許小峰張萌

（1 中國氣象局，北京 100081；2 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；3 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

氣象科技發(fā)展歷程的若干回顧及啟示

許小峰1張萌2,3

（1 中國氣象局，北京 100081；2 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；3 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

探索大氣層及其演變規(guī)律，科學(xué)預(yù)測其發(fā)展變化趨勢，是人類適應(yīng)環(huán)境、趨利避害的必然選擇。在回顧大氣科學(xué)發(fā)展史多個(gè)關(guān)鍵事件的基礎(chǔ)上，通過分析氣象學(xué)界著名的挪威學(xué)派、芝加哥學(xué)派產(chǎn)生和發(fā)展情況及近代中國氣象學(xué)者對(duì)于大氣科學(xué)學(xué)科發(fā)展所做出的貢獻(xiàn)，以此來探討大氣科學(xué)發(fā)展史對(duì)于當(dāng)代大氣科學(xué)發(fā)展的啟示，即：大氣科學(xué)的發(fā)展依賴于自然科學(xué)和技術(shù)的最新成果，同時(shí)又與其他學(xué)科相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展；在大氣科學(xué)學(xué)科發(fā)展過程中應(yīng)寬容不同意見，不迷信神話和權(quán)威；大氣科學(xué)學(xué)科的興盛離不開領(lǐng)軍人才。

大氣科學(xué)，氣象史，發(fā)展，啟示

1 引言

環(huán)繞地球不斷運(yùn)動(dòng)的大氣圈層，是維持地球生態(tài)生存、演變的必要條件，無時(shí)無刻不對(duì)人類的生產(chǎn)、生活及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。探索大氣層及其演變規(guī)律，科學(xué)預(yù)測其發(fā)展變化趨勢，是人類適應(yīng)環(huán)境、趨利避害的必然選擇。

16世紀(jì)以前，人們只能依靠肉眼看到的天象、物象來判斷天氣或氣候的變化，隨著觀云測天經(jīng)驗(yàn)的積累，氣象觀測儀器的出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)學(xué)、物理等近現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)和原理的引入，以及軍事和民生對(duì)其的迫切需求，對(duì)大氣現(xiàn)象的分析、預(yù)測逐漸擺脫了“算卦”、“占卜”等非科學(xué)因素，發(fā)展成為一門有理論基礎(chǔ)的氣象學(xué)科。隨著科學(xué)理論和高新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，“氣象學(xué)”或“氣象科學(xué)”的概念已逐漸被“大氣科學(xué)”的概念所取代，其研究內(nèi)容也大大超出了傳統(tǒng)氣象學(xué)的范疇[1]。

2 大氣科學(xué)發(fā)展回顧

2.1 氣象學(xué)的萌芽

回望人類歷史，從遠(yuǎn)古時(shí)代開始一直到公元15世紀(jì)末的數(shù)千年，是古代氣象知識(shí)的積累期。在這段漫長的時(shí)期內(nèi)，自然界頻繁出現(xiàn)的大氣現(xiàn)象不斷被人類關(guān)注，對(duì)其認(rèn)識(shí)也漸漸由少到多、由表及深。但在缺少現(xiàn)代科學(xué)思想和認(rèn)識(shí)方法的時(shí)代，人類對(duì)于氣象的認(rèn)識(shí)也只能是感知性和經(jīng)驗(yàn)性的，且在全球不同地區(qū)的氣象認(rèn)知水平參差不齊。

古代文化源地有四處，即亞歐非三洲交界、印度

次大陸、亞洲東部中國和古代美洲，本節(jié)僅對(duì)古代中國和古希臘的氣象認(rèn)知發(fā)展做簡要梳理。

中國古代，為了安排農(nóng)事生產(chǎn)、祭祀等活動(dòng)，對(duì)天文、氣象的占卜逐漸顯現(xiàn)。例如商代就很重視天氣對(duì)人類活動(dòng)的影響。商代甲骨文中對(duì)天氣現(xiàn)象的記載已十分完整、細(xì)致，包括降水、天空狀況、風(fēng)、云霧、大氣光電現(xiàn)象等許多項(xiàng)目（圖1），且對(duì)這些大項(xiàng)還有更細(xì)致的分類，如將降水現(xiàn)象分為雨、雪、雹、霜等，對(duì)雨又有大雨、猛雨、疾雨、足雨、多雨和毛毛雨等區(qū)別。

商代卜辭常有對(duì)預(yù)知天氣狀況的要求，這與當(dāng)時(shí)的社會(huì)生產(chǎn)水平是相適應(yīng)的。殷人還常在卜問后，把這十天的天氣實(shí)況刻在甲骨上卜問部分的后面，用作驗(yàn)證。因此所發(fā)掘出來的甲骨文中，往往可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)十天的氣象實(shí)況記錄[2]。

