■ 楊萍 鄧京勉 張萌

盡管科學和藝術表達形式存在差異，但從根源上來看，都是人類認識世界的體現(xiàn)，都是對萬千世界創(chuàng)新性的一種描述，都來源于實踐和觀察。

盧克·霍華德（Luke Howard，1772—1864年，圖1），英國著名的氣象學家 。他聞名于世的貢獻是通過對云的命名和分類，創(chuàng)造了一套關于云的術語并廣為流傳。然而，霍華德在氣象學的個人成就不止于此，他的著作《氣象學七講》被認為是氣象學史上第一部專業(yè)性教材，他撰寫的《倫敦氣候》被認為是城市氣候?qū)W的第一部專著。霍華德在氣象學的成就還激發(fā)了歌德、雪萊等藝術家的創(chuàng)作激情。盡管有人認為霍華德只是一個大氣現(xiàn)象的觀察者，但他在觀察之后，通過歸類和推理等總結得到的知識，對后世的影響巨大。

霍華德在英國氣象學歷史上功績斐然，也有諸多關于他的研究論文和著作，并在英國被尊稱為“氣象學之父”。但是，國內(nèi)學者對于霍華德的研究甚少，除了劉昭民《西洋氣象史》有霍華德關于云的分類介紹外，能夠找到的中文資料非常有限。這或許由于在氣象科技的發(fā)展歷程中，進入20世紀后，隨著挪威學派和芝加哥學派的崛起，英國氣象學的發(fā)展速度減慢，國內(nèi)對英國氣象學家的重視程度不夠。

本文在概述霍華德的生平基礎上，介紹了霍華德在云的分類、城市氣候?qū)W等氣象學領域的貢獻，并初步探討了其對藝術的影響，在此基礎上，圍繞霍華德的科學貢獻談了幾點啟示。

1 霍華德的一生

1.1 生平簡介

霍華德是19世紀初期英國著名的氣象學家，其在氣象學領域最杰出的貢獻是對云進行科學分類和命名?；羧A德出生于一個做錫鐵的生意人之家。關于他早年的生活，相關記載比較零星，從目前已有的資料看，霍華德于1780—1786年在英格蘭牛津郡（Oxfordshire）附近的博福德（Burford）的一家私立學校讀書。在那段時間，他認為自己除了學習了系統(tǒng)的拉丁語外，并沒有太多其他的收獲（事實證明，這段拉丁語的學習生涯對其后來的成就幫助不小）。離校后，他回到家中，一邊給父母幫忙，一邊開始探索自己非常感興趣的大氣現(xiàn)象，他每天兩次用雨量計、溫度計和氣壓計觀察天氣并記錄結果。不久后，他被父親送到了一個零售藥劑師那里做學徒，一學就是6年。在此期間，他因?qū)W習繁忙而中斷了所熱愛的科學研究。學成后，霍華德回到倫敦，說服父親給他足夠的錢自立門戶開展藥劑業(yè)務，成為老板的霍華德終于可以靈活安排時間，系統(tǒng)學習了法語、植物學、化學，并深受法國化學家拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）的學術影響。后來，他認識了志同道合的藥劑師阿倫（Willam Allen），成為其掌管藥劑公司的合伙人。有了這一經(jīng)濟來源，霍華德將所有的熱情和時間都用在了科學研究上。阿倫在開藥劑公司的同時，還建立了一個研討自然科學的論壇，稱為愛斯克辛學會（Askesian Society），1800年開始，霍華德先后在這個學會上發(fā)表了多篇論文，如《平均氣壓計》（Average Barometer）、《雨的理論》（Theories of Rain）等，其中最有影響力的文章應屬《云的多變形態(tài)》（On the Modification of Clouds），由于霍華德對云研究所做的巨大貢獻，1896年被命名為國際云年，同年，第一張國際云圖出版?；羧A德對氣象學的其他方面也有諸多貢獻，1817年完成了《氣象學七講》 （Seven Lectures on Meteorology）， 1837年正式出版（圖2）。1818年，霍華德完成的另一本重要著作《倫敦氣候》（The Climate of London）被后人認為是第一部關于城市氣象學的著作。1827年，霍華德獲得了英國科學家的最高榮譽——皇家學會會員，霍華德也被稱為英國的氣象學之父。

