风暴守望者 - 天气预报风云史 ( 中文版 )

风暴守望者 天气预报风云史 原著

John D. Cox 译者

闻新宇 贾 喆 朱清照

献给对大气科学感兴趣的年轻人

风暴守望者 天气预报风云史 闻新宇

xwen@pku.edu.cn

贾

喆

jiazhe0909@163.com

朱清照

paradiso13@163.com

北京大学·物理学院·大气与海洋科学系 http://www.phy.pku.edu.cn/climate UN I V G

E

S I TY

PE K I N

R 1 8 9 8

Storm Watcher The Turbulent History of Weather Prediction From Franklin's Kite to El Niño

by John D. Cox Copyright © 2002, All rights reserved Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey ISBN 0-471-38108-X

中文版序言 当追寻现代科学史的时候， 我们都会发现， 每一个学科的发展历史都是 与一系列重要的名字联系在一起的。正是这些科学家的努力、 探索、 成功、 挫折、 乃至失败， 为后来者积累了丰富的经验和教训， 并奠定了现代科学的 基础。大气科学也不例外， 该学科的发展也离不开一系列学者不断探索。本 书介绍了在大气科学发展过程中的众多先驱人物， 他们或是从事实际观测、 或是从事理论研究； 他们的成就有一些是有目的探索的结果， 有一些只是偶 然的巧合； 他们中有一些在获得成功的过程中展现出了过人的才华和智慧， 有一些表现出的则是狂热或偏执。但无论是何种情况， 这些学者所拥有的 共同特征是对科学的极大热情和持之以恒的毅力。这些人物中有我们所 熟知的皮叶克尼斯（Bjerkenes） 、 罗斯贝（Rossby） 、 恰尼（Charney）和洛伦兹 （Lorenz）等著名科学家， 也有一些是我们不太熟悉的但也为大气科学的发 展做出了杰出贡献的人物。 大气科学是一门既古老又新颖的学科。自人类文明开始， 人们就关心 “天象”的演变， 但早期人类所理解的“天象”实际是天气或气候现象与天文 现象相混合的概念。直到近代， 人们才认识到， 大气科学（气象学）所关心的 是地球大气层之内的所发生现象， 而天文学所关心的是其它行星、 恒星、 星 系、 乃至宇宙的相关问题。虽然两个学科都强调对“天空”的观测， 但显然有 非常不同的研究目标。早期的大气科学被称为气象学更合适一些， 因为在 很长一段时期内， 人们主要关心的是天气的阴晴、 降水、 气温变化以及如何 使天气预报更为准确， 这些问题更多地与大气运动有关。二十世纪八十年 代之后， 大气科学的发展进入了一个全新的时期， 传统气象学已发展得相当 成熟， 对大气物理和化学等微观过程的认识变得越来越重要。尤其是全球 iii

iv 气候变化概念的提出使得大气与海洋的结合更加紧密， 而不是两个分离的 圈层。这些都促使气象学的内涵相更宽广范围延伸。 大气科学的发展与其它学科的发展是密切相关的， 物理学对于能量辐 射和传输的认识以及气体分子结构和气体分子对电磁波谱吸收性质的认 识极大地促进了大气物理、 大气探测和大气化学的发展。计算数学和计算 机技术的发展同样对大气科学的发展起到了革命性的作用。没有有效的计 算方法和高速计算机的研制， 很难想象有今天的数值天气预报和气候预测。 今天的大气科学正运用愈来愈多高科技来解决大气科学中的一些重要问 题。整体来讲， 本书所介绍的学者大致是二十世纪八十年代之前的， 近三十 年来大气科学领域的学者还没有涉及到。尽管如此， 本书仍然是一本不可 多得的科普读物， 读者可以通过本书了解大气科学的发展历史、 这些学者对 大气科学所做出的贡献以及它们所展现出的科学精神。本书所涉及的更多 的是为气象学做出重要贡献的学者， 对大气物理、 化学以及气候学的学者设 计相对较少。 最后， 我希望介绍一下本书的几位翻译者。闻新宇老师于 1998 年来到 北京大学开始本科学习， 出于大气科学的热爱， 他选择了大气科学专业。他 本科毕业后， 继续在我系攻读博士学位， 现在我们系任教， 始终对大气科学 怀着浓厚的兴趣。本书的另外两位翻译者贾喆和朱清照同学分别于 2007 和 2008 年开始在北京大学的本科学习， 现在闻新宇老师的指导下攻读硕 士学位。同样是因为大气科学的浓厚兴趣， 他们选择了大气科学专业。读者 在阅读本书时一定能够从字里行间发现几位翻译者对翻译本书所倾注的巨 大热情。在此， 我热切地向读者推荐本书， 也向三位译者表示感谢。

胡永云 大气与海洋科学系 系主任 物理学院 北京大学 2013 年 6 月 15 日

英文版前言 天气预报已成为一门实用科学， 融入了我们日常生活中， 并无时无刻不 在帮助我们赢得生活的舒适和便利。今天冷不冷？明天呢？有多热？我今 天需不需要多穿一件外套？带一把雨伞？需要戴帽子吗？ 在各种媒体上， 天气预报可以简化为很多漂亮的符号、 动画、 和可视效 果， 甚至都不需要文字进行说明人们就能理解。但这些可视化信息背后的 科学知识， 却不像日常生活中所接受的信息那样容易理解。那是关于未来 的科学， 关于如何预测大气运动、 如何预测那些尚未发生的天气的科学。 天气预报是现代气象学的重要成果， 它处于人类已有的各种伟力的最 前沿， 是人类在量化混沌的自然世界中的各种概率事件的结果。它通常要 用这个星球上最强大的计算机， 经过特定的数值模型进行计算。整个系统 空前复杂， 而且极难获得。这个系统所需要的所有原始观测记录， 类型多种 多样， 范围覆盖全球。对这些数据进行计算的成本是如此高昂， 以至于只有 各国政府才能负担得起。 日复一日， 天气预报正在变得越来越准确， 越来越实用， 越来越客观， 越 来越科学， 尽管这种缓慢的进步趋势并不为大多数公众所认知。今天， 这种 对未来的预报已经足够可靠， 其准确性已为绝大多数人所认可， 以至于它已 变成一种公共服务和社会基本保障。一旦某一天预报的不准， 它就会招致 广泛的指责， 并在短时间内被人们牢牢记住。 现在每日的天气预报， 从某种意义上讲， 也是电子计算机发展的巨大成 就。我们要用一整套计算机程序， 来完成从原始数据的同化、 到最终的在屏 幕上以图形方式显示出预报结果的全部流程。我们要周期性地从各种各样 v

vi 的复杂观测网中获取数据， 比如卫星、 自动气象站、 配有电报设备的探空气 球、 飞机航线上的仪器、 海洋浮标、 和商船上的仪器等。再把它们输入进最 复杂、 最准确的数值天气预报系统中， 就能做出符合要求的天气预报了。要 知道， 若没有超级计算机惊人的速度和存储量， 这一切都将变得不可能。 尽管今天的一切看似都依赖于计算机这种人造设备， 但本质上， 天气预 报的科学其实是人类智慧的伟大成就， 或者说是人类努力探索自然的伟大 成就。尽管现代气象学的体系已经蔚为大观， 但它在奠基时却是如此的渺 小。这本书将讲述一些气象学家的故事， 是他们发现了大气运动的规律， 以 及预测天气的秘密。他们所搭建起来的气象科学已经、 并将继续拯救无数 人的生命。人类古老的准确预报天气的梦想已经达成， 那些风暴的守望者 们， 理应被我们所铭记； 他们中的很多人， 都是我们心中的英雄。

John D. Cox

目 录

I

1

萌芽时期

1 本杰明·富兰克林：追风行动

3

2 鲁克·霍华德：云之命名

13

3 詹姆斯·格雷舍尔：飞入云端

21

II

29

美国的风暴

4 威廉·瑞德菲尔德：沿着风暴的痕迹

31

5 詹姆斯·埃斯比：“风暴孕育者”

39

6 埃利阿斯·卢米斯：描绘风暴的天气图

47

7 约瑟夫·亨利：搭建舞台

57

8 马修·莫里：有争议的风暴

65

vii

目 录

viii 9 威廉·费雷尔：害羞的天才

73

III

81

主线

10 罗伯特·费茨罗伊：无冕先知

83

11 厄本·雷维利尔：克里米亚半岛的云

95

12 克里夫兰·阿比：“概率老头”

103

13 约翰·芬利：深入龙卷风走廊

113

14 马克·哈灵顿：文职人员的灾难

123

15 艾萨克·克莱恩：被风暴带入加尔维斯顿

131

16 吉尔伯特·沃克：南方涛动

141

17 雷罗伊·梅森格尔：赴死的勇气

151

IV

159

前沿集结

18 威廉·皮耶克尼斯：卑尔根学派的领袖

161

19 刘易斯·理查森：天气预报工厂

171

20 雅可比·皮耶克尼斯：从极锋到厄尔尼诺

183

21 托尔·贝吉龙：天才的眼光

191

ix 22 卡尔－古斯塔夫·罗斯贝：征服气象局

199

23 斯维尔·皮特森：登陆日的天气预报

213

V

223

突然到来的新科学

24 朱尔·查尼：数学大师

225

25 杰罗姆·纳迈阿斯：长期预报的开创者

235

26 爱德华·洛仑兹：混沌的计算

245

27 藤田哲也：预言下击暴流

253

28 安茨·利特马：孤掌难鸣

261

附录

273

参考文献

273

人名列表

281

机构列表

295

出版物列表

301

插图来源

307

后记

313

x

目 录

插图目录

1.1 本杰明·富兰克林的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2 美元上的富兰克林头像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.1 鲁克·霍华德的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 霍华德故居前的英国皇家遗产标牌 . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1 詹姆斯·格雷舍尔的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1 威廉·瑞德菲尔德肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.1 詹姆斯·埃斯比的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.1 埃利阿斯·卢米斯的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 7.1 约瑟夫·亨利的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.1 马修·莫里的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 9.1 威廉·费雷尔的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 10.1 罗伯特·费茨罗伊的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

xi

xii

插图目录 10.2 罗伯特·费茨罗伊的航海冒险 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 11.1 厄本·雷维利尔的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 11.2 雷维利尔的墓碑 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 12.1 克里夫兰·阿比的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 13.1 约翰·芬利的照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 14.1 马克·哈灵顿的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 15.1 艾萨克·克莱恩的肖像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 15.2 1900 年加尔维斯顿风暴的路径 . . . . . . . . . . . . . . . . 135 16.1 吉尔伯特·沃克的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 18.1 威廉·皮耶克尼斯的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 19.1 刘易斯·理查森的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 19.2 理查森梦想中的天气预报工厂 . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 20.1 雅可比·皮耶克尼斯的照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 21.1 托尔·贝吉龙的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 22.1 卡尔－古斯塔夫·罗斯贝的照片 . . . . . . . . . . . . . . . . 201 22.2《时代》周刊封面上的罗斯贝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 23.1 斯维尔·皮特森的照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

xiii 24.1 朱尔·查尼的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 25.1 杰罗姆·纳米阿斯工作时的照片 . . . . . . . . . . . . . . . . 237 26.1 爱德华·洛仑兹的照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 27.1 藤田哲也的肖像照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 28.1 安茨·利特马工作时的照片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

xiv

插图目录

Part I

萌芽时期

1

Storm Watcher 1 本杰明·富兰克林 追风行动 在气象学史中， 经典观点认为， 现代风暴研究始于一次失败的天文观 测。 以前， 由于天文学比气象学更古老更受尊重， 所以人们总用天文学的标 准来衡量气象学研究， 因此气象学总是得到负面的评价。数千年来， 天文学 家们担当着为王室出谋划策的角色， 却没有一个气象学家获得皇家的头衔。 直到天文学发展得非常成熟的时候， 天气科学才刚刚引起人们的重视。18 世纪中叶， 天文学已经如日中天， 而气象学甚至都不能算是一门科学。那时， 人们对自然世界的认知还很局限。 二百五十年前， 天文学家已经能够精确地预测月食发生的日期和时间， 并且能够解释其成因和影响： 月球沿轨道运行时， 周期性地离开太阳的照射 区而进入由地球遮挡形成的阴影区。通过这样精确的预测， 宇宙运转的机 理被完全确定下来。而另一方面， 如果把天气因素考虑进来， 比如一场风暴 的来临可能会挡住月食——这种突如其来的天气变化， 那么就没有人知道 这种“上帝难以估计的行为”是否会发生、 何时、 何地、 为何发生了。 1743 年秋， 当月球进入地球的阴影区时， 37 岁的出版商——本杰明·富

3

4

1. 本杰明·富兰克林：追风行动

兰克林（Benjamin Franklin） ， 正打算在美国殖民地宾夕法尼亚州费城的家 中观看这次月食。虽然他是一个终日繁忙的成功人士， 但他仍然非常渴望 目睹这一天文盛景。这次月食预计在 10 月 21 日星期五晚上 8 点半开始。 但是正如富兰克林几年后在给他朋友贾里德·艾略特（Jared Eliot）的一封 信中回忆道： “入夜前， 在东北部发生了一场风暴， 这场强风暴持续了一天一 夜。天空中乌云密布， 风雨交加， 星星和月亮全都无迹可寻。 ” 尽管没看到月食， 敏锐的富兰克林却从月食的时间中得到了意想不到 的启发——大风暴在那天晚上的位置以及移动路线。正如他给艾略特的信 中写道： 报纸上到处都是风暴对海岸沿线造成巨大损失的消息， 从波 士顿、 纽波特、 纽约、 马里兰、 到弗吉尼亚无一幸免。但是令我惊 讶的是， 我从波士顿的报纸中发现一条关于那次月食观测的报 道。因为我想， 如果风暴来自东北方向， 它肯定会先经过波士顿， 那么这之后就不可能观测到月食了。我写信给我在波士顿的弟 弟询问这件事， 他告诉我月食在风暴来临前一小时就结束了。 若是一个不太狂热的观测者发现了这些信息， 也许这样琐碎的细节就 被忽略掉了。而富兰克林却由此萌生出了一个对于气象学， 尤其是天气预 报的非常关键的想法——风暴具有特定的结构和移动路径。后来他继续向 艾略特描述这些从东北方向来的可能持续三四天的强风暴， 并从中总结出 了一条风暴移动规律。他写道： “这些年来， 对于这些风暴， 我有一个奇怪的 想法， 那就是： 虽然风向是从东北方吹向西南方的， 但是风暴的移动却是从 西南方到东北方的； 风暴在弗吉尼亚州发展得比它移动到康涅狄格州后更 强盛， 在康涅狄格州比它之后到达沙角时更为强盛……”在 150 多年后的 1899 年， 哈佛学者威廉·戴维斯（William Morris Davis）在《富兰克林协会 学报》中， 建议把这作为一个意义重大的时刻， 他写道“这是天气预报学的开 始”。然而在富兰克林的时代， 天气预报还不属于科学的范畴。 作为一个实际问题， 在 18 世纪， 尽管风暴的移动速度没有如富兰克林 估计的那样高达 100 英里每小时， 但它还是没有给预警传递留出足够的时 间。富兰克林在数学上并不十分在行。无论如何， 科学天气预报的困难不论 在旧世界还是新大陆都不断地加深。尤其在欧洲， 未来的天气和未来的其

