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叶笃正先生的气象万千--纪念恩师离去一周年 精选

已有 13431 次阅读 2014-10-16 09:21 |个人分类:气候论文交流|系统分类:人物纪事

今天是2014年10月16日,是恩师去世正好一周年,回首往事,历历在目,仿佛您从未离去。仅以此文表达哀思和怀念。另外学生的进步是老师最大的高兴,这是恩师常说的。学生在去年取得赵九章中青年科学家奖以后,今年将国家杰青也拿下了,这个应该是恩师最高兴的事情。春节拜年,师母的身体健康,声音洪亮,这也是学生最大的幸事。中国气象学会将在11月4日有个关于您的学术思想专题报告会,您的学生们会聚集一堂追思您的教诲以及学术精神。

 

                        叶笃正先生的气象万千

 

                                  黄刚等

著名气象学家,我国现代气象学的主要奠基人之一,中国科学院原副院长、中科院大气物理研究所原所长叶先生院士离开我们一年了。他的音容笑貌、举手投足时刻浮现在我们眼前,他卓越的才能、醇厚的人品时时萦绕在我们脑海,他的谆谆教诲、悉心指导始终铭刻在我们心间。叶先生从事地球科学研究70余年,为我国地球科学事业的发展做出了巨大的贡献。

自新中国的第一份气象记录诞生以来,回溯中国气象的发展史,总会让人禁不住想起中国气象事业的开拓者---叶笃正先生。1935年他考入清华大学开始了物理学的求知之路。1938年历经困苦远赴西南联大,开始了气象学的寻梦之旅。1945年,叶先生赴美留学,在芝加哥大学叩开了气象学的大门。或许,自助者天助之。彼时世界气象界一流的科学家经常光顾芝加哥大学,使得叶先生有机会目睹皮叶克尼斯、帕尔门等大师的风采,同时有机会聆听大师们的卓识,更有机会与大师们产生心灵的共鸣,这为他以后在学术之路上披荆斩棘提供了契机,一颗气象界的超级新星冉冉升起

在美国的留学经历为叶先生后来的腾飞奠定了基础。留学期间,叶先生发表重要学术论文10多篇,他的博士论文大气中的能量频散把群速度的概念引入到大气扰动的研究中,提出了大气平面Rossby波的能量频散理论,从理论上证明了西风扰动中的能量可以以远大于波动速度的群速度向下游(或上游)传播,讨论了大气扰动的群速度、相速度和波动频率的关系,为现代大气长波的研究提供了理论基础[1]留学期间最让叶先生受益的还有罗斯贝的治学精神,在中国,往往是“填鸭式”的学习,但是在这里,学生可以随时打断老师,提出质疑。罗斯贝重视事实,鼓励学生勇于提出自己的见解,这种治学精神也体现在叶先生身上。在学术上叶先生非常民主,特别支持青年科学工作者的创见,鼓励他们大胆提出自己的想法。他说:“我喜欢敢于对我说‘不’的人,并且能讲出自己的道理。我希望自己的学生有独立的学术见解,他们的成果比我大,才是我的成功。”[2]叶先生这种开明的学术作风也是他创造力的源泉。

叶先生是我国气象事业的创始人之一。1950年叶先生毅然放弃了国外优厚的待遇回到祖国,为中国气象事业插上了腾飞的翅膀。此后,赵九章任命叶先生为北京工作站主任,由于新中国刚刚建立,当时的工作室简陋而狭小,不过这并不阻碍叶先生报效国家的一腔热血。当时发达国家的研究室里不仅有地面图,还有高空图和先进的计算机,而我们的研究室里却没有这些,只有一张简单的地面图,这就意味着一切皆要从零开始。古人云,“海到尽头天做岸,山等绝顶我为峰”,叶先生以我为峰撑起了中国气象的一片天空,在他的指导下中国第一张500hpa高空图诞生了[12]为了提高天气预报的准确性,弄清楚东亚地区的大气环流状况成为重中之重。1957年和1958年叶笃正和顾震潮等同事们发表的《东亚大气环流》详细论述了东亚地区的大气环流的分布状况及形成原因,1958年叶笃正、朱抱真出版的专著《大气环流的若干基本问题》又系统地讨论了北半球大气环流的基本特征和影响大气环流变化的主要因子,以及大气中热量、角动量、能量的平衡,急流的形成与维持等。60年代,叶先生又对阻塞高压进行了深入的研究,他陶诗言等发现东亚和北美环流在过渡季节(六月和十月)有急剧变化的现象,阻塞形势的建立和崩溃常伴随着大范围环流形势的强烈转变,它的长期维持则会产生大范围气候反常现象。这些发现为中国天气预报的长足发展奠定了坚实的理论基础[2]

