高學浩 陳正洪

（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

大氣科學原始創(chuàng)新的學科背景視角

高學浩 陳正洪

（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

基于氣象科技史的研究，探索大氣科學發(fā)展的某些創(chuàng)新規(guī)律，通過對比分析揭示出數(shù)學和物理等理科背景對于大氣科學的原始創(chuàng)新具有重要作用。這種規(guī)律與大氣科學自身發(fā)展有密切關系，也是大氣科學本質(zhì)決定的。分析表明學科背景規(guī)律對人才培養(yǎng)有重要借鑒和啟示。

氣象科技史，學科背景，原始創(chuàng)新，人才培養(yǎng)

1 引言

氣象學經(jīng)歷了漫長的積累后，在19—20世紀逐漸演變成為現(xiàn)代科學意義上的大氣科學。大氣科學在現(xiàn)代科學知識體系中占有重要的地位，其學科發(fā)展歷史展現(xiàn)了這門學科積累和質(zhì)變的線索，從大氣科學技術史角度研究大氣科學，可以更好地理解原始創(chuàng)新，而且在通識教育和人文精神培養(yǎng)上具有重要作用。發(fā)達國家一些著名的研究機構高度重視科學技術史對原始創(chuàng)新的重要作用。

根據(jù)氣象科技史的研究，發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律性的學術現(xiàn)象，就是在近現(xiàn)代大氣科學發(fā)展歷程中，很多重大創(chuàng)新成果來自原先從事其他學科領域科學研究的學者，這批學者轉入大氣科學領域后做出許多重大原始創(chuàng)新。分析表明這些重大創(chuàng)新與其原先學科背景有直接關系，分析氣象學家不同成長階段的學歷和學科背景，從科學史視角探索大氣科學的發(fā)展規(guī)律，這對于未來大氣科學發(fā)展有獨特的啟示價值。

2 現(xiàn)代著名氣象學家學科背景分析

大氣科學發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段。第一階段古典大氣科學階段，以亞里士多德氣象學著作Meteorologica（氣象學通論）為代表，這一階段主要以哲學思辨和非常樸素的觀測方式看待空氣現(xiàn)象，得出的結論具有很多推測和假設。這一階段的學者普遍具有哲學和博物學知識背景。第二階段是近代大氣科學，以笛卡爾為代表，逐漸突破亞里士多德氣象學思辨思想的束縛，注重實際觀測和邏輯推理，氣象儀器處于蓬勃發(fā)展中，開始形成某些重要的大氣科學理論。第三階段是現(xiàn)代大氣科學，以挪威學派和芝加哥學派為代表，期間出現(xiàn)了許多重要人物和重大創(chuàng)新理論。

大氣科學發(fā)展的階段性證明，由于現(xiàn)代科學的高度分化，大氣科學的專業(yè)化發(fā)展需要從“鉛與蠟”的業(yè)余研究變成“數(shù)據(jù)和推理”的專業(yè)探索。因此在現(xiàn)代大氣科學的原始創(chuàng)新中，氣象學家們的原先知識背景和學科培訓就顯得很重要。現(xiàn)代著名氣象學家的學科背景和其大氣科學的成就必然存在一定關系，對其進行枚舉和統(tǒng)計分析可以發(fā)掘出某些規(guī)律。

2.1 國際著名氣象學家的數(shù)學和物理知識背景

20世紀大氣科學發(fā)展進程中出現(xiàn)了挪威學派和芝加哥學派，以極鋒理論和長波理論為代表的現(xiàn)代大氣

科學知識大廈不斷完善。著名氣象學家紛紛登場，對大氣科學發(fā)展做出各自的貢獻。國際上著名氣象學家的學歷背景和其大氣科學的重大創(chuàng)新工作存在邏輯關系，這里選擇對現(xiàn)代大氣科學發(fā)展做出重要貢獻的代表性學者進行展示和分析（表1）[1-5]。