圖2 《氣象學七講》（Seven Lectures on Meteorology）封面

1.2 霍華德的人生關鍵年

回顧霍華德的一生，他以藥劑師為職業(yè)，卻憑借著興趣在大氣領域做出了諸多貢獻。他在寫給歌德的信中曾提及自己與氣象的不解之緣，稱自己“被1783年夏天異常的大霧和北極光深深地吸引了” 。當時霍華德還在私立學校讀書，那年的6月8日， 冰島和日本的火山爆發(fā)，熔巖如房子般大小，摧毀了很多小鎮(zhèn)和村莊，這場災害導致了疾病蔓延、害蟲滋生等很多衍生災害，這次事件也被一些專家認為是歷史上最慘重的一次火山爆發(fā)事件。這次火山爆發(fā)一直持續(xù)到次年2月7日，上百噸酸性物質(zhì)被噴入大氣層中，大量的火山氣體在歐洲大陸的大部分地區(qū)上空煙霧彌漫，由于天空持續(xù)落塵，英國歷史也以“塵夏”稱呼1783年的夏天。該年，歐洲夏季酷熱干旱，冬季嚴重的暴風雪，給農(nóng)作物也帶來的極大損害。除此之外，當年8月18日晚9時多，天空中出現(xiàn)了奇異的現(xiàn)象，一顆大流星劃過北歐上空，英倫三島等地的居民都看到了這個天體，還是少年的霍華德也在其列。對霍華德進行研究的不少學者都認為歷史上難忘的1783年與霍華德后來從事氣象學研究存在著某種可能聯(lián)系，霍華德在后來的回憶中也表示這一年給他留下了非常深刻的影響。

2 霍華德對氣象學的貢獻

2.1 對云理論的貢獻

在18世紀，氣象學尚未成為一門獨立的學科，盡管人們嘗試創(chuàng)造一系列術語來描述天空的云，但是，自然哲學家和諸多學者很難對其達成一致。造成這一狀況的原因之一是由于云的多變使其難以分類，同時人們也認為云的種類過于繁多無法準確命名。最早嘗試打破這一局面的是法國科學家拉馬克（Jean Baptiste Lamarck，1744—1829年），他是一位博物學家，曾于1801年在《氣象年鑒》（Annuaire Météorologiqu）上發(fā)表了關于云的分類的論文，用法語命名了五種不同類型的云，然而這一成果卻未能引起重視，甚至在法國都鮮有人關注，原因或許是法語的通用性較弱，也或許是其發(fā)表的《氣象年鑒》上的天氣預報都是基于占星數(shù)據(jù)的緣故。加上當時法國領袖拿破侖（Napoléon Bonaparte）反對其進行氣象學研究，拉馬克未能給出更深入的研究。

一年之后，霍華德在愛斯克辛學會上首次公開了學術論文《云的多變形態(tài)》（Essay on the Modification of Clouds），愛斯克辛學會成立于1796年，是由包括霍華德在內(nèi)的幾名來自不同領域的專業(yè)人士共同組建的，定期選擇不同的主題撰寫論文并進行討論，這里無疑為霍華德提供了良好的學術氛圍，也使他的想法得以展示。1803年，霍華德這篇關于云的分類的論文正式發(fā)表于《哲學雜志》（Philosophical Magzine）上，名為《云的多變形態(tài)，以及它們產(chǎn)生、懸浮、消逝的原理》（On the modifications of clouds, and on the principles of their production, suspension, and destruction）。與拉馬克只定義及命名了一定數(shù)量的云不同，霍華德著手建立了一套完整的分類體系，力圖涵蓋所有的云形。他認為云的多種形態(tài)與其他大氣變量一樣，都是隱藏在其背后的物理機制的體現(xiàn)，對古今氣象學都起著至關重要的作用。霍華德將云的多變形態(tài)稱之為“大氣的脈搏”，為了讓氣象學家更好地將分析結果應用到研究其他大氣因素中去，同時也為了方便自己的記錄簡潔準確，才萌生了將云分類命名的想法。他提出盡管云的形狀數(shù)之不盡，但是獨特的云形并不多，認為云的形成過程是基于一定物理機制的大氣過程的體現(xiàn)，云的形狀也是能夠預測的。受到卡爾·林奈（Carl Linnaeus，1707—1778年）用拉丁語為生物命名的啟發(fā)，霍華德將云分成了三種基本類型，并用拉丁語為其分別命名為卷云（cirrus）、積云（cmumlus）和層云（stratus ）。他還認為，這3種云形能夠相互轉化，在轉化過程中的混合型也非常重要，因此，在上述分類的基礎上，霍華德還定義了其他4種類型的云（卷積云、卷層云、積層云、卷積層云）。后來，霍華德設計了一套云的形態(tài)的速記符號，基本符號為卷云“”，積云“Λ”，層云“_ ”，綜合運用便可表示所有云形。關于這七種云形，霍華德對其特征進行了逐一解釋（表1）。