叶先生坚持一切以实事为出发点,从不迷信前人的结论。他尊重权威,但同时又敢于发表自己的见解。对于风与气压场相互适应的问题,经典理论认为风是气压分布不均匀的结果,风向气压场适应,气压场起主导作用。叶先生的老师罗斯贝曾提出气压场与风场是相互适应的,主要是气压场向风场适应。叶先生则认为单纯地强调气压场为主或风场为主的观点是片面的。通过物理过程的分析,他得出风场与气压场之间的适应过程与大气运动的尺度有关,不同尺度的大气运动存在一个临界尺度,大于这个临界尺度气压场起主导作用,小于这个临界尺度风场起主导作用,这推动罗斯贝提出的地转适应理论向前迈进了一大步。1964年,叶先生与李麦村合作完成的《大气运动中的适应问题》对这一理论进行了系统的总结,这篇著作被认为是大气动力学领域的经典著作之一。

叶先生之所以能一直在气象界里享有盛誉,是因为他从不拘泥于一个领域研究,而是兼顾多个领域。他深知气象学的博大精深,不同的领域之间存在千丝万缕的联系[3,4],不同的领域的交汇会碰撞出新的热点问题。20世纪50年代,叶先生又带领一批气象学家发起了高原气象的研究,在两次科考观测收集的数的基础上叶先生首先发现围绕青藏高原的南支急流、北支急流及它们汇合成为北半球强大的西风急流,这对东亚地区的天气和气候有重要影响。叶先生与外国气象学家弗隆分别指出青藏高原在夏季是一个巨大的热源,同时他还深入地研究了青藏高原冷热源的季节变化及其对东亚大气环流的影响。由于他的研究工作,国际上才接受了大地形热力作用的概念,为青藏高原气象学的建立奠定了科学基础

叶先生对气象学事业的热情和贡献并未随着年龄的增长而消减。20世纪80年代,步入古稀之年的叶先生又与国际同行一起发起了全球变化的研究。全球变化的研究是二十年来发展最快影响最大的科学领域,它对人类生存环境和社会经济的发展具有举足轻重的影响[3]。叶先生还参与了生物圈计划的制定,组织了中国的全球变化研究,他和其他国际知名学者共同提出和研究了人类活动对气候变化以及在全球变化中的作用、陆地表面的记忆、大气化学在全球变化研究中的意义等一系列重要科学思想,提议并组织了许多科学试验,他还提出了有序人类活动的概念,以及应对人类生存环境变化的严重挑战,实现可持续发展的理念[8]

下面我们以叶先生的治学方法和学术理念的形成为出发点,分别从能量频散理论、东亚大气环流和季节突变、大气运动中的适应问题、青藏高原气象学、全球变化与有序人类活动等角度来详细阐述叶先生对中国大气科学以及世界气象科学的贡献,以便于给年轻的学者和学生些许启迪和激励,使得他们在未来的科学舞台上崭露头角。

能量频散理论

在叶先生众多的重要贡献中,大气长波频散理论是最早的并且是最被广泛认可和熟知的。叶先生在清华大学毕业后,赴美进入赋有“诺贝尔奖摇篮”美誉的芝加哥大学,师从著名气象学家罗斯贝,开始了大气动力学的研究。在整个气象学发展史上,有两大学派,一个是以皮叶克尼斯父子为首的挪威学派,另一个是以罗斯贝为首的芝加哥学派。当时罗斯贝致力于大气环流的研究,提出了“长波理论”,阐述了高空长波的活动规律。随着高空大气观测的发展,高空气象理论的研究推动了高空天气图预报方法的发展,高空天气图在当时成为研究大气运动的重要工具。1948年叶笃正发表的博士论文《On Energy Dispersion in the Atmosphere[6](大气中的能量频散),进一步发展了罗斯贝的长波理论,引起各国气象学界的重视,被誉为动力气象学的经典著作之一。所谓能量频散,就是能量随波的传播而被分散的现象。叶先生引入群速度的概念,研究了在四种大气模式中的群速、相速和波长之间的关系。不同波长的单波的速度不同,不同单波组成波列,一个波列的能量以一种称为群速度的速度移动,即波动能量的传播速度。在每一个模式中,总会存在一个群速大于相速的波长范围,可以在初始波动下游形成新的波动。若波动有辐散,且大气中的水平温度不均匀,则会出现负的群速度。且只有“水平温度不均匀”才是上游形成新的波动的条件。叶先生揭示了能量通过频散传播的过程,从理论上证实西风环流中的能量以远大于风速的群速度向下游(或上游)传播,导致下游的天气迅速变化。这个理论在天气预报中俗称“上游(或下游)效应”,能量频散理论把这种经验上升到理论的高度,从而把天气预报实践和理论结合起来,对影响天气发展的大槽大脊的预报提供了科学依据,成为上世纪80年代前气象台做4—10天预报的主要方法之一,并且对提高气象业务水平起到了重要作用。例如,冬季东亚大规模冷空气入侵往往与大气长波变化有关。根据“上游效应”,我国天气预报人员在上游找到了几个关键区,据此可提前预报我国大范围天气变化。叶先生的博士论文《On Energy Dispersion in the Atmosphere》发表后,在国际气象界引起空前的反响,罗斯贝对这篇论文非常重视,鉴于这一理论工作对动力气象学的重要性,他特意给查尼写信,要查尼基于他们正在做的数值预报试验,写一篇短论以支持叶先生的能量频散论文。