對表1經(jīng)過簡單統(tǒng)計和計算，可以分析出表1中100%的氣象學家本科學習過數(shù)學或物理，數(shù)學是必不可少的；50%的氣象學家在博士階段轉入學習大氣科學。這里不難得出這樣一個結論：有物理和數(shù)學知識背景的學者轉入大氣科學領域，將會更快做出成就，也更容易從物理學的角度挖掘大氣運動的規(guī)律，并用數(shù)學物理方程式表示出來?，F(xiàn)代大氣科學的開拓者們基本上都符合這樣的學術成長規(guī)律。

每位著名學者的原先知識背景對其在大氣科學領域做出重大創(chuàng)新起到重要作用，特別是數(shù)學和物理的知識背景幾乎必不可少。一方面，數(shù)學和物理的理科思維有助于迅速從紛繁復雜的表面現(xiàn)象中概況出事物本質(zhì)；另一方面，易于利用數(shù)學和物理知識把概況的本質(zhì)簡潔表達出來。比如挪威學派的氣旋模型和鋒面理論提出與皮葉克尼斯父子的長期觀察和思考分不開，也得益于物理和數(shù)學功底。再如羅斯貝在大氣科學多方面做出眾多成就，以大氣長波理論為代表的每項成就的取得除了他天才的思維，還和他用明確的數(shù)學公式闡述物理過程的能力直接相關。

在一些學者使用數(shù)學和物理知識促進大氣科學發(fā)展的同時，這些重大成就反過來又促進了其他學科的發(fā)展，比如洛倫茲提出混沌理論促進了大氣科學飛躍，也促進了其他學科的發(fā)展，而且?guī)砣祟愓軐W觀念的又一次變革；馮?諾依曼促進了計算機在大氣科學中的應用，反過來也促進了計算機學科自身的發(fā)展。

2.2 中國現(xiàn)代著名氣象學家的學科知識背景

中國現(xiàn)代大氣科學沒有很好改造中國古代傳統(tǒng)氣象學，多數(shù)現(xiàn)代大氣科學理論從歐美引進，特別是羅斯貝提出的許多大氣科學理論體系傳入中國，成為中國現(xiàn)代大氣科學的主要理論體系。中國現(xiàn)代氣象學家多數(shù)有留洋經(jīng)歷，也多數(shù)從理科，特別是數(shù)學和物理的知識背景中獲益。對中國著名代表性氣象學家的學歷背景分析也能看出這些規(guī)律（表2）[6-7]。

從表2簡單統(tǒng)計結果可以看出，100%的中國氣象學家本科階段有理科背景，其中物理、數(shù)學是必修課程，經(jīng)過嚴格的理科訓練。近三分之二的氣象學家在碩士階段轉入氣象學領域，同樣比例的學者在博士階段繼續(xù)學習氣象學。其中陶詩言是特殊情況，雖然沒有碩士和博士學歷，但從中國天氣預報實踐中逐漸成長為一代宗師，其本科的理學背景對其學術成長起到

重要作用。

表1 20世紀國際上代表性氣象學家學科背景

表2 20世紀中國著名氣象學家學科背景

中國近代著名氣象學家，一般從數(shù)學、物理、理學還有地學轉入大氣科學的較多，這與早年我國一些著名高校重視理學（包括地學）教育有關。良好的物理和數(shù)學等理科功底訓練使得這些學者在大氣科學領域很容易取得突破。

2.3 數(shù)學物理背景與大氣科學創(chuàng)新的基本規(guī)律

考慮到20世紀以前，多數(shù)國家的高校和研究機構還沒有大氣科學的正式學制和專業(yè)，而20世紀70年代后，大氣科學成為非常普遍的專業(yè)。所以選取19世紀末到20世紀區(qū)間的著名科學家進行統(tǒng)計分析是合適的，可以考察這個建制化歷史過程中，他們的學科背景變化和其大氣科學學術成就的關系。