到了西漢，中國的氣象知識(shí)發(fā)展可以歸納為三個(gè)方面：觀測范圍的推廣和深入，氣象儀器的創(chuàng)造和應(yīng)用，天氣現(xiàn)象的理論解釋。直到明代初期（即15世紀(jì)）以前，中國在氣象學(xué)的認(rèn)識(shí)有許多地方并不落后于西方[3]。如唐代天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家李淳風(fēng)（602—670年），是世界上第一個(gè)給風(fēng)定級(jí)的人，在其專著《乙巳占》的氣候占和候風(fēng)法中記錄了很多重要的氣象現(xiàn)象。李淳風(fēng)對(duì)風(fēng)的觀測非常詳細(xì)，古代中國一般使用的是8方位風(fēng)向，因之有八風(fēng)之名，李淳風(fēng)進(jìn)一步把風(fēng)向明確定為24個(gè)，并根據(jù)樹木受風(fēng)影響而帶來的變化和損壞程度，創(chuàng)制了八級(jí)風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)，即：“動(dòng)葉，鳴條，搖枝，墮葉，折小枝，折大枝，折木飛砂石，拔大樹和根。”一千多年后，英國人蒲福（FrancisBeaufort，1774—1857年）于1805年才把風(fēng)力定為12級(jí)共13個(gè)等級(jí)。明代杰出科學(xué)家徐光啟（1562—1633年）編撰的《農(nóng)政全書》中總結(jié)了天氣和氣候變化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的密切關(guān)系，供當(dāng)時(shí)的農(nóng)民參考，強(qiáng)調(diào)了緯度的變化對(duì)農(nóng)作物生長非常重要，應(yīng)該關(guān)注南北氣候的差異，以便引種改制。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)度、緯度、季節(jié)、區(qū)域等影響要素都應(yīng)該得到關(guān)注[4]。

王鵬飛[2]總結(jié)中國古代氣象上的成就主要有：最早的十天天氣實(shí)況資料，大氣奇異光象的觀測和圖譜，云的觀測和古云圖集，風(fēng)、濕度、降水的觀測和儀器，天氣諺語和天氣預(yù)報(bào)，以及古代天氣現(xiàn)象理論。

在古希臘，氣象的認(rèn)知水平有了極大發(fā)展，可以說古希臘開創(chuàng)了世界氣象科學(xué)發(fā)展的先河。到了公元前4世紀(jì)，古希臘的著名學(xué)者亞里士多德提出了冷、熱、燥、濕四種基本物性，將在他之前的各類氣象認(rèn)知進(jìn)行匯總，撰寫了迄今為止發(fā)現(xiàn)最早的氣象學(xué)專著《氣象匯論》，全書共四卷42章，其中有15章談到氣象，較為全面地闡述了云、雨、雹、霾的形成，氣候變化，風(fēng)的形成和分布，颶風(fēng)、焚風(fēng)以及暈和虹等大氣現(xiàn)象?！稓庀髤R論》主要介紹亞里士多德及其同時(shí)期或其前人們的氣象觀，雖然書中的許多解釋在今天看來是錯(cuò)誤的，甚至是荒謬的，但它仍對(duì)17世紀(jì)以前的西方氣象學(xué)產(chǎn)生了重要的影響[5-6]。

圖1 甲骨文中對(duì)天氣現(xiàn)象的記載（從左至右依次為風(fēng)、云、雨、雪、霾）

2.2 氣象觀測與相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步

伴隨著測量儀器的陸續(xù)發(fā)明，觀測和實(shí)驗(yàn)的大量開展，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的理論研究，氣象學(xué)從對(duì)天氣現(xiàn)象的定性描述逐漸過渡到量化認(rèn)識(shí)階段。

據(jù)記載，1597年意大利物理學(xué)家伽利略發(fā)明了溫度計(jì)，在成為化學(xué)界和物理界應(yīng)用的儀器之前，溫度計(jì)首先被氣象學(xué)家使用[7]；46年后同樣是在意大利，另一位著名的物理學(xué)家托里拆利通過玻璃管和水銀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了大氣壓力的存在，但由于這一過程是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的，無法使公眾有切身的感受，尚難以服眾，還引起了爭議；1654年，格里克的馬德堡半球試驗(yàn)，使人們對(duì)氣壓的存在完全信服；雖然早在15世紀(jì)就有人提出了濕度測量的可行性，但作為科學(xué)觀測儀器的濕度計(jì)直到18世紀(jì)才由德國數(shù)學(xué)家蘭伯特制造出來。而氣象中另外兩種重要現(xiàn)代觀測儀器——雨量計(jì)和測風(fēng)儀在1800年前后被發(fā)明。同時(shí)隨著觀測儀器的不斷改良，氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度等氣象要素的觀測精度也越來越高，為大氣科學(xué)的快速發(fā)展提供了必要條件。

需要強(qiáng)調(diào)的是，法國著名哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家勒內(nèi)?笛卡爾（Rene Descartes，1596—1650年）在《論氣象學(xué)》中貢獻(xiàn)了基于實(shí)際觀察和定量計(jì)算的研究理論，強(qiáng)調(diào)用“量”的范疇來描述自然現(xiàn)象必須要使用標(biāo)準(zhǔn)的觀測儀器、統(tǒng)一的度量單位、明確的記錄格式。世界上最早的定量、連續(xù)觀測資料肇始于17世紀(jì)中期。最早使用氣象觀測儀器實(shí)施氣象觀測，并將氣象觀測記錄一直保存下來的是巴黎、克勒蒙費(fèi)蘭德、斯德哥爾摩這三個(gè)地方，時(shí)間為1649—1651年。其中，斯德哥爾摩這個(gè)地方氣象儀器的觀測工作首先是由笛卡爾

