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罗斯贝和20 世纪大气科学的发展

已有 6265 次阅读 2007-6-5 20:44 |个人分类:美文鉴赏|系统分类:人物纪事


   本文摘自中国气象局培训中心网站, 原作者为贾朋群,秦莲霞,胡晓梅,摘录的目的是让大家能够了解一代气象学宗师----罗斯贝教授是怎样对待科研和教学的。
          
                          -----------------傅刚题注(2007.06.05)


        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(von 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。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1925 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
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,
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。

2.1 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,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,更大大增强了芝加哥城市的气象氛围。

2.3 再创芝加哥大学气象系

        在芝加哥创建大学气象系,罗斯贝看中了芝加哥大学。为了和芝加哥大学取得联系,罗斯贝
至信MIT 校长提出建议,后经多方努力使开始挂靠在芝加哥大学物理系的气象研究所在1940 年
10 月1 日正式成立[11]。罗斯贝出任研究所,后来在1943 年转为独立的气象系的主任,拜尔斯任执行秘书,承担了主要的管理工作。罗斯贝再次网罗了一批思想先进又很有功力的气象研究人员
加盟,他还请来了农业部的两位统计专家从事长期预报研究。新成立的芝加哥大学气象系的3 个
目标是:1)促进对地球大气的了解;2)讲授气象原理;3)气象职业培训。而新的气象系的起
步是从第3 个目标开始的。气象系成立当年就有15 位来自天气局和民航的15 位学员入学,他们
每人每年350 美元的培训费也是气象系的第一笔收入。学员的数量在转年的1941 年就增加到36
人,生源单位也扩大到了包括海军和空军的气象部门。由于在气象培训上的业绩显著,在美国即
将卷入二次世界大战,总统罗斯福对外号称建立拥有5 万架战斗机的强大空军的政治背景下,罗
斯贝出任大学气象委员会的主席,统管当时设在5 所大学里的气象系的气象培训任务,目标是培
养军方需要的10 万气象人员。从1941 年到1945 年战争结束,芝加哥大学一共开展了7 期培训,
学员达到1700 人,培训周期因战争急需人才也从2 年缩减至9 个月,在校培训学员最多时,一
个班达500 人。4 年里5 所大学以每年2000 人次,总计达8000 人次的速度向战场输送必须的气
象人员。这些经过培训的学员在战场上发挥了应有的作用,战后当气象专业人员大量缩减时,人
们发现仍保留在气象部门的以在芝加哥大学接受过培训的人员居多。另外,更多地是一种学术荣
誉的美国气象学会历届主席中,竟有15 位是来自芝加哥大学的教师和学生。很多出自该校的学
生后来成为美国大型气象研究项目的首席员研究员。从战后的1945 年到1952 年,罗斯贝在芝加
哥大学共培养了12 位博士研究生,他们几乎都成为了出色的气象科学巨匠。这一切都印证了罗
斯贝在战后谈到芝加哥大学气象系时的自豪:芝加哥大学果断决定建立气象系,不仅让学校美名
远扬,也造就了美国气象事业的辉煌无比。我们无疑是气象领域中的领跑者。
       罗斯贝是在美国天气局任局长助理时着手创建芝加哥大学气象系的,这也使该系从一开始就
和美国的气象业务有着最紧密的联系。而当时其他大学则不然,如MIT 气象系的学生有90%以上
进入军方,而加州理工大学气象系与美国工业界联系更多。芝加哥大学气象系的这一独特优势,
以及罗斯贝的个人贡献使得战后她成为世界上最闻名的气象研究中心,一些人还称之为芝加哥学
派。罗斯贝在芝加哥大学的7 年,也是他在返回祖国前在美国的最后7 年,不仅为美国的大学教
育,也为美国气象事业和气象科学的整体发展都做出了不可磨灭的贡献。

