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1、罗斯贝和20世纪大气科学的发展发表日期：2006年3月30日 【编辑录入：admin】 罗斯贝和20世纪大气科学的发展贾朋群 秦莲霞 胡晓梅翻开现代气象科学发展史，人们很容易发现在20世纪前半叶，传统气象学的经验学派、理论学派和气象预报实践学派之间相互融合、借鉴，并最终以数值天气预报成功为标志，走向成熟并构建了地球科学中的重要学科-大气科学1-2。这一半个世纪的重要过程，是以世纪初1903年挪威物理学家V 皮叶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）提出天气预报问题不过是一组控制大气运动的动力和热力物理方程的初值问题，天气预报就是这一数学方程组的解的观点开始，而结束于1950年由冯诺依曼（v
2、on Neumann）和切尼（Charney）等在人类第一台电子计算机上成功进行了数值天气预报。皮叶克尼斯及其创建的挪威卑尔根（Bergen）气象学校以及冯诺依曼和切尼主持的美国普林斯顿大学高级研究院气象项目，也成为20世纪气象科学二大科学突破的载体。这两次突破，彻底改变了气象学科的面貌，也使气象预报从艺术真正转变为一门严肃的基于物理和数学理论的科学。然而，在两次突破之间漫长的几十年里，科学家们的不懈努力，并最终使现代物理学和数学走进了气象，为铸造着眼于天气预报的现代大气科学理论做出的艰苦努力同样功不可末。其中，瑞典籍美国气象学家罗斯贝，是用自己的研究经历连接两次重要创新过程的不多的学者之一。
3、如果说皮叶克尼斯大胆地将气象问题归结为物理和数学问题，使气象学家开拓了眼界，知道应该到哪里和以什么态度去寻找气象预报问题的答案，而冯诺依曼和切尼则漂亮地用数值模式彻底地将大气科学理论和气象预报问题合二为一，让预报员认识到依据科学理论可以得到客观和准确的天气预报方法，那么，罗斯贝在动力气象学领域创造性的工作则清楚地揭示了大气运动的共性和个性，铺垫了使两次突破完美结合到一起的路径。一、罗斯贝的学术生涯卡尔-古斯塔夫阿尔维德罗斯贝（Car-Gustaf Arvid Rossby, 1898-1957年）1898年12月28日出生于瑞典斯德哥尔摩的一个中产家庭。当他在家乡的斯德哥尔摩大学进行数学和物理
4、专业的学习时，参加了由当时刚刚获得气象预报理论突破的皮叶克尼斯主讲的一次关于大气运动非连续性问题讲座，由此他就被气象学问题深深吸引。1919-1920年他进入著名的卑尔根气象学校，加入了由皮叶克尼斯率领的气旋理论研究和天气预报团队。年轻的罗斯贝亲历了极地锋理论和气团学说激动人心的发现，并作为团队的一员提出了一些很好的思想3。1919年夏，他首先建议暖锋和冷锋在天气图上分别用红色和蓝色代表，而不是当时使用的相反方案4。这时他也预感到自己的兴趣和长处在理论方面，大学里学习的物理和数学知识在气象领域不是没有用处，而是还远远不够。1921年他又回到斯德哥尔摩大学，更加深入地学习数学和物理课程并在192
5、5年取得学位。与此同时，从1922年开始，他还是瑞典气象和水文研究所的雇员，在那里他参与高空气球观测网的建立，与另外4名预报员一起每天3次进行天气图分析并作出全国天气预报。其中有两年的夏天，他还随船出海提供天气预报。1926年是罗斯贝学术生涯的一个重要的转折点。这一年他获得了一个基金会的资助，前往美国天气局进行访问研究。他1926和1927年在美国著名的每月天气评论杂志上发表了关于大气湍流和对流方面的论文5-6,反映了他在来美之前的研究工作中对大气摩擦层的具有远见的洞察。这一时期由于美国对北欧天气预报新进展普遍持否定和麻木的态度7，罗斯贝只好在气象局尚未介入的航空气象预报中另辟蹊径。他在加洲建