實(shí)施的。這三個(gè)地方的氣象儀器觀測構(gòu)成了世界上最早的國際氣象觀測網(wǎng)[4]。

除了氣象觀測儀器自身的發(fā)展外，主要用于其他領(lǐng)域的科技產(chǎn)品也為氣象觀測水平的提高，提供了極大的幫助。

19世紀(jì)30年代電報(bào)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(dāng)日天氣圖成為可能。1928年，無線電探空儀的發(fā)明對(duì)20km以下的各層氣象要素的探測為當(dāng)時(shí)的天氣預(yù)報(bào)提供了有限的資料[8]。二戰(zhàn)之后，最早被應(yīng)用于軍事的雷達(dá)開始用于探測氣象要素；1958年美國發(fā)射的人造衛(wèi)星開始攜帶氣象儀器；世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC被用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn)，并與1950年獲得成功。在此之后，空基和地基遙感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使氣象觀測資料更加豐富、計(jì)算更加可靠。

2.3 數(shù)學(xué)和物理的引入

人類文明伊始，人們仰望星空觀察宇宙，通過風(fēng)走云動(dòng)、陰晴冷暖感知大氣層的存在和其中發(fā)生的現(xiàn)象；在遼闊的荒原、山水間與大自然的持續(xù)博弈中體驗(yàn)、思考著各種大氣現(xiàn)象的起源、行蹤與規(guī)律。因此，氣象學(xué)最早是與天文學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科混合在一起的。隨著氣象學(xué)包含的內(nèi)容不斷豐富，逐漸形成了通過以記錄天氣現(xiàn)象為主的資料積累，以探討天氣變化規(guī)律為主的理論探索和以預(yù)測未來天氣為主的應(yīng)用實(shí)踐三方面的經(jīng)典氣象學(xué)內(nèi)容，從而逐步建立了經(jīng)典氣象學(xué)科[9]。

17世紀(jì)之后，科學(xué)革命掀起的理性主義浪潮席卷了整個(gè)西方世界，氣象學(xué)顯然也從中受益。其中，笛卡爾做出了突出貢獻(xiàn)，使其之后的氣象學(xué)完全擺脫了《氣象匯論》的束縛，成為了完全具有科學(xué)性質(zhì)的學(xué)科。1637年，笛卡爾完成了《折光學(xué)》、《氣象學(xué)》和《幾何學(xué)》三篇論著，并為此寫了一篇序言《科學(xué)中正確運(yùn)用理性和追求真理的方法論》，簡稱《方法論》。笛卡爾試圖以這三種科學(xué)研究為例，證明其方法論的正確性，進(jìn)一步證明其實(shí)證主義的哲學(xué)觀點(diǎn)。在《氣象學(xué)》一書中，笛卡爾提出了諸多氣象學(xué)方面的理論，用新方法解釋了各種天氣現(xiàn)象。如他詳細(xì)討論了地面上的物質(zhì)以及上升的水汽性質(zhì)、云層以及風(fēng)的成因，并解釋了云層演化成雨、雹、雪的過程和暴風(fēng)雨、雷、閃電等的成因以及虹和大氣光現(xiàn)象。最值得一提的是笛卡爾在《方法論》中提出了四條認(rèn)識(shí)客觀世界的原則：首先，要盡量避免輕率判斷，即使對(duì)待“權(quán)威說法”也要保持懷疑的態(tài)度；第二，遇到復(fù)雜問題時(shí)，可以把它分解為一系列簡單的問題；第三，要按照次序認(rèn)識(shí)并解決系列問題，逐步回溯到原始的復(fù)雜問題；第四，要盡量全面細(xì)致地考慮問題，確信準(zhǔn)確無誤[4]。盡管這些原則并不深?yuàn)W，但對(duì)于從中世紀(jì)走出來的西方世界而言，已是很大的突破了。即便是對(duì)現(xiàn)代人而言，能完全做到也并非易事。

人們對(duì)天氣的認(rèn)識(shí)是一個(gè)漫長的過程，依賴于知識(shí)的積累，認(rèn)識(shí)的提升，技術(shù)的進(jìn)步，需求的推動(dòng)等多種因素，在具備了這些因素后，則要看人才的涌現(xiàn)了。在現(xiàn)代氣象科學(xué)領(lǐng)域取得突破性、奠基性進(jìn)展的要首推來自挪威的皮葉克尼斯父子和在他們的領(lǐng)導(dǎo)下形成的挪威學(xué)派了。V.皮葉克尼斯在20世紀(jì)初提出天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)物理初值問題，并給出了描述大氣運(yùn)動(dòng)的方程組，首次將流體力學(xué)、物理學(xué)的觀點(diǎn)引入氣象學(xué)研究，并用數(shù)學(xué)公式將大氣運(yùn)動(dòng)表達(dá)出來，推動(dòng)、加快了現(xiàn)代氣象學(xué)的發(fā)展。數(shù)學(xué)表達(dá)式和物理定律的引入，使氣象學(xué)成為了一門真正的現(xiàn)代科學(xué)。