5 他事情一样， 被当做是占星师神秘预言的一部分。这些占星师通过出版巧 言雕琢的预报全年天气的年鉴来获得丰厚的利润。富兰克林他自己也通过 25 年来出版《可怜理查德的年鉴》得到了一笔可观的收入， 尽管他对天气的 预测总是带着特有的幽默风趣。为了赞扬富兰克林对大气科学的贡献， 美 国气象科学的先驱、 科学家克利夫兰·阿比（Cleveland Abbe）曾详细地看过 富兰克林 1906 年的年鉴， 并且发现绝非占星术。在一次向美国费城哲学学 会的报告中， 阿比说： “虽然富兰克林当年确实发表了天气预测， 但我们不认 为他是一个行星气象学家。事实上， 他否认自己的一切观点与气象学和占 星术有关， 他还嘲笑自己的预测是完全荒谬无用的。 ” 中世纪期间， 对天气成因的解释仍然停留在教会学说的传统理论上。 从 12 世纪亚里士多德（Aristotle）的《气象学》被重新研究起， 它就已经被纳 入基督教的教义。亚里士多德关于地球的有机呼吸的推测和近 700 年历史 的神学气象学也非常地契合。 （作为一个气象学家， 亚里士多德是一个非常 擅长说服别人的人。即使皇室的泰奥弗拉斯托斯（Theophrastus）都能够相 信他的老师的关于风不能使空气运动的荒唐的断言。 ）在美国殖民地， 清教 的牧师坚信在新世界的狂风暴雨中除了上帝的力量和话语， 没有第二种自 然的力量， 即使是在最恶劣的环境中也没有。 1735 年 8 月 31 日， 康涅狄格州的新伦敦， 正当伊利法莱特·亚当斯教 士（Reverend Eliphalet Adams）要开始他下午的礼拜时， 一场大风暴降临了。 一道闪电——“上帝之火”， 击中了他的教堂。巨大的木头砸向人群， 空气中 弥漫着烟尘， 雷声震耳欲聋。被损毁的房屋里到处都是他的被烧伤或者砸 伤的会众。到处都是因为惊吓或痛苦而发出的尖叫。在他的脚边， 圣坛的一 角， 躺着一个濒死的名叫埃德温·伯奇（Edwin Burch）的年轻人。

在接下来的安息日， 那些受伤不太严重的会众们回到临时搭建起来的 礼拜堂时， 听说了上帝在信徒们祈祷的时候击倒他们的事情。亚当斯， 这个 自诩为上帝的子孙的人， 正在自豪地看着他印的布道辞“上帝有时会用可 怕的事情公正地回复他的人民——这是 1735 年 8 月 31 日新伦敦这次可 怕的闪电击中礼拜堂所给我们的启示。 ”亚当斯认为， 这强大的力量体现了 上帝正义的一面， 而灾难没有进一步恶化则体现了上帝仁慈的一面： “若不 是上帝仁慈， 我们可能已经死了几百人了， 对， 所有的会众可能在一瞬间已 经被派往来世了。 ”

6

1. 本杰明·富兰克林：追风行动

图 1.1: 本杰明·富兰克林的肖像

7 对这次灾难和伯奇的死， 这些清教的信徒只会责备自己的无能。亚当 斯布道说: 上帝的做法完美无暇， 这点毋庸置疑， 另外， 应该说， 我们已经 有足够足够多的错误足以让上帝用最严厉的方式惩罚我们了。 所以， 我们必须保持平静不要张口抱怨， 不要觉得心里不舒服或 者不愿意， 无论我们受到多大的打击， 无论造物者给我们多少智 慧， 我们必须依旧把它看成是我们的造物主， 我们的审判者的公 正的裁决。 仅仅 10 年以后， 在这附近的费城， 富兰克林准备开始一系列研究电的 本质的实验， 正是这些实验让他日后出名。不久后， 1749 年， 他在他的笔记 本中提到关于电和闪电的相似性的猜测： “电流被尖物吸引， 我们不知道是 否在闪电中也有相似的性质； 但是既然他们在所有我们可以比较的细节中 都表现出了相同的性质， 是否有可能在这一点上他们也是一致的呢？让我 们来做个实验吧。 ”在 1752 年 6 月， 他做了著名的风筝实验， 看到了挂在麻 线上的钥匙和铰链之间所产生的电火花。这和他设计的其他实验一起证明 了大气中的闪电是一种电现象。这个发现后来掀起了安装绝缘并且接地的 铁制“尖物”——避雷针的风潮， 它们能够把“上帝之火”安全地从脆弱的教 堂顶吸引到旁边的地面上去。 富兰克林对电的本质研究了七年， 这是他全心全意投入到科学事业的 七年， 使他成为了一名具有国际影响力的科学家。在随后的几年中， 因为领 导美国殖民地进行革命并创建国家， 他再没有时间进行科学研究。但在他 的一生中， 他始终保持了对自然的敏锐观察力。不管是关于天气， 还是其他 事情的有趣的方面， 都逃不过他的好奇心。对于天气， 他思考了 60 年， 也记 录了 60 年。在 1726 年从伦敦返回费城的旅途中， 他在每天例行的天气观 测中看到了一次非同寻常的“月光彩虹”。1786 年， 他甚至为他的家人提供 长期天气预报。 1755 年的春天， 当他和一伙儿朋友骑着马走到马里兰州的本杰明·塔 斯克将军（Colonel Benjamin Tasker）的庄园的时候， 他们看到一阵旋风在 山上向他们逼近， 并且随着逼近逐渐发展起来。富兰克林在一封 8 月份写 给他朋友彼得·科林森（Peter Collinson）的信中描述了这次探险。

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1. 本杰明·富兰克林：追风行动 其他人都站在那里看着它； 但是我的好奇心更强烈些， 我骑 着马追它， 靠近到它旁边， 看到它把它沿途的沙尘都卷起来。我 联想到让子弹打穿水柱， 水柱会破裂的现象， 于是我试着用鞭子 来回地抽打它的方法想把它破坏掉， 但是一点用都没有。过了 一会儿， 它离开道路进入到树林中， 并且持续变大变强， 这回是 把覆盖在地面上的厚厚一层干落叶都卷了起来， 弄得这些落叶 和树枝哗啦啦地响， 还把一些高大的树木弄弯并且迅速地来回 转圈， 但是奇怪的是， 旋风移动的速度并不是很快， 一个人徒步 走就可以跟得上它， 转圈的速度却快得惊人。通过它里面当时 充满的叶子， 我可以清楚地观察到气流呈螺旋线上升； 当我看到 旋风经过的地方那些树干树枝依旧保持完整的时候， 我才知道 怪不得我的鞭子在它较弱的时候没什么作用呢。

富兰克林重新回到队伍中， 当他们继续走了大概 3 英里后， 他发现仍然 有刚才被旋风卷起的树叶从天上落下来。他写信给科林森说： “紧接着， 我 问塔斯克将军这样的旋风在马里兰州是否常见， 他愉快的回答： ‘不， 非常罕 见； 但是我们专门用这个来招待您。’ 那确实是一个非常高规格的款待。 ” 古代的史书上有着许多关于旋风、 龙卷和水龙卷的记录， 虽然在其他地 方不像在北美那样常见。自从殖民地建立以来， 它们就成为了研究的焦点。 18 世纪中叶， 富兰克林也深深地陷了进去， 他给出了对流过程的早期描述。 在 1753 年的一封信中， 他提出这种风的形成需要两个条件： 1. 较低的地区， 空气往往被过分地加热， 所以它们比高层的空气更稀一 些； 这样， 就会特别轻。高空很冷， 有许多冰晶， 那些冰晶会经常在比较 热的天降下来。 2. 被加热的空气可能非常潮湿， 但是潮湿的空气又特别容易因扩散而变 稀薄， 所以直到冷空气和它混合使它凝结的时候才能看得见。这样， 我 们的呼吸在夏天看不见而在冬天就可以被看见了。

虽然富兰克林是一个非常细致的观察者， 但是在他内心深处仍然是一 个天生的哲学家， 他不想用大量的数据或数学来扰乱他的思路。当他看到

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图 1.2: 美元上的富兰克林头像. 2003 年版 100 美元（上） ; 2009 年版 100 美 元（下） .

一个东西的时候， 他会很好地了解它的机理， 他知道什么时候他自己的思维 越过事实而进入“幻想的世界”。但是这个只接受了两年正规教育的人却 一直蔑视数学这个现代大气研究的通用语言。在他描述对旋风的观点的信 中总结道： “如果我的假设不是事实本身， 那它至少是赤裸裸地展示在大家 眼前的： 因为我还没有像许多有学问的 ‘现代人’ 一样， 用希腊字母伪装我的 错误， 用代数去掩盖它， 或者用导数装饰它。你所见到的它就是最真实自然 的。 ” 富兰克林还对气候， 这种长期的天气状态很感兴趣。自从 16 世纪殖民 地居民和他们的欧洲赞助者定居新大陆以来， 气候问题就一直给他们带来

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1. 本杰明·富兰克林：追风行动

很多困扰。除了大气环流和中纬度西风气流， 人们对这片新世界尤其是大 陆上的气候一无所知。曾经沉浸在温和的被湾流加热的温带海洋性气候中 的那些欧洲人， 在来到殖民地后为这里的季节性天气苦恼。然而到了富兰 克林的时代， 人们已经发现了一个非常明显的增暖趋势。1763 年， 富兰克林 与一群殖民地的学者讨论气候的变化问题。他们达成共识， 认为砍伐森林 很可能是造成这种气候变化的原因， “没有树木的地面吸收更多的热量， 能 够使积雪更快地融化， ”但富兰克林认为， 如果想要证明这个结论， 还需要多 年的观测。 富兰克林在这一时期的另一项研究使人们对湾流有了更进一步的理 解， 湾流是从热带沿着美国海岸向北穿过北大西洋的暖洋流。作为殖民地 的代理邮政局长， 富兰克林经常听到这样的抱怨， 邮轮从法尔茅斯到纽约所 花的时间， 经常要比距离更远的从伦敦到罗德岛所花的时间还要长几天。 对此， 一个富兰克林的熟人， 提姆·福尔杰（Tim Folger）——楠塔基特岛上的 捕鲸人， 有一个非常成熟的解释。他为富兰克林画出湾流， 富兰克林则把它 印刷出版在一些地图上， 这些地图因其重要的航海意义而得到几乎所有人 的广泛关注， 除了那些英国的船长， 因为在那个年代， 英国的船长不屑于从 美国渔民那里听取任何意见。这项工作驱使富兰克林在他的穿越大西洋的 旅途中为海表温度做了定时记录， 这标志着温度计第一次被用做航海设备。 在富兰克林 70 多岁的时候， 他作为驻法大使生活在巴黎附近， 他发现 在 1783 年夏天太阳光的强度奇怪地减少了。他把这一现象和随后的欧洲 寒冬联系了起来。他在发表于《曼彻斯特学会会刊》的回忆录中描述了他的 想法： “1783 年夏天的几个月中， ”他写道， “本来太阳辐射加热北部地区的 效果应该是一年中最强的， 然而这个时间却在整个欧洲和大部分美国地区 出现了持续性的雾。这次雾的持续时间很长， 并且水汽含量少， 不像一般的 从水中升起的那种潮湿的雾， 太阳辐射似乎对它的消散没有什么作用。 ”这 个冷却作用使得地面吸收了比常年偏少的辐射能量， 他推理指出。 “这样地 面过早地结冰了。因而初雪留在地表不能够融化， 并一直在增多。因此也许 1783 年到 1784 年的那个冬天会是许多年来最寒冷的一次。 ” “引起这次全球大雾的原因还没有确定， ”他写道。他猜测也许是一个 彗星或者小行星燃烧后的残骸， 或者更特殊些， 可能是冰岛附近的火山“在 夏天持续排放大量的烟尘”。

11 “然而值得探究的是， 是否历史上其他有记录的寒冬之前的那些夏天， 也存在类似的持续时间很长范围很广的雾？”富兰克林写道。 “因为， 如果真 是这样， 人们可能就可以从这种雾中预测出接下来是寒冬的可能性……采 取这种方法是可行而实用的， 可以保护我们自己， 也控制了最后到来的灾害 的影响范围。 ” 按照富兰克林的思路， 现代的地球和天气方面的科学家经过寻找历史 记录和气候证据后， 确实发现了由于大的火山喷发后大气持续两年偏冷的 案例。 1790 年 4 月 17 日， 富兰克林在费城的家中去世， 享年 84 岁。1906 年 在费城， 美国哲学学会， 这个由富兰克林 1743 年建立的学术团体为他庆祝 了二百周年诞辰。克里夫兰神父， 美国最聪明的科学家之一， 美国天气预报 的先驱， 利用这个机会说明了富兰克林对气象学的贡献。 “在他荣耀的桂冠 上， ”神父为他添加了另一枝： “他是理性的长期天气预报人的先驱， 也是将 来必定会为发展这门复杂学科而奋斗的物理气象学家们的先驱。 ”