6、立了美国第一个航空气象服务试验系统。1928年，他在麻省理工学院（MIT）组织了美国第一个大学水平的气象研究项目，同时创立了美国第一个现代气象学意义上的大学气象系。罗斯贝在MIT工作了11年，前3年他致力于气团热力学研究8，首先发现大气热力学中一些物理量具有守恒性质。他最早提出利用位势温度和比湿等物理量定义气团，追踪气团的运动，进而对锋面和气旋等天气现象进行更为量化的诊断和描述。这些大气中具有守恒性质的准物质面还被作为空间坐标的代替量应用于数值预报模式。罗斯贝还专注于大气和海洋中的湍流研究，第一次在气象学中引入了混合长、粗糙度参数、卡曼常数等概念，并将这些概念扩展到海洋。1940年代，罗斯贝在
7、芝加哥大学气象系，将自己的研究领域转向和短期天气预报关系更为密切的大尺度大气运动和大气环流理论并取得了最重要的学术成就。他引入的大气涡度和动量的概念成为今天每一位气象学者都耳熟能详的基本概念。二次大战爆发期间，罗斯贝在芝加哥大学积极组织和参与了对军事气象人员的培训，同时继续研究他创建的大气长波理论。战争结束后，他招募了一大批优秀学者加入到气象研究中，为将要开展的数值天气预报积极进行气象基本理论上的准备。1946年8月，罗斯贝协助冯诺依曼在普林斯顿大学召开了第一次讨论数值预报的会议。在这次会议上，罗斯贝极力推荐当时在加州大学刚刚获得气象博士学位的查尼参加首次数值天气预报试验，后者最终成为首次成功
8、的数值天气预报的完成者之一，生动地显示了罗斯贝的发现和调动人才的学术领导者的能力。查尼和罗斯贝两位学术大师就一直保持他们越来越深入的学术交流和个人友谊，也成为气象学界的美谈。1947年，带着最新的数值天气预报理念和具体实施方案，在自己祖国的召唤下，罗斯贝回到了瑞典，任新成立的位于斯德哥尔摩的气象研究所主任。罗斯贝在自己的国家全身心地投入到欧洲数值天气预报实践，为了更好地进行学术交流，他还经常往返于欧美之间，和美国的同事取长补短。在欧洲他还创办了起点很高的“Tellus”(大地)杂志。虽然这份杂志较多地刊载气象方面的论文，但罗斯贝仍将其定义为地球物理学杂志。他这时已经敏锐地感觉到，气象科学要获得
9、更大的突破要有更广的视角和在多学科的框架之下才有可能。在这一点上，罗斯贝身体力行作出了表率。1952年罗斯贝在阅读了一篇描述瑞典固定氮沉降的论文后，立刻计算出全球每年氮的沉降量达到5000吨。他致信论文的作者，提出这些氮来自何处,氮沉降的自然生物过程对森林、农业的作用,以及人类的氮排放的重要性如何等问题。他还在一次学术会议上，将“大气中的氮循环”列作与“天气预报”和“云物理”并列的第三议题，从而将空气污染问题引入了气象学研究。罗斯贝也将自己的研究领域转向包括了大气化学的生物地球化学这一当时还没有多少内容的新学科9。1957年，罗斯贝不幸去世。罗斯贝留给全世界气象学家的永远创新的思想理念令人难忘
10、，就像很多用他的名字命名的气象学概念一样，会长时间留在人们的心中。二、罗斯贝与美国气象教育的发端面对如前所述20世纪上半叶气象科学的两次突破，很多人会提出这样的问题，即为什么世界气象科学研究和应用的中心会从20世纪初的西北欧洲迅速转移到大萧条过后和同样参与了第二次世界大战的美国？回答这个问题至少要部分涉及到那个时代美国大学气象教育的迅速崛起，一些来自世界各国著名科学家个人的促进作用不可忽视，其中罗斯贝的巨大贡献对美国气象教育的发展更加具有非凡的意义。21 首创美国大学气象系罗斯贝刚刚来到的美国时，和欧洲气象预报轰轰烈烈的理论和技术革新的情况不同，大洋彼岸的气象预报仍然世袭19世纪简单的外推方法
11、，新的理论和方法几乎无人知晓，美国较为发达的地面和高空观测网资料的真正价值并没有在这时的预报服务中体现出来。尽管罗斯贝在准备赴美期间就受到同事的怀疑，他仍然立志要在美国传播和发展新的天气预报理论和实践。然而，来自美方的阻力在他动身前就已经感觉到了。他赴美的项目申请虽然是90个候选项目中被批准的6项之一，但项目的名称却由原来的“气旋锋分析在美国的应用研究”被模糊成了“动力气象研究”。1926年罗斯贝来到美国天气局之后，果然感到了身怀绝技却几乎没有在天气预报第一线施展的可能。幸运的是在天气局他遇见了当时负责美国海军气象服务的赖克尔德弗。这位后来在1938年出任美国天气局局长并任职长达25年，比罗斯