V．皮葉克尼斯在其1904年發(fā)表的經(jīng)典文獻(xiàn)[10]中指出，大氣運(yùn)動(dòng)過程本質(zhì)是復(fù)雜的力學(xué)與物理學(xué)問題。每一個(gè)過程都可以用一個(gè)或多個(gè)遵循力學(xué)或物理學(xué)法則的數(shù)學(xué)方程表示。只要能夠建立和未知變量數(shù)量相等的獨(dú)立方程，就能充分獲知大氣的未來發(fā)展。從氣象的角度來說，在任意時(shí)間，只要確定每個(gè)點(diǎn)上的大氣速度、密度、氣壓、溫度和濕度，大氣的狀態(tài)就可以確定。根據(jù)這些物理量，可以建立起三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程、狀態(tài)方程和兩個(gè)符合熱力學(xué)定律的方程（水汽質(zhì)量方程和熱力學(xué)能量方程）。這就是對(duì)現(xiàn)在出現(xiàn)在教科書中的大氣運(yùn)動(dòng)方程組的最初描述。

1905年，V．皮葉克尼斯受邀到紐約哥倫比亞大學(xué)和華盛頓特區(qū)的卡內(nèi)基學(xué)院做特邀報(bào)告，介紹了他發(fā)展的環(huán)流理論，以及如何將水文動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的原理應(yīng)用到大氣科學(xué)上。他在報(bào)告中提議將物理理論帶入天氣預(yù)報(bào)來整合天氣理論與預(yù)報(bào)實(shí)務(wù)，讓氣象學(xué)作為一門科學(xué)徹底站立起來[11]，這個(gè)觀點(diǎn)受到卡內(nèi)基學(xué)院的巨大支持。

2.4 經(jīng)典理論的提出與數(shù)值預(yù)報(bào)的誕生

1904年大氣運(yùn)動(dòng)方程組這一科學(xué)概念的提出，以及1922年理查森基于科學(xué)理念對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的嘗試（雖以失敗告終），成為20世紀(jì)三四十年代極鋒理論、長波理論、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論、斜壓不穩(wěn)定理論等經(jīng)典理論提出的基礎(chǔ)和動(dòng)力。這些成果又幫助“計(jì)算機(jī)之父”馮?諾依曼和美國氣象學(xué)家查尼，在1950年，用剛剛誕生的世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC，在以1949年1月31日觀測記錄為初值，進(jìn)行歐洲地區(qū)24小時(shí)數(shù)值

預(yù)報(bào)的試驗(yàn)中獲得成功。數(shù)值預(yù)報(bào)的成功及其后來在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，使得天氣預(yù)報(bào)從完全依據(jù)預(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)的時(shí)代逐步進(jìn)入到依據(jù)數(shù)學(xué)物理模式預(yù)報(bào)結(jié)果，再由預(yù)報(bào)員進(jìn)行訂正的主客觀預(yù)報(bào)相結(jié)合的階段。

2.5 迅速發(fā)展階段

最近半個(gè)世紀(jì)，大氣科學(xué)在繼承經(jīng)典的同時(shí)，獲得了極大發(fā)展。例如，在天氣預(yù)報(bào)主戰(zhàn)場，特別是隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)方法的不斷改進(jìn)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式更加精細(xì)化，以數(shù)值預(yù)報(bào)理論和技術(shù)為代表的預(yù)報(bào)預(yù)測分析方法逐漸占據(jù)了天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域的主要位置；在大氣探測方面，各種雷達(dá)的出現(xiàn)，不僅讓氣象應(yīng)用雷達(dá)的視野不斷拓展，其識(shí)別能力也有了質(zhì)的飛躍，特別是雷達(dá)探測已經(jīng)結(jié)束了“看圖識(shí)字”階段，大量量化天氣探測數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)值預(yù)報(bào)模式，派生出很多新的科學(xué)和技術(shù)問題，并為數(shù)值預(yù)報(bào)的進(jìn)步不斷提供潛能。此外，從世紀(jì)之交開始，大氣科學(xué)的成果不斷與其他科學(xué)融合，獲得了新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，例如，大氣化學(xué)、生物氣象、全球變化科學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)等，這些交叉、衍生學(xué)科或新被認(rèn)識(shí)到的領(lǐng)域的出現(xiàn)，不僅是強(qiáng)烈的應(yīng)用需求使然，例如，大氣化學(xué)因人們更加重視空氣質(zhì)量與人類福祉的關(guān)系而獲得加速發(fā)展，更加重要的是，大氣科學(xué)一些核心問題的最終解決，在很大程度是需要多學(xué)科發(fā)展融合的支持才有可能，例如，地球系統(tǒng)科學(xué)可能是最終實(shí)現(xiàn)包括準(zhǔn)確預(yù)報(bào)大氣行為在內(nèi)的地球環(huán)境預(yù)報(bào)的最終解決方向。