另一方面,频散理论对阻塞高压天气系统的生成、维持和移动也给出一种动力学解释,这一直是业务上持续异常天气预报的重要理论基础。高空气流不全是波状的,在中高纬度有时会出现移动缓慢的高压,严重影响东西向气流的流动,被称为阻塞高压。叶先生的计算表明阻塞高压在高纬度地区的生命周期比在低纬度地区长,西移的速度随纬度的升高而减少。叶先生还解释了另一些重要的现象:低纬度地区气流上存在强烈扰动;中高纬地区西风气流上出现槽脊,对应的低纬度只有强度不大的东风波;低纬天气系统生命周期很短,中高纬的生命周期很长。

叶先生阐释了在西风带上槽脊扰动产生的上下游效应,为大气遥相关动力学奠定了理论基础,成为大气动力学的经典理论之一。他又进一步提出了起源于热带的扰动可以向中纬度传播,并以波列的形式向东北方向传播,进而影响中高纬度的天气和气候[12]。叶先生一直走在国际气象界的前沿, 31年后,这个理论才由著名的动力气象学家霍斯金斯的“大圆理论”所推广,做为对遥相关和遥响应的理论解释;并且在叶先生的能量频散和查尼等研究了地形和非绝热加热对大气准定常行星波的形成问题后,气象学家又分别从观测、数值模拟和理论分析对大气准定常行星波的性质展开研究,在准定常行星波的形成机制、水平传播和能量频散、垂直传播和能量频散等方面取得了重要的研究成果,这些成果又进一步推动大气环流异常的遥相关和平流层环流异常动力学的发展。这个理论与罗斯贝的长波理论和查尼的长波不稳定理论一起被称为大气长波理论的三个里程碑[7]

东亚大气环流和季节突变

叶先生对气象学的第二个贡献就是率先研究了东亚大气环流和季节突破。适逢新中国成立,百废待兴,一心为国的叶先生冲破美国政府的阻挠,历经千辛万苦于1950年10月毅然回到祖国。这时通过涂长望先生也包括叶先生等老一辈科学家的努力,中国高空气象观测网得到了快速的发展。探空站超过了60个,高空风观测站多达150个。探测资料的丰富为东亚大气环流的研究奠定了基础。为了改进和提高我国天气预报的准确性,理解东亚地区的大气环流状况刻不容缓。为此,叶先生以观测事实和理论分析为出发点,系统地研究了东亚大气环流的演变[1]

1957年和1958年叶笃正和顾震潮等同事在瑞典地球物理杂志《Tellus》 发表了《On the General Circulation over Eastern Asian》,文章分三期连载。主要阐释了东亚地区的大气环流状况及成因,概述了东半球冬季和夏季对流层中层(500hpa)的大气环流分布状况,发现了东亚环流的一些主要特征。论述了东亚大气环流的季节变化,影响东亚天气的主要天气系统,以及青藏高原对东亚大气环流和对我国天气的影响[11]。其中,青藏高原对大气环流的影响随季节变化的观点与以往把高原的影响看成固定不变的观点有很大的不同[2]。该文就青藏高原是热源还是冷源的问题进行了论证,并强调了青藏高原对大气环流的影响远超过北美的落基山。

1958年叶笃正、朱抱真出版专著《大气环流的若干基本问题》。系统讨论了北半球大气环流的特征和影响大气环流变化的主要因子,大气中热量、角动量、能量的平衡,急流的形成与维持,西风带上低压槽和高压脊的形成等[10]。1980年,大气物理研究所与中央气象台、北京大学地球物理系合作建立“联合数值预报室”,将东亚大气环流等的研究成果用于国家气象局的业务预报模式,成为新中国气象科学发展的一个里程碑。

