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现代气象科学的引领者 ——卡尔·古斯塔夫·罗斯贝

现代气象科学的奠基

天气与我们的日常生活息息相关,一直以来,人类就希望掌握天气变化的规律,预测未来的天气趋势。但是,天气太变幻无常了,在科学技术欠发达的时代,气象学家大多依靠经验、猜测甚至通过巫术、占卜来分析天气,即使气象学家能够成功预报出天气的变化,但谁也说不清楚,这样的预报究竟有多大的运气成分。

直到20世纪的前五十年,随着科学理论的发展以及气象仪器的进步,传统气象学才彻底转变了面貌。这种转变由气象学发展史上两个著名的学派——挪威气象学派和美国芝加哥气象学派共同完成。

1903年,挪威气象学派率先提出了“天气预报是描述大气运动的数学方程组的解”的观点,标志着人类正式将物理和数学引入气象学研究。按照物理和数学的方式,挪威气象学家威廉·皮叶克尼斯和学生们发表了关于气团、锋面、气旋的一系列理论,使挪威学派名扬天下。40年后,美国的芝加哥气象学派也开始兴起,该学派创立了大气长波理论,加强了气象学与热力学和动力学的联系,进一步充实了天气分析和预报的物理学基础。1950年,芝加哥学派的气象学家与计算机科学家冯·诺依曼合作,使用刚刚诞生的电子计算机首次成功进行了“数值天气预报”,这标志着气象学终于发展成为纯客观的、可以精确定量研究的现代科学。

在气象学发展史上的这段最重要的时间里,卡尔·古斯塔夫·罗斯贝无疑是众多气象科学家中最耀眼的一位,他是唯一一位在气象学两大学派中都有涉足的传奇式人物,他既是挪威学派的重要成员,也是美国芝加哥学派的创建者。在数十年的职业生涯里,无论走到哪里,罗斯贝一直处于气相学研究前沿的中心位置,凡是他工作过的地方,气象学的研究都被显著地推进。国际大气科学界的最高荣誉——罗斯贝奖就是以他的名字命名的。

1956年,罗斯贝作为封面人物登上美国《时代》周刊,《时代》文章对罗斯贝的学术地位做出了中肯评价:“毫无疑问,气象学的发展与罗斯贝的事业是紧密相连的,现代气象学的大部分引领者都是罗斯贝的朋友或学生,他对气象学的贡献无人能及”。

初识气象学

罗斯贝于1898年生于瑞典首都斯德哥尔摩,从小就很聪明,求知欲很强。20岁的时候,罗斯贝在斯德哥尔摩大学修完了数学、天文学和力学的课程,拿到了学士学位。1918年冬天,皮叶克尼斯应邀来到斯德哥尔摩大学做一次关于大气运动问题的讲座,由于当时的挪威气象学派已经非常有名,罗斯贝便去参加了旁听,结果,他被气象学深深地吸引了,决定申请做皮叶克尼斯的研究助理。

1919年,罗斯贝加入了挪威学派的团队,他来到卑尔根(挪威城市)气象学校学习气象学。在很短的时间内,罗斯贝就成为了挪威学派的重要成员,他掌握了动力气象和天气预报的核心知识,亲历了关于锋面、气团的激动人心的发现,并常常能够提出一些具有建设性的意见。比如,皮叶克尼斯常常要和学生们讨论“极锋理论”,这个理论将冷热空气交汇的地方称为“锋面”,锋面处的大气累积着巨大的能量,正等待着机会释放。如果锋面受到了扰动(比如,锋面经过了山峰就会扭曲、旋转,产生气旋并带来风暴),就会出现剧烈的天气现象。所以在预测天气时,气象学家需要在天气图上画出“冷锋”和“暖锋”并判断锋面,罗斯贝首次提出,用蓝色标注“冷锋”,用红色标注“暖锋”,这种简洁而美观的标注方式沿用至今。

在卑尔根的日子里,罗斯贝彻底爱上了气象学,他感觉到,想要有所建树,自己还需要继续补充数学、物理知识,于是,1921年,罗斯贝返回斯德哥尔摩大学继续深造,4年后获得硕士学位。至此,罗斯贝的求学阶段就算结束了。不过,罗斯贝真正靠的并不只是学校教育,还有他的天马行空和富于创新的头脑。1926年,这个年轻人前往美国气象局工作,学术生涯开始出现转折。

