現代氣象科學的引領者

蘇凱米

現代氣象科學的奠基

天氣與我們的日常生活息息相關，一直以來，人類就希望掌握天氣變化的規律，預測未來的天氣趨勢。但是，天氣太變幻無常了，在科學技術欠發達的時代，氣象學家大多依靠經驗、猜測甚至通過巫術、占卜來分析天氣，即使氣象學家能夠成功預報出天氣的變化，但誰也說不清楚，這樣的預報究竟有多大的運氣成分。

直到20世紀的前五十年，隨著科學理論的發展以及氣象儀器的進步，傳統氣象學才徹底轉變了面貌。這種轉變由氣象學發展史上兩個著名的學派——挪威氣象學派和美國芝加哥氣象學派共同完成。

1903年，挪威氣象學派率先提出了“天氣預報是描述大氣運動的數學方程組的解”的觀點，標志著人類正式將物理和數學引入氣象學研究。按照物理和數學的方式，挪威氣象學家威廉·皮葉克尼斯和學生們發表了關于氣團、鋒面、氣旋的一系列理論，使挪威學派名揚天下。40年后，美國的芝加哥氣象學派也開始興起，該學派創立了大氣長波理論，加強了氣象學與熱力學和動力學的聯系，進一步充實了天氣分析和預報的物理學基礎。1950年，芝加哥學派的氣象學家與計算機科學家馮·諾依曼合作，使用剛剛誕生的電子計算機首次成功進行了“數值天氣預報”，這標志著氣象學終于發展成為純客觀的、可以精確定量研究的現代科學。

在氣象學發展史上的這段最重要的時間里，卡爾·古斯塔夫·羅斯貝無疑是眾多氣象科學家中最耀眼的一位，他是唯一一位在氣象學兩大學派中都有涉足的傳奇式人物，他既是挪威學派的重要成員，也是美國芝加哥學派的創建者。在數十年的職業生涯里，無論走到哪里，羅斯貝一直處于氣相學研究前沿的中心位置，凡是他工作過的地方，氣象學的研究都被顯著地推進。國際大氣科學界的最高榮譽——羅斯貝獎就是以他的名字命名的。

1956年，羅斯貝作為封面人物登上美國《時代》周刊，《時代》文章對羅斯貝的學術地位做出了中肯評價：“毫無疑問，氣象學的發展與羅斯貝的事業是緊密相連的，現代氣象學的大部分引領者都是羅斯貝的朋友或學生，他對氣象學的貢獻無人能及”。

初識氣象學

羅斯貝于1898年生于瑞典首都斯德哥爾摩，從小就很聰明，求知欲很強。20歲的時候，羅斯貝在斯德哥爾摩大學修完了數學、天文學和力學的課程，拿到了學士學位。1918年冬天，皮葉克尼斯應邀來到斯德哥爾摩大學做一次關于大氣運動問題的講座，由于當時的挪威氣象學派已經非常有名，羅斯貝便去參加了旁聽，結果，他被氣象學深深地吸引了，決定申請做皮葉克尼斯的研究助理。

1919年，羅斯貝加入了挪威學派的團隊，他來到卑爾根（挪威城市）氣象學校學習氣象學。在很短的時間內，羅斯貝就成為了挪威學派的重要成員，他掌握了動力氣象和天氣預報的核心知識，親歷了關于鋒面、氣團的激動人心的發現，并常常能夠提出一些具有建設性的意見。比如，皮葉克尼斯常常要和學生們討論“極鋒理論”，這個理論將冷熱空氣交匯的地方稱為“鋒面”，鋒面處的大氣累積著巨大的能量，正等待著機會釋放。如果鋒面受到了擾動（比如，鋒面經過了山峰就會扭曲、旋轉，產生氣旋并帶來風暴），就會出現劇烈的天氣現象。所以在預測天氣時，氣象學家需要在天氣圖上畫出“冷鋒”和“暖鋒”并判斷鋒面，羅斯貝首次提出，用藍色標注“冷鋒”，用紅色標注“暖鋒”，這種簡潔而美觀的標注方式沿用至今。

在卑爾根的日子里，羅斯貝徹底愛上了氣象學，他感覺到，想要有所建樹，自己還需要繼續補充數學、物理知識，于是，1921年，羅斯貝返回斯德哥爾摩大學繼續深造，4年后獲得碩士學位。至此，羅斯貝的求學階段就算結束了。不過，羅斯貝真正靠的并不只是學校教育，還有他的天馬行空和富于創新的頭腦。1926年，這個年輕人前往美國氣象局工作，學術生涯開始出現轉折。