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1. 本杰明·富兰克林：追风行动

Storm Watcher 2 鲁克·霍华德 云之命名 鲁克·霍华德（Luke Howard）总是叹息自己年轻时在英格兰牛津郡的 私立贵格派学校时， 被灌输的东西“除了太多的拉丁语法就几乎没有其他的 了”。他真正的兴趣是科学， 尽管在他的一生中， 这都只能是一项业余爱好。 他在一封 1822 年给德国著名剧作家、 诗人约翰·歌德（Johann Wolfgang von Goethe）的信中写道： “从一开始， 我的兴趣就是气象学”。在霍华德追 求他这一毕生的兴趣的过程中， 他通过观察， 前无古人后无来者地， 从天空 中那些繁杂的信息中整理出了一些头绪。霍华德把云的概念， 从一种无定 形的、 水汽含量不断变化的东西， 转变成一些经过我们所知的物理过程而形 成的， 具有明确特性的事物。这是一项标志性的成就， 对建立一个新的学科 非常重要。1802 年冬天， 当他想给云命名以描述并区分它们的时候， 他巧 妙地运用了自己早期所受传统教育中所学到的古老语言。于是， 两个多世 纪以来， 全世界每一个国家的每一位气象学家都在学着说霍华德的拉丁语： cirrus（卷云） ， cumulus（积云） ， stratus（层云） ， nimbus（雨云） 。 歌德写道： 霍华德是“第一个从理论上紧紧抓住了云不断幻化的形式， 归纳并剔除掉那些不明确的、 让人捉摸不透的因素， 用恰当的名字给云命名 的人”。霍华德对云的分类学给天空带来的， 正如卡尔·林奈（Carl Linnaeus） 13

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2. 鲁克·霍华德：云之命名

给生物学带来的， 亦如查尔斯·莱尔（Charles Lynell）给地质学带来的： 不仅 仅是一个名字的列表， 更是一种对自然的更加有规律的新认知。他的命 名系统和其所代表的深刻的见解， 很快就广为流传， 从尚未成熟的气象科 学界一直风靡到 19 世纪欧洲的丰富文化中。歌德创作了四首关于云的 诗歌， 把它们送给了霍华德。几年之后， 对云的准确、 细致的描绘， 第一次 出现在了浪漫主义时期的大师们的绘画作品中的“天空”里， 从德国的卡 斯帕·佛莱里奇（Caspar David Friedrich） ， 到英格兰的约瑟夫·透纳（Joseph M. W. Turner）和约翰·康斯特勃（John Constable） 。穿过大西洋， “霍华德 的云”甚至影响到了 19 世纪美国风景画大师们笔下的天空， 比如托马斯· 科尔（Thomas Cole） ， 弗雷德里克·丘奇（Frederick Church）和乔治·英尼斯 （George Inness） 。 “天空也属于风景， ”霍华德写道。 “我们生存和活动的这 个空气的海洋， 锻造着来自天庭的闪电、 凝结着肥沃土地的雨水， 对狂热的 自然主义者来说， 从来都不是一个平淡无趣的思考对象。 ” 鲁克出生在 1772 年的伦敦， 是伊丽莎白（Elizabeth）和罗伯特·霍华德 （Robert Howard）的长子。他的父亲罗伯特是一个虔诚的贵格派信徒， 作为 一名成功的制造商， 他曾把一种由瑞士工程师艾梅·阿甘（Aimé Argand）发 明的更有效率的新式油灯引进了英格兰。尽管鲁克继承父亲的衣钵进入商 界并成为一名成功的制药化学方面的商人， 但是研究气象一直都是他生活 中的重要部分。在他晚年关于气压计的一本书中， 他提到自己“从少年时代 起就对学习气象学入迷了”。他在回给歌德的信中说到自己 11 岁时就“被 1783 年夏天异常的大雾和北极光深深地吸引了”。正如本杰明·富兰克林 （Benjamin Franklin）推测的那样， 那一年和接下来的一年冰岛和日本的火 山分别喷发， 使火山灰笼罩着整个欧洲。当时， 这种含有极高颗粒物浓度的 灰霾被称为“大雾霾（Great Fogg） ”。 当鲁克完成了他在牛津郡附近规模很大的贵格派学校的学习后， 他在 曼彻斯特附近的斯托克波特跟着一位零售制药商当了 7 年学徒。1796 年 他回到了伦敦并开始和威廉·艾伦（William Allen）一起做生意， 威廉在那里 开着一间药房。霍华德则在普莱斯托附近掌管着一个化工厂， 普莱斯托是 伦敦东部艾塞克斯郡的一个工业区。艾伦和霍华德还建立了一个叫“阿斯 克斯辩论社”的哲学小组， 以此来培养他们那些志同道合的朋友们的科学兴 趣。在这个小组成立之前的 1802 年 12 月， 霍华德在艾伦家的讨论中展示

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图 2.1: 鲁克·霍华德的肖像

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2. 鲁克·霍华德：云之命名

了他后来著名的《论云的变化》的文章。 尽管霍华德的最重要的贡献基本都与云有关， 但是他对气象学的兴趣 远不止云的范畴。在人们的印象中， 他不是一个理论家， 而是一个非同一般 地系统而细致的观察者。他从不把自己当作伟大的科学家， 总是用一种非 常谦逊的语气作报告， 他指出这个新兴的科学领域还需要更多的观测。他 是一个富有而繁忙的商人， 白天的时间总是被关于财产和商务的事情占据 着。他是一个虔诚的贵格派信徒， 同时又是一个多产的作家， 他的作品涉及 一些当时对公谊会（the Society of Friends）非常重要的宗教和社会主题。正 如他 1822 年写给歌德时说“如果我要声称我是做科学的人……我所能作 的事情是非常少的， 然而， 因为我天生具有观察的能力， 所以我就让它发挥 作用。 ” 1802 年初， 他已经在阿斯克斯辩论社公开了一篇名叫《从大气电学的 角度分析雨的近似成因》的文章。但是， 霍华德当时对雨的成因的解释还不 太有说服力。和那个时代的许多科学家一样， 霍华德对当时新发现的大气 中的电现象印象非常深刻。富兰克林的实验很久以后， 研究者们还倾向于 认为在包括雨的形成或风暴的移动等重要的天气过程中， 大气的电现象更 可能是这些过程的原因， 而非它们产生的副产品。所以霍华德认为， “在几 乎所有情况下， 雨都是云之间电活动的结果”， 即使他一再强调这是以“两个 显然的前提——温度降低和水汽增加”为先决条件的。

在 1818 年和 1819 年， 霍华德出版了两卷版《伦敦气候》丛书， 这是这 个方向的最早的研究著作。在这个涉及内容广泛的报告中， 霍华德在研究 城市空气污染对气候的影响方面开拓了一片新的天地。他是第一个发现后 人称为热岛效应现象的人， 热岛效应是指工业和城市下垫面能辐射热量以 至于使局地天气产生变化的现象。 霍华德是气象学家中多年执着地寻找天气或气候周期的先驱。1842 年， 他发表了一篇基于一系列个人天气观测的论文， 论文认为英国存在一个 长度为 18 年的季节周期。很遗憾， 这不是一篇非常能够让人信服的文章。 类似的还有一篇他在此两年之前发表的关于 9 年周期的文章。然而， 在他 的这种统计方法发展起来之前， 几乎各种长度的天气和气候周期都已经被 发现并被成功地描述了出来。

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图 2.2: 霍华德故居前的英国皇家遗产标牌

因为以上的这些原因， 霍华德的对气象学的其他贡献很少能够像对云 的分类的工作一样留传下来。这套云的分类系统从一开始建立的时候， 设 计者就好像明白它会传承下去。从 18 世纪林奈的成就中， 霍华德看到了他 的方案的完美模型。伟大的瑞典博物学家林奈曾为动植物王国中引入一套 经典的系统性命名法， 这一基于拉丁文的分类法风靡了整个科学界。而早 在 1800 年， 霍华德在开始他对云的研究之前， 他就曾向伦敦的林奈社团提 交了他的第一篇科学论文， 有关花粉的报告。 霍华德在英格兰研究云的时候， 法国著名的进化论生物学家让 -巴蒂斯 特·拉马克（Jean-Baptiste Lamarck）也在考虑同样的事情， 尽管他们彼此不 知道对方的工作。虽然这两套系统没有非常大的差别， 但是拉马克的工作

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2. 鲁克·霍华德：云之命名

却没有在甚至他法国的同行科学家们中引起什么反响。和霍华德类似， 拉 马克观察到不同种类的云形成于大气不同的高度， 他把大气分成 3 层， 有一 些云型的归纳也与霍华德的非常接近。但是， 不同于霍华德选择的世界上 广泛接受的通用语言——拉丁语， 拉马克选择的是不那么通用的法语来命 名云型。霍华德很清楚云的知识是气象学研究与理论中非常重要的部分， 但拉马克在 1802 年的《云的形态》一文中， 对这门学科的意义的辩解几乎 是防卫性的。 “研究气象的人对云的形态予以关注是无可非议的， 除了每一 朵云具有独特和偶然的形态外， 很明显， 它们还具有某些绝非随机产生的总 体特征， 这些特征是在一些值得仔细研究的特定的状态下形成的。 ”也许， 拉 马克有理由辩护， 因为如果不这样做， 他将会在法国被冠以“花费太多时间 在毫无收获的气象学预测上”的恶名。最后， 拿破仑当众粗鲁的斥责他应该 做他的博物学， 这迫使他放弃了气象学的研究。霍华德的论文被时任《哲学 杂志》编辑的阿斯克斯辩论社会员亚历山大·蒂洛赫（Alexander Tilloch）听 说， 并很快发表在他的权威杂志上。而相反， 拉马克的研究则被一个包含很 多占星气象学文章的杂志所接收。后来， 一些学者提出了其他的云的分类 系统， 比如 1828 年德国的海因里希·达夫（Heinrich Dove）和 1841 年美国 的埃利阿斯·卢米斯（Elias Loomis） ； 但从整个气象科学界来说， 只有霍华德 的工作才是国际标准。霍华德的拉丁语云名和他发展的分层方案， 用高度 和形状来定义云的方法， 在 1929 年被国际气象委员会定为云分类系统的 基础。 “随着气象学越来越受到关注， 对大气中水的各种存在形态的研究已经 变成这个学科中有趣又必不可少的一个分支， ”霍华德用这句话来开始他的 影响深远的文章。在云的形成的物理过程没有很好地建立起来之前， 霍华 德发现出现在天空不同地方的不同形态的云往往是通过不同的过程形成 的。面对如此巨大的理解这些（云形成的）过程的困难， 霍华德的分类理论 得以实现， 这正是他潜心研究的证明。霍华德写道， “云有着明确的变化， 它 们都遵循大气变化的一般成因： 这些成因的演变发展是人眼易于观察的， 这 就像是面部表情能体现一个人的心理和身体状况一样。 ”一个气象学家只 有依赖他的这套工具， 他写道， 才能抓住大气仅有的“脉搏”。 卷云（cirrus）的拉丁语意是“一缕头发”， 指的是那种“平行的、 弯曲的 或者分叉的在任何方向上都可以延展开的云”。积云（cumulus）的拉丁语

19 意是“堆”， 指的是那种“突起的、 圆锥状的从一个水平的基底向上发展起来 的云堆”。层云（stratus， 拉丁语）的拉丁语意是“层”， 指“一种宽阔地延展开 的、 连续的、 水平的薄片状的从下向上发展云”。雨云（nimbus）或雨， 是“水 平的、 上面有卷云的、 侧面和下面有积云的， 一层正在下雨的云或云系统。 ” “除了雨云以外， 其他任何的云只要维持着其原始的形态， 就不会下 雨， ”他写道， “所以只有观测到这些云的形态发生了改变， 才能预报天气状 况发生了改变。 ”霍华德解释说这些云的名字“都对应着特定的云的结构， 每一种结构都有一个详细的专有的定义。 ”他希望“它们能够成为世界语的 一部分， 这样， 不同国家的那些智者之间就可以不通过必须的翻译来交流想 法了。并且， 如果我们能够利用统一的模型、 术语和观测把这种交流发展地 更加便利， 我们就能够更快地达到对全世界大气的现象有一个统一的认识， 从而把这项科学推向一个更加完善的境地”。

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2. 鲁克·霍华德：云之命名

Storm Watcher 3 詹姆斯·格雷舍尔 飞入云端 1862 年 9 月 5 日下午， 在英格兰云海上空明亮的蓝天上， 黑暗沉寂的 帷幕正开始降临。突然间科学家詹姆斯·格雷舍尔（James Glaisher）感到 观测异常痛苦。气压计和温度计的精细量程已经在他的视野中慢慢模糊， 逐渐消失。他现在在离地面超过 5 英里（约 8 千米）的高空上， 而且他乘 坐的气球还在不断上升。他气喘吁吁地喊他的飞行员亨利·葛士维（Henry Coxwell）来帮忙读仪器。但他失望地看到葛士维已经爬上了气球吊篮上面 的套环去调整传动装置。格雷舍尔的胳膊变得软弱无力。接着他的腿也向 下伸展， 倒在了车厢边缘。他已经连话都说不出来。他的头垂在肩上昏了过 去。

让格雷舍尔陷入困境的这次气球飞行的目的， 是观测高层大气的温度、 气压、 露点特征， 这是以前的气象学家们无法到达的领域。在有科学家愿意 冒险升空之前， 最接近高空的研究也就只有偶尔从高山顶部做的观测了。 终于有一种飞行器了， 终于有人愿意冒生命危险去到达自由大气的高度， 去 进行观测给人们展示大气结构的真实图像。科学家们对此给予了很高的期 望。 尽管早在 1783 年法国就出现了载人气球飞行器， 但其在科学上的应 21

3. 詹姆斯·格雷舍尔：飞入云端

22 用却进展地十分缓慢。

本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin） ， 77 岁的美国大使来到法国， 亲 眼见证了 1783 年 8 月的那个下午第一只无人氢气球在巴黎升空的景象。 “这个设备能有什么用呢？”一个怀疑论者问道。 “那一个新生婴儿有什么用呢？”富兰克林回答说。 这个设备对于气象学的价值， 很快被从事这个学科的为数不多的人所 发现。物理学家雅克·查尔斯（Jacques Charles） ， 也就是发明气球的人， 在 1783 年第一次升空飞行中带上了温度计和气压计。美国医师约翰·杰弗里 斯（John Jeffries）在 1784 年法国的升空实验中获得了温度读数和空气样 本。还有化学家约瑟夫－路易·盖－吕萨克（Joseph-Louis Gay-Lussac）和物 理学家让－巴蒂斯特·毕奥（Jean-Baptiste Biot）在 1804 年做了一些科学飞 行实验。但大部分的气球飞行员只对高层大气中会影响他们升空过程的温 度和风变量感兴趣。无论科学观测多么有价值， 大部分气球和气球飞行员 只是为精彩表演而受雇升空， 在大型公众事件中娱乐大众。几十年过去后， 这个新生儿才真正成熟起来成为科学工具。但载人气球升空昂贵且不可预 测， 很少科学家会为了这么个发明物赌上性命。 直到十九世纪中叶， 这个设备才真正用于科学工作。英国科学促进会 在 1852 年资助了一些飞行试验， 当时裘园（Kew）气象台的负责人约翰·威 尔士（John Welsh）获得了 20， 000 英尺（约 6 千米）高空的温度和湿度的测 量记录。现在促进会资助格雷舍尔和葛士维， 研究一系列关于高层大气的 问题。然而在 1862 年 9 月 5 日的下午 1： 57， 一次专用于气象学研究的气 球升空犯了一个严重的错误。 “就在一瞬间， 强烈的黑暗吞噬了我。 ”格雷舍尔回忆道， 但几秒钟后他 恢复了清醒。 “我觉得我已经窒息了， 我不能再这样下去， 如果我们不迅速降 落就必死无疑。 ”他所看到的最后的气压表读数是 9.75 英寸（24.8 厘米）水 银柱。根据格雷舍尔估计， 他们已经达到了 29， 000 英尺（约 8.8 千米）的高 空， 比以前任何人到达的高度都要高。看不见、 动不了、 也说不出话， 这位 53 岁的气象学家失去了意识。正如他猜测的一样， 他的身体严重缺氧。但最危 险的是， 那时气球飞行员葛士维完全没有意识到格雷舍尔的绝望处境。