1958年叶笃正、陶诗言和李麦村在《气象学报》上发表了《在六月和十月大气环流的突变现象》。通过分析1956年5~6月和9~10月几个代表性经度上东西风纬度—气压剖面图,发现东亚上空西风急流中心位置在6月和10月有明显的突变[2]。大气环流冬夏流型的转变短时间内便可完成,反映了大气环流的突变性,这一发现对中国天气预报的发展具有重要意义。这篇文章的英文版于1959年发表在罗斯贝纪念专集中。叶先生等科学家提出的东亚大气环流季节转换的突变性比其他国家早20多年,他在东亚大气环流方面作出的开创性研究,极大地提高了我国在国际气象学术界的地位[14,15]

阻塞形势是北半球冬季主要的天气系统之一,它的建立和崩溃常伴随着大范围环流形势的强烈转变,它的长期维持则产生大范围气候反常现象。阻塞高压是影响我国天气的重要天气系统,尤其是对我国冬季寒潮的活动有重要影响。20世纪60年代,叶先生对阻塞高压进行了更深入的研究。1962年,叶先生、陶诗言、朱抱真等人著有的《北半球冬季阻塞形势的研究》,它从北半球长波调整的观点,阐述阻塞高压的形成、维持及崩溃的问题,并从气候、天气、动力及数值预报方面进行了综合研究。这一研究极大地提高了寒潮的预报准确率,至今仍广泛应用于我国天气预报实践中[2]。1963年叶先生等讨论了不稳定的扰动如何停止发展。扰动对基本气流产生非线性的反馈,使扰动不再能从基本流场得到能量(位能或动能),扰动便停止发展,从而形成阻塞高压和切断低压。这为研究东亚气象学问题提供了科学依据,并推动了中国天气预报的发展。1976年冬季北美出现极其寒冷的天气,国外的学者才开始提出各种系统理论,阻塞形势成为一个重要的研究方向。叶先生的研究要大大地早于国际同行。  

早在19世纪就有人在实验室做过大气环流模拟实验。20世纪50年代Fultz和Hide等人进行了一系列的转盘模拟实验。叶先生认为除了理论分析和观测事实分析,可以用流体实验方法模拟研究大气环流的动力学问题,因为描述大气和流体运动的数学方程是相似的。1972年,在叶先生的主持下,中国科学院大气物理所建立了大气环流转盘模拟实验室。实验装置为三个不同半径的有机玻璃壁。外壁E1和E2之间盛以热水,内壁(E3)环以内盛以冷水,以此来维持实验区外壁E2和E3之间实验流体的温差。实验区的外圈相当于较热的低纬度,内圈相当于较冷的极地地区。实验区内可以局部加热,也可以置入地形模型等。从而使实验槽中的流体作类似于大气中各种形态的运动[12]。叶先生主要集中研究了青藏高原大地形及其夏季作为热源对大气环流的影响规律,使我们对东亚大气环流问题有了更深入的理解。

大气运动中的适应问题

除了长波频散理论,叶先生对于动力气象以及地球流体动力学的另一重大贡献就是地转适应理论。一切天气现象都是大气运动的结果。大气运动状态如何改变,是大气科学最重要的基本理论问题之一。传统理论认为:大气运动是大气质量分布不均匀的结果。大气质量分布不均匀产生气压梯度,引起大气的运动。风场与气压场之间,风是被动的,气压是主动的。当气压场发生变化后,风场也要随之发生变化,以满足地转关系[13]

1936年,Rossby首先提出了与传统观点相反的看法。他认为在大气或海洋的一部分运动中,质量分布不是运动的原因,而是运动的结果。于是他分析了一个初始只有速度,而无压力梯度相平衡的带状气流的演变。他发现流速变化不大,同时产生了与科氏力相平衡的气压梯度。因而他认为,气压场与风场是相互适应的,主要是气压场向风场适应,即气压的分布是动力的结果[2]。1945年A.Cahn进一步分析发现,气压场向风场适应是通过重力波的频散来完成的。重力波将有限空间内的气压场与风场之间不平衡的能量散布到整个空间,因此单位空间中的不平衡能量变为零,不平衡现象就消失了。

叶先生非常尊重自己的老师,但在科学问题上叶先生并不迷信权威。他并不简单认同前人的结论。1957年叶笃正在日本《气象集志》(Journal of MeteorologicalSociety of Japan)上发表了《On the formation ofquai-geostrophic motion in the atmosphere》一文,指出风和气压的适应取决于运动的空间尺度范围。通过对地转适应物理过程的分析,他发现在较大尺度运动的地转适应过程中,主要是风场向气压场适应;而在较小尺度运动的地转适应中,主要是气压场向风场适应[11]