根據(jù)可以不用全樣本就能得出基本結論的統(tǒng)計規(guī)律，沒有窮舉這一歷史時期所有氣象學家的情況。同時從反面來驗證這種現(xiàn)象，試圖尋找非理科背景在大氣科學領域做出重大原始創(chuàng)新的學者，但經(jīng)典性的代表人物比較缺乏。有少數(shù)非理科背景學者在大氣科學某些領域做出成就，但是要么偏向于綜合性研究，要么重新進行理科訓練獲得理科學位，這也就說明“存在決定意識”，理科背景對于大氣科學“硬研究”的不可或缺。

根據(jù)對國內(nèi)外著名氣象學家學歷背景的統(tǒng)計分析，結合擁有理科背景的人物背景考察，論證了如下一個大氣科學原始創(chuàng)新的基本規(guī)律：在現(xiàn)代大氣科學領域取得重大原始創(chuàng)新的學者，其背景知識結構一般包括數(shù)學、物理學和其他理學學科。這樣學科背景轉入大氣科學比較容易，進入大氣科學后更容易做出重大的原始創(chuàng)新。尤其數(shù)學和物理學是必備知識，這點有較大的可信度?？梢园堰@種創(chuàng)新類型概括為“數(shù)理型的創(chuàng)新模式”。

極少數(shù)學者情況特殊，比如馮?諾依曼和陶詩言，其中馮?諾依曼雖然沒有系統(tǒng)學習大氣科學，但是具有深厚的數(shù)學功底，所以從計算機角度為大氣科學的發(fā)展做出重大創(chuàng)新。陶詩言是當代中國氣象學的一代宗師，雖然沒有碩士和博士學歷，但是本科擁有扎實的數(shù)學和物理功底。陶詩言學術成長建立在長期的中國天氣業(yè)務的實踐中，經(jīng)過大量的氣象學實踐，其實踐經(jīng)驗積累大大超出一般氣象工作者，他從實踐中提出許多重大創(chuàng)新理論。此外，美國“龍卷先生”（T. T. Fujita，1920—1998年）的著作中很少用到數(shù)學公式，而使用大量精美的概念性示意圖，卻能夠很清楚地解釋風暴原理，他對數(shù)學的悟性為后人稱道。這三位著名氣象學家說明除了“數(shù)理型創(chuàng)新模式”之外，還存在“發(fā)現(xiàn)型的創(chuàng)新模式”，如同DNA的發(fā)現(xiàn)一樣，同樣是重要的原始創(chuàng)新方法。

無論是“數(shù)理型”的創(chuàng)新還是“發(fā)現(xiàn)型”的創(chuàng)新，都有一個共同特點，就是其知識背景中必然有以數(shù)學和物理為主的理科學術訓練，而且理論與實踐緊密結合。經(jīng)過物理、數(shù)學的訓練，分析氣象現(xiàn)象的抽象能力和公式構建能力大為提升，更加容易做出重要發(fā)現(xiàn)和重要創(chuàng)新。

3 數(shù)學和物理促進大氣科學創(chuàng)新的邏輯關系

近代大氣科學的發(fā)展有其自身的規(guī)律和特性，之所以物理和數(shù)學背景的學者更容易在大氣科學領域做出創(chuàng)新，與近代大氣科學建制化歷程和發(fā)展特點有關，這種客觀規(guī)律使得數(shù)學和物理背景更容易發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

3.1 現(xiàn)代大氣科學發(fā)展依賴于自然科學和技術的最新成果

現(xiàn)代大氣科學是科學叢林群體突破的一個分支，從別的學科和技術發(fā)展中獲得養(yǎng)料。由于英國、法國、德國和美國相繼完成了工業(yè)革命，資本主義在19世紀達到一個高峰，促進了生產(chǎn)和科學技術飛速進步，對整個社會產(chǎn)生了巨大的影響。大氣科學的發(fā)展離不開科學繁榮的19世紀數(shù)學、物理學、測量學等多學科的成果，借助于19—20世紀初自然學科的巨大發(fā)展，并結合自身的特點，大氣科學的發(fā)展逐漸從經(jīng)驗、局部、平面、定性、感性轉向理論、全局、立體、定量、理性[10]。

