氣象科技發(fā)展歷程的若干回顧及啟示

許小峰張萌

（1 中國氣象局，北京 100081；2 蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730000；3 中國氣象局氣象干部培訓學院，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 蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730000；3 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

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

大氣科學，氣象史，發(fā)展，啟示

1 引言

環(huán)繞地球不斷運動的大氣圈層，是維持地球生態(tài)生存、演變的必要條件，無時無刻不對人類的生產(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，科學預測其發(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)驗的積累，氣象觀測儀器的出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)學、物理等近現(xiàn)代科學知識和原理的引入，以及軍事和民生對其的迫切需求，對大氣現(xiàn)象的分析、預測逐漸擺脫了“算卦”、“占卜”等非科學因素，發(fā)展成為一門有理論基礎(chǔ)的氣象學科。隨著科學理論和高新技術(shù)的進一步發(fā)展，“氣象學”或“氣象科學”的概念已逐漸被“大氣科學”的概念所取代，其研究內(nèi)容也大大超出了傳統(tǒng)氣象學的范疇[1]。

2 大氣科學發(fā)展回顧

2.1 氣象學的萌芽

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

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)僅對古代中國和古希臘的氣象認知發(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，對天文、氣象的占卜逐漸顯現(xiàn)。例如商代就很重視天氣對人類活動的影響。商代甲骨文中對天氣現(xiàn)象的記載已十分完整、細致，包括降水、天空狀況、風、云霧、大氣光電現(xiàn)象等許多項目（圖1），且對這些大項還有更細致的分類，如將降水現(xiàn)象分為雨、雪、雹、霜等，對雨又有大雨、猛雨、疾雨、足雨、多雨和毛毛雨等區(qū)別。

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

到了西漢，中國的氣象知識發(fā)展可以歸納為三個方面：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）以前，中國在氣象學的認識有許多地方并不落后于西方[3]。如唐代天文學家、數(shù)學家李淳風（602—670年），是世界上第一個給風定級的人，在其專著《乙巳占》的氣候占和候風法中記錄了很多重要的氣象現(xiàn)象。李淳風對風的觀測非常詳細，古代中國一般使用的是8方位風向，因之有八風之名，李淳風進一步把風向明確定為24個，并根據(jù)樹木受風影響而帶來的變化和損壞程度，創(chuàng)制了八級風力標準，即：“動葉，鳴條，搖枝，墮葉，折小枝，折大枝，折木飛砂石，拔大樹和根?！币磺Ф嗄旰?，英國人蒲福（FrancisBeaufort，1774—1857年）于1805年才把風力定為12級共13個等級。明代杰出科學家徐光啟（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，供當時的農(nóng)民參考，強調(diào)了緯度的變化對農(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、濕度、降水的觀測和儀器，天氣諺語和天氣預報，以及古代天氣現(xiàn)象理論。

在古希臘，氣象的認知水平有了極大發(fā)展，可以說古希臘開創(chuàng)了世界氣象科學發(fā)展的先河。到了公元前4世紀，古希臘的著名學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知進行匯總，撰寫了迄今為止發(fā)現(xiàn)最早的氣象學專著《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，風的形成和分布，颶風、焚風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誤的，甚至是荒謬的，但它仍對17世紀以前的西方氣象學產(chǎn)生了重要的影響[5-6]。

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

2.2 氣象觀測與相關(guān)技術(shù)的進步

伴隨著測量儀器的陸續(xù)發(fā)明，觀測和實驗的大量開展，以及在此基礎(chǔ)上進行的理論研究，氣象學從對天氣現(xiàn)象的定性描述逐漸過渡到量化認識階段。

據(jù)記載，1597年意大利物理學家伽利略發(fā)明了溫度計，在成為化學界和物理界應(yīng)用的儀器之前，溫度計首先被氣象學家使用[7]；46年后同樣是在意大利，另一位著名的物理學家托里拆利通過玻璃管和水銀進行實驗，證實了大氣壓力的存在，但由于這一過程是在實驗室里進行的，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，使人們對氣壓的存在完全信服；雖然早在15世紀就有人提出了濕度測量的可行性，但作為科學觀測儀器的濕度計直到18世紀才由德國數(shù)學家蘭伯特制造出來。而氣象中另外兩種重要現(xiàn)代觀測儀器——雨量計和測風儀在1800年前后被發(fā)明。同時隨著觀測儀器的不斷改良，氣溫、氣壓、風速、濕度等氣象要素的觀測精度也越來越高，為大氣科學的快速發(fā)展提供了必要條件。

