緬懷我們的恩師
——葉篤正先生的學術成就和治學精神

黃榮輝 黃剛

1 中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學國家重點實驗室, 北京 100029

2 中國科學院大氣物理研究所季風系統研究中心, 北京 100029

1 引言

在慶祝中國科學院大氣物理研究所建所95 周年之際，我們應紀念在大氣物理研究所發展中做出重大貢獻的葉篤正院士，應緬懷他對大氣科學發展的豐功偉績。到2023 年10 月16 日葉篤正先生離開我們已10 年了。葉先生是我國現代大氣科學奠基人之一、國際著名氣象學家，曾任大氣物理研究所所長、名譽所長多年。他開創我國現代氣象之先河，不僅對我國和國際大氣科學和全球氣候變化研究發展做出了重大貢獻，而且他嚴謹、認真的科學精神，是我們學習之楷模。本文是為紀念葉先生逝世10 周年并緬懷他的科學成就和治學精神，傳承先生的治學風范而寫。

下面首先簡單回顧葉先生對大氣科學和全球氣候變化研究的重大貢獻。

2 創立了大氣長波的頻散理論

Rossby 波是世界上最著名的氣象學家羅斯貝在1939 年發現的控制地球大氣大尺度天氣系統變化最重要的一種運動（Rossby, 1939）。葉篤正先生在20 世紀40 年代作為芝加哥學派成員之一，提出了羅斯貝波（即Rossby 波）的頻散理論（Yeh,1949）。他指出在西風帶上羅斯貝所提出的大氣長波（或稱Rossby 波）可能有比它的相速度大的群速度（Cg>C），因此，在中高緯度西風帶上大氣長波的能量可能早于擾動本身向西風氣流的下游傳播。這可以很好說明了在中高緯度某地區上空西風帶上游有大尺度擾動存在，此擾動的群速度Cg有可能比它的相速度C大。因此，此擾動的能量有可能早于此擾動本身傳播到此地區的下游上空，這樣在該地區的下游上空就會產生新的擾動。因而在此大擾動尚未到來之前，在它的下游地區上空就有新的小擾動出現，這就是天氣學或動力氣象學上稱為“上游效應”。這個理論已成為現代大氣動力學的經典理論之一。

葉先生所提出的大氣長波的頻散理論不僅幾十年來廣泛應用于短期和中期天氣預報，而且推動了行星波動力學研究的發展。這一理論推動了準定常行星波在球面大氣的二維傳播特征的研究（Longuet-Higgins, 1964a, 1964b），并為大氣環流異常遙相關的機理研究提供了科學基礎（Hoskins and Karoly, 1981）；并且，這一理論還推動了準定常行星波在球面大氣的三維傳播規律的研究（ Charney and Drazin, 1961; Eliassen and Palm,1961; Dickinson, 1968; Matsuno, 1970; Huang and Gambo, 1982a,1982b; 黃榮輝和岸保勘三郎, 1983），為對流層與平流層相互作用的動力過程及其機理的研究奠定了理論基礎。

3 創立了東亞大氣環流理論

3.1 提出東亞大氣環流季節轉換的突變理論

20 世紀50 年代中期，鑒于我國天氣預報的需要，葉先生和他的合作者從觀測事實和理論研究了東亞大氣環流。他們的研究結果揭示了北半球冬季和夏季東亞上空平均大氣環流的基本特征、動力和熱力結構及年際變異，葉先生與我國著名氣象學家顧震潮先生、陶詩言先生及楊鑒初先生等合作在《Tellus》雜志上發表了重要論文（Staff Members of Academia Sinica, 1957)，引起了國際上的關注；并且，葉先生和他的合作者發現了東亞和北美大氣環流在過渡季節（春季、秋季）存在急劇變化的現象（Yeh et al., 1959)。他們指出，在這兩個地區，大氣環流的變化是有階段性的突變，在季節轉換時存在突變，而不是逐漸、平穩的過渡的，特別是他們提出東亞大氣環流從冬季到夏季的季節轉換是在突變中完成的，這種行星尺度的突變使東亞夏季風爆發。這一理論比國際上的相關研究（如20 世紀80 年代Krishnamurti and Ramanathan, 1982；以及McBride, 1987 分別對印度夏季風和澳大利亞夏季風的研究）早20 多年。東亞大氣環流理論的建立不僅對東亞大氣環流研究的發展有重要科學意義，而且在東亞地區的天氣預報中有廣泛的應用價值。