在這樣的科學(xué)進(jìn)化過程中，一方面，大氣科學(xué)扮演著越來越重要的角色，例如美國氣象學(xué)家洛倫茲在用計(jì)算機(jī)模擬求解仿真地球大氣的13個(gè)方程時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于誤差指數(shù)級(jí)增長和傳遞，微小誤差隨著不斷推移將會(huì)造成截然不同的后果，即“混沌現(xiàn)象”，并由此誕生和發(fā)展了一門新興的數(shù)學(xué)分支——混沌理論。混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，影響了基礎(chǔ)科學(xué)的眾多領(lǐng)域，在人類對(duì)于自然界的認(rèn)識(shí)上，引發(fā)了本質(zhì)性的變化；另一方面，氣象學(xué)家需要關(guān)注的領(lǐng)域已經(jīng)數(shù)倍地增加，大氣科學(xué)涉及的基礎(chǔ)知識(shí)“譜”的拓展不斷。這一情況也造成了兩方面的必然結(jié)局：大氣科學(xué)家的隊(duì)伍在迅速擴(kuò)大（原來的大氣科學(xué)家學(xué)習(xí)新知識(shí)，探知新領(lǐng)域；其他領(lǐng)域的科學(xué)家進(jìn)入大氣科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，與氣象學(xué)者共同研究攻關(guān)）和大氣科學(xué)的學(xué)科劃分向更多方向及更加精細(xì)化兩個(gè)維度出現(xiàn)史無前例的延伸與擴(kuò)展。這時(shí)候，要從科學(xué)家的角度，獲得大氣科學(xué)整體發(fā)展脈絡(luò)，絕非20世紀(jì)前半葉以幾個(gè)學(xué)派為主的科學(xué)家隊(duì)伍就能代表。

3 學(xué)派和學(xué)術(shù)領(lǐng)袖

回顧大氣科學(xué)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，作為自然科學(xué)的一個(gè)重要分支，大氣科學(xué)與其他自然學(xué)科一樣充滿著未知，這就需要有一批又一批的學(xué)者為之前赴后繼，不斷積累經(jīng)驗(yàn)、開拓創(chuàng)新。從古希臘的亞里士多德到16世紀(jì)的伽利略，再到現(xiàn)代氣象學(xué)之父皮葉克尼斯、“芝加哥學(xué)派”創(chuàng)始人羅斯貝以及數(shù)值預(yù)報(bào)的點(diǎn)火者查尼、馮?諾依曼，他們每個(gè)人在自己研究領(lǐng)域中的扎實(shí)推進(jìn)，都最終在大氣科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中留下了堅(jiān)實(shí)的烙印。當(dāng)這些精英學(xué)者組成的學(xué)術(shù)團(tuán)體為某一個(gè)學(xué)科的發(fā)展做出了開創(chuàng)性或奠基性的工作時(shí)則可將其稱之為學(xué)派，因此在大氣科學(xué)的發(fā)展史上，能夠被稱為學(xué)派的，也是被廣為認(rèn)可的只有兩個(gè)，即以皮葉克尼斯父子為首“挪威學(xué)派”（又稱卑爾根學(xué)派、北歐學(xué)派等）和羅斯貝創(chuàng)立的“芝加哥學(xué)派”（圖2）。

圖2 挪威學(xué)派與芝加哥學(xué)派代表人物①本圖根據(jù)傅剛在2012年4月“第一屆氣象科技史研究學(xué)術(shù)研討會(huì)”上的報(bào)告以及胡永云在2007年發(fā)表的《我所知道的芝加哥學(xué)派》一文繪制。

3.1 挪威學(xué)派

挪威學(xué)派是世界公認(rèn)的主流氣象學(xué)派，V.皮葉克尼斯和他的10個(gè)助手則是挪威學(xué)派的代表人物，無論在天氣學(xué)理論方面，還是在天氣分析和天氣預(yù)報(bào)的方法上，他們都做出了卓越的貢獻(xiàn)。其中，V.皮葉克尼斯先后提出環(huán)流定理[12]和大氣運(yùn)動(dòng)方程組[10]，正是這些工作啟發(fā)了包括埃克曼和羅斯貝在內(nèi)的海洋、氣象學(xué)家，在大尺度海洋和大氣運(yùn)動(dòng)中使用數(shù)學(xué)方程和物理定律，使得現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)成為可能。J.皮葉克尼斯通過查閱大量的觀測數(shù)據(jù)首次描述了移動(dòng)氣旋的結(jié)構(gòu)，指出每一個(gè)移動(dòng)氣旋都有兩條輻合線，并將它們稱之為“引導(dǎo)線”和“颮線”，這就是對(duì)在未來被人們熟知的“冷鋒”和“暖鋒”最初的命名[13]。之后，他又和索爾伯格、貝吉龍等結(jié)合鋒面氣旋云系和降水特征建立了理想氣旋模型，提出氣旋生命史的四個(gè)階段并解釋其生成和消亡的原因[14-15]。其他成員的工作，則不斷完善了挪威學(xué)派的理論體系?？偟恼f來，挪威學(xué)派在氣象學(xué)上的貢獻(xiàn)是非常廣泛的，且都帶有奠基價(jià)值。

