。
随着电子计算机的使用，大气科学研究进入了定量和实验研究的新阶段。各种大气现象，从全球大气环流到雨滴的形成，都可以根据物理和化学原理用数学形式表示出来。然而，只有用电子计算机才能计算和模拟这些现象的发生、发展和消失。
此外，随着科技的发展，人类往往需要了解几周、几个月甚至一年以上的大气可能的状态。这也依赖于高速计算机获取和处理全球数据，以全球模式进行天气预报和气候预测。电子计算机是现代大气科学发展的另一个支柱。可以预计，下一代甚至下一代最大的电子计算机将首先用于大气科学。
大气科学的内容
覆盖整个地球的大气层质量约为53万亿吨，约占地球总质量的百万分之一。由于重力作用，大气质量的90%集中在地表以上15公里以下的大气中，99.9%在48公里以内。2000公里以上，大气极其稀薄，逐渐过渡到星际空间，没有明显的上限。
大气本身的可压缩性、太阳辐射、地球的形状及其引力、地球的公转和自转、陆地和海洋在地球表面的分布和地形起伏、地球和地球生态系统的演变是造成地球大气特定组成、结构和运动的主要自然条件。人类活动及其对生态因子的影响是影响大气成分、大气结构和大气运动的人为条件。
地球大气的成分主要是氮、氧和氩，它们占大气总体积的99.96%。其他气体含量很少，如二氧化碳、氪氖、氨、甲烷、氢、一氧化碳、氙、臭氧、氡和水蒸气。水滴、冰晶、灰尘、孢子和花粉等液体和固体颗粒也悬浮在大气中。太阳系的九大行星都有大气层。
地球大气中的氧气是人类生存的物质基础。氧气的出现及其含量的变化与地球的形成过程和生物的进化过程密切相关。大气中的水汽来源于河流、湖泊和海洋的蒸发，植物的排放和其他含水物质的蒸发。在夏季炎热潮湿的地方，大气中水汽含量的体积比可达4%，而在冬季干燥寒冷的地方(如极地)，则低于0.01%。水蒸气随大气温度发生相变，形成云并引起降雨，成为淡水的主要来源。
水的相变和水文循环过程不仅将大气圈与水圈、岩石圈和生物圈紧密地联系在一起，而且对大气运动的能量转换和变化有着重要的影响。大气中二氧化碳的含量受到植物光合作用、动物呼吸、含碳物质燃烧和海水吸收二氧化碳的影响。随着燃料消耗的增加和森林覆盖率的降低，已经观察到二氧化碳含量在逐年增加。近年来，由于人类活动的影响，大气中原本不存在或很少存在的甲烷、一氧化二氮等气体的含量也迅速增加。这些温室气体含量变化对大气温度的重要影响已成为现代气候变化研究的前沿课题。
臭氧在大气中的含量很少，即使在距离地表20 ~ 30公里的最大浓度处，其含量也不到这个大气的十万分之一。而大气臭氧层可以吸收大量太阳紫外线辐射的有害部分，对人类起到非常重要的保护作用。此外，大气臭氧层的存在对平流层大气的温度也有重要影响。由于人类活动对高空光化学过程的影响会引起臭氧含量的变化，因此研究人类活动对臭氧含量的影响成为医学界和气象界共同关注的问题。
地球大气的密度、温度、压力、成分和电磁特性都随高度变化，具有多层次的结构特征。大气的密度和压力一般随高度呈指数下降；温度、成分和电磁特性随高度而变化，根据各自的变化特征可分为几个层次。
根据温度随高度的变化，地球大气层从地表向上分为对流层、平流层、中间层和热层。对流层靠近地表，其中温度随高度增加而降低，平均每增加1 km降低6.5℃，直至对流层顶部温度降至最低。对流层对流运动显著，是垂直热输送的主要控制因素，云和降水主要发生在这一层。对流层顶的高度在赤道地区约为65438±08公里，在中纬度地区约为65438±02公里，在极地地区约为8公里。
平流层位于对流层之上，平流层顶部距离地表约50公里。平流层中的臭氧层吸收太阳紫外辐射，是使大气温度随高度升高的主要因素。这一层大气温度层结非常稳定，其中的热量传输主要是辐射传输。
中间层位于平流层之上，中间层顶部距离地表约85公里。该层的温度随着高度的增加而降低。热层位于中间层上方，热层顶部距离地表约500公里。因为这层大气吸收了太阳紫外线辐射，所以温度随着高度的增加而升高。热层顶部的上方是外逸层，那里的大气极其稀薄，每立方厘米不到1000万个原子(海平面每立方厘米约100亿个原子)。
地球大气按其成分可分为均匀层和非均匀层。高地表约35公里高度以下是均质层，其中大气成分比例相同，平均分子量恒定。约110 km以上的高度为不均匀层。层内大气成分经重力分离后，轻的在上面，重的在下面，平均分子量随高度增加而减小。离地表95 ~ 110公里处是均匀层向非均匀层的过渡层。