3.2 提出準定常行星波的形成機制

在Rossby 提出大氣長波理論之后，20 世紀50 年代，準定常行星波（特別是東亞大槽）的形成機理成為當時重要的科學問題。Charney and Eliassen（1949）提出地形強迫作用形成了準定常行星波；而Smagorinsky（1953）提出非絕熱加熱是準定常行星波形成的原因。葉篤正先生和朱抱真先生（1958）提出地形強迫和非絕熱加熱共同作用是準定常行星波形成的重要機制。這一理論發表在《Tellus》上（Staff Members of Academia Sinica,1958），至今還被廣泛引用。葉先生和合作者所提出的地球大氣中準定常行星波的形成機制是國際公認的準定常行星波形成的正確機制。

3.3 提出阻塞高壓的演變過程及其機理

北半球的阻塞高壓對東亞地區冬季的寒潮和夏季的梅雨鋒維持有重要影響。20 世紀50 年代末，葉先生和合作者系統研究了北半球冬季阻塞高壓的形成、發展、維持和崩潰過程。他們所著的《北半球冬季阻塞形勢的研究》（葉篤正等, 1962）書中闡述的理論至今仍在我國天氣預報中廣泛運用。

他的研究團隊關于東亞和北半球大氣環流的特征、形成和變異機理的許多研究成果總結在《大氣環流的若干基本問題》（葉篤正和朱抱真, 1958）書中。在此書，葉先生和合作者詳細地討論了北半球大氣環流的基本特征及其動力過程，特別是系統討論了準地轉運動和大氣長波能量、角動量傳輸、熱量平衡、水汽輸送、急流的形成和維持、西風帶中槽脊的形成、長波不穩定等大氣環流的基本問題。因此，這本書公認為關于大氣環流動力學的最早出版物之一，并被翻譯成俄語出版。

4 提出大氣運動適應過程的尺度理論

在大氣運動中究竟是氣壓場還是風場為主導？Rossby（1937, 1938）首先提出這個大氣動力學問題，這也是20 世紀40～50 年代大氣動力學討論的一個基本問題。葉先生（Yeh, 1957）深入研究這一科學問題之后于1957 年提出了自己的觀點：大尺度運動仍是以氣壓場的變化為主導，風場變化適應于氣壓場變化；而較小尺度的大氣運動則是以風場的變化為主導，氣壓場的變化適應于風場的變化。從而他提出大氣準地轉運動受天氣系統空間尺度影響的概念。曾慶存先生（曾慶存, 1963）從數學上嚴格證明，當大氣擾動的水平尺度大于臨界尺度（即Rossby 變形半徑）時，風場向氣壓場適應，而當大氣擾動尺度小于臨界尺度時，氣壓場向風場適應。這一理論不僅被視為是地轉適應理論中的重大突破，而且推動了大氣大尺度環流動力學的深入研究，并開辟了中、小尺度環流系統動力學研究的新途徑。

20 世紀70 年代末至80 年代初，葉先生又與李麥村先生共同提出，在大氣各種空間尺度的天氣系統生成與發展中都有三個不同時間尺度的變化階段。葉先生與李麥村先生合著的《大氣運動的適應問題》（葉篤正和李麥村, 1965）一書中系統地總結了關于大氣適應理論，深入討論了大氣地轉適應中的物理特征、正壓大氣和斜壓大氣中的地轉適應過程、流體靜力學適應過程、大尺度與中尺度大氣運動中風場和氣壓場適應過程等。