從霍華德對云的研究中可以看到，他是一個特別細致的觀察者。實際上，除了對云命名外，霍華德對云的形成、云的特性進行了大量的解釋和分析，他提出，卷云一般出現(xiàn)在晴朗無云的天氣之后，中等尺度的積云多且離地面近、巨型積云少且離地面遠，在持續(xù)性小雨過程中，會存在大量混合形態(tài)的云等等。

表1 國際云圖的分類及定義與霍華德工作的對比

霍華德對云的分類研究對后來氣象發(fā)展中對云的探索奠定了堅實的基礎。在1840年，德國氣象學家克米茲（Kaemtz）在霍華德的基礎上加入了“層積云”；到1887年，希爾德·布蘭得遜（HildeBrandsson）和艾伯克龍比（Abercromby）合作發(fā)表了有關云的分類的論文，依舊延續(xù)了霍華德的體系。1891年，國際氣象大會（International Meteorological Conference）決議出版云圖，1896年第一版國際云圖（International Cloud Atlas）面世，作為官方文件被世界各國廣泛使用。

對比霍華德的論文可以看出（表1），雖然國際云圖中對云的分類描述更加具體，并且詳盡到數(shù)字，但是整體框架依舊延續(xù)了霍華德的體系，在當時缺乏足夠的基礎數(shù)據(jù)的前提下，霍華德對云的研究所做出的貢獻可謂巨大，雖然他對于云的某些解釋和分析并不完全準確，但這種超越時代的思維方式和研究能力足以讓后世稱頌。

2.2 對氣候?qū)W的貢獻

除了關注云之外，霍華德對大氣的諸多現(xiàn)象進行研究，并圍繞大氣這一主題做了不少有價值的工作。1806—1809年，霍華德在《雅典娜神廟》（The Athenaeum，這是一本關于文學和其他信息的雜志）上連載了《氣象學記錄》（Meteorological register），1817年在倫敦北部的托特納姆（Tottenham）所做的七課時演講中，霍華德整理了基于高度來劃分云的7個變種體系，并完成了關于氣象學綜合理論的講稿《氣象學七講》（Seven Lectures on Meteorology），這本書在20年之后的1837年得以正式出版，被后人認為是歷史上的第一本氣象學教材，它包含了大氣的組成、風、氣候、季節(jié)、溫度循環(huán)、蒸發(fā)及降雨、云、暴風雨和氣象儀器，并且在最后一章講述了各種現(xiàn)象包括流星和極光。在《氣象學七講》一書中，霍華德得到了諸多科學家的啟發(fā)，給氣象學做了明確的定義，他認為，“氣象學是一門研究大氣、天氣現(xiàn)象、季節(jié)變化以及他們所呈現(xiàn)出的各種有趣現(xiàn)象的科學”。當《氣象學七講》出版時，曾經(jīng)給過他很多啟發(fā)的英國化學家道爾頓（John Dalton）這樣評價：“我們之間所建立的40年的友誼，其原動力來自于我們對科學共同的熱愛”。

1818—1820年，霍華德出版了另一本著作《倫敦氣候》（The Climate of London），這是城市氣候?qū)W領域比較公認的第一部關于城市氣象學的著作，霍華德也被稱為城市氣候研究的第一人。這部著作研究了城市周圍的大氣現(xiàn)象和氣候特征，并首次提出了熱島的概念。他認為，在溫暖的天氣條件下，城市的氣溫會明顯高于周圍郊區(qū)的溫度，造成這一現(xiàn)象的一個原因是城市中吸收熱量的公路等一些“暗色設施”增多，也就是現(xiàn)在人們常說的城市下墊面性質(zhì)的改變，另一原因是城市中各種燃料的大規(guī)模使用。他還提出，城市熱島使天氣變得更熱，空氣調(diào)節(jié)裝置的需求大幅增加，導致污染更加嚴重，形成了惡性循環(huán)。對于污染問題，霍德華進一步討論了獨特的倫敦城市霧氣——煙和被污染的霧氣混合而成的污濁氣體，也就是現(xiàn)今的廢氣問題。這部著作出版后，受到了廣泛的關注，因此，1833年又出版了第二版，并將結構增加到3卷。