三、罗斯贝的为师之道

         罗斯贝从1920 年代中期来到美国到1947 年返回瑞典,除了累计在美国天气局工作了3-4 年
以外,其他长达近20 年的时间里分别在MIT 和芝加哥大学任教。培养气象人才,包括气象职业
培训和向气象专业研究生传授气象科学新理念,是罗斯贝一生对气象事业巨大贡献的重要组成部
分。罗斯贝名下的博士研究生在MIT、芝加哥大学和后来在斯德哥尔摩大学分别有6、12 和5 名。
罗斯贝以他超人的能力和创造力,在20 世纪上半叶给气象科学带来了辉煌,也通过众多直接受
益于他的学术思想和行为准则的学生和同事,将其宝贵的科学遗产传给了下一代。
        罗斯贝兴趣广泛,除了对科学的热爱并将其作为自己一生的职业,他还对宗教颇有研究。他
的一项很特殊的嗜好是研究兰花。罗斯贝试图完整地收集斯堪的纳维亚半岛上已知的野生兰花并
用照相机拍摄下来。他的儿子Stig 是一位摄影师,经常随罗斯贝和他的几个学生到哥特兰岛搜
索新的兰花物种。罗斯贝还沉迷于历史,他的很多学生都有和他一起访问废墟和著名城堡的经历。
在那里罗斯贝会回顾过去自然和人类以及不同民族文明之间的抗争。对自然和人类历史的热爱,
造就了罗斯贝性格外向、乐于结交朋友和积极向上的秉性。他是一个众人皆知的工作狂,一般都
是早上5-6 点钟起床,最早来到办公室投入工作。工作中遇到难题,他习惯于邀请同事到他的家
里推导公式,商讨理论问题一直到午夜。每到周末或节假日,他的家中又总是聚集了更多的人,
他的很多学生和同事都习惯于利用这样的家中聚会,与导师一起在更为宽松的气氛里讨论和争论
各种学术问题。
        罗斯贝一生中有很多时间是在讲台前度过的。和他永不休止的探索精神相符合,罗斯贝的学
生们在听过他的课后,一个最为突出的感觉是一致的,即罗斯贝在讲台前似乎总是在发现什么新
的东西。这种探求的课堂气氛会感染每一位听课人,使他们加入到探索的行列中。罗斯贝在1952
年写给查尼的信中,谈到他的课堂教学时写到:“有时我会自觉或不自觉地让学生自己思考一些
问题。如果你总是灌输一些完美无暇的大论,你就无法让你的学生成为独立的思考者”。
让学生成为独立的思考者也是吸引优秀人才从事气象科学这一典型的应用学科研究的重要
手段。后来成为著名气象学家的汤普森在回忆他加入气象研究队伍的起因时,充满了对罗斯贝个
人魅力的崇拜。1942 年,在伊利诺斯大学学习物理学的汤普森在校园里很随意地听了一场由罗
斯贝作的关于大气环流的学术讲座。时间不长的演讲让他相信气象是物理学中最吸引人和最有挑
战性的分支。第二天他就来到学校图书馆查找气象方面的资料。但由于该校没有气象专业,气象
类的图书很少。当他听说罗斯贝所在的芝加哥大学设有气象系时,就找到罗斯贝进一步了解了有
关情况,在当年9 月就毫不犹豫地转入芝加哥大学气象系学习。
        罗斯贝在引领他的20 多位博士研究生和一部分同事开展气象科学研究时,强调独立性与他
的课堂教学风格如出一辙,并且因为研究生学习应具有更多的创新性而有过之。这至少在当时对
罗斯贝担任博士生导师的方法出现毁誉参半的评价。罗斯贝作博士生导师遵循的原则中,引来最
多非议的是他鼓励学生结合自己的优势作论文选题,罗斯贝作为导师从不建议,更不会代为确定
研究题目。这种做法,当时在美国大学里还是很另类的,至少在芝加哥大学只有气象系的罗斯贝
如此。虽然罗斯贝的这种做法即使在今天也是一个见仁见智的问题,但能在罗斯贝名下完成博士
学业的学生肯定在以后的研究中具有更强的自信心和独立开展工作的优势。这些学生,包括曾经
抱怨过罗斯贝这一做法的学生都承认,虽然在他们博士研究后期导师给予的帮助较少,甚至很难
见到每天繁忙无比的先生,但在开始着手论文准备时,罗斯贝对他们全方位气象学理论和实际研
究能力的培养是最成功和投入了最多的时间和精力。尤其是他们从导师身上感觉到的对气象研究
的热情,具有无限的感召力。“空谈不如实验”这句常挂在嘴边的口头禅也是罗斯贝作为导师的
行为准则之一。罗斯贝在学生们完成了基础课学习后,很少在办公室里单独辅导他们开始论文的
准备,而是和他们一起在每天的天气图前展开讨论。这种讨论每天下午4 时准时开始,有时会一
直持续到很晚。天气图前的讨论是热烈的,有时会让人无法分清谁是教师谁是学生。平等的气氛,
学生们会很快切身感觉到的实际天气演变结果,很多都包含在导师看似不经意的一句提醒中,而
这几句精辟的话往往反映了大气运动最基本规律的真知灼见,会让所有的同学思路大开。这个时
候往往博士论文的选题已经不再是负担,满腔热情和全身心地投入下一步的研究中去,已经成为
他们自然而然的选择。另外,在讨论中学生们看似幼稚的问题也帮助罗斯贝完成了一篇又一篇重
要的研究论文。罗斯贝作为一位令人仰慕的学者,他的迷人之处就在于能让每一个和他有过接触
的人都受到深刻和持久的激励。二战期间罗斯贝在芝加哥大学培训的学员中在战后有更高比例的
人继续从事气象工作就是这种激励的结果。没有按照正规的程序当过他的学生却被认为是罗斯贝
最著名学生的切尼,在1957 年罗斯贝不幸去世时说道:“没有了罗斯贝,我的世界也暗淡了”,
这句话代表了一代气象工作者的心声。
         罗斯贝在为美国气象教育作出巨大贡献的过程中,还有一段中国情结。他的两位来自中国的
博士生叶笃正(1948 年)和谢义炳(1949 年)成为了中国现代气象事业的开创者。他们的博士
研究论文的题目分别是“论大气中的能量耗散”和“美国冷涡旋个例研究”,均为当时最前沿的研究课题。他们对这位成就了他们事业的导师始终怀有无限的感怀之情。1991 年,谢义炳先生在写
给友人的信中谈到罗斯贝对他一生事业的影响[12]:“1940 年我在MIT 读大学的最后一年阅读了
罗斯贝的系列论文。虽然还不能彻底明白,但知道能到他手下工作仍然感到很兴奋。1946 年9
月,我来到芝加哥大学做罗斯贝的博士生,他给我的印象是,罗斯贝不仅是一位科学家,还是一
位伟大的教师和哲学家。我们经常一起到密歇根湖游泳,在沿路的小饭店里用餐。这让我有机会
和他深谈,理解他的哲学并落实到我的研究中。离开罗斯贝后的40 年教学和科学研究中,我主
要是按照罗斯贝和帕尔门既定的路线走的”。

参考文献:

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