扬名美国

作为挪威学派的一员,罗斯贝美国之行的初衷是将挪威学派的“极锋理论”应用于美国天气预报。但当时,美国气象局的官僚主义根深蒂固,老派的局长和其他高层人员对罗斯贝的才华不感兴趣,他们认为,罗斯贝的新理论挑战了领导的权威。

由于与上司发生冲突,1927年,罗斯贝被美国气象局开除。面对打击和逆境,罗斯贝并没有退缩,他仍然立志要在美国推广和发展新的天气预报理论。幸运的是,美国航空基金会聘用了罗斯贝,请他为美国第一条民航航线(“旧金山——洛杉矶”航线)建立规范的气象服务系统。在这件事上,罗斯贝倾注了全部的精力和热情,出色地完成了任务。他所打造的航空气象服务系统很快被推广到全美国。

罗斯贝渐渐在美国气象学界建立了声誉。1928年,麻省理工学院邀请罗斯贝担任气象学副教授。在这里,他开创了美国大学中第一个完整的气象系。就像皮叶克尼斯在卑尔根广收人才一样,罗斯贝所打造的气象系,也渐渐因其资金雄厚、科学讨论之风兴盛,从全球吸引到最有影响力的学者前来任教,这些人为美国成长为世界气象科学的中心奠定了人才基础。

在麻省理工学院,罗斯贝保持了挪威学派中重视物理和数学理论的好传统,并在实践中革新天气预报。此前,天气预报都是根据复杂的地面气象要素来制作的。罗斯贝试图摆脱这种现状,他开创性地尝试根据数千米高空的高度气象场来进行天气预报。1936年,一项新的技术——气球携带的无线电探空仪开始使用。罗斯贝便利用这种仪器测量从地面到12千米高空的大气温度、气压和湿度。正是基于这些数据,罗斯贝才敏锐地意识到,环绕地球高纬度的高空气流中存在一种高空风,它的流动方向通常是自西向东的,但呈现出蜿蜒曲折的路径。这种大尺度气流波动能够把热带地区的暖空气带到北方,同时把北极地区的冷空气送至南边。罗斯贝称这种波动为行星波。行星波的发现是罗斯贝最重要的科学贡献,行星波现在也被称为“罗斯贝波”。

桃李满天下

1939年,罗斯贝应邀再次来到美国气象局任职。这时,二战的阴云已经笼罩世界,美国被卷入二战的可能性与日俱增。罗斯贝敏感地意识到,这场战争将爆发激烈的空战,大规模杀伤性武器有可能被使用,这一切都需要准确的战地天气预报。于是,罗斯贝依靠雄辩的口才说服了军方高层,使许多大学开始前瞻性地培养军方所需要的战时天气预报员,包括麻省理工学院、纽约大学、芝加哥大学、加州理工学院在内的众多顶尖大学。很快,数以千计的军方预报员开始涌现,正是依靠他们的准确的天气预报,敦刻尔克撤退和诺曼底登陆才得以成功。

不过,罗斯贝不太喜欢担任政府官员。1941年,他又一次离开气象局,前往芝加哥大学担任新组建的气象学系的系主任。二战结束后,芝加哥大学气象系在罗斯贝的领导下迎来了春天,一个接一个突破性的进展涌现出来。比如,罗斯贝完善了关于“罗斯贝波”的理论,他使用数学近似,同时忽略大气内部摩擦、水汽垂直运动等物理过程,提出了著名的描述了“罗斯贝波”的相速度(波动特有的一种物理量)与平均气流速度之间的关系的方程。如今,罗斯贝的波动理论的应用已远远超出了地球大气和海洋的研究范围,也被广泛运用于行星和太阳大气、磁流体和普通流体的研究。

又比如,芝加哥学派发明了在现代气象学界广泛使用的模拟实验形式,即著名的“转盘”实验。当时,罗斯贝鼓励学生用一个半球状的装置去模拟“湍流”混合的过程,学生就往一个很大的圆盘里注满水,用冰块降温圆盘中心,并加热圆盘边缘,通过很小心地控制转盘速度,就可以模拟大气环流。另外,罗斯贝和学生还首次定义了“急流”(高层西风带中一支高速的气流)的概念。

罗斯贝在芝加哥大学任教的时间只有不到7年,但气象学界普遍认为是他创建了芝加哥气象学派。因为在这短短的时间里,罗斯贝培养出许多精英学生,共同发展了现代气象科学。

1957年8月19日,罗斯贝在办公室因突发心脏病,这位伟大的气象学家在58岁的年纪,早早地走完了辉煌的一生。

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