地球大气层按电磁特性可分为中性层、电离层和磁层。中性层是从地表到60公里的高度。电离层在地表以上60公里至500 ~ 1000公里处。磁层距离地表500-1000公里以上。电离层可以反射无线电波，这对无线电通信非常重要。磁层是地球大气层的最外层，磁层顶部是太阳风的动能密度和地磁场的能量密度平衡的曲面。
地球大气层的运动非常复杂。地球的自转和公转以及地球自转轴的方向，产生了从赤道到两极的昼夜交替、季节变化、温度降低的规律。由于海陆分布和地貌的不均匀性，地表温度并不完全按带状分布，而是呈现出非带状的不均匀分布。
整个大气通过各种机制相互紧密联系，形成空间尺度小到几米，大到几千公里甚至上万公里，时间尺度短至几秒，长至几十天甚至更长的各种大气运动系统。在影响大气运动的因素中，人为因素正在发生变化(如工农业生产、大规模砍伐森林等导致大气中温室气体的增加等。)，而且自然因素也在变化(如火山喷发引起的辐射能的变化，地球自转轴方向的变化等。).大气的运动既有规律性，又有随机性。
大气科学的研究对象——地球大气，无论其成分、结构还是运动，都具有确定性和不确定性两个方面。这就是大气科学研究的复杂性。
除了大气圈，还有水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈，它们构成了一个完整的系统。大气中的各种变化都受到其他圈子的影响；反之，氛围也影响着其他圈子的变化。研究大气运动的能量，物质循环的过程，大气中能量的转换和变化，大气环流、天气和气候的分布和变化，必须考虑大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈之间的相互作用和相互影响。
大气不是孤立的，各种时空尺度谱广的大气现象也不是孤立的。它们多种多样，相互重叠，相互影响。即使同一种现象，其结构也不相同。影响这些大气现象的因素非常复杂，人类还很难在实验室中通过人工控制对其进行完整的实验和研究。我们只能以大自然为实验室，组织从局部到全球的气象观测网络，利用多种观测手段对大气现象进行长期连续观测，特别是定量观测，以获取信息；有必要收集有关气候现象的地质调查、考古发掘和历史文献。
大气科学家通过对大量数据的分析和综合，提炼出量与量的定性或定量关系，总结出锋面、气旋、大气长波等典型现象的模式特征。在模型的基础上，利用已知的物理和化学基本原理，以及数学工具和计算技术进行理论推导和模拟，得出新的结论。理论模型是否合理，需要在大自然的实验室中检验，有些理论模型需要新的观测数据来证实。
全球大气不断运动，是一个整体。为了掌握大气运动变化快、范围广、形式多的特点，需要对大气进行连续、高频、全球性的观测。全球数万个观测天气预报的气象站，要用近乎相同的仪器和观测方法，在同一时间进行全球同步观测；气象卫星、气象雷达等探测手段观测到的大量数据，所有用于天气预报业务的数据都要同步处理。
这些数据应该在观测后的几分钟内迅速集中到世界气象中心和各国气象中心。再加上更多水文气象站的观测数据。数据传输的范围、数量和速度是惊人的，这是自然科学中的一个奇迹。所有这些只能通过密切的国际合作来实现。
大气科学的一个分支。
大气科学的分支主要包括大气探测、气候学、气象学、动力气象学、大气物理学、大气化学、人工影响天气和应用气象学。
大气探测是研究探测地球大气中各种现象的方法和手段的学科。按照探测的范围和手段，大气探测包括地面气象观测、高空气象观测、大气遥感、气象雷达和气象卫星。探测手段的飞跃，往往会带来过去难以预料的重大发现。在大气科学的发展过程中，大气探测起着非常重要的作用。
气候学是研究气候的特征、形成和演变以及气候与人类活动关系的学科。研究内容主要包括气候特征、气候分类、气候区划、气候成因、气候变化、气候与人类活动的关系、气候预测和应用气候。电子计算机的采用促进了对气候变化的物理因素和气候模拟的研究。气候预测不再是一个虚无缥缈的问题，而成为了一个战略课题。
气象学是研究大气中各种天气现象发生发展规律以及如何应用这些规律进行天气预报的学科。研究内容主要包括天气现象、天气系统、天气分析和天气预报。气候学和气候学的成果不仅为大气科学提供了丰富的研究课题，而且直接为国民经济服务。