23 当时葛士维正爬到气球的传动装置上， 坐在套环上处理一个严重的机 械故障。从格雷舍尔和葛士维下午 1： 03 在伍尔弗汉普顿附近离开地面开 始， 气球就一直像一个陀螺一样在旋转。这种持续的旋转导致连接气阀遮 板的拉索缠在了传动装置上。如果葛士维打不开气阀， 气球就会一直完全 不受控制地旋转和上升到寂静的、 越来越冷、 空气越来越稀薄的大气上层 去。 为了更好的操纵沙袋， 葛士维脱下了厚厚的手套。 “当我裸露的双手放 在温度和空气一样冷的套环上休息时， 我发现我的手已经冻伤了。 ”气球的 颈部已经结了一层霜， 空气刺骨的寒冷。等到气阀拉索终于解开时， 他的手 已经完全不听使唤了。葛士维把他的手臂撑在套环上， 身体降到柳条吊篮 里， 把气阀拉索一起带下来。他的呼吸变得非常深而急促， 他对格雷舍尔说 话， 这才注意到这位科学家的危险状况。 现在葛士维感觉自己开始慢慢失去意识。他的手是麻木的， 已经冻成 了黑色。他的手臂和双腿都已经不听使唤。葛士维用尽了他最后的力气， 他 用牙齿咬住气阀拉索， 一点一点地勾着头往下拉。最后氢气终于开始释放， 气球开始降落。 葛士维回忆说： “我看看周围， 希望可以帮助一下格雷舍尔先生， 但仪器 桌挡住了道， 而我的手不能动了， 无法从桌子下爬过去。我当时最后的希望 就是努力回到暖一点的气层中去恢复身体。 ”他再次用力拉着气阀拉索。随 着气球嗖的一声往下落， 他觉得有点力气了， 然后他大声喊格雷舍尔。 “我永远忘不了那痛苦的时刻， 听不到格雷舍尔先生的回应， 不知道他 的命运会怎样。 ”葛士维后来写道。最后格雷舍尔喘了一口气。 “赶快醒来！醒醒！”格雷舍尔还记得听到他的飞行员把他从死睡中唤 醒。格雷舍尔朦胧中看到了那些仪器， 接着看到了葛士维， 然后突然间他就 醒了过来。 葛士维还记得当时格雷舍尔刚醒来时困惑的表情， 但他马上就明白是 怎么回事了。 “我刚才昏迷了， ”格雷舍尔说。 葛士维回答： “是的， 我差点也昏迷了。 ”

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3. 詹姆斯·格雷舍尔：飞入云端

格雷舍尔倒了一些白兰地在葛士维黑色的手上， 然后拿起一支铅笔， 继 续他的观测， 还说“昏迷后没什么影响”。科学家后来计算出来， 当他昏迷不 醒的时候， 气球已经达到了 37， 000 英尺高度， 就是大约 7 英里（11 千米） 高， 比之前任何人到达的高度都要高。 最后气球降落在了一片草地上， 格雷舍尔走了 7 英里多（11 千米）的路 去最近的火车站寻求帮助。 后来伦敦的《泰晤士报》大肆报道了这件事。通讯记者在 9 月 11 日写 道： “我们经历了一次世界上未曾听过或者想到过的升空。有两个人比任何 种族的人都离月亮和星星近好几英里。 ”报纸还写道， 这次飞行被列入“战 争、 政治或发明史上的重要时刻”。 “但是这次壮举太鲁莽， 几乎送掉了他们 的性命。 ” 格雷舍尔在 1862 年－ 1866 年做了 28 次飞行实验， 尽管他再也不 会飞得那么高。他的观测结果很有价值， 最著名的是验证了盖－吕萨克在 1804 年提出的定律， 即高度每上升 300 英尺（91 米） ， 温度就下降一度， 以 及大气组分在任何高度下都是恒定的。然而更一般的说， 他勇敢探险的结 果一定让人们对科学气球探测的过高期望落空了。 对于法国人卡米尔·弗莱马里恩（Camille Flammarion） ， 一个升空过好 几次的老手而言， 第一眼看见载人气球飞行器就激发了一个“华丽的梦想”， 期望彻底揭开大气神秘的面纱。 “大气的秘密将会被揭晓， 大气的运动将会 被计算、 测量、 精确地预测， 就像天文学家能精确计算天体轨迹一样； 而人们 一旦掌握地球上的这种机制， 就能够像预测日蚀一样准确地预测雨水和风 暴， 干旱和高温， 丰产和饥荒， 这样就能保证永远肥沃的土地。 ”像格雷舍尔 一样， 弗莱马里恩从天文学联系到气象学， 他责备科学家们没有实现这个梦 想。 “还不止这样。 ”他问道， 行星科学家们能预测出两个世纪后的日蚀， “而 我们连明天可能是什么天气都无法断定。然而科学的历史告诉我们， 科学 家对气象学研究从来没有像对天文学那样投入那么多精力和关注。 ”早些 年格雷舍尔曾经写过， 他希望气象学“到时候能与科学之首天文学竞争”。 如同许多新发明的科学仪器一样， 气球所引发人们思考的疑问比它能 提供的答案更多。格雷舍尔对高层大气的研究展现了远比当时大多数研 究者想象的更复杂、 更不可预测的大气层。这个新工具没有验证旧的定律，

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图 3.1: 詹姆斯·格雷舍尔的肖像

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3. 詹姆斯·格雷舍尔：飞入云端

而是出乎意料的展现了一个新的复杂层面， 需要新的理论来解释。盖－吕 萨克对温度随高度递减率的估计仅在最一般情况下成立， 比如说气球飞行 员会时常遇到明显有很不一样的温度、 湿度、 风向的气层。有时仅仅离地面 500 英尺（152 米）高， 风向就可能与地面完全反向。而且上层不同高度的 空气经常比地面附近的空气还暖和。 做气球飞行实验的科学家也经常遇到仪器上的超出他们预期的实际 困难。在十九世纪 50 年代， 威尔士发现了一个温度测量的问题， 因为气球 上升时携带了一定量的低层大气的空气。他配了一个抽吸器， 一个能把周 围环境的空气吸进温度计的风箱， 这个方法似乎挺有效， 但遇到极低的温度 时就不管用了。格雷舍尔面对摆在他面前桌上的 22 个设备很是小心翼翼， 那些都是他的仪器工具箱的一部分， 但他经常感到处理数据很困难。举个 例子， 后来的观测员认为格雷舍尔没有采取足够的预防措施来消除太阳直 接辐射对温度计的影响。读风速数据时常常令人惊讶， 这个大气的关键性 质对于随风自由飞行的气球本身就很难进行测量， 因为它们是随着气流移 动的。所以经常有异常的、 意外的、 无法解释的读数。有一些是由于气球上 升或者下降穿越气层的速度太快， 以至于仪器无法作出有效的响应。在 10， 000 英尺（3048 米）处上升时的温度读数可能比同一高度处下降时的温度 读数高得多。由于自由飞行的气球往往在低层大气范围内上升得非常快， 气球很难得到这些气层的读数， 而这些气层正是很多天气状况形成的地方。 格雷舍尔和其他人尝试用把气球栓在地面的方法来克服这个困难， 做了一 系列近地飞行实验。 这些飞行越来越吸引公众的注意， 于是这个勇敢的气球飞行员、 英国科 学家格雷舍尔的名气越来越大。1869 年在他飞行生涯的最后阶段， 格雷舍 尔在英格兰各地做了一系列演讲。然而他的老板， 在格林尼治皇家天文台 的乔治·艾里（George Airy） ， 是个古板的维多利亚时代的皇家天文学家， 并 不喜欢格雷舍尔受大众欢迎。艾里对任何形式的轰动都很反感， 而且他认 为气象学并不重要。艾里是当时众多认为气象学缺乏理论而不可信的天文 学家之一。格雷舍尔却常常强烈地感觉到气象学研究的重要性， 并敢于从 事自己的研究。在性格上， 两个人都意志坚强、 自大而专横。在几年的气球 飞行后， 因与艾里在一个小问题上的分歧， 格雷舍尔辞去了他 34 年作为观 测台磁性与气象部门负责人的职位。就像他和艾里相处的情况一样， 格雷

27 舍尔与葛士维在 1864 年夏天由于一些分歧而分道扬镳了。 最近， 格雷舍尔的一个后裔朱利安·亨特（Julian L. Hunt）这样描述他 的祖父： “他是一个永不妥协、 固执己见， 并不总是心平气和的看待事情的 人。 “在路易－拿破仑（Louis-Napoléon）的统治衰退的时候， 格雷舍尔是一 个忠诚的帝国主义者， 他讨厌他的法国同事的共和主义倾向。他自己出身 卑微， 受过的正规教育很少， 他却看不起那些在他职业和个人生活中有相似 背景的人。 “他在工作和人际关系上都是有强迫性的， ”亨特在 1996 年的 《皇家天文协会季刊》上写道。 “你不得不承认， 就其社会关系和家庭生活来 看， 格雷舍尔似乎是一个最势力的人。 ”在 1868 年， 格雷舍尔的女儿塞西莉 亚（Cecilia）嫁给了一个医学学生弗雷德里克·亨特（Frederick Hunt） ， 尽管 格雷舍尔并不喜欢亨特的家庭背景。亨特写道： “格雷舍尔夫人接受了， 于 是格雷舍尔对他妻子和女儿慢慢变得冷淡， 一直到最后关系都没有改善。 ” 尽管如此， 格雷舍尔仍是一位坚定的为气象学做出开创性贡献的科学 家， 包括 19 世纪 50 年代在英国小岛上建立一个志愿者观测网络， 这个组织 为 19 世纪 60 年代罗伯特·费茨罗伊（Robert FitzRoy）开创的风暴预警系 统奠定了基础。他为了寻找计算露水形成的方法， 甚至一整晚躺在冰冷的 草地上， 这让他得了困扰他很多年的风湿病。在人们还没发现细菌的年代， 他为了弄清在 1854 年霍乱爆发中天气条件是否扮演了重要角色， 研究了 伦敦的气象状况。他帮助发展了数学上的“因子表”， 这被科学家应用了很 多年。 格雷舍尔最著名的是那些非凡的气球飞行， 尽管这些气球飞行充满了 戏剧性和勇气， 但格雷舍尔并没有因此实现任何实际性的科学突破。自从 1881 年议员沃尔特·鲍威尔（Walter Powell）乘坐气球在海上失踪后， 英国 科学促进会对于载人气球的兴趣逐渐淡化。但是那个年代的载人气球为 19 世纪 90 年代无人气球的发展指引了方向， 后来无人气球在气象学上有 很长时间的重要应用。在世纪之交， 法国气象学家莱昂－菲利普·的波尔特 （Léon-Philippe Teisserenc de Bort）利用无人气球发现了温度相对一致的平 流层， 格雷舍尔在 1862 年肯定很接近那儿了。这层新发现的大气自然地为 地球大气是一个不同密度组成的同心流体层系统这一理论提供了很有份量 的证据， 这个理论最终成为现代地球物理科学的基本原理。这也引导了另 外一位气象学家， 德国人阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）发现了大陆

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3. 詹姆斯·格雷舍尔：飞入云端

漂移学说这一地质学原理。也正是无人气球第一次发现了臭氧损耗。而且 现在无人气球仍然是对现代天气预报必要的每日高层大气观测的主要工 具。

Part II

美国的风暴

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Storm Watcher 4 威廉·瑞德菲尔德 沿着风暴的痕迹 1821 年 9 月 3 日晚， 海水落潮时， 一场罕见的飓风横扫纽约市。在一个 小时之内， 海平面上升了 13 英尺， 海水淹没了码头。有人看到从东河（East River）拍打出的海浪已经跨过地势较低的曼哈顿， 与哈德逊河（Hudson River）的海浪相接。台风眼沿着海岸线扫过长岛（Long Island） ， 后掠过康涅 狄格州、 马塞诸塞州、 和罗德岛等地。狂风裹挟着暴雨， 折断了很多乡间的 树木。整个纽约城从未经历过有如此大破坏力的风暴。在沿海的其他地方， 飓风将大量垃圾裹挟至切萨匹克湾（Chesapeake Bay）的地势较低的农田 里。飓风还席卷了费城， 在城市中造成很大破坏。其中破坏最严重的是北 卡罗莱纳对外银行（Outer Banks of North Carolina）和弗吉尼亚州诺福克 （Norfolk）海港。

这场飓风因此得名“1821 年诺福克和长岛大飓风”， 但这个名字也是 后来的叫法。在 19 世纪初， 风暴常常有很多名字， 而且彼此可以互用。长久 以来， 人们并不了解隐藏在这些天气谜团背后的各个风暴的不同特征。尽 管每个人都知道风暴与风暴并不相同， 但除了季节特征之外， 没人还能准确 地说出风暴是什么， 风暴就是风暴。在那个时代， 人们并不清楚风暴有明确 的结构、 独特的形状、 彼此不同的类别以及风向变化的规律。 31

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19 世纪初， 新一代美国人燃起了激情， 打算证实多年前本杰明·富兰克 林留下的想法： “风暴是有结构的； 风暴是有特定运动方向的”。似乎只有美 国人开始考虑这一问题， 因为只有美国人才遭到如此猛烈的强风袭击， 他们 向上帝祈祷让家人和房屋免受死亡和毁坏的威胁。这开启了一个卓有成效 的、 开展从自然本身研究天气的黄金时代。如果抛开其它所有细枝末节， 美 国年轻的气象科学其实只关注一个问题， 那就是： 风暴是什么？