   适应过程中的一个重要机制是重力波的频散。在一般数值预报中,这种波被当做“气象噪音”滤掉。其中一种方法就是采用准地转假定。在准地转运动中不再存在重力波的问题,由此看来,重力惯性波的存在是和地转偏差分不开的。1958年A. C.MoнИн指出,大气中的重力波是地转偏差激发出来的。1964年叶先生和李麦村在《中国科学》上发表《重力波激发强非地转运动的过程》一文,指出重力惯性波的集中导致了强烈的非地转运动。在有限空间中的非地转扰动,不能恢复到准地转状态,反而在一段时间后有增大的趋势,叶先生通过比较扰动出现的时间与重力惯性波的移动,证明扰动的增大是重力波集中的结果。

中小尺度天气系统对于天气具有重要影响,常常引起灾害性天气。地转关系对于中小尺度运动或低纬度天气并不适应。然而,这些情况是否存在类似于中高纬度大型运动的地转关系呢?1964年叶笃正、李麦村著《中小尺度运动中风场和气压场的适应》对运动方程各项量级进行了分析,表明无论尺度如何,运动的演变一般都是在力的准平衡情况下进行的。对于大尺度的运动,这种准平衡状态就是地转关系。在中尺度运动中,科氏力、气压梯度力和惯性力三者处于准平衡状态;在小尺度运动中,惯性力和气压梯度力处于准平衡状态。当这种准平衡状态遭到破坏后,必定有一种机制使运动恢复到准平衡状态,否则就不能经常观测到这种准平衡状态的运动。因此,在中小尺度运动中也有一种风场和气压场的适应过程。这种适应和地转适应一样,也是通过重力波的频散来实现的。在大尺度运动中,平衡状态是地转关系,风沿等压线吹。在中小尺度运动中,平衡状态是风与能量之间的平衡关系,风沿等能量线吹。这为中小尺度天气分析提供了理论依据。

青藏高原气象

如果说长波频散理论,地转适应理论是叶笃正对前人理论的有力补充,那么青藏高原动力学可谓是开创新的研究。20世纪30年代后期,人们发现在北美落基山、南美的安第斯山青藏高原的东边,都有一个准静止的西风带大槽。40年代,西风带长波理论出现之后,不少人认为,大地形东边的长波槽是其动力扰动的结果。50年代,叶先生和一批中国气象学家开始研究青藏高原。当时高原观测站稀少,也没有先进的气象仪器,叶先生利用两次科考队收集的数据,首先发现了青藏高原的南支急流、北支急流以及北半球强大的西风急流。1956年,叶笃正和顾震潮完成的《青藏高原对东亚大气环流及中国天气的影响》荣获国家自然科学三等奖,详细阐述了高原大地形对西风气流的动力阻挡作用及东亚对天气和气候的影响。1959年叶笃正等人合著了《西藏高原气象学》,唱响了青藏高原气象学的新乐章[22,23]

冷热源学说的建立

“不上高山兀颠连,怎见人生足壮观。”叶先生敢于开辟新的道路。青藏高原是热源,还是冷源?这千古一问,前无古人。1957年由叶先生、罗四维、朱抱真发表《西藏高原及其附近的流场结构和对流层大气的热量平衡》,首次提出青藏高原夏季是一个热源,冬季其西南角有一部分是热源,其余地区可能是冷源的论断,并对冷热源的概念加以解释质疑了前人定义的偏颇之处,进一步阐明了形成热源、冷源的热量源自辐射、湍流和凝结、蒸发等的净热量[20]叶先生在《青藏高原气象学》中指出高原热力作用可分为高原地面和高原大气的冷源和热源作用两种,凡是把热量供给大气的高原地面称为热源;反之,称该地面为冷源。同样,当高原上空的大气把热量输送给四周大气时,则称高原大气为热源;反之,称该大气为冷源。他认为大气热量收支主要包括来自地面加热的热辐射、地面的湍流热输送、太阳的热辐射以及当地凝结降水的加热等[17]1979年,叶笃正、杨广基和王兴东在《大气科学》上又发表了《东亚和太平洋地区的平均垂直环流》一文,指出高原大气冷热源的变化在垂直环流上扮演着重要的角色。1991年《美国气象学会通报》在介绍叶先生的成就时说道:“他是世界上第一个确认西藏高原的热力效应并且用数学方法加以表述,而在此之前人们主要是把高原作为动力机械强迫来对待。”2003年的《世界气象组织通报》进一步说道:“叶笃正是提出世界上最大的高原夏季是热源,冬季是冷源的第一人。”[23]

