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关于罗斯贝与地球系统科学的一篇文章 精选

已有 5125 次阅读 2023-4-12 22:41 |个人分类:历史钩沉|系统分类:观点评述

[罗斯贝(1898-1957)是现代气象学爆发性发展的核心人物。以他名字命名的有罗斯贝波、罗斯贝数、罗斯贝变形半径等等。但至今少有提到他对在1980年代建立起来的地球系统科学的影响与贡献。基于罗斯贝纪念文集《运动中的大气和海洋》一书罗斯贝的论述,和他对他的朋友和学生们(其中不少成为全球变化和地球系统科学的领袖人物)的直接和间接影响,说明罗斯贝应该被认为是促使地球系统科学建立的重要奠基人之一。]

全文见新出版的《物理》2023年第四期:

罗斯贝与地球系统科学  https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7693/wl20230401

这里仅摘录原稿中的部分内容:

    “远见者头脑中的梦想比现实主义者的常识判断更接近真实。” - 罗斯贝

摘要

罗斯贝(1898-1957)在二十世纪气象学的爆发性发展中起了关键作用,但很少有人提及他对地球系统科学建立的贡献。本文用文献资料说明,通过他本人的直接倡导和对他学生和朋友们的间接影响,罗斯贝应当被认为是地球系统科学建立的重要奠基人之一。

一、  背景和缘由

2021年度的诺贝尔物理学奖授予了复杂物理系统的研究,其中两位获奖者真锅淑郎和哈塞尔曼是气候学家,另一位获奖的理论物理学家帕里西也曾做过气候方面的研究[1]。虽然对很多大气和气候学家来说,这是一份迟来的荣誉(笔者于本世纪初在国外访学时就已经听过同行议论,认为真锅淑郎对全球变暖的研究有资格获得诺贝尔物理学奖),但对国内外的物理学家们更加关注地球系统科学的发展,并引起他们的兴趣,仍是极好的事情。

地球系统科学是把地球的各个圈层当成有机联系的统一整体来研究的一门科学。这些圈层包括大气圈、陆地、海洋、冰冻圈、生物圈、固体地球,甚至包括人类活动(人类圈)在内,传统上由地球科学的各分支学科来研究。但随着这些地球科学门类的发展,也随着卫星遥感观测等高技术的发展,更由于人类越来越意识到,人类自身的活动导致的地球气候和环境变化,正在威胁到人类自身的生存和发展,因此有必要把地球当成一个有机整体来认识。唯有这样,才能避免过去一百多年工业化时代以来人类无序活动对地球资源和环境的肆意破坏,转而在地球系统科学认识基础上,采取有序人类活动,达到可持续发展的目标[2]。正是在这样的背景下,地球系统科学于上世纪八十年代应运而生[3]

在地球系统科学的诞生和发展历史中,现代气象学和大气科学起了独特作用。这一方面是因为催生地球系统科学的全球性气候变化和大气污染等问题首先是作为气象学和大气科学问题而受到关注的。另一方面也是因为在地学各学科门类中,气象学是最早从传统的描述性学科转向为建立在现代数学和物理学基础上的定量学科的。正如 “两弹一星”元勋,同时也是我国气象学数理科学化先驱的赵九章先生(赵先生原来学习物理学,是叶企孙先生的学生)在《现代气象学问题论丛》总序中所说的那样,“从现代的科学发展看,气象学是一门边缘科学,它一面联系着当地的具体地理条件, 有它的地域特点, 另一方面则遵循着物理变化法则, 而与数理科学有共同性。[4] 这也就决定了现代气象学和大气科学对多学科交叉的内在要求,正如赵九章先生紧接着指出的那样:“通过各学科之间的相交渗透,近代气象学把物理、数学、力学、控制论、天文等学科的成就运用到本学科之内,使其开花结果, 这不但推进了气象学的发展,反过来也推进了其他学科。[4] 气象学发展反过来推进其他学科的一个突出例子是气象学家爱德华 洛伦兹提出的混沌理论对物理学、生物学、经济学、社会学等领域所产生的巨大影响[5]。而数值天气预报试验的成功则在很大程度上促进了计算数学和计算物理学的发展[6]在促使地球系统科学的诞生和发展中的独特作用,可以视为气象学发展推进其他学科发展的另一个恰当例子。这很好地体现在这样一个基本事实:地球系统科学这一概念的提出,是建立在前期一系列国际性大气科学实验的基础之上[3],而像地球系统的布雷瑟顿图(Bretherton Diagram) [7],地质年代的“人类世”概念[8],也都是由气象学家主导提出。