除了科學，技術的發(fā)明對于現(xiàn)代大氣科學的促進作用同樣非常重要。比如技術發(fā)展為大氣高空探空儀提供了強有力的技術，20世紀初以衛(wèi)星探測為代表的探測技術加快了氣象觀測向全局和立體化的發(fā)展。再如高速計算機、氣象衛(wèi)星和氣象雷達的出現(xiàn)為數(shù)值天氣預報、氣候模式以及預報技術的高速發(fā)展奠定了基礎。

現(xiàn)代科學發(fā)展一個突出特點就是數(shù)學化，越來越多的自然科學分支學科依托最新數(shù)學知識得以發(fā)展。當代技術的發(fā)展走向高、精、尖，更加需要最新物理理論和數(shù)學計算的知識。整個當代科學技術發(fā)展趨勢必然影響到大氣科學的發(fā)展，要想做出重大科學創(chuàng)新，擁有扎實的自然科學知識是必不可少的，特別是物理和數(shù)學背景。所以前文論述的20世紀國外和國內(nèi)著名氣象學家的學歷背景分析完全印證了這個規(guī)律。

3.2 大氣科學問題本質(zhì)上就是數(shù)學和物理問題

現(xiàn)代大氣科學的特性和發(fā)展規(guī)律就是需要把大氣現(xiàn)象轉化為可以定量求解的物理和數(shù)學方程?，F(xiàn)代大氣科學的開拓者們把握住了本質(zhì)問題。挪威學派的創(chuàng)始人V.皮葉克尼斯在20世紀初期“大氣科學還處于藝術階段”時，就大膽地將大氣科學問題歸結為物理

和數(shù)學問題，并創(chuàng)造性地將數(shù)學物理方法引入研究大氣運動。1904年，V.皮葉克尼斯發(fā)表了《一種天氣預報的理性方法》的演講，把數(shù)學方程式應用到原始大氣數(shù)據(jù)信息中，提出開展數(shù)值天氣預報的計劃。1907年，V.皮葉克尼斯開發(fā)了把物理力學應用到大氣和海洋環(huán)流中的新方法。

科學技術史上的杰出人物都善于從戰(zhàn)略角度出發(fā)把握未來學科發(fā)展的主流方向[8]。作為挪威學派開創(chuàng)人V.皮葉克尼斯就是一個極具戰(zhàn)略思維的科學家，無論是在具體的理論研究方面，還是在對整體學科的發(fā)展方向上都是如此。V.皮葉克尼斯作為氣象學大家的高明之處就在于，把大氣科學問題轉化為數(shù)學和物理問題，從解方程出發(fā)，求得特定解，從而做出預報。數(shù)值天氣預報的出現(xiàn)和成功應用更是把物理和數(shù)學嵌進了大氣科學大廈的根基中。

3.3 物理和數(shù)學最新發(fā)展對大氣科學有直接的促進作用

現(xiàn)代大氣科學建立之初，遍地黃金，杰出的氣象學家們非常重視物理、數(shù)學、計算機最新成果的應用。物理和數(shù)學最新發(fā)展對大氣科學起到了直接支撐作用。

芝加哥學派創(chuàng)始人羅斯貝，非常注重數(shù)學和物理對于研究氣象科學的重要性，例如他曾經(jīng)鼓勵著名氣象學家威利特到普林斯頓大學學習數(shù)學、物理最新知識，學成后安排他去Bergen學校學習新的預報理論。羅斯貝本人非常重視物理和數(shù)學知識對大氣科學的促進作用，在研究高空大氣運動時他抓中了長波這一重要特征，取得了理論上的突破。羅斯貝向查尼強調(diào)數(shù)值天氣預報的重要性，并推薦查尼與馮?諾依曼合作，推動了數(shù)值天氣預報取得成功，這是物理、數(shù)學、大氣科學、計算機等學科綜合取得原始創(chuàng)新的經(jīng)典案例，也顯示了羅斯貝不同尋常的戰(zhàn)略眼光[9]。