3.2 芝加哥學(xué)派

曾是V.皮葉克尼斯的助手之一的羅斯貝，后來則成為了“芝加哥學(xué)派”的創(chuàng)始人。1925年，羅斯貝在瑞典-美國文化交流基金的資助下前往美國學(xué)習(xí)，1941—1947年在芝加哥大學(xué)任教期間，創(chuàng)立了芝加哥學(xué)派。而羅斯貝個(gè)人對(duì)氣象學(xué)的主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)是1928—1939年在麻省理工學(xué)院（MIT）工作期間做出的，如關(guān)于中緯度西風(fēng)帶波動(dòng)的研究[16]，如今，大氣科學(xué)中的許多術(shù)語都是用羅斯貝的名字命名的，且都或多或少與大氣長波理論相關(guān)。芝加哥學(xué)派的另一代表人物查尼在大氣動(dòng)力學(xué)方面也有許多貢獻(xiàn)，如首先給出了動(dòng)力學(xué)分析中應(yīng)用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似的方法，建立了準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論；對(duì)大氣長波的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了深入研究，提出斜壓不穩(wěn)定理論[17-18]；與馮?諾依曼合作，推動(dòng)了數(shù)值預(yù)報(bào)取得成功；等等。芝加哥學(xué)派特別強(qiáng)調(diào)大氣科學(xué)問題的基本物理原理，而不是停留在大氣現(xiàn)象本身，這種從最基本的物理或流體力學(xué)原理出發(fā)來研究大氣科學(xué)問題的風(fēng)格，也許是芝加哥學(xué)派能夠做出許多開創(chuàng)性工作的重要原因[19]。

3.3 中國學(xué)者的貢獻(xiàn)

在國際大氣科學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展的時(shí)期，中國由于長年戰(zhàn)亂，科學(xué)技術(shù)水平相對(duì)落后，但就是在這樣艱苦的環(huán)境下，中國的氣象學(xué)家們依然堅(jiān)持探索，為中國氣象事業(yè)的建立，乃至世界大氣科學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

竺可楨（1890—1974年）1918年獲美國哈佛大學(xué)博士學(xué)位后回國，那時(shí)中國氣象的科研與業(yè)務(wù)幾乎是空白的，他為推進(jìn)我國的氣象科學(xué)做出了不懈的努力。1927年，竺可楨在南京籌建了中央研究院下屬的氣象研究所，經(jīng)過幾年的努力，在國內(nèi)建立了擁有40多個(gè)氣象站和100多個(gè)雨量測量站的中國氣象觀測網(wǎng)，還開展了高空探測、無線電氣象廣播、天氣預(yù)報(bào)等工作，整理出版了中國氣候資料，創(chuàng)辦《氣象雜志》，發(fā)表了許多研究成果，培養(yǎng)了一批現(xiàn)代著名的氣象學(xué)家，中國氣象事業(yè)由此初具雛形[20-21]。趙九章是中國動(dòng)力氣象學(xué)的創(chuàng)始人，所著《信風(fēng)帶主流間熱力學(xué)》是我國真正把數(shù)學(xué)和物理引入氣象學(xué)、解決氣象學(xué)問題的一篇重要論文。他首先提出了長波斜壓不穩(wěn)定概念，比Charney的工作早發(fā)表了一年[22]。郭曉嵐在大氣正壓不穩(wěn)定性理論、大氣環(huán)流、颶風(fēng)形成理論、熱對(duì)流和地氣相互作用等領(lǐng)域具有突出貢獻(xiàn)，并被美國氣象學(xué)會(huì)授予“羅斯貝獎(jiǎng)”[22]。葉篤正將羅斯貝提出的行星波理論發(fā)展到一個(gè)新的階段，發(fā)表了被認(rèn)為是對(duì)動(dòng)力氣象學(xué)發(fā)展具有重要貢獻(xiàn)的論文——《論大氣中能量頻散》[23]。他還對(duì)完善地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論做出了貢獻(xiàn)，提出地轉(zhuǎn)適應(yīng)的尺度理論，從物理上辯證地指出氣壓場和風(fēng)場是兩個(gè)相互依存并相互制約的矛盾雙方，它們之間的適應(yīng)關(guān)系取決于運(yùn)動(dòng)的尺度[24]。謝義炳在東亞降水天氣系統(tǒng)與濕斜壓天氣動(dòng)力學(xué)等方面做出了開創(chuàng)性的成果，提出了濕斜壓大氣的概念和理論[25]。陶詩言是中國天氣學(xué)研究和天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的開拓者之一，他系統(tǒng)、準(zhǔn)確地劃分了入侵中國的寒潮路徑，并首次提出寒潮過程是高空大型天氣過程急劇調(diào)整結(jié)果的理論觀點(diǎn)。顧震潮則開創(chuàng)了中國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)事業(yè)，提出在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中運(yùn)用歷史資料的方法[22]。

這些中國的氣象學(xué)家，把從國外所學(xué)的理論帶回中國，并結(jié)合中國的實(shí)際情況開展工作，為中國現(xiàn)代氣象科學(xué)研究與業(yè)務(wù)發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，使得中國跟上了世界的步伐。

4 對(duì)當(dāng)代大氣科學(xué)發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)

大氣科學(xué)的發(fā)展有其自身的規(guī)律，比如定量探測技術(shù)、觀測站網(wǎng)的建設(shè)為現(xiàn)代氣象科學(xué)奠定了基礎(chǔ)，實(shí)際需求是推動(dòng)大氣科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力，杰出的領(lǐng)軍人才和團(tuán)隊(duì)在科技創(chuàng)新中起著關(guān)鍵性作用等。

（1）大氣科學(xué)與其他學(xué)科相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展

19世紀(jì)隨著工業(yè)革命的進(jìn)行，資本主義社會(huì)的科學(xué)技術(shù)水平飛速發(fā)展，人類對(duì)于自然的認(rèn)識(shí)達(dá)到了前所未有的高度，自然科學(xué)的發(fā)展逐步形成體系。在此過程中，大氣科學(xué)在其他學(xué)科的促進(jìn)下，得到了快