除此之外，霍華德關于降水理論的研究不為后人廣泛知曉。他的論文《降水及大氣電的可能原因》（Proximate causes of rain，and on atmospheric electricity）和云的研究在同一時期（1804年）發(fā)表在愛斯克辛學會。在文章的開頭，他質(zhì)疑了前人關于降水的一些結論，并提出他在觀察大氣現(xiàn)象中有一些新的發(fā)現(xiàn)。他提出，他寫這篇論文的目的是希望大氣中的電能夠引起人們的足夠重視。遺憾的是，他并沒有能夠得到關于降水原因的確切結論。不過，該研究的重要意義在于表達了霍華德基于云的研究衍生出其對于大氣中電的認識，他認為，與晴天共存的正電荷在降水前常常會轉化為負電荷，40%的降水帶負電，盡管在這前后大氣電荷為正電荷，帶正電的降水發(fā)生于帶正電的大氣的概率可能只有15%，沒有摻雜雨的雪和雹基本都是帶正電的，等。盡管其中一些結論受到辛普森（Simpson）等學者的質(zhì)疑，但霍華德在大氣電學的研究方面仍舊跨出了不小的一步。之后，霍華德對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生興趣，基于他長時間的氣象觀測資料，研究了倫敦氣候的周期性問題，他認為氣候周期性的研究對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的幫助將是無價的，但是由于觀測序列不夠長，相關的研究成果尚不足夠讓人信服。

3 霍華德對藝術的影響

霍華德一生最大的貢獻是對云進行了命名，同時，他在氣象學的諸多領域多有成果，除此之外，霍華德對文學和藝術的影響也值得后人研究。

3.1 對詩人歌德的影響

德國著名的哲學家和詩人歌德（Johann Wolfgang von Goethe，1749—1832年）是推崇霍華德的文學大師。他認為霍華德的理論與他對藝術和科學的看法不謀而合，希望能為霍華德撰寫傳記，那時候的歌德已經(jīng)73歲?；羧A德聽聞后，當即回復一封長信，詳細介紹了自己的家庭、生活、教育以及成長歷程。兩人通過信件來往，使歌德進一步了解了這位氣象天才。歌德為霍華德和他的云類系統(tǒng)專門創(chuàng)作了一系列的詩，以此向霍華德致敬。據(jù)記載，歌德曾經(jīng)這樣評價霍華德，認為霍華德對云的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對天氣的關注，人們因此開始注意漂浮的薄霧以及天空的云。從對歌德生平資料來看，歌德除了是一位偉大的詩人之外，還是一位對各類科學非常感興趣的科學研究者，也許正是因為這位藝術家有著對科學的熱愛和追求，才能夠受到來自霍華德的重要影響。

3.2 對畫家約翰·康斯特布爾的影響

約翰·康斯特布爾（John Constable，1776—1837年）是英國皇家美術學院的院士，19世紀英國最偉大的風景畫家，他在1820—1822年創(chuàng)作了兩百多幅包含了云這一元素的油畫作品。約翰·康斯特布爾在此期間為何會創(chuàng)作如此多的云題材油畫一直被后人所猜測。有研究認為，其創(chuàng)作激情的重要原因之一是受到了霍華德所出版的《關于云的分類》這本著作的影響。有據(jù)可依的歷史事實是，約翰·康斯特布爾極有可能擁有福斯特（Thomas Forster）于1815年所著的一本《大氣現(xiàn)象研究》（Researches on Atmospheric Phenomena），因為約翰·康斯特布爾曾經(jīng)在給別人的書信提到，他比較反對這本書中關于氣象學理論的一些觀點。而在這本書中，有一章節(jié)專門記載了霍華德關于云的分類學說。也有人認為，約翰·康斯特布爾本人也是極其熱衷于對天氣現(xiàn)象的觀測，同時，他在1820—1822年創(chuàng)作這些油畫時是否看過了霍華德關于云的分類學說也值得考證。盡管霍華德對其作品的影響程度仍舊存在爭議，但這也從側面說明了霍華德關于云的分類得到了各個領域?qū)W者的關注和討論。

3.3 對英國詩人雪萊的影響

前人對雪萊（Shelley，1792—1822年）的研究表明，雪萊是一位非常熱愛觀察大自然各種現(xiàn)象的偉大詩人。在雪萊的詩歌《云》（The cloud）中，霍華德所命名的各種云形大多有涉及。這里從其詩歌中摘選個別關于對云的描述如下：

雨云：我揮動冰雹的連枷，把綠色的原野捶打成銀裝素裹，再用雨水把冰雪消融，我轟然大笑從雷聲中走過（I wield the flail of the lashing hail, and whiten the green plains under, and then again I dissolve it in rain, and laugh as I pass in thunder）。

積云：我為綠葉披上淡淡的涼蔭，當他們沉浸在午睡的夢境（I bear light shade for the leaves when laid in their noonday dreams）。