從科學技術史角度來看，物理和數(shù)學的發(fā)展有力促進了大氣科學的繁榮。比如流體力學方程成為大氣動力學的基礎，偏微分方程理論用于建立大氣運動和變化的數(shù)學語言描述，非線性系統(tǒng)理論使人們認識到隨機性背后隱藏的有序性，場論為氣象學中的位勢理論提供理論工具，概率論為氣象的統(tǒng)計預報打下基礎，計算數(shù)學支撐了氣象數(shù)值模擬預報技術的實現(xiàn)等。

4 數(shù)學、物理背景對人才培養(yǎng)的啟示

數(shù)學、物理背景對于大氣科學原始創(chuàng)新的重要作用，表明對大氣科學人才培養(yǎng)需要高度重視物理和數(shù)學的專業(yè)基礎訓練。同時也說明從科學技術史角度分析創(chuàng)新規(guī)律，對于學科發(fā)展戰(zhàn)略有獨特價值[11]。

（1）對優(yōu)秀大氣科學人才的選拔，其知識結構非常重要。對于從事大氣科學前沿研究領域來說，比如組建數(shù)值天氣預報創(chuàng)新隊伍時，應該更多考慮數(shù)學、物理學、計算機等學科人才的加入，對數(shù)學和物理學的悟性尤為關鍵。大科學時代，面臨大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，合理的背景知識結構是推動創(chuàng)新的重要前提。

（2）從氣象學一代宗師陶詩言院士的學術成長來看，沒有碩士、博士等高學歷，沒有國外留學或訪學背景，同樣可以做出重要成就。氣象業(yè)務的實踐可以在某種程度彌補學歷上的一些不足，有助于“發(fā)現(xiàn)型”創(chuàng)新型人才的成長；這對于“整天坐辦公室”的人員來說，到業(yè)務部門接觸并積累氣象實踐非常重要，在實踐基礎上加強數(shù)理功底或許也可以產(chǎn)生一些重要的原始創(chuàng)新。因為理科思維和工作方式的培養(yǎng)會在實踐中得到加強。

（3）隨著氣象事業(yè)發(fā)展，未來非氣象專業(yè)和文科人才將會不斷加入氣象部門，帶來新的創(chuàng)新源泉。對于非氣象專業(yè)的人才加入氣象部門，對其業(yè)務培訓非常重要，包括預報員培訓、氣象基礎知識培訓等。培訓內(nèi)容中，數(shù)學和物理學基礎知識培訓和大氣科學其他知識培訓同等重要。如果基本數(shù)學和物理學知識占到接近一半課程，對于大氣科學的理解將會更加深入穩(wěn)固，發(fā)掘創(chuàng)新的潛質(zhì)會更多。

5 小結與展望

從人才培養(yǎng)的綜合素質(zhì)來看，文理交融有助于促進領軍人才的成長，數(shù)學和物理的理科背景，結合人文精神往往使學者擁有更加寬廣的學科視野和洞察能力，容易做出重大的原始創(chuàng)新。學科背景對于不同類型的人才成長有重要作用，對于大氣科學新領域的開拓和分支學科的延伸也將會產(chǎn)生重要促進作用。這方面的深入研究有待從氣象科技史的學科角度進一步探索。

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Original Innovation of Atmospheric Science Based on Discipline Background

Gao Xuehao, Chen Zhenghong
(CMA Training Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081)

On the basis of the historical analysis of meteorological science and technology, this paper is characterized by the innovation derived from atmospheric science. It would further promote the original innovation of atmospheric science by the aid of comparative analysis of science background including mathematics, physics, and so on. This characteristic is closely related to the development of atmospheric science and is primarily determined by the nature of atmospheric science. Our results indicate that attention to the discipline background is of signif i cance in talent cultivation.

meteorological science and technology history, discipline background, original innovation, talent cultivation

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.005

2014年2月26日；

2014年11月10日

高學浩（1958—），Email: gaoxuehao@yahoo.com.cn

資助信息：國家自然科學基金（41220001）；中國氣象局氣象干部培訓學院“氣象科技史研究”項目