速發(fā)展，比如流體力學(xué)方程成為大氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)；偏微分理論被用于解釋大氣運(yùn)動(dòng)和變化背后的微觀過程；場論為氣象學(xué)中的位勢理論提供理論工具；概率論的發(fā)展為氣象統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的發(fā)展奠定了方法基礎(chǔ)。氣象科學(xué)的發(fā)展除了依賴于19世紀(jì)哲學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、測量學(xué)等學(xué)科的成果，還離不開20世紀(jì)人造衛(wèi)星技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，探測技術(shù)的發(fā)展為氣象高空探空提供了技術(shù)保障，隨著氣象衛(wèi)星和氣象雷達(dá)的出現(xiàn)，氣象觀測呈現(xiàn)快速、立體化發(fā)展，為氣象預(yù)報(bào)與研究提供了大量的實(shí)況數(shù)據(jù)，極大地促進(jìn)了大氣科學(xué)的發(fā)展。同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又幫助大氣科學(xué)開創(chuàng)了新的里程碑——數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。

大氣科學(xué)在借鑒其他學(xué)科先進(jìn)成果的同時(shí)也在促進(jìn)其他學(xué)科發(fā)展。隨著大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的不斷拓展，學(xué)科間相互交叉滲透，相互促進(jìn)的局面逐漸形成，大氣科學(xué)特定的要求不斷為其他學(xué)科開辟新的研究前沿，豐富其他學(xué)科的內(nèi)容。例如海氣相互作用的研究大大促進(jìn)了海洋學(xué)的進(jìn)步，由于大氣和海洋運(yùn)動(dòng)都受到地球旋轉(zhuǎn)、重力和熱力影響，海氣相互作用的研究開創(chuàng)和發(fā)展了地球流體動(dòng)力學(xué)[26]。大氣科學(xué)對(duì)于云物理、雷暴、湍流的研究，提高了飛行器運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，促進(jìn)了航空業(yè)的發(fā)展。大氣本身就是人類生存環(huán)境的重要組成部分，對(duì)其研究的深入和進(jìn)展顯然會(huì)推進(jìn)對(duì)環(huán)境科學(xué)的認(rèn)識(shí)。因此大氣科學(xué)與其他學(xué)科之間應(yīng)當(dāng)建立一種相互促進(jìn)、協(xié)作發(fā)展的關(guān)系，大氣科學(xué)學(xué)科在其自身發(fā)展的過程中，要充分了解其他學(xué)科的前沿成果，應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和研究方法，加強(qiáng)學(xué)科間的人才和成果交流。

（2）寬容不同意見，不迷信神話和權(quán)威

優(yōu)秀的科技人才往往較有主見，對(duì)一些問題有自己獨(dú)特的看法，且性格直率，不掩飾自己的觀點(diǎn)。如羅斯貝1925年到美國氣象局工作后，由于對(duì)美國氣象部門的行政和業(yè)務(wù)工作都不太滿意，發(fā)表了一些不同意見，得罪了一些人，在那里工作期間并不愉快，并被宣布為“不受歡迎的人”。慶幸的是羅斯貝還有機(jī)會(huì)，時(shí)值加州要發(fā)展航空業(yè)，正籌建從舊金山到洛杉磯的航路，航空基金會(huì)便聘用了羅斯貝，請他去建立航空氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，一年之內(nèi)便完成了航空氣象網(wǎng)的建設(shè)。美國氣象局最終也接收了羅斯貝建成的航空氣象業(yè)務(wù)網(wǎng)，并將其作為美國各航空業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)的樣板，認(rèn)可了羅斯貝的成績。如果沒有美國氣象界的寬容，可能就不會(huì)有芝加哥氣象學(xué)派的輝煌歷史。

如果缺少寬容、迷信權(quán)威，也會(huì)導(dǎo)致在科學(xué)探索的道路上出現(xiàn)迷失或停滯不前。19世紀(jì)50年代，英國成立了氣象局，首任局長菲茨羅伊的工作深受出海水手們的歡迎，他們不要求天氣預(yù)報(bào)全對(duì)，大部分對(duì)就可以了。但當(dāng)時(shí)社會(huì)的貴族們認(rèn)為不太準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)會(huì)妨礙他們的生活，守舊的科學(xué)大師們也不支持，一些英國皇家學(xué)會(huì)的大人物用物理學(xué)、生物學(xué)的眼光看待大氣科學(xué)，認(rèn)為科學(xué)結(jié)論都是要在實(shí)驗(yàn)室做好才能應(yīng)用到實(shí)際。這導(dǎo)致19世紀(jì)60年代初期，英國氣象局被取消，菲茨羅伊被調(diào)到英國皇家學(xué)會(huì)做資料統(tǒng)計(jì)員。后來，人們發(fā)現(xiàn)菲茨羅伊的天氣圖上已經(jīng)繪出了氣旋和錮囚氣旋。1934年，英國氣象學(xué)家肖氏（N. Shaw）提出，如果菲茨羅伊繼續(xù)沿著他的道路前進(jìn)，則氣旋的鋒面學(xué)說將出現(xiàn)在1870年而不是1919年。而再看肖氏自己，也有類似的遺憾。1878年英國氣象學(xué)家艾伯克龍比總結(jié)出地面七種氣壓形勢場，奠定了氣壓場形態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)。艾伯克龍比被捧為“大英帝國的亞里士多德”，他的學(xué)說完全主導(dǎo)了英國氣象學(xué)界。20世紀(jì)初，肖氏逐步總結(jié)出氣旋波理論，發(fā)現(xiàn)了氣旋中的三股氣流和不連續(xù)線，他已經(jīng)走到了斜壓大氣氣旋波理論的門口，但肖氏在權(quán)威面前戛然止步，未能再深入下去。否則，鋒面學(xué)說或許可以首先誕生在英國。如果英國氣象界當(dāng)時(shí)不迷信權(quán)威，對(duì)后來者抱著寬容的心態(tài)，如果相關(guān)科學(xué)家不固步自封，在自己開辟的道路上再前進(jìn)一步，或許在氣象科技史上真的會(huì)出現(xiàn)“英國學(xué)派”。