層云：從我翅膀上搖落下露珠，去喚醒每一朵香甜的蓓蕾（From my wings are shaken the dews that waken the sweet buds every one）。

雪萊的《云》這首詩創(chuàng)作于1820年，涉及了雨云、積云、層云、卷云、卷積云、卷層云這6種云形，雪萊用藝術的形式描述了不同云形的特征，其專業(yè)性和清晰度雖然不及霍華德的分類和定義，但卻用藝術的手段將云的特性得以流芳百世。值得一提的是，霍華德所定義的卷積層云并未在詩歌中有體現(xiàn)，卷積層云這種云形在霍華德的分類中屬于定義最不清晰的一類，在后來人們的改良中也被剔除了，有學者由此推測，雪萊能如此精準地去除了霍華德當時定義不太清晰的卷積層云，也許意味著雪萊對于云的觀測并不亞于霍華德。

4 結論與討論

4.1 興趣是科學研究的第一要素

愛因斯坦的名言“熱愛是最好的老師”在霍華德的一生研究中得到了很好的詮釋和體現(xiàn)。不難想象，沒有對氣象學足夠的熱愛，霍華德很難幾十年如一日地進行大氣現(xiàn)象的觀察，也就很難從大量觀測事實中去總結規(guī)律。真正的科學研究一定離不開堅持和興趣，竺可楨在《為什么中國古代沒有產(chǎn)生自然科學》一文中總結到，中國古人過重實用，缺乏純粹的科學興趣和研究精神，導致了與西方的科技水平相差懸殊。盡管當今氣象學領域的研究中，一直強調(diào)培養(yǎng)創(chuàng)新人才，但是中國自古以來傳承的實用主義以及當代科學研究及人才的評價體制的問題，都在一定程度上抑制了個體的科學興趣，建立一種以科學興趣為前提的科研體制尚需探討和努力。

4.2 重視觀測是氣象學研究的基礎

進入17世紀以后，科學研究開始傾向于理性思維，并重視觀察和實驗，在這樣的時代背景下，各種觀測儀器的發(fā)明如雨后春筍般出現(xiàn)，進入霍華德生活的18—19世紀，以觀測為基礎的氣象學研究已經(jīng)盛行。在這樣的時代背景下，霍華德親眼目睹了1873年這樣歷史罕見的火山爆發(fā)和大流星，直觀的感官刺激對其從事氣象學研究起到了助推劑的作用。在霍華德之后幾十年的研究中，大量觀測事實的記錄和積累使他能夠從變幻莫測的天氣現(xiàn)象中總結出規(guī)律的基礎和保障。即便今天，重視觀測仍舊是氣象學研究的法寶之一，沒有準確可靠的觀測數(shù)據(jù)，進行科學的氣象學研究幾乎是寸步難行。

4.3 科學可以融入藝術

科學以嚴肅著稱，藝術以美感彰顯。關聯(lián)度貌似不高的兩者在霍華德的人生經(jīng)歷中得到了完美的結合。這也給我們一個啟示，盡管科學和藝術表達形式存在差異，但從根源上來看，都是人類認識世界的體現(xiàn)，都是對萬千世界創(chuàng)新性的一種描述，都來源于實踐和觀察。氣象學是研究奇妙大氣現(xiàn)象的科學，大氣現(xiàn)象的變化莫測和大自然的鬼斧神工給氣象學平添了藝術的元素，以霍華德研究的云為例，將千姿百態(tài)的云用如此簡潔的語言表達出來，并為全世界人民知曉，這已經(jīng)超越了科學本身，這也是為何霍華德能夠被很多藝術家所推崇和景仰?；舻氯A的經(jīng)歷給我們的一個啟示，當代氣象學的研究在重視嚴謹科學成果的同時，是否能夠更多地融入藝術元素，讓氣象學的研究成果流傳更加廣闊和為大眾接受。

在霍華德那個年代，氣象學尚未成為一門真正的學科，云作為自然界神奇的產(chǎn)物，其紛繁復雜的種類和變幻莫測的形狀讓很多熱愛者望而卻步，但霍華德卻在堅持不懈的觀察中，憑借著超凡的智慧將復雜的云用如此簡單的語言表達出來，其思維方式和分類方法在當時最直接的影響是成就了英國海軍蒲福（Sir Francis Beaufor）的“蒲福分級”?，F(xiàn)在看來，他同樣給后人留下了很多值得思考和借鑒之處，歷史是一面鏡子，古為今用是老生常談的一句話，但是，如何真正深入地挖掘歷史人物中的科學方法和科學思想，在科學史研究的漫漫征程中仍然任重而道遠。