需要強調(diào)的是，法國著名哲學家、數(shù)學家勒內(nèi)?笛卡爾（Rene Descartes，1596—1650年）在《論氣象學》中貢獻了基于實際觀察和定量計算的研究理論，強調(diào)用“量”的范疇來描述自然現(xiàn)象必須要使用標準的觀測儀器、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世紀中期。最早使用氣象觀測儀器實施氣象觀測，并將氣象觀測記錄一直保存下來的是巴黎、克勒蒙費蘭德、斯德哥爾摩這三個地方，時間為1649—1651年。其中，斯德哥爾摩這個地方氣象儀器的觀測工作首先是由笛卡爾

實施的。這三個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30年代電報的發(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。1928年，無線電探空儀的發(fā)明對20km以下的各層氣象要素的探測為當時的天氣預報提供了有限的資料[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；世界上第一臺電子計算機ENIAC被用于數(shù)值天氣預報試驗，并與1950年獲得成功。在此之后，空基和地基遙感技術(shù)以及計算機的發(fā)展，使氣象觀測資料更加豐富、計算更加可靠。

2.3 數(shù)學和物理的引入

人類文明伊始，人們仰望星空觀察宇宙，通過風走云動、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、思考著各種大氣現(xiàn)象的起源、行蹤與規(guī)律。因此，氣象學最早是與天文學、地理學等學科混合在一起的。隨著氣象學包含的內(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測未來天氣為主的應(yīng)用實踐三方面的經(jīng)典氣象學內(nèi)容，從而逐步建立了經(jīng)典氣象學科[9]。

17世紀之后，科學革命掀起的理性主義浪潮席卷了整個西方世界，氣象學顯然也從中受益。其中，笛卡爾做出了突出貢獻，使其之后的氣象學完全擺脫了《氣象匯論》的束縛，成為了完全具有科學性質(zhì)的學科。1637年，笛卡爾完成了《折光學》、《氣象學》和《幾何學》三篇論著，并為此寫了一篇序言《科學中正確運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研究為例，證明其方法論的正確性，進一步證明其實證主義的哲學觀點。在《氣象學》一書中，笛卡爾提出了諸多氣象學方面的理論，用新方法解釋了各種天氣現(xiàn)象。如他詳細討論了地面上的物質(zhì)以及上升的水汽性質(zhì)、云層以及風的成因，并解釋了云層演化成雨、雹、雪的過程和暴風雨、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》中提出了四條認識客觀世界的原則：首先，要盡量避免輕率判斷，即使對待“權(quán)威說法”也要保持懷疑的態(tài)度；第二，遇到復雜問題時，可以把它分解為一系列簡單的問題；第三，要按照次序認識并解決系列問題，逐步回溯到原始的復雜問題；第四，要盡量全面細致地考慮問題，確信準確無誤[4]。盡管這些原則并不深奧，但對于從中世紀走出來的西方世界而言，已是很大的突破了。即便是對現(xiàn)代人而言，能完全做到也并非易事。

人們對天氣的認識是一個漫長的過程，依賴于知識的積累，認識的提升，技術(shù)的進步，需求的推動等多種因素，在具備了這些因素后，則要看人才的涌現(xiàn)了。在現(xiàn)代氣象科學領(lǐng)域取得突破性、奠基性進展的要首推來自挪威的皮葉克尼斯父子和在他們的領(lǐng)導下形成的挪威學派了。V.皮葉克尼斯在20世紀初提出天氣預報是一個物理初值問題，并給出了描述大氣運動的方程組，首次將流體力學、物理學的觀點引入氣象學研究，并用數(shù)學公式將大氣運動表達出來，推動、加快了現(xiàn)代氣象學的發(fā)展。數(shù)學表達式和物理定律的引入，使氣象學成為了一門真正的現(xiàn)代科學。

V．皮葉克尼斯在其1904年發(fā)表的經(jīng)典文獻[10]中指出，大氣運動過程本質(zhì)是復雜的力學與物理學問題。每一個過程都可以用一個或多個遵循力學或物理學法則的數(shù)學方程表示。只要能夠建立和未知變量數(shù)量相等的獨立方程，就能充分獲知大氣的未來發(fā)展。從氣象的角度來說，在任意時間，只要確定每個點上的大氣速度、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，可以建立起三個方向的運動方程、連續(xù)方程、狀態(tài)方程和兩個符合熱力學定律的方程（水汽質(zhì)量方程和熱力學能量方程）。這就是對現(xiàn)在出現(xiàn)在教科書中的大氣運動方程組的最初描述。