高原的动力学问题

由于高原地区独特的地形及动力和热力作用,形成了高原地区特殊的天气系统,我国大范围和长期的干旱、洪涝以及小范围和短时暴雨、冰雹也都直接或间接与青藏高原有关叶先生对高原动力学问题进行了系统的论述和分析,指出高原动力作用包括机械作用和摩擦作用两种[18]

a. 机械作用。冬季,西风气流经过高原时,6公里以下的低层气流被迫分成南北两支,沿等高线绕流,形成了高原区域极为明显的北脊南槽的环流形势,绕流气流到达高原背风面之后又重新汇合,冬季的南支槽是带来南方冬季降水的重要天气系统。夏季,东风气流经过高原时也有分支绕流的现象,但不如冬季明显。高层气流则会爬坡,当气压系统被迫爬越高原时,因气柱缩短而增压,这将使低压系统减弱或填塞,高压系统更加强大或发展;当气压系统移出高原时,气柱因拉长而减压,低压系统将加深或发展,高压系统则将减弱或消亡。 

b. 摩擦作用。气流经过高原时在高原侧边界会产生摩擦作用,使得气流流速减慢,而离高原较远处气流则正常进行,从而侧边界附近的气流出现水平切变,产生地方性涡度。冬季,高原北部西风侧边界里,常出现反气旋性涡旋,而南部则伴有气旋性涡旋产生;夏季,高原北部仍为西风侧边界,常有中尺度反气旋生成,而高原南部转为东风侧边界,也常伴有中尺度反气旋涡旋。

20世纪70 年代叶先生引领众多气象科学家们在旋转流体中模拟了青藏高原对环流的影响,主要有动力作用、热源作用和冷源作用。实验中青藏高原的模型不过是个理想的半椭球体,但东亚环流中的好多重要现象都在这个旋转的磨盘中模拟出来了,这些实验使人们对高原和东亚环流之间的联系有了进一步的认识。1974年叶先生和张捷迁指出,当高原加热到一定程度后会出现温度脉冲现象,随着加热的增强脉冲的幅度和次数都增多,这说明高原上有对流活动,而青藏高原在夏季强的南亚高压覆盖下对流活动非常旺盛,实验还证明,对流云是夏季高原向上输送热量的有效载体[21]。80年代以后基于各种地形坐标系和参数化方案的高原数值预报模式逐渐发展起来,更多的学者开始投入到高原数值模式的研究中,高原数值模式逐渐成为国际上的一个研究热点。通过叶先生的辛勤耕耘,谱写了青藏高原气象学的新篇章,同时使其成为国际气象界的热点问题,也进一步使青藏高原作为世界第三极的地位得到提升;由于青藏高原的研具有举足轻重的影响,国家近期正在组织青藏高原重大研究计划。另外,中科院青藏高原所以及兰州寒旱所等都是在研究青藏高原的基础上发展起来的,关于青藏高原的科考以及重大国际试验和国内试验一直在高原上开展,引起了世界各国科学家的关注[19]。青藏高原气象学的诞生,叶先生居功至伟。

全球变化与有序人类活动

叶先生的创造力一直延续到了晚年。全球变化与有序人类活动在他辉煌的科研成果又添加了光辉的一笔。在1984年第一次全球变化大会上,叶笃正做了题为《Climate Change—a global and multidisciplinary theme[8](全球变化—一个全球性的多学科科学问题)的报告。第一次指出10-100年应当是全球变化研究集中关注的时间尺度,讨论了气候变化和全球变化的联系和区别。1986年,国际科联正式批准建立国际地圈——生物圈计划(简称IGBP),标志着全球气候变化科学新领域的诞生。自从全球变化研究的伊始,叶先生就殚精竭虑参与其中,并参与了国际地圈生物圈计划的制定。另外,他又进一步提出了中国全球变化研究的指导思想。一方面是全球变化对东亚和我国生存环境变化和可持续发展的影响,其中包括全球增暖对东亚季风的影响、对水资源和气候灾害出现频率和强度的影响、对农业的影响以及对海平面高度变化的影响等。另一个方面,是具有全球意义的区域性生存环境问题,其中包括季风气候、生态系统相互作用、人类活动、生存环境的敏感带和变化的突变性等。