（3）科學(xué)的興盛離不開領(lǐng)軍人才

從挪威學(xué)派的氣旋學(xué)說到芝加哥學(xué)派的長波理論，一批精英學(xué)者的通力合作帶動(dòng)了兩個(gè)學(xué)派的興盛發(fā)展，也使得氣象學(xué)整體水平有了很大提升。而20世紀(jì)30年代前后，隨著羅斯貝、J.皮葉克尼斯移居美國，氣象學(xué)研究的主戰(zhàn)場也從歐洲向美國轉(zhuǎn)移，這更說明科學(xué)的興旺離不開領(lǐng)軍人才的引導(dǎo)。領(lǐng)軍人才，顧名思義，不僅自身能力出眾，而且通常具有崇高的價(jià)值追求、出類拔萃的科學(xué)素養(yǎng)、卓越的領(lǐng)導(dǎo)才能、獨(dú)特的人格魅力、堅(jiān)韌的拼搏毅力、強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)凝聚力和廣泛的社會(huì)影響力等優(yōu)良素質(zhì)[27]。而皮葉克尼斯父子、羅斯貝和查尼等人正是氣象學(xué)界當(dāng)之無愧的領(lǐng)軍人才。他們以卓越的眼光招賢納士、大膽做出創(chuàng)新的工作。正所謂“名師出高徒”，領(lǐng)軍人才經(jīng)常能夠培養(yǎng)出精英學(xué)者，以壯大其研究團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)壯大所帶來的號(hào)召力又會(huì)吸引更多的精英加入，從而形成良好的循環(huán)，研究成果不斷推陳出新，一個(gè)地區(qū)甚至國家在某一學(xué)科上的領(lǐng)先優(yōu)勢也通常在這個(gè)時(shí)候被確立。

以史為鑒，如果中國大氣科學(xué)要走到世界前端，科技人才隊(duì)伍建設(shè)顯然是最重要的環(huán)節(jié)，而其中領(lǐng)軍人才的涌現(xiàn)則是更為關(guān)鍵的條件。

5 結(jié)語

20世紀(jì)是大氣科學(xué)獲得迅速發(fā)展的100年，基礎(chǔ)理論的突破、現(xiàn)代探測技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。但對(duì)于復(fù)雜多變的大氣，人類的認(rèn)識(shí)還非常有限，仍有許多難題尚待解決。如對(duì)于中小尺度天氣系統(tǒng)的劇烈變化，能否在云物理方面取得突破；在氣候預(yù)測領(lǐng)域，能否在基礎(chǔ)理論、預(yù)測方法上有所斬獲；在氣候變化領(lǐng)域，能否在氣候增暖的背景下，對(duì)氣候系統(tǒng)各圈層造成的影響及演化規(guī)律有系統(tǒng)性的、更為清晰的認(rèn)識(shí)；還有諸如無縫隙預(yù)報(bào)、應(yīng)用氣象、探測技術(shù)、信息分析、復(fù)雜性處理等多方面的領(lǐng)域需要深入探索?；蛟S通過回顧、探討和總結(jié)歷史進(jìn)程，對(duì)推進(jìn)未來的發(fā)展能有所啟示，期待大氣科學(xué)在一些核心領(lǐng)域，能像過去100年那樣，突破瓶頸，攻克關(guān)鍵難題，取得大踏步進(jìn)展。

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Some Reviews and Inspirations on the Development of Meteorological Science and Technology

Xu Xiaofeng1, Zhang Meng2,3
(1 China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000 3 CMA Training Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081)

In order to adapt to the environment and avoid disadvantages, human beings must keep exploring the atmosphere and its evolution rules, predicting its trends of change scientif i cally. Seeking the inspiration of atmospheric science history for the present, this paper reviews some key events in the history of atmospheric science by analyzing the development of the Bergen School and Chicago School of Meteorology, and putting forward the contributions of Chinese meteorologists in modern times. This paper sums up some viewpoints. The development of atmospheric science depends on the latest achievements of natural sciences, and it also contributes to the development of other subjects. With the development of atmospheric science, one should be tolerant to different viewpoints and not be superstitious to authority. And the leading talents are quite essential for the development of atmospheric science.

atmospheric science, meteorology history, development, inspiration

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.001

2014年6月24日；

2014年10月15日

許小峰（1957—），Email: xuxf@cma.gov.cn

資助信息：中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院“氣象科技史研究”項(xiàng)目