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

2.4 經(jīng)典理論的提出與數(shù)值預報的誕生

1904年大氣運動方程組這一科學概念的提出，以及1922年理查森基于科學理念對數(shù)值預報的嘗試（雖以失敗告終），成為20世紀三四十年代極鋒理論、長波理論、準地轉(zhuǎn)理論、斜壓不穩(wěn)定理論等經(jīng)典理論提出的基礎(chǔ)和動力。這些成果又幫助“計算機之父”馮?諾依曼和美國氣象學家查尼，在1950年，用剛剛誕生的世界上第一臺電子計算機ENIAC，在以1949年1月31日觀測記錄為初值，進行歐洲地區(qū)24小時數(shù)值

預報的試驗中獲得成功。數(shù)值預報的成功及其后來在天氣預報業(yè)務(wù)的應(yīng)用，使得天氣預報從完全依據(jù)預報員經(jīng)驗的時代逐步進入到依據(jù)數(shù)學物理模式預報結(jié)果，再由預報員進行訂正的主客觀預報相結(jié)合的階段。

2.5 迅速發(fā)展階段

最近半個世紀，大氣科學在繼承經(jīng)典的同時，獲得了極大發(fā)展。例如，在天氣預報主戰(zhàn)場，特別是隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)方法的不斷改進和數(shù)值預報模式更加精細化，以數(shù)值預報理論和技術(shù)為代表的預報預測分析方法逐漸占據(jù)了天氣預報領(lǐng)域的主要位置；在大氣探測方面，各種雷達的出現(xiàn)，不僅讓氣象應(yīng)用雷達的視野不斷拓展，其識別能力也有了質(zhì)的飛躍，特別是雷達探測已經(jīng)結(jié)束了“看圖識字”階段，大量量化天氣探測數(shù)據(jù)進入數(shù)值預報模式，派生出很多新的科學和技術(shù)問題，并為數(shù)值預報的進步不斷提供潛能。此外，從世紀之交開始，大氣科學的成果不斷與其他科學融合，獲得了新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，例如，大氣化學、生物氣象、全球變化科學和地球系統(tǒng)科學等，這些交叉、衍生學科或新被認識到的領(lǐng)域的出現(xiàn)，不僅是強烈的應(yīng)用需求使然，例如，大氣化學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，大氣科學一些核心問題的最終解決，在很大程度是需要多學科發(fā)展融合的支持才有可能，例如，地球系統(tǒng)科學可能是最終實現(xiàn)包括準確預報大氣行為在內(nèi)的地球環(huán)境預報的最終解決方向。

在這樣的科學進化過程中，一方面，大氣科學扮演著越來越重要的角色，例如美國氣象學家洛倫茲在用計算機模擬求解仿真地球大氣的13個方程時，發(fā)現(xiàn)由于誤差指數(shù)級增長和傳遞，微小誤差隨著不斷推移將會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)學分支——混沌理論?；煦绗F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，影響了基礎(chǔ)科學的眾多領(lǐng)域，在人類對于自然界的認識上，引發(fā)了本質(zhì)性的變化；另一方面，氣象學家需要關(guān)注的領(lǐng)域已經(jīng)數(shù)倍地增加，大氣科學涉及的基礎(chǔ)知識“譜”的拓展不斷。這一情況也造成了兩方面的必然結(jié)局：大氣科學家的隊伍在迅速擴大（原來的大氣科學家學習新知識，探知新領(lǐng)域；其他領(lǐng)域的科學家進入大氣科學相關(guān)領(lǐng)域，與氣象學者共同研究攻關(guān)）和大氣科學的學科劃分向更多方向及更加精細化兩個維度出現(xiàn)史無前例的延伸與擴展。這時候，要從科學家的角度，獲得大氣科學整體發(fā)展脈絡(luò)，絕非20世紀前半葉以幾個學派為主的科學家隊伍就能代表。