“1821 年 9 月超强风事件”， 这是最初的叫法， 在其之后的几十年在科 学界引起的关注远超过其他风暴。它引起了大西洋两岸的学者多年的激烈 讨论。使这次超强风事件成为热门话题的原因， 并非因其破坏力巨大， 也不 是因为它袭击了纽约市， 而是因为在这个事件背后， 有一个人独自对它的后 果做了细致的观察， 以及这些观察结果对于天气科学的意义。 这个人就是身兼制作马鞍和挽具的穷苦学徒、 乡村小贩、 发明家、 航 海工程师、 纽约运输公司商人等多种身份的威廉·瑞德菲尔德（William C. Redfield） ， 他是一个智慧超群和工作勤勉的奇才。他并不是气象学家， 但他 对理解天气现象作出了卓越的贡献； 他也未曾接受过任何系统的科学训练， 但他作为美国第一个发现三叠纪（恐龙时代）鱼类化石的专家， 在古生物学 界也颇有建树。以至于在 1848 年， 他成为了美国科学促进会（the American Association for the Advancement of Science， 简写 AAAS）的首任会长。 在 1821 年大风暴刚过去不久之后， 瑞德菲尔德在一次穿越新英格兰 地区（New England： 美国东北部地区的统称）的旅行中， 无意间观察到路边 被风破坏的树林和农田的有趣细节。这些细节当然所有人都能看得到， 但 并不是每个人都会注意这些风暴过后留下的残骸。在这些表面上看起来混 乱的残骸中， 9 月 3 日被风刮倒的树木所倾倒的方向却有着大尺度的一致 性特征。在他的家乡， 康涅狄格州的中城（Middletown, Connecticut） ， 所有 倒伏的树几乎都倒向一个方向： 西北方向； 而在不到 70 英里远的马塞诸塞 州西部， 树木却倒向完全相反的方向： 东南方向。 只有那些头脑无比敏锐且没有定式思维的人才有可能看出这关键的一 点： 残骸的分布特征在某种程度上就是风暴形状的印记。在瑞德菲尔德的 眼中， 一个谜团正在揭开， 就好像发现了一些夜间出没的江洋大盗终于留下 的一串清晰的脚印一样。瑞德菲尔德预想， 这是一个水平尺度很大的发展 中的涡旋风场造成的后果， 狂暴的气流围绕中心轴做逆时针旋转， 而其中心

33 又随盛行风从西南向东北移动。 不论瑞德菲尔德所发现的是多么的重要， 他的老朋友， 耶鲁学院（Yale College）的教授丹尼森·奥姆斯特德（Denison Olmsted）后来说道， 他的发 现在当时无法为公众所知。事实上， 10 年之后大家才知道他的发现。奥姆 斯特德教授说： “在所有他在乎的事情中， 这个发现是他一直很珍视的。他 保持了一贯的对自然现象的学习热情， 每每有一些对自然的新发现， 都会让 他充满荣誉感。在他心中， 没有什么比通过发展一套完整理论从而使他成 为那个时代中有影响力的哲学家更重要的了。 ” 瑞德菲尔德于 1789 年生于康涅狄格州的中城。他的父亲皮莱格·瑞德 菲尔德（Peleg Redfield）是一名水手， 但是在威廉 13 岁时就不幸死于海难。 他的母亲名叫伊丽莎白·瑞德菲尔德（Elizabeth Pratt Redfield） 。一名传记 作家这样描述他的母亲： “一位具有极高思想造诣的女性”。作为家中六个 孩子中的长子， 瑞德菲尔德 14 岁就去做学徒， 学习制作马鞍以及各种马具。 他的母亲后来再婚， 于 1806 年嫁到俄亥俄州。瑞德菲尔德留在了中城， 学 习如何做买卖。 （其间他开始使用字母“C”作为他的中名， 以区别同一地区 另外两个同名的“威廉·瑞德菲尔德”， 他后来开玩笑说， 之所以用“C”只是 为了省事， 取“Convenience”之意） 1810 年， 当瑞德菲尔德完成了他的学徒生涯时， 他开始步行去俄亥俄 州看望他的母亲。这是一次长达 700 多英里的长途旅行！他走了 27 天， 穿 过无数茂密的森林， 走过无数人迹罕至的道路。瑞德菲尔德和另外两个旅 行同伴， 沿着伊利湖（Lake Erie： 美国北部大湖区东南角的一个湖）的湖岸一 路走去， 平均每天要走 32 英里， 穿过纽约州的奥巴尼（Albany）时， 这几个年 1 轻人还碰巧看到了罗伯特·富尔顿（Robert Fulton）发明的第一艘蒸汽船， 一艘在哈德逊河（Hudson River）上行驶的名为“北河号（North River） ”的 舷侧明轮船。瑞德菲尔德还专门写了一篇日记记录了那些天的事情以及沿 途的风景。这次长途旅行， 激发了瑞德菲尔德对交通工具长达一生的兴趣。 基于这次旅行的经验， 他在几年后建议在哈德逊河与密西西比河之间修建 铁路的路线。 1811 年， 瑞德菲尔德回到了中城。在之后的 10 年里， 他做制作马鞍和 1

美国蒸汽机发明家， 是工业革命的旗手之一。

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图 4.1: 威廉·瑞德菲尔德的肖像

35 各种马具的生意并且开了一个小商店。1814 年， 他迎娶了阿比盖·威尔考 克斯（Abigail Wilcox） ， 他们共育有三个儿子， 但第三个孩子于 1819 年出生 时就夭折了。更不幸的是， 这之后不久， 阿比盖就因为生育时留下的后遗症 而去世。1820 年， 瑞德菲尔德再婚， 迎娶了他第一任太太的表妹露茜·威尔 考克斯（Lucy Wilcox） ， 但一年之后， 露茜就在生产时与腹中的孩子一起死 去， 露茜去世的那一天是 1821 年 9 月 14 日， 即大风暴之后不久。本文前面 提到的他在大风暴之后的旅行， 就是他与他的长子， 当时还是个小孩子， 从 康涅狄格州郊区去往马塞诸塞州， 就是从中城自己家到露茜的娘家去。不 能不说， 正是这次个人悲剧， 把他和他的伟大发现联系在了一起。 “很少有人能展现出像他那样对知识与生俱来的热爱”， 奥姆斯特德这 样评价瑞德菲尔德。而实际上， 瑞德菲尔德的正规教育只到小学水平。 瑞德菲尔德是在同样居住在中城的一位物理学家所开办的私立 图书馆里学习科学的， 另外， 在很大程度上他还受了友好协会（Friendly Association）的影响， 那是一个他参与组织的辩论协会。奥姆斯特德认为， 瑞 德菲尔德一生的科学知识都来自于在别人休息时他挤出的时间。这些知识 是一个学徒从火堆旁的点滴微光中得来的， 也是一个多灾多难的年轻家庭 中的父亲经历了巨大的丧亲之痛后获得的， 还是一位成功的纽约运输公司 的经理在忙完一天的生意之后学到的。 瑞德菲尔德开始对航海感兴趣要追溯到 1820 年， 当时一个乡下的年轻 人， 富兰克林·凯尔西（Franklin Kelsey） ， 发明一种可以推动小船的新型蒸汽 引擎。首航很成功， 这开启了瑞德菲尔德航海工程师的职业生涯。到 1822 年， 他已在康涅狄格河（Connecticut River）上开上了蒸汽船。到了 1824 年， 他又搬到了纽约市， 把他的蒸汽船生意扩展到了哈德逊河（Hudson River） 。 早期的蒸气机引擎都十分危险。瑞德菲尔德作为蒸汽船航海公司的 负责人， 一直致力于寻找使它们变得更安全的方法。他设计了载人的安全 游艇系统， 在 Hudson 河上由单独的蒸汽船拖着往返于纽约市和奥尔伯尼 （Albany）之间。当蒸汽船逐渐变得安全起来后， 公众对蒸汽动力的恐惧开 始慢慢消除。瑞德菲尔德后来改进了游艇， 开始做一份规模很大的利润丰 厚的货运生意。在纽约市， 瑞德菲尔德于 1828 年开始了他的第三次婚姻， 迎娶了简·华莱士（Jane Wallace） 。此后， 华莱士一直与瑞德菲尔德， 以及他 与第一任妻子生的两个孩子生活在一起。

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奥姆斯特德与瑞德菲尔德的相遇纯属偶然： 他们是在从纽约市到康州 的纽黑文市的蒸汽船的甲板上相识的， 那正是在 1821 年 9 月大风暴 10 年 后。瑞德菲尔德自我介绍后， 就奥姆斯特德在报纸上撰写的一篇有关大风 暴的文章询问了几个问题。之后， 他提到了他自己关于风暴结构的理论以 及“9 月大风暴”的具体表现。奥姆斯特德对此印象深刻， 这不仅仅是因为 瑞德菲尔德对风暴独到的见解， 更是因为他对很多观测事实细致的表述。 奥姆斯特德鼓励瑞德菲尔德把他的科学发现写成文章发表， 这篇论文最终 发表在 1831 年的美国科学与艺术学报（American Journal of Science and Arts）上。 瑞德菲尔德很细致地描述了风向的变化， 风暴到达不同地区的时间差， 以及风暴从纽约州到新英格兰地区清晰地移动等。他在论文中写道：

我们发现， 大气的一部分气团在几小时之内穿过中城， 似乎 是迅猛地吹往一个肯定不到三十英里远的点， 但却从未达到那 个点； 同时却发现还有相似的另一部分气团， 似乎是从那个点以 相同的速度反向吹了回来。这些观测事实， 让我们不得不思考： 这种大气现象是如何发生的？以何种形式发生的？另外， 这些同 时发生的最猛烈的大气运动， 是怎样都局限在一个直径看起来 不超过 100 英里的圆形范围内？对于笔者而言， 这一切都只能 用一种答案来解释： 即风暴是以巨大的涡旋风场结构展现的。

其实在瑞德菲尔德发现风暴旋转结构之前， 人们就有关于热带海洋巨 型风暴的旋转运动特性的记录。瑞德菲尔德后来也发现， 早在 1801 年， 东 印度公司的陆军上校詹姆斯·凯伯（James Capper）就对印度洋沿岸的热带 风暴有如下记录： “旋风的半径不会超过 120 英里”， 凯伯还写道： “想确定 军舰在风暴中的位置可能并不是一件很困难的事， 只要观察风的强度和风 向变化就可以了。如果风向突然变化， 风力很强， 那么军舰很有可能接近风 暴的旋风中心； 而如果风长时间从一个方向吹来， 风向变化是平缓的， 那么 可以合理的推断出军舰位于风暴的最边缘。 ” 在更早的 18 世纪， 有一位水手也曾留下一些著名的描述风暴旋转结构 的类似记录。 “我一生中从未遇到过如此猛烈的风暴”， 英国海盗威廉·丹皮

37 尔（William Dampier）于 1687 年在经历过中国沿岸地区的台风 Tuffoon2 后 这样说， “台风是一种极端猛烈的风暴”。他描述了令人恐怖的黑压压的云， 海面上的电闪雷鸣， 以及发出警报声般巨响的狂风。特别地， 他记录了台风 眼附近“陷入完全的平静”， 并观测到“在此之后， 风变成了西南风， 狂风裹挟 着暴雨倾泻而下， 就和之前的东北风表现得完全一样。 ”丹皮尔作为海盗， 善 3 于观察也称得上是一名出色的博物学家 ， 但他不是气象学家， 更不是瑞德 菲尔德。 在瑞德菲尔德 1831 年的文章中， 首次系统全面地关注到一种极端猛 烈、 狂暴的大气现象， 揭示出这种天气过程是具有特定大小、 结构、 和运动方 式的。 《关于北美大西洋沿岸各州的盛行风暴的看法》是瑞德菲尔德首次投 给《美国科学和艺术学报》的长篇系列论文。两年后， 他还撰写了另外一篇 论文， 以更细腻的笔触描述了北大西洋地区的飓风和海上大型风暴， 明确指 出了这些海上飓风都是起源于热带， 并且定义了他们的抛物线型移动路线： 首先从热带向西北冲击美国东岸， 再转向东北跨越大西洋。在其移动过程 中不变的是， 北半球的飓风风场永远围绕其中心做逆时针旋转。他甚至还 大胆地写道： 可以准确地预言， 赤道南面的飓风会顺时针旋转。 机缘巧合， 瑞德菲尔德的论文很快被英国皇家工程师的陆军中尉威廉· 里德（William Reid）拜读了， 他于 1831 年开始在巴巴多斯（Barbados）岛屿 驻守， 那里刚刚遭遇一场猛烈风暴的摧残， 飓风在 7 小时内造成 1477 人死 亡！Reid 中尉花了 7 年时间， 收集和整理了大量经历过那场风暴的军舰日 志和各种船只的报告， 最终于 1838 年在伦敦的一次会议上， 向英国科学促 进会（the British Association for the Advancement of Science）展示了他的 发现以及瑞德菲尔德的研究成果。英国著名科学家约翰·赫歇尔爵士（Sir John Herschel）向里德表示祝贺， 说他也对瑞德菲尔德的一系列论文很感兴 趣， 并问里德有没有考虑过， 温暖的墨西哥湾流是否有可能对飓风在大西洋 向北的抛物线型移动路径产生重要的影响。赫胥黎还对这两位研究者都不 愿意对飓风的行为发展进一步的理论表示不满。赫歇尔说， “一个理论如果 不是为了更好的目的， 比如说有利于记忆， 有建设性的观点等， 而仅仅为争 议提供了素材都是有用的。因为只要有争议， 就可能有智慧的碰撞， 就可能 2

这里的 Tuffoon 是古代英语的译法， 现代气象学中将台风翻译为 Typhoon。 1500 年前后， 很多欧洲人随地理大发现到世界各地探险， 由于善于观察并保留了很多日 记， 被统称为 Naturalist， 意为博物学家。 3