12、贝大3岁的学者，是少数从一开始就关注挪威气团分析理论发展的美国当地气象学家之一。两位一见如故的的年轻人除了开始频繁地讨论有关的理论问题，还达成了共识，即要使新的理论在美国气象部门成为主流，还要从大学气象基础教育开始。于是赖克尔德弗通过安排海军预报员在对天气预报很感兴趣的MIT航空系培训，帮助罗斯贝在1938-39年在MIT创办了美国第一个大学气象系（最开始属于航空系，之后独立成为气象系），罗斯贝也成为第一位气象专业的大学副教授和教授。与天气局不同，在MIT明确地将气旋理论的研究和拓展作为气象专业教学和研究的主要内容。大学里良好的学术氛围，加上罗斯贝力邀的几位观点一致的美国同事加盟，使MIT气象
13、系很快人才辈出。值得指出的是早期进入MIT与罗斯贝合作的威利特(H C Willett)和拜尔斯(H R Byers)。威利特是罗斯贝刚到美国天气局时认识的一个很不起眼的年轻人，罗斯贝认为他很有发展潜力就鼓励他到普林斯顿大学学习物理和数学，并着眼于预报问题的研究。他还安排威利特到Bergen学校进修，系统学习新的天气预报理论。当罗斯贝在MIT邀请威利特加盟时，后者遭到了对气旋理论不屑一顾，当时的天气局局长的坚决反对，并威胁他一旦离开就没有可能再回来。威利特怀着对罗斯贝个人的信任和对新预报理论的追求，毅然离开天气局，降薪到MIT做助理教授（后来成为MIT的名誉教授）。拜尔斯在西海岸的航空气象部门
14、工作，他是在做研究生论文时应邀来到MIT和罗斯贝合作，拜尔斯也因此先于天气局在美国航空气象部门的天气预报中引入了锋和气团分析方法。拜尔斯毕业后来到天气局当预报员，由于新的天气分析方法受到排挤，他带领的分析预报小组只能远离主流预报人员，躲在预报中心大楼的角落里开展工作。但当罗斯贝在MIT工作11年后再一次在芝加哥大学创建又一个气象系时，拜尔斯成为罗斯贝最得力的助手和合作者。2.2 促进美国气象业务人员的培训罗斯贝1939年离开MIT来到华盛顿美国天气局,任负责研究和教育的局长助理。先于他来到天气局的拜尔斯告诉罗斯贝，直到此时挪威学派先进的天气分析理论仍然没能在天气局的业务中得到应用，原因之一是天
15、气局人员的素质不够。当时不到200人的天气局接受过各种高等教育的人员仅占27%，其中只有一半人的专业是理工科。分布在美国各地的1500到2000位观测人员受到过正规气象教育的人员更是寥寥无几10。罗斯贝来到天气局也是幸运的，因为这时担任局长的赖克尔德弗完全和他的前任们不同，他同样推崇挪威学派先进的天气分析理论，在将这套理论引入天气局业务方面，两个人一拍即合。他们采取的一项重要措施就是大规模开展在职培训。他们还将天气局里的优秀人才送到这套理论在美国的落脚地，罗斯贝工作过的MIT进修，以这种方式培养自己的培训教师。1939年9月，挪威学派的代表人物J皮叶克尼斯(V皮叶克尼斯之子)来到美国参加会议并
16、应邀到一些大学进行学术交流，由于这时德国接管了挪威，滞留在美国的皮叶克尼斯在罗斯贝的积极推荐下，进入加洲大学洛杉矶分校，并以他为主建立了美国第4个大学气象系（当时除罗斯贝最早创建的MIT气象系外，分别在加洲理工大学和纽约大学设有气象系）。罗斯贝在天气局工作不久就发现，已有的大学气象系都集中在较为发达的美国东西海岸，而广大的中西部则是一片空白。然而罗斯贝最关心的许多大尺度风暴正是在经过这片土地时发展壮大的。在中西部适当的地方应该再办一个大学气象系为气象部门培养人才的想法很快在罗斯贝的脑子里形成。为了实现这个想法，罗斯贝认为在美国当时的5个区域预报中心华盛顿、芝加哥、新奥尔良、丹佛和旧金山中，芝加哥是最佳的选择。于是在1939年底天气局扩大在职培训时，罗斯贝先将位于芝加哥的区域预报中心也作为一个培训地，拜尔斯欣然前往担任培训中心的助理。这一举措不仅方便了非沿海地区预报员的培训，更大大增