3 學派和學術(shù)領(lǐng)袖

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

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

3.1 挪威學派

挪威學派是世界公認的主流氣象學派，V.皮葉克尼斯和他的10個助手則是挪威學派的代表人物，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，他們都做出了卓越的貢獻。其中，V.皮葉克尼斯先后提出環(huán)流定理[12]和大氣運動方程組[10]，正是這些工作啟發(fā)了包括?？寺土_斯貝在內(nèi)的海洋、氣象學家，在大尺度海洋和大氣運動中使用數(shù)學方程和物理定律，使得現(xiàn)代天氣預報成為可能。J.皮葉克尼斯通過查閱大量的觀測數(shù)據(jù)首次描述了移動氣旋的結(jié)構(gòu)，指出每一個移動氣旋都有兩條輻合線，并將它們稱之為“引導線”和“颮線”，這就是對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派的理論體系。總的說來，挪威學派在氣象學上的貢獻是非常廣泛的，且都帶有奠基價值。

3.2 芝加哥學派

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習，1941—1947年在芝加哥大學任教期間，創(chuàng)立了芝加哥學派。而羅斯貝個人對氣象學的主要學術(shù)貢獻是1928—1939年在麻省理工學院（MIT）工作期間做出的，如關(guān)于中緯度西風帶波動的研究[16]，如今，大氣科學中的許多術(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)。芝加哥學派的另一代表人物查尼在大氣動力學方面也有許多貢獻，如首先給出了動力學分析中應(yīng)用準地轉(zhuǎn)近似的方法，建立了準地轉(zhuǎn)理論；對大氣長波的產(chǎn)生機制進行了深入研究，提出斜壓不穩(wěn)定理論[17-18]；與馮?諾依曼合作，推動了數(shù)值預報取得成功；等等。芝加哥學派特別強調(diào)大氣科學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原理出發(fā)來研究大氣科學問題的風格，也許是芝加哥學派能夠做出許多開創(chuàng)性工作的重要原因[19]。

3.3 中國學者的貢獻

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

竺可楨（1890—1974年）1918年獲美國哈佛大學博士學位后回國，那時中國氣象的科研與業(yè)務(wù)幾乎是空白的，他為推進我國的氣象科學做出了不懈的努力。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多個氣象站和100多個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、天氣預報等工作，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)代著名的氣象學家，中國氣象事業(yè)由此初具雛形[20-21]。趙九章是中國動力氣象學的創(chuàng)始人，所著《信風帶主流間熱力學》是我國真正把數(shù)學和物理引入氣象學、解決氣象學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、颶風形成理論、熱對流和地氣相互作用等領(lǐng)域具有突出貢獻，并被美國氣象學會授予“羅斯貝獎”[22]。葉篤正將羅斯貝提出的行星波理論發(fā)展到一個新的階段，發(fā)表了被認為是對動力氣象學發(fā)展具有重要貢獻的論文——《論大氣中能量頻散》[23]。他還對完善地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論做出了貢獻，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場是兩個相互依存并相互制約的矛盾雙方，它們之間的適應(yīng)關(guān)系取決于運動的尺度[24]。謝義炳在東亞降水天氣系統(tǒng)與濕斜壓天氣動力學等方面做出了開創(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研究和天氣預報業(yè)務(wù)的開拓者之一，他系統(tǒng)、準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。顧震潮則開創(chuàng)了中國數(shù)值天氣預報事業(yè)，提出在數(shù)值天氣預報中運用歷史資料的方法[22]。

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

4 對當代大氣科學發(fā)展規(guī)律的認識

大氣科學的發(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)代氣象科學奠定了基礎(chǔ)，實際需求是推動大氣科學發(fā)展的動力，杰出的領(lǐng)軍人才和團隊在科技創(chuàng)新中起著關(guān)鍵性作用等。

（1）大氣科學與其他學科相互促進、協(xié)同發(fā)展

19世紀隨著工業(yè)革命的進行，資本主義社會的科學技術(shù)水平飛速發(fā)展，人類對于自然的認識達到了前所未有的高度，自然科學的發(fā)展逐步形成體系。在此過程中，大氣科學在其他學科的促進下，得到了快

速發(fā)展，比如流體力學方程成為大氣動力學的發(fā)展基礎(chǔ)；偏微分理論被用于解釋大氣運動和變化背后的微觀過程；場論為氣象學中的位勢理論提供理論工具；概率論的發(fā)展為氣象統(tǒng)計預報的發(fā)展奠定了方法基礎(chǔ)。氣象科學的發(fā)展除了依賴于19世紀哲學、數(shù)學、物理學、測量學等學科的成果，還離不開20世紀人造衛(wèi)星技術(shù)和計算機技術(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)星和氣象雷達的出現(xiàn)，氣象觀測呈現(xiàn)快速、立體化發(fā)展，為氣象預報與研究提供了大量的實況數(shù)據(jù)，極大地促進了大氣科學的發(fā)展。同時計算機技術(shù)的發(fā)展又幫助大氣科學開創(chuàng)了新的里程碑——數(shù)值天氣預報。