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产生辉煌的结果。 ” 里德与瑞德菲尔德因为对飓风的研究而结成深厚的友谊， 他们一生中 开展了成果丰富的合作。由于里德可以阅读英国海军的记录档案， 里德给 瑞德菲尔德提供了大量的数据， 使两人得以将飓风和热带风暴的研究扩展 到整个大西洋， 甚至更广阔的范围内。 两人通过密切的合作最终撰写并出版了一本手册， 这本手册在水手和 海员中间广泛使用， 用以避免海上风暴的巨大灾害。在英国， 他们的研究成 果还被写入亨利·皮丁顿（Henry Piddington）船长在 1848 年出版的《水手 专用全球大洋风暴手册》 。在美国， 他们的成果被写入《美国海岸飞行员指 南》 。 在 1854 年攻打日本的远征报告中， 准将马修·佩里（Matthew Perry）记 录了瑞德菲尔德和里德发现的海上风暴的规律让海员们受益无穷。 “这些 理论已经并将持续对航海船只的安全做出巨大贡献。 ”尽管其他作者还强 调那些提供信息的海员们的贡献， 佩里却这样写道： “应该将这个对这一伟 大的自然规律的原创性发现和应用， 完全归功于瑞德菲尔德和里德”。在后 来佩里远征日本的官方文档中， 还完整地包含了一篇瑞德菲尔德的短文《太 平洋的气旋》 。在这篇文章中， 瑞德菲尔德明确地指出， 西太平洋的热带气旋 和飓风与在大西洋中的飓风一模一样。 瑞德菲尔德和里德的合作， 因其深邃、 紧密、 和无私而显得弥足珍贵， 佩 里的很多文档都见证了这一点。在一篇介绍气旋方面的短文的引文中， 佩 里这样评价瑞德菲尔德： “他因为谦虚、 不装腔作势或自命不凡而与众不同， 他总是为了探究知识而孜孜不倦地观察。 ”佩里深知二人的为人： “尽管他 们身处这个世界上两个完全不同的地方， 同时做着相似的观测并得到相同 的科学结论， 但他们从未独自表功， 还有什么比这更美好， 更能说明两人的 高贵人格吗？！”瑞德菲尔德和里德两人维持了一生的书信交流， 在心里深 深的敬重对方， 但两人从未见过面。

Storm Watcher 5 詹姆斯·埃斯比 “风暴孕育者” 虽然威廉·瑞德菲尔德（William Redfield）的研究思路非常清晰， 但是， 从 1834 年开始， 他的结果还是受到了一位对风暴的结构有着非常独特观 点的费城科学家的质疑。在那个公海帆船盛行的年代， 当船长们还在依靠 运气和传言来保障他们的帆船和水手们的安全的时候， 这两个人各自所持 有的关于风的不同观点都是非常具有实际意义的。 詹姆斯·埃斯比（James Pollard Espy）坚持认为， 空气不是绕着风暴旋 转， 而是从各个方向流向低气压中心的。瑞德菲尔德在描述旋风——一种 重力驱动的“空中漩涡”的时候， 曾构想了一种热机： 一种类似“烟囱”的结 构使热空气在其中上升， 并最后在空中散开而形成云和雨； 像一个“大气黑 洞”一样把地面上周围的空气吸过来。瑞德菲尔德的离心思想和埃斯比的 向心风理论完全不同， 至少在当时人们是这样认为的。他们研究的思路也 是完全不同的。瑞德菲尔德通过对比风暴后的地面观测数据来获得风的图 景。而埃斯比的研究则是先通过实验室工作得到一个关于对流过程的理论 模型， 然后用他余生的时间尝试依靠每一次的风暴观测来证实这个模型。 和瑞德菲尔德一样， 埃斯比开始从事气象研究的时间也相对较晚。他 生于 1785 年 5 月 9 日的宾夕法尼亚州威斯特摩兰郡， 父亲是一位法国胡 39

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5. 詹姆斯·埃斯比：“风暴孕育者”

格诺派成员。当他还是一个婴儿的时候， 他们全家搬去了肯塔基州的牧草 区， 但是那里的奴隶制一次又一次触动着他父亲那胡格诺派的敏感神经， 最 后他们又搬到了俄亥俄州迈阿密的山谷地区。与此同时， 他们家的一个女 儿嫁给了一个来自斯特林山的肯塔基人， 小埃斯比则由他留下来的姐姐照 顾。当埃斯比 18 岁的时候， 他开始进入莱克星顿的特兰西瓦尼亚大学学习， 在那里， 他主修古典语言并于 1808 年毕业。然后， 埃斯比跟着他的家人搬 到了俄亥俄州边上的齐尼亚， 在那里， 他在学校教书的同时学习法律。1812 年， 他又搬回了东边马里兰州的坎伯兰郡， 并成为那里一个地方学院的院 长。在那里， 他娶了一个名叫玛格丽特·波拉德（Margaret Pollard）的女子， 随后他用她的姓作为自己的中间名字。 显然， 直到 1817 年， 在埃斯比搬到费城并成为一名在宾州州立富兰克 林学院讲授语言和数学的私人教师之后， 他才开始学习气象学知识。他的 第一篇这方面的研究文章是在 1821 年投给费城的美国哲学学会的， 当时 他已经 36 岁了。这距他第一次发表关于潜热对空气膨胀的影响的文章还 有 8 年时间， 那篇文章才是他在对流方面的突破性研究的核心。 埃斯比和瑞德菲尔德不仅在观点上持不同意见， 在生活上他们也是不 同类型的人。瑞德菲尔德是一位对科学有着非常强的业余兴趣的成功商 人。埃斯比则放弃了传统学习而为他的气象研究筹集经费。瑞德菲尔德没 有自信而且非常害羞， 而埃斯比则非常外向、 以自己为中心甚至有些夸张。 瑞德菲尔德不喜欢在公众面前讲话， 而埃斯比则非常渴望用自己的观点说 服别人。 纽约的科学家支持瑞德菲尔德的理论， 而费城的科学家则站在埃斯比 一边， 科学家们分成不同的阵营就风暴的形状和特点的基本问题争论了很 多年。在遥远的大西洋彼岸， 瑞德菲尔德受到英国杰出的科学家们的支持， 而埃斯比的观点则在法国很受认同。科学刊物中的评论文章、 反驳文章、 以 及学术会议上激烈的唇枪舌战持续了十多年之久。普林斯顿新泽西学院的 约瑟夫·亨利（Joseph Henry）发现， “这两种关于风暴中风向和风力的发展 的假设似乎被泛滥的感性认识支持着， 而这种感性认识不适合于讨论纯粹 的科学问题。 ”他说： “就好像这一关于大气科学的争论把一种同情作用引 入了那些试图研究它的人的观点中”。后来， 争论迎来了第三种观点的持有 者——宾州大学的化学教授罗伯特·黑尔（Robert Hare） ， 他认为风暴是由异

41 性电荷引起的强烈电流产生的现象。在那个时代， 关于电的知识是非常新 鲜的， 许多科学家都想知道在大气科学中电扮演怎样的一种角色， 但是好像 只有黑尔非常执着地坚持着他的观点。 瑞德菲尔德， 这位细致的观察者， 在开始他对问题的阐述之前， 并没有 对风暴的产生和驱动力给出一套理论。 （他认为）当时面临的问题， 还不应 该是“风暴是由什么造成的？”的问题， 而应该是更基础一些的诸如“什么是 风暴？”之类的问题。但是埃斯比却倾向于用详尽的理论方法来阐明这个问 题， 并且他极力强调这一点， 似乎就希望把这一点作为争论的核心问题。瑞 德菲尔德写道： “大部分读者都不会满足于没有理论或者只有一个充斥着许 多假设的理论的观点。 ”当他最后如埃斯比所愿关注这一点时， 他确实有些 失去说服力了。 也许是因为瑞德菲尔德的工程师背景， 他发明了一种严格的力学解释， 并把这个解释含糊地称作“大气动力”。大气的行为和其他流体一样， 他说， 就像水流过不平坦的小河底部， 或者海洋中的绕流漩涡。风暴就是一种由 重力和地球的公转以及自转造成的空气的漩涡。相对于风来说， 气压、 温度、 湿度——一切其他的指标都是次要的， 他说。他认为气压在中心最低， 这是 由于绕流所受的离心力造成的。凹陷的结构使得风暴中心的空气少， 这一 点和水池中漩涡中心下凹的道理是一样的。瑞德菲尔德不同意黑尔的观 点， 他认为电只是风暴的一种副产品， 他还直指埃斯比， 因为埃斯比认为他 建立的旋转风理论是“与常理不一致的”。 “所有气象学家们都陷入的一个大错误在于把全球大部分区域盛行的 大气大尺度环流的起源和驱动力都归因于热力作用和稀薄化作用”， 瑞德菲 尔德写道。在 1857 年为美国科学促进会所写的关于瑞德菲尔德的自传式 回忆录中， 丹尼森·奥姆斯特德（Denison Olmsted）为他的朋友曾经尝试发 展一套他觉得含糊并且不让人满意的风暴理论而感到惋惜。 “我非常遗憾， 他后来没有像他刚开始那样专注于地面上的现象， 也就是说， 他没有承担起 解释为什么吹风的原因， 而仅仅展示它们是怎么吹的”， 他说。 “到目前为止， 就是能否被实际验证的问题， 他的所有理论都是基于假设的。事实坚不可 摧， 但是假设则很容易受质疑。 ” 埃斯比关于风暴的理论更加有意思， 并且可能已经表现出在理解云的 形成和降水背后的过程的显著进步。然而， 如果提到埃斯比和科学家同事

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们的关系， 埃斯比给自己惹了许多不必要的麻烦。甚至他的朋友亨利也感 叹埃斯比当时应该更谨慎地对待同事。多年后， 他的另一个朋友， 亚历山大· 贝奇（Alexander Dallas Bache） ， 指出埃斯比研究的一个基本问题。贝奇写 道： “他的观点非常积极、 结论非常直接， 对它们的表达也是这样。他不会一 遍又一遍地检查自己的前提和结论， 他会把自己认为正确的理论作为已经 确定的结论。这样他的观点就没能打动那些具有冷静性格的科学家， 也就 是说， 他的观点在本国学者和普通民众中比在科学家中更受欢迎， 虽然在国 外有影响， 但是也非常小。 ”埃斯比有种轻视其他研究员的工作的习惯， 并且 常常冒犯其他科学家。所以， 当时关于风暴理论的争论就有了一些消极并 且令人不快的性质。奥姆斯特德发现， 最后争论的焦点仍然是关于风暴的 成因的问题， 并且“我们仍然处在一个一无所知的阶段， 每个参战者在揭露 其他人观点的不足这方面似乎比建立他们自己的观点更加成功。 ” 埃斯比理论的核心在于描述气体压力和体积之间的关系以及凝结潜热 释放的定律。他引用了英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）的有趣的新 观点： 含有水汽更多的空气比含水汽少的空气更轻一些而非更重。他还采 纳了约翰·丹尼尔（John Frederic Daniell）关于湿度和露点方面的新工作以 及约瑟夫·布拉克（Joseph Black）关于水在蒸发和凝结过程中吸收和释放 潜热的理论。埃斯比首次准确地描述出了对流过程——热空气上升并膨胀， 遇冷凝结并释放潜热。他常常用最伟大的措辞来形容这一发现： “我立刻发 现这就是气象学家撬动世界的杠杆。 ” 不幸的是， 基于这个风暴背后的能量理论， 埃斯比认为风会迅速地从各 个方向向内或者直接指向风暴的低压中心。当瑞德菲尔德和埃斯比检查同 一个风暴的余波时， 瑞德菲尔德没有发现任何风向向内的证据， 埃斯比也没 有从风暴中发现任何旋转特征。瑞德菲尔德和埃斯比都没有注意到法国数 学家科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）的工作——就在美国关于风 暴进行激烈争论的时期——从理论和数学上解释了旋转球体上移动物体运 动偏离的现象。美国气象局科学家艾里克·米勒（Eric Miller）发现， “埃斯比 没办法在自己的理论中引入类似于瑞德菲尔德观测到的旋转是因为他当时 还不知道什么力可以产生这样的运动。 ”关于科里奥利效应的原创文章发 表于 1835 年， 这对埃斯比的开创性的理论来说已经太晚了。事实上， 这个 理论自发表后一直没有被气象学家们重视长达 25 年。即使埃斯比看过那

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图 5.1: 詹姆斯·埃斯比的肖像

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5. 詹姆斯·埃斯比：“风暴孕育者”

篇文章， 他也极有可能不会改变自己的思路。这就是埃斯比的一个性格特 征： 一旦他得到一个结论， 就算这个结论看似再不可信， 他也绝不会返回去 批判性地检查自己的思路。正如一个研究科学史的史学家发现的， 埃斯比 如此地专注于他自己的发现， 以至于“他成为了自己理论的囚徒”。每一处 他到的地方， 每一次风暴的观测中， 每一个演讲厅中， 他都拒绝承认龙卷风、 海龙卷、 飓风以及其他热带风暴的旋转运动。埃斯比认为那些显示有涡旋 结构的观测都不如他的观测好。就像鲁莽的拳击手一样， 埃斯比又把他的 这些关于风的错误的观点应用在他关于云的形成和降水的重要观点中了。 埃斯比似乎非常坚信一点， 对流是“是科学家们推动世界的杠杆”， 他在 对流中看到了关于天气的一切问题的答案。他写道： “简单的说， 当湿空气 中的水汽凝结时湿空气会膨胀， 所有关于雨、 雹、 雪、 水龙卷的现象以及风力 风向和气压值的改变都是这个理论的直接、 自然的结果。 ” 埃斯比声称人们不仅有能力解释这些现象， 更可以改变它们。没有其 他任何事情比他声称他可以制造出雨来轰动世界更让他在同行的科学家中 臭名远扬的了。虽然他并不是发表这种言论的第一个人， 但是， 让其他科学 家们感到懊恼的是， 他是这样做的第一个气象学家。不久以后， 当科学家们 正在为风暴争论得没有头绪的时候， 他们听到了埃斯比关于他可以通过生 火的方法来制造风暴的言论。由此， 埃斯比有了一个称号——风暴国王， 或 者风暴孕育者。 “我们的哲学家中很少有人能够大范围成名的……即使是政客也很少 有名声广为流传的。 ” 《美国国家杂志和民主评议》1841 年版 11 月刊中一 位作者这样写道。 “谁没听说过他掌握关键要素、 控制天空中看不见的水 汽、 把它们聚集起来， 使最晴朗的夏天午后变成阴云密布、 电闪雷鸣、 最后自 然下雨的能力？” 埃斯比曾设计了一个实验： 在夏天的时候让西部的森林着火， 每周烧 40 英亩并且要求每隔 20 公里有一条南北方向长 700 英里的火带。他说 这场大火造成的一个结果是“贯穿南北方向的一条极长的雨带将出现在火 点上空或附近， 并且这条雨带将开始向东移动， 直到大西洋才会消散； 降雨 将覆盖起始点以东的区域而贯穿全国； 每个地方的雨将仅仅持续几个小时 … …不多不少刚刚好。 ”就像他的科学研究中的其他理论一样， 人们的嘲笑 不会让他对这个观点产生一丁点怀疑。