5 開創了青藏高原氣象學研究

青藏高原是全球最高、空間尺度最大的高原，它對北半球大氣環流有重要影響，特別是對東亞冬、夏季風系統的變異和我國天氣和氣候的變化有嚴重影響。鑒于這個問題的重要性，20 世紀50 年代至80 年代，葉先生率領一批當年的青年科研人員，開展了青藏高原及對周圍地區天氣氣候影響的研究。他們系統地分析了青藏高原對亞洲季風和東亞大氣環流及天氣氣候變異的動力、熱力作用，從而開創了青藏高原氣象學的研究。在1957 年葉先生等就指出了青藏高原在夏季是一個巨大熱源，在冬季是一個冷源（葉篤正等, 1957）；并且，葉先生首先發現，當西風帶自西向東越過青藏高原時，受青藏高原的影響，西風帶會分為兩支：一支繞過青藏高原西北側向東流去，稱為北支西風急流；另一支沿著青藏高原南側，越過云貴高原經長江下游流至日本，并在對流層上層存在一支西風急流，又稱為南支西風急流。此外，葉先生等研究還指出：當南支西風急流越過青藏高原南緣時，受到青藏高原的加熱作用，該急流中心高度會明顯降低，這一發現引起了當時國內外學者的廣泛關注。

葉先生等還深入研究了夏季青藏高原熱源及其對亞洲季風和東亞大氣環流的影響。20 世紀70 年代以后，葉先生等利用觀測資料，對青藏高原熱力狀況、環流變化、高原上對流系統的作用、青藏高原在全球環流形成和變異中的重要性、青藏高原大型垂直流場等問題做了大量研究。葉先生等指出：夏季從高原上升的氣流可以在遙遠的地區下沉，導致高原與遙遠地區有重要的遙相關作用；在春夏秋季節，由于青藏高原對大氣加熱作用，使得位于高原周圍的大氣環流產生重要變化。此外，葉先生等氣象學家還研究了夏季由青藏高原熱源引起的強對流小系統與大尺度天氣系統的非線性相互作用，指出了夏季高原上空的小尺度對流活動對高原大尺度環流的維持起重要作用。

葉先生系統總結了關于青藏高原對東亞和全球大氣環流影響的研究，早在1960 年，他與楊鑒初先生、陶詩言先生等合寫了《西藏高原氣象學》（楊鑒初等, 1960）。此書是當時國內外唯一的西藏高原氣象學專著。1979 年他又與高由禧先生合著了《青藏高原氣象學》（葉篤正和高由禧, 1979），此書全面系統總結了這一領域的研究成果，被國際上公認為這一領域的經典著作。

6 開拓全球氣候變化理論

20 世紀80 年代初，葉先生擔任中國科學院副院長，他不僅在中國科學院領導了地球科學的研究活動，而且開始發展新的研究領域。在葉先生等科學家的倡導下，我國興起了全球變化的研究熱潮。該研究把地球的各圈層變化（大氣、海洋、冰雪、陸面、生物）作為一個整體，研究其中各圈層變化過程的相互作用，并把人類活動對各圈層變化過程的影響作為研究的重點，從而進行以氣候變化為主導的全球變化研究。

他不僅作為JSC-WCRP 的成員參與了世界氣候研究計劃（WCRP）的擬定，也作為國際地圈生物圈計劃（IGBP）特別委員會成員參與了擬定IGBP。他作為WCRP 和IGBP 中國委員會的主席，領導并組織了我國氣候系統動力學和全球變化研究。他和他的研究團隊對IGBP 的發展做出了重大的貢獻，特別是提出了IGBP 中一些新的概念。由于葉先生對科學前沿的洞察力和開拓精神，他在20 世紀80 年代初就與地球物理流體動力學實驗室（GFDL）科學家開展土壤濕度對氣候影響的數值模擬研究（Yeh et al., 1983, 1984），從而在地—氣相互作用做出開創性的研究。在葉先生的帶領下，在20 世紀80～90 年代和20 世紀初全球氣候變化和氣候系統動力學研究在我國特別活躍。

葉先生和他的團隊研究指出：中國中部地區存在千年時間尺度、百年時間尺度和年代際時間尺度的突變（Ye and Yan, 1990），并指出從20 世紀60 年代中期開始，從薩赫勒東部到中國北部地帶突然變得比以前干（Yan et al., 1990）；在第一次全球變化大會（1984），葉先生就提出了一個新的概念：地球表面過渡地域的氣候和生態系統在全球變化中的重要性，這些區域對全球氣候變化比較敏感，在這些區域環境變化的強信號比其他區域早些時候表現出來。此外，從90 年代起葉先生號召開展應對全球氣候變化的適應研究，并提出了人類有序活動的概念。由于葉先生的倡導和努力，我國關于全球氣候變化的研究在國際上占有重要地位。