大氣科學在借鑒其他學科先進成果的同時也在促進其他學科發(fā)展。隨著大氣科學研究領(lǐng)域的不斷拓展，學科間相互交叉滲透，相互促進的局面逐漸形成，大氣科學特定的要求不斷為其他學科開辟新的研究前沿，豐富其他學科的內(nèi)容。例如海氣相互作用的研究大大促進了海洋學的進步，由于大氣和海洋運動都受到地球旋轉(zhuǎn)、重力和熱力影響，海氣相互作用的研究開創(chuàng)和發(fā)展了地球流體動力學[26]。大氣科學對于云物理、雷暴、湍流的研究，提高了飛行器運行的安全性和穩(wěn)定性，促進了航空業(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，對其研究的深入和進展顯然會推進對環(huán)境科學的認識。因此大氣科學與其他學科之間應(yīng)當建立一種相互促進、協(xié)作發(fā)展的關(guān)系，大氣科學學科在其自身發(fā)展的過程中，要充分了解其他學科的前沿成果，應(yīng)用先進的科學技術(shù)和研究方法，加強學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，對一些問題有自己獨特的看法，且性格直率，不掩飾自己的觀點。如羅斯貝1925年到美國氣象局工作后，由于對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會，時值加州要發(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)機構(gòu)的樣板，認可了羅斯貝的成績。如果沒有美國氣象界的寬容，可能就不會有芝加哥氣象學派的輝煌歷史。

如果缺少寬容、迷信權(quán)威，也會導致在科學探索的道路上出現(xiàn)迷失或停滯不前。19世紀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，他們不要求天氣預報全對，大部分對就可以了。但當時社會的貴族們認為不太準的天氣預報會妨礙他們的生活，守舊的科學大師們也不支持，一些英國皇家學會的大人物用物理學、生物學的眼光看待大氣科學，認為科學結(jié)論都是要在實驗室做好才能應(yīng)用到實際。這導致19世紀60年代初期，英國氣象局被取消，菲茨羅伊被調(diào)到英國皇家學會做資料統(tǒng)計員。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，英國氣象學家肖氏（N. Shaw）提出，如果菲茨羅伊繼續(xù)沿著他的道路前進，則氣旋的鋒面學說將出現(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”，他的學說完全主導了英國氣象學界。20世紀初，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，鋒面學說或許可以首先誕生在英國。如果英國氣象界當時不迷信權(quán)威，對后來者抱著寬容的心態(tài)，如果相關(guān)科學家不固步自封，在自己開辟的道路上再前進一步，或許在氣象科技史上真的會出現(xiàn)“英國學派”。

（3）科學的興盛離不開領(lǐng)軍人才

從挪威學派的氣旋學說到芝加哥學派的長波理論，一批精英學者的通力合作帶動了兩個學派的興盛發(fā)展，也使得氣象學整體水平有了很大提升。而20世紀30年代前后，隨著羅斯貝、J.皮葉克尼斯移居美國，氣象學研究的主戰(zhàn)場也從歐洲向美國轉(zhuǎn)移，這更說明科學的興旺離不開領(lǐng)軍人才的引導。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值追求、出類拔萃的科學素養(yǎng)、卓越的領(lǐng)導才能、獨特的人格魅力、堅韌的拼搏毅力、強大的團隊凝聚力和廣泛的社會影響力等優(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界當之無愧的領(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)出精英學者，以壯大其研究團隊，團隊壯大所帶來的號召力又會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，一個地區(qū)甚至國家在某一學科上的領(lǐng)先優(yōu)勢也通常在這個時候被確立。

以史為鑒，如果中國大氣科學要走到世界前端，科技人才隊伍建設(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世紀是大氣科學獲得迅速發(fā)展的100年，基礎(chǔ)理論的突破、現(xiàn)代探測技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。但對于復雜多變的大氣，人類的認識還非常有限，仍有許多難題尚待解決。如對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；在氣候預測領(lǐng)域，能否在基礎(chǔ)理論、預測方法上有所斬獲；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、更為清晰的認識；還有諸如無縫隙預報、應(yīng)用氣象、探測技術(shù)、信息分析、復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)歷史進程，對推進未來的發(fā)展能有所啟示，期待大氣科學在一些核心領(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學院“氣象科技史研究”項目