叶先生对于全球变化学科提出了纲领性的问题。1989年,叶先生和符淙斌在《Climate Change》(气候变化)上发表了《A Discussion on the Predictability of Global Change[9](全球变化可预报性的研究)。主要探讨了三个问题:(一)我们需要预报什么?叶先生针对这一问题提出把地球作为一个系统作出预报,而不是只对其个别成分(如大气、海洋等)做出预报。但是,我们应该怎样定义地球系统呢?我们需要预报的最重要元素是什么?叶先生建议全球变化预报问题分两步走:第一步,分别制作全球变化某些主要分量的预报,如可再生的地球资源的预报或者地面状态的预报;第二步,制作全球变化的集成预报,即把地球系统作为一个整体来预报。(二)可预报性问题。预报能力与三个因子有关:系统的记忆能力、外源状况和学科发展水平。他认为全球气候模式的成功可以归结为非线性记忆。太阳辐射才是地球系统真正的外源,其它地球系统内部的源可看做内源。对于十年到百年的变化,内源主要为人类活动。(三)适应问题。地球系统的不同分变化的速度各不相同。“牵一发而动全身”,一个分发生变化,其也会发生变化。如果适应过程很快,最先改变的分会受到其它分的影响。这就产生一个相互适应的过程,从而使地球发生连续的变化。而不同组分之间的非线性相互适应过程也会使地球系统发生突变。这三个问题是回答全球变化问题的关键。

在国际全球变化研究领域,叶先生引领风骚,开辟了全球变化科学发展的新天地。他创造性地提出应该把“适应气候变化”和“可持续发展”有机结合起来。就气候变化而言,适应指自然系统或人类社会系统对预期的变化或其影响做出适当的响应,以趋利避害。叶笃正和吕建华在2000年发表《对未来全球变化影响的适应和可持续发展》[28],强调了对未来全球变化影响的适应和可持续发展的联系,阐述了两点应对全球变化影响的措施。首先是减少温室气体和破坏臭氧层物质的排放,以缓和、减轻全球变化的压力;其次尽管人类采取缓和措施,但由于后效作用,全球变化的大趋势在未来100年中仍将不可逆转地持续下去,这就迫使人类社会必须适应这样的全球变化趋势。而全球变化的适应问题,就是全球变化对于世界各地的不同影响,我们应采取什么措施减轻其不利影响,充分利用其有利的作用。对于可持续发展而言,就是建立在社会、经济、人口、资源、环境相互协调和共同发展的基础上的一种发展,其宗旨是既能相对满足当代人的需求,又不能对后代人的发展构成危害。以前这两个问题的研究互不相干,部分原因是由于以前全球变化更侧重于地球科学的基础研究,而可持续发展则侧重于社会经济以及具体实践的应用。因而他强调了全球变化和可持续发展的重要联系。一方面全球变化的适应必须以改变肆意破坏环境的生产、生活方式为前提。对于已发生并且不可逆转的全球变化趋势,应有不同的适应方式,但必须遵循可持续发展原则。另一方面,可持续发展的概念是以过去和现在的气候背景、环境状况为依据提出的,似乎较少考虑未来几十年到一百年全球变化的趋势,这具有很大的局限性[25,29]。如果脱离了对未来全球变化趋势的估计,也就不能适应变化了的气候和环境背景,可持续发展就如刻舟求剑。对于未来不确定的气候变化,人类活动对气候的适应本身也在影响气候,叶笃正据此在《我们应该如何应对气候变化》[27]中提出了几条对策。比如,鉴于人类活动本身的适应变化及气候变化的不断相互作用,应每隔3—5年重新开展对未来最有可能发生的气候变化的研究;应着重关注区域异常或极端天气现象的气候变化;强调相关领域的协作研究等等。

在全球变化学科的很多方面,叶先生都表现出了他对科学前沿问题的卓识与远见。为了应对全球变暖、土地退化等全球变化的负面影响,为了实现可持续发展这一战略目标,以叶先生为代表的科学家提出了“有序的人类活动”和“有序人类适应”的概念,并进一步强调人类活动对环境的能动作用。在2003年气候变化国际讨论会开幕的当天,叶笃正作了题为《有序人类活动》[24]的报告。他认为,人类活动已经给环境带来了不可逆转的影响,尤其是近100年,人类工业的发展是以破坏生存环境为代价的。而以往的人类活动多是无序的,今后人类应当约束自己,从事有序的活动。他所推崇的“有序人类活动”就是以可持续发展为目标和判断指标的,同时也提供可持续发展的方法理论和实际措施[31]若从保护人类生存环境的角度出发,什么样的人类活动才算有序的呢?叶先生等认为通过合理安排和组织人类活动,使自然环境在长时间、大范围内不发生明显变化,甚至能持续好转,同时又能满足当时社会经济发展对自然资源和环境的需求。这个概念为可持续发展指出了一条明确的道路,提出后引起许多科学家共鸣[30]