揚名美國

作為挪威學派的一員，羅斯貝美國之行的初衷是將挪威學派的“極鋒理論”應用于美國天氣預報。但當時，美國氣象局的官僚主義根深蒂固，老派的局長和其他高層人員對羅斯貝的才華不感興趣，他們認為，羅斯貝的新理論挑戰了領導的權威。

由于與上司發生沖突，1927年，羅斯貝被美國氣象局開除。面對打擊和逆境，羅斯貝并沒有退縮，他仍然立志要在美國推廣和發展新的天氣預報理論。幸運的是，美國航空基金會聘用了羅斯貝，請他為美國第一條民航航線（“舊金山——洛杉磯”航線）建立規范的氣象服務系統。在這件事上，羅斯貝傾注了全部的精力和熱情，出色地完成了任務。他所打造的航空氣象服務系統很快被推廣到全美國。

羅斯貝漸漸在美國氣象學界建立了聲譽。1928年，麻省理工學院邀請羅斯貝擔任氣象學副教授。在這里，他開創了美國大學中第一個完整的氣象系。就像皮葉克尼斯在卑爾根廣收人才一樣，羅斯貝所打造的氣象系，也漸漸因其資金雄厚、科學討論之風興盛，從全球吸引到最有影響力的學者前來任教，這些人為美國成長為世界氣象科學的中心奠定了人才基礎。

在麻省理工學院，羅斯貝保持了挪威學派中重視物理和數學理論的好傳統，并在實踐中革新天氣預報。此前，天氣預報都是根據復雜的地面氣象要素來制作的。羅斯貝試圖擺脫這種現狀，他開創性地嘗試根據數千米高空的高度氣象場來進行天氣預報。1936年，一項新的技術——氣球攜帶的無線電探空儀開始使用。羅斯貝便利用這種儀器測量從地面到12千米高空的大氣溫度、氣壓和濕度。正是基于這些數據，羅斯貝才敏銳地意識到，環繞地球高緯度的高空氣流中存在一種高空風，它的流動方向通常是自西向東的，但呈現出蜿蜒曲折的路徑。這種大尺度氣流波動能夠把熱帶地區的暖空氣帶到北方，同時把北極地區的冷空氣送至南邊。羅斯貝稱這種波動為行星波。行星波的發現是羅斯貝最重要的科學貢獻，行星波現在也被稱為“羅斯貝波”。

桃李滿天下

1939年，羅斯貝應邀再次來到美國氣象局任職。這時，二戰的陰云已經籠罩世界，美國被卷入二戰的可能性與日俱增。羅斯貝敏感地意識到，這場戰爭將爆發激烈的空戰，大規模殺傷性武器有可能被使用，這一切都需要準確的戰地天氣預報。于是，羅斯貝依靠雄辯的口才說服了軍方高層，使許多大學開始前瞻性地培養軍方所需要的戰時天氣預報員，包括麻省理工學院、紐約大學、芝加哥大學、加州理工學院在內的眾多頂尖大學。很快，數以千計的軍方預報員開始涌現，正是依靠他們的準確的天氣預報，敦刻爾克撤退和諾曼底登陸才得以成功。

不過，羅斯貝不太喜歡擔任政府官員。1941年，他又一次離開氣象局，前往芝加哥大學擔任新組建的氣象學系的系主任。二戰結束后，芝加哥大學氣象系在羅斯貝的領導下迎來了春天，一個接一個突破性的進展涌現出來。比如，羅斯貝完善了關于“羅斯貝波”的理論，他使用數學近似，同時忽略大氣內部摩擦、水汽垂直運動等物理過程，提出了著名的描述了“羅斯貝波”的相速度（波動特有的一種物理量）與平均氣流速度之間的關系的方程。如今，羅斯貝的波動理論的應用已遠遠超出了地球大氣和海洋的研究范圍，也被廣泛運用于行星和太陽大氣、磁流體和普通流體的研究。

又比如，芝加哥學派發明了在現代氣象學界廣泛使用的模擬實驗形式，即著名的“轉盤”實驗。當時，羅斯貝鼓勵學生用一個半球狀的裝置去模擬“湍流”混合的過程，學生就往一個很大的圓盤里注滿水，用冰塊降溫圓盤中心，并加熱圓盤邊緣，通過很小心地控制轉盤速度，就可以模擬大氣環流。另外，羅斯貝和學生還首次定義了“急流”（高層西風帶中一支高速的氣流）的概念。

羅斯貝在芝加哥大學任教的時間只有不到7年，但氣象學界普遍認為是他創建了芝加哥氣象學派。因為在這短短的時間里，羅斯貝培養出許多精英學生，共同發展了現代氣象科學。

1957年8月19日，羅斯貝在辦公室因突發心臟病，這位偉大的氣象學家在58歲的年紀，早早地走完了輝煌的一生。