动力气象学是应用物理学和流体力学的规律和数学方法，研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的一门学科。研究内容主要包括大气热力学、大气动力学、大气环流、大气湍流、数值天气预报和数值模拟等。动力气象学的发展对认识大气运动机理、掌握天气气候变化规律具有十分重要的作用，是大气科学的理论基础学科。
大气物理学是研究大气的物理现象、物理过程及其变化规律的学科。研究内容主要包括云和降水物理、大气光学、大气电学、大气声学、大气辐射等。大气物理学也是大气科学中的一门基础理论学科。20世纪50年代以后，有人称动力气象学为大气物理学。
大气化学是研究大气成分和大气化学过程的学科。研究内容主要包括大气痕量气体及其环流、大气气溶胶、大气放射性物质和降水化学。
人工影响天气，研究如何通过影响云和降水的微物理过程来改变某些大气现象和过程的技术和方法。如人工增雨、防雹、消雾等。人工影响天气是人类改造自然的一个组成部分。
应用气象学是将气象学的原理、方法和成果与农业、水文、航海、航空、军事、医疗等各种专业学科相结合的边缘学科，也是充分开发利用气候资源的重要领域。
大气科学的各个分支并不是彼此孤立的。比如气候学和气候学与动力气象学的结合，产生了天气动力学和物理动力气候学。
探测手段的不断创新和痕量化学分析技术的发展，促进了对大气物理化学性质的分析研究，推动了大气化学的发展。特别是大气中二氧化碳、甲烷等微量气体对气候日益显著的影响，以及大气污染和酸雨的出现，不仅使人们更加认识到大气化学在大气科学中的重要性，而且随着研究的深入，人们还认识到大气化学过程和大气物理过程之间的相互作用，从而促进了这两个分支学科的相互融合。
大气科学与其他学科的关系
在大气科学漫长的历史发展中，气候学、气象学、大气热力学和动力学以大气中的物理现象(如电象、光象、声象)和更一般的化学现象为主要研究内容，传统上称为“气象学”。随着现代科学技术在气象学中的应用，其研究范围日益扩大，因此自20世纪60年代以来，“大气科学”一词被广泛使用，大大扩展了传统气象学的研究内容。
近年来，由于人们越来越认识到大气圈与水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈之间的相互作用和相互影响的重要性，有必要深入研究其他圈层的变化过程，以了解大气变化过程。因此，大气科学的研究内容越来越广泛，与其他学科的相互渗透也越来越深。
比如大气运动的研究，需要流体力学、热力学、数学的密切配合；研究太阳辐射和太阳扰动在大气中引起的各种机制，需要高层大气物理学、太阳物理学和空间物理学的密切合作；研究水循环、海洋和大气的相互作用，需要水文科学和海洋科学的密切合作；研究地球大气和气候的演变需要地球化学、地质学、冰川学、海洋科学、生物学和生态学的密切合作。大气化学和空气污染的研究需要化学、物理、生物和生态学的密切合作；大气问题的数值模拟和数值天气预报的研究需要计算数学的密切配合。研究大气探测的手段和方法，需要与相关技术科学密切合作；在大气探测和天气预报等自动化过程中，大气科学继续与信息论、系统工程等科技领域密切合作。大气科学在相互合作和渗透的过程中，不断从其他学科中吸取养分；大气科学的特定要求不断为其他学科开辟新的研究前沿，丰富了其他学科的内容。
大气科学的快速发展方兴未艾。随着世界气候计划等专项的实施，将在常规观测系统的基础上，利用气象卫星、海洋观测卫星、多普勒雷达、专门配备的飞机等探测手段，以及新的大气化学观测分析方法，观测各种专项，如海平面、太阳常数、云和辐射反馈、近海风、土壤水分、碳循环等。
总之。人类生产生活的发展会不断提出新的问题和要求，推动大气科学新的理论和分支的发展。大气科学的新发展必将不断提高其为生产生活服务的能力，如提高天气气候预报的准确率，为气象资源的开发利用和经济政策的制定提供更加可靠的科学依据，其经济效益和社会效益将不可估量。
大气科学的其他分支
大气科学、气候学、物候学、古气候学、树木气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理学、云和降水物理学、云微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、气象学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学。