45 因为不能推翻瑞德菲尔德关于风的工作， 再加上他自己研究资金的耗 尽， 1837 年， 埃斯比带着他的科学理论开始了一系列的巡回公众演讲。虽然 他自己筹办的这项活动使他获得了资金报酬， 但是却使得埃斯比在科学界 颜面尽失。不止一个批评者曾嘲笑埃斯比， 说他因为无法用自己的观点说 服科学家， 所以才带着他的理论去那些没有多少分辨能力的听众面前。他 确实也是这样做的。公众喜欢他真诚而具有艺术性的演讲， 人们也许听不 懂他的科学理论， 但是却能够听懂他关于造雨的观点。他和许多巴结他的 报纸编辑和记者相处融洽。一位热心的记者在《纽约快递》中写道： “如果埃 斯比教授能够如他所说制造一场风暴， 那么他将成为世界的主人。 ” 1840 年， 埃斯比应邀带着他的理论去英国和法国科学促进会做了报 告。瑞德菲尔德也被邀请了， 但是他没能到场。在英国人中， 埃斯比受到 了约翰·赫歇尔爵士（Sir John Herschel）和大卫·布鲁斯特爵士（Sir David Brewster）的批评。他们的同胞， 瑞德菲尔德的合作者， 威廉·里德（William Reid）中校， 已经在这些协会中展示了瑞德菲尔德的研究结果， 赫歇尔爵士 也在埃斯比出发之前向大家阅读了瑞德菲尔德的另一篇文章。在巴黎， 埃 斯比更受到观众们的赞同。数学家弗朗索瓦·阿拉戈（François Arago）被报 道曾说过， “英格兰有牛顿， 法国有居维叶， 美国有埃斯比。 ”并不是每一个人 都把这句话当成是对美国科学的称赞。法国科学院的一个委员会称赞埃斯 比的工作并且强烈要求美国政府对埃斯比进行财政支持。

从这个非凡的成就中获得新生的埃斯比， 再次把自己摆在了美国国会 面前。他为一个全国性的同步天气观测系统的建立和自己监管如此巨大网 络的酬劳寻找联邦基金的支持。他还筹集到一个 10000 美元的个人赞助， 如果他能在干旱时期为 10000 平方英里（25899 平方公里）的土地带来降 雨， 他将直接获得这个款项的一部分。卸任总统职务后作为众议院议员的 约翰·亚当斯（John Quincy Adams）记录了“风暴孕育者——埃斯比先生” 的一次来访。 “这个人是一个彻头彻尾的偏执狂, 那个赞美他所有癫狂的气 象学发现的法国国家委员会报告使他的自信和肿起的甲状腺一样膨胀， ”亚 当斯如此写道。 “我尽一切可能客气地跟他说， 以他的这三个构想向众议院 提交请愿书门都没有。 ” 阿拉戈可能对埃斯比印象深刻， 但是当时纽约最重要的数学家本杰明· 皮尔士（Benjamin Peirce）却没有。皮尔士在 1842 年的一篇批评文章中写

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5. 詹姆斯·埃斯比：“风暴孕育者”

到埃斯比时想尽力做到公平， 但是他失败了， “因为他的言论中带有一种自 满和鄙视其他研究者的口气， 这不可避免地就会带来固执的魔鬼， 即使他是 共和党， 即使他被称为风暴之王， 也不能容忍。 ” 对埃斯比更同情一些的， 时任史密森尼学会主任的亨利发现自己经常 在调解争吵， 他发现自从埃斯比在格拉斯哥向英国的科学家演说后， 欧洲 的科学家们得知了美国的气象学家们的研究方法， 觉得这对他们来说是一 个值得庆贺的事情。 “埃斯比和瑞德菲尔德的有些理论可能现在看起来是 对立的， 但是在未来人们也许会发现它们并不是水火不容的， ”他写道， “毫 无疑问， 他们向解释大气运动复杂现象的最一般的成因迈出了最重要的一 步。 ”

Storm Watcher 6 埃利阿斯·卢米斯 描绘风暴的天气图 1842 年 2 月 4 日， 龙卷风肆掠美国俄亥俄州的梅菲尔德， 穿过俄亥俄 州东北部 24 英里（39 千米）的农田和森林， 直到伊利湖（北美五大湖之一） 上才消失。迅速赶到现场的是埃利阿斯·卢米斯（Elias Loomis） ， 他是附近 哈得逊市西储大学的一名数学与自然哲学教授。卢米斯不是一名普通的 研究者。才 30 岁他就以一丝不苟的研究作风在美国风暴研究论战中确立 了他的声望。在他面前， 任何不可靠的理论、 未经证实的假设或是纯粹的猜 想都是站不住脚的。在耶鲁大学读书的时候， 他的导师丹尼森·奥姆斯特德 （Denison Olmsted）教授是威廉·瑞德菲尔德（William C. Redfield）的朋友 和科研伙伴。卢米斯是一个安静、 工作非常投入， 并且具有独立思想和方法 的年轻人， 他对 1842 年 2 月风暴的研究工作使他名声大噪。路上他遇到了 这样的问题， 家禽的羽毛居然被拔光了。

“我在研究 1837 年发生在斯托的龙卷风时， 注意到了一个以前从未被 关注的现象， 那就是有些家禽的羽毛几乎被拔光了。 ”1842 年 4 月， 他在给 康涅狄格州艺术与科学学院的报告中写道： “在 1839 年发生在纽黑文市 的龙卷风， 也出现了同样的现象。我在梅菲尔德专门对这个问题进行了调 查。 ” 47

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6. 埃利阿斯·卢米斯：描绘风暴的天气图

卢米斯所寻找的是关于龙卷风风速的线索。这是一个棘手的问题。一 些物体似乎被奇迹般的温和力量提起来。有一个 11 岁男孩， 正努力关门挡 风的时候被风卷出窗户， 毫发无伤地落在离家 14 杆远的地方。而当这个男 孩回头看的时候， 房子已经被吹走了。还有其他实例， 轻的物体比如一片片 隔板被埋在地下 2 英尺（0.6 米）深的地方， 简直像被大炮射进去的一样。 “多少分量的火药能制造出相同的效果呢？”卢米斯问。他有另外一 个科学家做的一些早期计算做参考， 但是， 当然“我想要用自己的试验来证 实”。他在一架大炮里塞了 6 磅（2.7 千克）的球和 1.25 磅（0.6 千克）的火 药， 另外还塞了一些短的橡木板， 向附近的小山发射。然后他测量这些木板 碎片插入地面到底有多深。 “我们得出结论是梅菲尔德的隔板是以 1000 英 尺每秒（305 米每秒）的速度， 也就是 682 英里每小时（1100 千米每小时） 的速度插入地面的。 ” 那么多大的风速才能把家禽的羽毛全拔光呢？詹姆斯·埃斯比（James Espy）也跟卢米斯说， 有个人看见龙卷风剥光了小鸡和火鸡的全部羽毛， 而 鸡却没有受伤， 尽管它们不久就死了。在梅菲尔德四处打听后， 卢米斯汇报 说残骸中有许多死鸟， 它们的翅膀和腿都断了， 还有“一群母鸡被龙卷风卷 走了， 至今还没有发现。 ”只有一只鹅和一只火鸡被风剥光了羽毛。卢米斯 仍然在思考多大的风速能做到这样的事。但在气象学研究上使用枪并不方 便。 卢米斯把 5 盎司（142 克）的火药放入大炮中， 然后用一只刚杀的鸡来 代替球。

“由于枪很小， 所以需要用相当大的力气把鸡压下去， 这意味 着鸡很可能受到某种程度的擦伤。 ”他报告道： “把枪口举向垂 直向上开枪， 羽毛上升了 20 到 30 英尺（6 米到 9 米） ， 然后被风 吹散了。但在羽毛被拔干净的试验中， 皮肤也所剩无几了。鸡的 身体被撕成碎片， 只能找到一部分。这个速度计算出来是 500 英尺每秒（150 米每秒） ， 或者说 341 英里每小时（549 千米每小 时） 。然而一只家禽， 被吹到这种风速的空中， 肯定会被完全撕成 碎片， 如果速度小一点的话， 很可能大多数的羽毛被剥光但身体 还完整。如果我能用一把合适的枪， 我就能用试验确定出这个

49 速度。估计这个速度在 100 英里每小时（160 千米每小时）附 近。 ”

卢米斯在研究梅菲尔德龙卷风时还尝试了另一种创新。埃斯比和瑞德 菲尔德通过研究同一个证据： 倒地树木的方位， 得到了确实的证据来支持他 们彼此矛盾的理论。龙卷风的突发性和极端猛烈的风速会造成比飓风更加 随机和混乱的残骸分布。卢米斯认为他设计了一个重要的试验， 只测量那 些一个堆叠在另一个上面的树木的朝向来确定龙卷风的风向。据他推论， 底部的树木最先倒地， 顶部树木最后倒地。尽管没有人完全信服这个新方 法， 卢米斯得出这样的结论： 倒地树木的证据表明风既是辐射状的也是旋转 型的。他写道： “一些龙卷风是旋转风肯定是不可否认的。但似乎有时候能 明显看到运动方向与半径成直角远没有向心运动重要。 ”他认为， 龙卷风的 旋转运动“在数学上不成立”这个观点是“极其不可能”的。 卢米斯对这样的结果还不满意。梅菲尔德龙卷风只是席卷整个大陆的 冬季风暴的一部分， 卢米斯决定对此深入细致地进行研究。他的研究不仅 仅是给美国风暴研究论战中互相竞争的理论带来新的光明， 他定义出了一 个更广的大气现象， 不止限于瑞德菲尔德模型或者埃斯比模型。 如果美国的风暴研究论战就此解决， 那么很明显并不是由主要的争论 对手来解决。瑞德菲尔德和埃斯比似乎沉迷于在出版物中攻击彼此。约翰· 赫歇尔（John Herschel）爵士在这场理论竞争的论战中所看到的潜在的智 慧并没有出现。这场争论所缺乏的是一直以来天气现象研究所缺乏的东 西。真正需要的不是更多的理论， 而是足够多的可信的数据来精确检验它 们。没有广泛分布在各地的测量仪器， 天气现象依旧只是靠猜测的学科而 已。这场争论变得如此公开、 如此激烈， 俨然变成一场意志之战。瑞德菲尔 德和埃斯比俩人的科学活动都是在岁数比较大的时候开始的， 他们并没有 精力来交流互让， 这个年轻的国家也没有科学传统来引导他们。 特别是埃斯比的活动——他的公开演讲和旅行， 他的国会请愿和自我 推销——看起来更像是政治竞选， 而且某种意义上确实是这样。当这个年 轻的国家面临着广泛的经济危机的时候， 科学还是个新事物， 他为联邦资助 气象学研究寻找政治支持， 而并非为了给自己找一个工作。同时， 不管什么 时候龙卷风或其他风暴经过， 两派阵营的党羽都会拿着卷尺和指南针冲出

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6. 埃利阿斯·卢米斯：描绘风暴的天气图

图 6.1: 埃利阿斯·卢米斯的肖像

51 来测量， 寻找他们所期望的那种证据。本世纪中叶气象学需要的是更多的 观测， 更多可靠的观测， 和一张新面孔。 为澄清事实贡献最大的科学家就是卢米斯了。19 世纪 30 年代他在耶 鲁当研究生导师的时候， 他见证了这次风暴论战的解决。卢米斯是他那个 时代最著名的学者之一， 他对美国风暴的研究在瑞德菲尔德－埃斯比论战 被人遗忘很久后仍然影响着气象学。讽刺的是， 卢米斯被人记住更多的不 是他发现了风暴的什么， 而是他用来展现他的工作结果的图解方法。 卢米斯沿用了瑞德菲尔德保守的科学方法， 一丝不苟的收集和整理， 直 到最终呈现出来一个模型。这是他一生都坚持的科学态度， 他的研究出名 并不是因为才华横溢而是因为其精确和可靠的细节。他不是一个具有直觉 的理论洞察力的人。但是， 如果有一个理论或假设需要去测试， 卢米斯就是 这个去测试的人。 要是能有一点运气， 或是多一点理论天赋， 他就能早一点帮助解决美国 风暴论战了。在耶鲁当了 3 年的辅导员后， 卢米斯接受了俄亥俄州哈得逊 市西储大学的数学与自然哲学教授的职位。为了为他的新职位做准备， 学 院允许他第一学年， 1836 － 1837 年到欧洲学习。卢米斯给他的新实验室 买了仪器， 并花了大部分时间在巴黎听那些伟大的数学与物理学家的讲座， 比如弗朗索瓦·阿拉戈（Francois Arago） ， 让－巴蒂斯特·毕奥（Jean-Baptiste Biot） ， 西蒙－丹尼斯·泊松（Simeon-Denis Poisson） 。正如后来所发生的， 1837 年泊松把贾斯帕 -古斯塔夫·科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis） 计算的由于地球旋转造成的偏转效应应用到炮弹的运动中。不管时间上， 还是地点上， 卢米斯都非常接近这种数学方法， 至少能解决关于飓风和其他 大风暴中风的行为这部分争论。如果卢米斯听了那些泊松的讲座， 并把这 套理论带回美国， 他也许就能告诉瑞德菲尔德和埃斯比， 为什么向低气压吹 的风一定会旋转。不管怎样， 这次美国风暴争论仍然无情地继续下去。 不过卢米斯有其他重要的东西要展示给瑞德菲尔德、 里德（Reid） 、 埃斯 比和其他想通过观测更多的风暴来证实他们理论的人。他采取了相反的方 法。 “我决定选择一个特征显著的风暴进行研究， 在时间空间上尽可能详细 地、 广泛地跟踪它的发展。 ”他在 1840 年春给费城的美国哲学学会阅读的 文章中写道。他期望通过这种方式测量风场， 来澄清这场瑞德菲尔德－埃 斯比争论， 然而他发现他研究的风暴跟这两种理论都不太吻合。