葉先生的一生是為現代大氣科學和全球氣候變化研究努力奮斗的一生。他在國際上首先創立了大氣長波的頻散理論和東亞大氣環流理論，不僅為大氣動力學理論的發展做出了卓越貢獻，而且為天氣預報和短期氣候預測奠定了理論基礎；他提出大氣運動適應過程的尺度理論，開辟了中、小尺度環流系統動力學研究的新途徑；他在國際上開創了青藏高原氣象學的研究，提出了青藏高原對亞洲季風（特別是東亞季風）形成和變異的熱力和動力作用；他還提出了全球氣候變化的適應理論，推動了全球氣候變化研究的發展。前中國科學院院長盧嘉錫先生對葉先生的豐功偉績做出了高度評價，在葉先生八十大壽的賀詞中寫道：

葉茂根深東亞環流結碩果，

學篤風正全球變化創新篇。

由于葉先生對大氣科學發展的豐功偉績和重大貢獻，他先后獲國家自然科學獎一等獎、二等獎、三等獎，多次獲中國科學院自然科學獎，并獲1995 年陳嘉庚地球科學獎、何梁何利基金科學與技術成就獎。1981 年當選芬蘭科學院外籍院士，1982 年當選英國皇家氣象學會榮譽會員，1990 年當選美國氣象學會榮譽會員。特別是他以卓越的學術成就榮獲了世界氣象組織（WMO）獎和國家最高科學技術獎，銘記史冊。

7 科學精神之楷模

葉先生不僅在學術上做出了彪炳史冊的研究，是我國現代氣象學的先河，更重要的是他的科學精神，是我們學習的楷模。

7.1 學習葉先生的愛國精神

新中國成立后，葉先生毅然放棄國外優越的工作條件和優厚的生活待遇，沖破種種阻力，與家人于1950 年10 月從美國回到祖國。回國后，葉先生被任命為中國科學院地球物理研究所北京工作站主任，在趙九章先生領導下，與顧震潮先生和陶詩言先生等在原1928 年建立的中央研究院氣象研究所的基礎上籌建了中國科學院地球物理研究所氣象學研究室。葉先生滿懷建設新中國的喜悅，開始了創建新中國氣象研究的艱苦工作，領導和組織了當時國家急需和國際前沿的大氣科學各領域研究，取得許多重大研究成果。

1966 年葉先生參與創建了中國科學院大氣物理研究所，1978 年任所長，之后一直擔任名譽所長。葉先生以認真的科學精神、嚴謹的科學作風，寬廣的胸懷帶領和團結我國大氣科學研究團體取得一個又一個的創新研究成果，使大氣物理研究所不斷發展、壯大。即便是在病重期間，他仍然關心著研究所的發展和大氣科學的研究。今天，葉先生參與創建的中國科學院大氣物理研究所已發展成為擁有數百名研究人員和數百名博士碩士研究生、幾乎包括大氣科學所有分支學科的國際知名的綜合性研究機構。

7.2 學習葉先生勇于創新的科學精神

葉先生以他敏銳的科學洞察力，勇于創新的精神把我國的氣象研究推向到國際前沿。在20 世紀50 年代大氣環流的形成和維持是國際大氣科學研究的前沿，葉先生在我國率先領導他的團隊開展了東亞大氣環流理論、地轉適應理論和青藏高原氣象學的研究，提出了許多國際領先的大氣環流和動力學理論，使我國有關大氣動力學和大氣環流理論的研究位于國際前列。在70 年代末80 年代初，大氣科學的發展進入了一個新的階段，大氣科學研究不僅僅從大氣內部的動力、熱力過程來研究，而且還從大氣與海洋、大氣與陸地、冰雪圈等的相互作用來研究大氣環流和氣候變化的成因。在80 年代初葉先生及時主持召開了我國大氣科學發展戰略研討會，會上他前瞻性地提出開展氣候變化和氣候系統動力學研究的重要性，從此之后我國氣候變化和氣候系統動力學研究迅速發展。今天我國關于氣候變化和氣候系統動力學研究蓬勃發展與當年葉先生所指出的研究方向是分不開的。