对于开展有序人类活动的研究,叶先生等提出了三个研究方法[29]。首先是将社会科学和自然科学相结合。其次是建立人类活动——生存环境模式系统。最后是建立示范区,进行长期的监测研究。同时,应用卫星遥感监测结果进行数学模拟研究,并应用观测资料监测模式结果的可靠性作为改进模式的依据之一。

显而易见,叶先生的研究对于中国大气科学的发展举足轻重。他是我辈的领路人,敢为天下先,更勇于做第一个吃螃蟹的人。同时,他勇于急流勇退的魄力更是无与伦比,当后来者已认识到该领域的重要性并且挖掘到空白时,他敢做种树人——前人栽树,后人乘凉,同时又开始新的征程。科学的发展需要像螺丝钉那样的人才,即在某个领域非常深入且刻苦钻研的寻梦人,更需要像叶先生这样大智大勇的开拓者,正是由于叶先生的呕心沥血才使得中国的大气科学事业一日千里。50年前中国的大气科学还处在摇篮之中,举步维艰,步履蹒跚,而如今俨然已成为中国科学界一道亮丽的风景。

    作为一名伟大的科学家,叶先生具有引领风骚的气魄。同时他的治学和研学态度无不让后辈人敬仰。在研究中,他游刃有余,时常占领交叉领域的处女地,年近古稀之时,指导学生向气象经济学,水价值,气候风险、天气气候预报服务体系等挺进,提出了开天辟地的想法。作为后辈,我们需要继承叶先生长久不衰的兴趣与好奇心,并要有“不破楼兰逝不还”的雄心壮志。

从动力气象学到气候系统、全球变化、人类有序活动,叶先生奏响了气象学一个又一个“交响曲”。他的高瞻远瞩,不仅使他问鼎大气科学的巅峰,还使他成为中国大气科学等学科发展掌舵人。他被世界气象组织评价为“全球气候变化研究的开创者”。正如鲁迅先生所言:“世上本没有路,走的人多了,也就成了路。”叶先生,不仅是第一个铺路的人,也是第一个探路的人。

叶先生是世界气象学界屈指可数的学术巨匠之一,也是我国大气科学及全球变化研究领域的一代宗师,为全球变化、大气环流和气候变化研究做出了不朽的功勋。作为中国大气物理研究奠基人、中国近代动力气象学创始人之一的叶先生因其对气象学的杰出贡献,获得了国际气象学界的最高荣誉-WMO奖。这是国际气象界对叶先生卓越贡献的最高肯定。

叶先生不仅在学术领域成为佼佼者,还培养了一批又一批的气象学家。现在的中国科学院院士曾庆存、周秀骥、巢纪平、黄荣辉、吴国雄、李崇银等都是他的学生或者接受过他的指导。“文革”前,他培养了7名研究生,1978年以来,他又培养了20多名博士,十多名名硕士,叶先生还曾在北京大学、南京大学和中国科技大学任教。叶先生不仅勇于创新,善于尝试,而且善于坚持自己正确的观点。说,一种新的思想开头总会不被人接受,应当坚持并进一步完善.他对后辈的影响是潜移默化的,他要求科研人员要不怕权威,并敢于挑战权威。他学风严谨,同时提倡理论联系实际,勇于探索、敢于从理论上突破和创新等思想,这已成为中国气象界的优良传统。他的弟子们也正是因为遵循了他的教导,才铸就了新中国气象事业的辉煌。

叶先生从不为某一领域的学术成就而止步不前。他总是敢于尝试和开创新的领域,总是走在国际科学前沿。上世纪50-60年代,他致力于大气运动基本规律的研究,例如大气长波理论、大气运动的适应理论和大气环流的突变理论等。这些都是当时国际大气科学的前沿科学问题。60-70年代,他致力于气候系统基本特征的研究,例如青藏高原气象学、陆面过程等也都是当时国际气候研究的前沿。从80年代开始,叶先生又带领他的学生们投身到全球变化科学领域的开创性工作,成为国际上这一领域的开拓者之一。他的同事符淙斌院士在他2005年度国家最高科技奖报奖答辩过程对他的成就做出总结“他在国际前沿的工作, 不是跟在外国人后面同国际接轨而是做出了系统的原始创新成果在国际同行中间也得到了认同, 从而成为这些前沿领域科学成就的重要组成部分。”

   用2006年度感动中国对叶先生的颁奖词来总结他的气象人生:风华正茂时已经是奠基人,古稀之年仍然是开拓者。让外国人同我们接轨,这是一个年过九旬的大学者的大气象。笑揽风云动,睥睨大国轻。斯人已逝,风范长存。我们一定牢记他的教诲嘱托,学风严谨,勇于探索、敢于从理论上突破和创新,为推动我国气象事业的发展做出更大的贡献。

 

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