近年国内外有多篇较为全面回顾地球系统科学产生、发展和演变的文章 [3,9,10],对人们深入认识这一学科很有益处。但所有这些文章都没有提到很早于1957年逝世的现代气象学之父罗斯贝在地球系统科学形成中的独特地位和作用。本文将用翔实的文献资料说明罗斯贝无论是从其本人的科学思想、对相关科学研究的倡导,还是通过对他的朋友和学生的直接和间接影响,都无可争议地可以认为是地球系统科学的重要奠基人之一。这里仅简单地先举三个例子。在获得诺贝尔自然科学奖的气象学家中,于1995年获得诺贝尔化学奖并提出“人类世”概念的保罗 克罗岑是以罗斯贝在斯德哥尔摩大学建立的数值预报小组的程序员身份开始其研究生涯,并在罗斯贝的学生伯特 博林指导下获得大气化学方面的博士学位。而真锅淑郎也正是在罗斯贝的再传弟子诺曼 菲利普斯(查尼数值天气预报小组成员)的两层大气环流试验成功以后,由查尼数值天气预报小组的另一成员斯马戈林斯基邀请于1958年到普林斯顿开始其气候模式方面的工作的。另外提出了现代混沌理论的气象学家洛伦兹也是罗斯贝的再传弟子。

......

六、小结与展望

罗斯贝是引领二十世纪现代气象学数理科学化和爆发性发展的中心人物,他的理论研究对气象学、海洋学、天体物理学都产生了深远影响。本文通过介绍他本人的论述和他的多位学生和朋友对地球系统科学形成的作用和影响,从罗斯贝的直接倡导和间接影响两个角度,说明罗斯贝无可置疑地应被认为是促使地球系统科学形成的重要奠基人之一。

 罗斯贝具有把关注现实和应用问题与从事理论研究结合起来的高超能力,同时他的理论研究具有强调物理直觉,善于简化问题的特点。在“气象学的当前问题”一文中,他明确提出对于气候系统内与热储存和二氧化碳的生物地球化学循环等相关的研究将成为崭新类型的理论问题。最近几十年来,对地球系统的观测数据积累愈来愈丰富,相关的耦合模拟也愈来愈多,但相关的理论研究整体上还很缺乏。在这样的时刻,在继续强调地球系统科学对支撑可持续发展作用的同时,回顾罗斯贝在气象学发展历程中理论工作的独特风格,对于如何建立关于复杂地球系统的基本理论,应该是很有借鉴意义的。

部分参考文献

[1] The Nobel Committee for Physics, https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/sciback_fy_en_21.pdf , 2021

[2] 叶笃正,符淙斌,季劲钧等. 地球科学进展,2001, 16(4): 453-460

[3] Steffen W, Richardson K, Rockström J et al. Nature Rev. Earth  Environ., 2020, 1: 54-63 

[4] 赵九章. 《现代气象学问题论丛》序. 见:叶笃正,李麦村 著. 大气运动中的适应问题. 北京:科学出版社,1964

[5] Motter A E, Campbell D K. Physics Today, 2013, 66(5): 27-33

[6] Bauer P, Thorpe A, Brunet G. Nature, 2015, 525: 47-55

[7] National Research Council.  Earth System Science: Overview: A Program for Global Change. Washington, DC: The National Academies Press, 1986.

[8] Crutzen P J, Stoermer E F. 2000, Global Change Newsletter, 2000, 41: 17-18

[9] Seitzinger S P, Gaffney O, Brasseur G et al. Anthropocene, 2015, 12:3-16

[10] 汪品先. 地球科学进展, 2014,29(11): 1277-1279



 






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