7.3 學習葉先生重視科學研究的合作和交流的精神

葉先生不僅具有敏銳的科學洞察力和勇于創新的科學精神，而且他重視科學研究的合作與交流。他努力倡導我國與大氣科學有關的高校、業務機構和研究機構之間科學研究的合作和交流；并且積極組織我國大氣科學研究與國際的交流和合作，推進中國的大氣科學研究走在世界的前列。葉先生組織領導了大量的國際學術活動，參與了許多國際組織工作，曾代表中國參與了WCRP 和IGBP 的籌劃與制定。他自1982 年至1988 年，任國際科學聯盟理事會（ICSU）和WMO 聯合科學委員會（JSC）委員，并在1983～1987 年任國際大氣物理和氣象協會（IAMAP）執行委員。1987～1995 年任國際大地測量和地球物理聯合會（IUGG）執行局成員，1987～1999 年任國際地圈生物圈計劃科學委員會（IGBP）委員。在國際組織任職期間，葉先生做了大量的工作，促進了我國環境科學和地球科學研究與國際交流和合作，并且他介紹和推薦我國許多科學家到國際學術組織任職，使我國大氣科學在國際有關研究計劃的制定有一定話語權。

7.4 學習葉先生認真嚴謹的科學作風

葉先生一貫提倡認真、嚴謹的科學精神，他不僅以身作則，而且對學生在學術上要求嚴格，注重培養學生具有扎實基礎和嚴謹的學風。他經常教導學生，做學問要“認真、認真、再認真”，寫文章要“謹慎、謹慎、再謹慎”。學生與他合作寫的論文和著作，他都要修改多次，特別是論文和著作中的一些提法是否正確他都要反復與學生討論，他非常反對論文中沒有充分事實根據的結論；并且，他鼓勵學生要獨立思考，提出與導師不同的學術觀點。

7.5 學習葉先生理論聯系實際的科學態度

葉先生的研究總是根據國家建設和防災減災的實際需要而開展。從20 世紀50 年代起他根據我國天氣預報和氣候預測的需求及時帶領研究團隊開展了東亞大氣環流理論和青藏高原氣象學的研究。他不僅重視理論研究，而且重視天氣預報和氣候預測的實際業務，他對我國氣象局的天氣預報業務工作十分關心，做了大量指導性工作。在90 年代他根據我國旱澇災害的嚴重性，帶領研究團隊做了我國長江、黃河流域旱澇規律與成因研究（葉篤正等,1996），為我國的旱澇氣候預測提供了科學依據。葉先生在86 歲高齡時還親自到我國典型干旱區觀測場進行實地考察。

葉先生一貫強調理論研究要與天氣氣候預報和預測的實際需要相結合，重視研究部門和天氣預報業務部門互相協作。他擔任中國氣象學會理事長多年，團結高校、業務單位和科研機構，開展了很多學術交流活動，對氣象學會的發展做出重大貢獻。并且，他對高等院校的青年教師和廣大氣象臺預報員也十分關心。葉先生把他獲得的各項國內外科學獎金基本上都貢獻給大氣物理研究所作為鼓勵青年人才成長的研究獎金。

7.6 學習葉先生重視人才培養

葉先生非常重視培養人才，他以“上善若水”的崇高品德像清澈的泉水滋養著一批又一批優秀大氣科學人才茁壯成長。葉先生在大氣科學人才的培養方面做了大量工作，他曾在北京大學、中國科學技術大學等學校任教多年，擔任大氣物理所學位委員會主任多年，他經常親自參加研究生的開題報告，對每一位學生的研究方向、內容和目標提供寶貴意見，強調研究生研究的前沿性和基礎性，特別重視大氣環流和氣候變化過程和機理的研究，而且他非常關心學生的生活，經常噓寒問暖，亦師亦父。因此，他培養了一大批優秀大氣科學人才，其中許多人已成為國內外享有聲譽的學者。

葉先生離開我們已10 年了，斯人已去，精神長存，文章不朽，成就永在。讓我們繼承發揚先生認真、嚴謹的科學作風和孜孜不倦追求科學真理的精神。