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6. 埃利阿斯·卢米斯：描绘风暴的天气图

为了实现这个目的， 他选择了在 1836 年圣诞前一周肆掠整个美国的 冬季大风暴。他选择这个风暴是因为他能拿到异乎寻常的大量观测数据。 那时赫歇尔爵士在南非好望角的皇家天文台， 提出来自各个地方的气象 学家和志愿者在那年冬至日、 夏至日、 春分日、 秋分日时， 做连续 36 小时的 每小时气压、 温度和其他天气条件观测。赫歇尔的计划得到了广泛支持。 1836 年 12 月 20 日， 一个冬季大风暴席卷北美大陆， 于是赫歇尔的计划偶 然的给卢米斯提供了前所未有的最好的风暴汇编数据。卢米斯拥有了东部 从魁北克到巴尔的摩 8 个合作站点每小时的读数， 27 个站点的气压读数， 还有来自落基山脉以东的大部分地区、 百慕大群岛（北大西洋西部群岛） 、 西 印度群岛以及太平洋沿岸的船上的其他信息。 没有人对风暴做过这么辛苦的研究， 也没有人知道这样一个风暴的总 体特征。这个风暴覆盖了整个国家还不止， 向北深入加拿大， 向南深入墨西 哥。卢米斯画出了每 6 小时的风暴图， 记录了气压、 温度、 风向、 风速和降雨 量。在美国地图上， 他绘制线条来表示波动在全国的发展。 这个风暴在大小和结构上都与之前研究和理论最多的热带风暴和龙卷 风不同， 后来的气象学家称之为中纬度气旋， 或温带气旋。卢米斯是这样定 义的： 这是一种具有半球尺度的长波结构的风暴， 其形状和行为都与瑞德菲 尔德、 里德和埃斯比长期以来研究的飓风、 龙卷风和其他热带风暴不同。没 有一个理论能让卢米斯解释这次观测。70 年后， 一个德国科学家才确切地 证实了这是一支冷气流楔入暖气流下方的现象。卢米斯没有找到瑞德菲尔 德描述的旋转风， 主要是因为风暴的低压中心位于所有观测站的北方。卢 米斯发现了两支相反方向的风互相对撞的现象， 这比较符合埃斯比的理论， 但他采用完全不同的图景来解释为何发生了这种现象。 他提出这样的问题： “两股相隔不远的风， 为什么能够连续猛烈地对吹 几个小时甚至几天？”他这样解释： “结论是必然的—西北风穿到东南风下 面来替代它。 ”卢米斯画了一个横断面图解， 现代气象学家一眼就能认出这 是一个冷锋风暴。冷气团楔入暖气团下方， 暖气团被迫抬升， 形成云和降水。 但是， 卢米斯对这些结果不满意。 耶鲁大学的天文学家和数学家休伯特·牛顿（Hubert Anson Newton） 教授在 1890 年写的卢米斯回忆录中评论道， 卢米斯所画的展现低压波动 发展过程的图， 推动了气象信息的图象化呈现方法。他写道： “但他那时用

53 的方法完全不适合解决当时气象学家们问的问题。 ” 富兰克林研究所和美国哲学学会的气象部组成了联合委员会， 这些问 题被纳入传阅手册中。当时埃斯比担任委员会主席。正如牛顿总结的一样， 这些问题揭示了美国气象科学在 19 世纪中叶的状况： “穿过我们大陆的大 风暴到底是什么状态？它们的形状和大小是什么？它们的中心是朝着什么 方向、 以多大的速度移动的？它们是圆的？椭圆形的？还是不规则形状的？ 它们在不同季节的移动方向是否不同？” 1842 年 2 月有了突破。卢米斯不仅研究了梅菲尔德龙卷风， 还研究了 2 日到 5 日和 15 日到 17 日这两个横穿美国的强烈的冬季风暴。与 1836 年风暴不同， 1842 年的这两个冬季风暴中心位于观测网络范围内， 让卢米 斯能够画出一个更完整的结构图， 特别是风的整体结构。

他针对这两场风暴的报告， 是气象学最著名的文章之一， 于 1843 年 5 月 26 日由亚历山大·贝奇（Alexander Dallas Bache）在美国哲学学会百年 纪念会上阅读。 《关于 1842 年 2 月的两场风暴》不仅给美国风暴论战带来 曙光， 还由于卢米斯创新的图像化数据展示法而迅速引起轰动。 这个报告标志着天气图的第一次出版， 天气图（synoptic weather map） 是指用线条来联系气压、 温度、 风场、 天空条件、 降水等观测值的地图。这个 术语适用于覆盖着广大地区的天气图， 尽管对于气象学家而言还意味着大 范围的同步观测。连接同一时间观测量的等时线， 非常像地质学家用来表 示地磁值的那种图， 那是卢米斯另外的研究重点， 但是气象学上从未发表过 与这 13 张图类似的东西。 正如卢米斯自己所评论的， “几乎所有正确理解风暴现象的关键点都能 在这张图上一览无余。 ”用 13 张图描述 131 位观测者的数据， 不仅仅是为 了方便或者独具一格。气象学家第一次真正看到了风暴不同维度的大气特 征， 以及它们之间的关系。这种天气图后来变成天气预报的基础。牛顿称它 为“我们这一代当中为科学做出的最大贡献”。 这种新的图像化表示法永远改变了气象学家描述风暴特征的方式。它 为移动中的风暴的动态图景提供了信息。这些等值线的空间分布既是最简 单的现代天气图的基础， 也是一些最复杂的计算机模型可视化输出的基础。

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6. 埃利阿斯·卢米斯：描绘风暴的天气图

卢米斯的发现是基于比瑞德菲尔德的飓风模型或埃斯比的雷暴理论更 大更复杂的风暴。在他脑海里， 毫无疑问他认为大多数雨雪是埃斯比描述 的对流过程的结果。但是卢米斯对于风暴发生原因的观点， 却是远远超出 了埃斯比， 瑞德菲尔德和他那个时代。在 1836 年风暴研究中， 卢米斯已经 提前使用了 70 年后才引入的概念， 即把这些风暴看作是锋面两边气团间的 撞击。在 1842 年， 他就使用了更现代的关键术语， 把冬季风暴看作是地球 上大气波动的移动。 卢米斯不仅第一次定义了中纬度冬季风暴的结构和行为， 他还抓住了 两个当时的气象学家无人能及的基本问题： “第一， 是什么导致了第一块云 的形成… … ？第二， 一个形成起来的风暴为何会终止？”他把原因归于“美 国中部地区空气的更大的质量和密度”。这是两天前的风暴造成的结果。 二月中旬的风暴留下了相似的密度大的冷空气， 从而激发另一个风暴的云。 “这样， 一个风暴会引发它后面的风暴， ”他说道， “这个大气引起的波动与暴 风雨引起的海洋波动类似， 在最初的扰动停止很久后仍然会依照力学定律 传播开来。 ”对于风暴终止的原因， 他指向冷空气波动占据风暴中心的天气 图。 “西北方向的冷波比风暴中心移动得快， ”他写到， “它开始抵消凝结水 汽导致的升温， 然后风暴强度会迅速下降。 ” 在那个时候， 气象学家中的大问题当然与风有关。卢米斯展示了埃斯 比辐射型风和瑞德菲尔德的旋转风的图解， 然后宣布他们的理论都不适合 用来描述冬季大风暴。 “附图说明了他们俩的理论都不能准确地描绘这里 所研究的风暴， ”他说到， “甚至它们其中之一是否能准确描绘地球表面任 何一大片区域风的运动都值得怀疑， 他们的组合倒是经常见到。 ”卢米斯不 仅展示了向内旋转的风场， 还解释了它形成的原因。风可能会“吹向风暴中 心”， 他写到， 在大风暴中， “这样的集中趋势， 不管是空气还是水， 都会导致 流体向中心流动， 但不是沿径向而是迂回地。 ”他展示了图上一天到第二天 风的旋转性的增强。 “一定有某种物理原因导致了风的旋转， 并保证在大风 暴中旋转的方向一致， ”他写到， “由于地球旋转， 南边的风东移的速度大些； 北边的风东移速度小些， 所以相对向西运动。 ”这意味着， 在北半球风总是沿 同一方向绕着低气压吹。正如卢米斯说的， “在这个地区， 大风暴的风向很 可能是不变的。 ” 在这篇以及后来的文章中——这些文章都不是埃斯比发表的——瑞

55 德菲尔德的旋转风框架和这些地图上联系气压的新的等值线更吻合， 这就 是后来众所周知的围绕风暴中心的等压线。埃斯比始终没能克服这个问 题。 “由于他对自己理论的正确性深信不疑， 也可能是他年纪太大， 使埃斯比 没能跨越他的理论发展的关键点。 ”贝奇后来评论道， “同样的思维方式导 致他的观测和归纳经常不可靠。 ”由于埃斯比从未让自己的理论去适应新 的风数据， 他更基础性的贡献——关于云的形成和降水是通过对流过程的 理解也变得冷门。 卢米斯总结他著名的论文时指出， 如果对他描绘的那些线进行更多的 研究的话： 我们应该能够马上提出一些气象学上稳定的规律。如果我 们能够提供美国一年内每天每个地区的天气图， 包含气压、 温 度、 风、 天空等， 那么就能永远解决风暴规律了。任何错误的理 论在这些证据面前都站不住脚。这一系列图会比迄今为止气象 学上的任何贡献都更有价值。而且这个学科也将会被研究透彻 了。但是一年的观测是必须的。很可能一年的风暴只不过是以 前那些年的重复而已。

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6. 埃利阿斯·卢米斯：描绘风暴的天气图

Storm Watcher 7 约瑟夫·亨利 搭建舞台 埃利阿斯·卢米斯（Elias Loomis）在小范围内进行的天气观测的突破性 结果， 大大提升了 19 世纪中期气象学界对于在更广阔范围内建立天气观测 网的渴望。一个多方合作的、 有组织的、 空间上覆盖更广的天气观测网， 再 加上一个中央机构负责协调， 可能是气象学得以进一步发展所必不可少的。 缺少空间上足够宽的“视野”， 对风暴的研究就好似盲人摸象。就像詹姆斯· 埃斯比（James P. Espy）所说： “天文学家在某种程度上是可以独立于其他同 行的， 他们只要守在自己的望远镜旁， 独自等待他们所要观测的恒星掠过望 远镜所瞄准的那条子午线就行了。但是如果气象学家也只埋头于自己观测 的数据， 而没有用其他同行于更广范围内其他地方所观测的数据来帮助他 理解当前的天气形势， 那就什么也做不了。 ”确实如此， 如果没有空间上足够 宽广的观测数据—宽广到起码要同你所研究的对象的尺度相当， 那么科学 家完全有理由怀疑这种所谓的“科学”又怎么可能了解风暴的本质和规律？ 卢米斯一直倡导要大打一场轰轰烈烈的“气象观测人民战争”， 以取代 几个世纪以来没什么成就的“游击战”。在其 1842 年的报告中， 他坚定地 认为： “一个覆盖全国的规划良好的观测系统在一年之内就会有所建树， 这 远比那些孤立的气象记录要强得多， 不仅如此， 新系统还能带来更准确、 更 57

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7. 约瑟夫·亨利：搭建舞台

全面、 更连续的观测结果。 ” 所谓的“孤立的气象记录”， 是指美国陆军早在 1819 年就开始的天气 观测。陆军外科医生、 将军约瑟夫·拉维尔（Joseph Lovell）博士就曾首先开 始这种观测， 他的目的是为了探寻天气和士兵健康、 以及生理反应之间的 联系， 这些天气观测本身并不包含他对气象学的任何兴趣。可是到了 1842 年， 埃斯比被美国陆军医疗部（the Army Medical Department）录用， 他便开 始着手使用这一观测系统和记录， 用于他所感兴趣的天气研究。 在 1830 年代至 1840 年代早期， 尽管研究天气和风暴理论的人们很渴 望发展全国范围内的大型天气观测系统， 但几乎没有人切实拿出哪怕一份 具体的方案。这个国家实际上已深陷经济泥潭。在俄亥俄州的哈德逊市， 卢 米斯的工资一直被西储大学（Western Reserve College）拖欠， 因此现金严 重不足， 以至于其国内的很多商业活动都只能用以物易物的形式进行。在 安德鲁·杰克逊（Andrew Jackson）任总统时期的美国， 政客们总爱吹嘘他们 有多么“平凡”和多么“草根”， 科学的价值在整个社会中被严重低估， 至少 是非常模糊， 其中气象科学的价值尤其得不到认同。除了少数几个科学狂 人对美国风暴进行了积极的研究和思考， 基本上气象学能带给这个社会的， 也不过就是类似埃斯比所说的“他能通过放大火制造一场大雨”这类的大 话而已。 卢米斯一直坚守他最初的愿望： 吸引足够多的市民加入到他的“天气 观测的人海战术”中来， 这样“所有争论立刻就可以平息， 人们将不再嘲笑 我们的想法， 因为我们是有可能预报即将到来的风暴的。 ”但是， 在当时的 1843 年， 他确实承诺的太多了。如果没有远距离快速通讯装置， 人们怎么可 能及时发现冬季天气系统稳定地从西向东运动， 横扫整个国家？也同样没 有理由相信， 人们只通过这样一个观测网， 就能预报风暴的移动路径， 并在 风暴到来之前及时发出天气预警。 在当时的上流社会， “未来天气是可以预报的”这种观点并不流行， 甚至 从没有被严肃地讨论过。特别是在英格兰， 这种观点甚至是令人厌恶和反 感的。预报天气这种事， 还没有摆脱长期以来形成的坏名声， 甚至与占卜、 中 世纪占星术、 巫术等齐名。当时甚至有成文的法律， 明确禁止预报天气的行 为。在广袤的欧洲大陆， 在那种保守的社会氛围中， 那些所谓的学者和科学 家小心翼翼地护卫着他们所谓的科学领地。法国杰出的天文学家兼物理学

59 家弗朗索瓦·阿拉戈（Francois Arago）在 1845 年曾深刻地指出： “不论科学 已经取得了怎样的进步， 那些珍视自身声誉的受人尊重的科学家们， 从未冒 险地去预报过天气。 ” 只有在美洲大陆这片独特的土地上， 才诞生了如此众多特殊的个体， 正是他们的努力， 才使得在整片北美大陆的范围内建立大规模天气观测网 成为了可能。站在历史的角度上反思， 这一切并不应仅仅归结为一连串偶 然的事件。大量的金钱， 就像天堂的甘露， 都来自于一个充满好奇心的英国 1 人 的馈赠。并且对于气象学而言无比幸运的是， 这些钱都交到了约瑟夫· 亨利（Joseph Henry）的手里。作为那个时代最著名的美国物理学家， 他并没 有紧紧捂住钱袋子， 而是在非常关键的时候用这笔钱完成一个伟大的创举。 从实验室里走出来的伟大学者亨利， 将用他所掌握的技术力量彻底改变天 气科学的面貌。 1820 年 至 1830 年 间， 通 过 与 查 尔 斯·惠 特 斯 登 爵 士（Sir Charles Wheatstone）和迈克尔·法拉第（Michael Faraday）在英国的合作， 亨利发 现了隐藏于“电”背后的电磁理论。在位于普林斯顿的新泽西学院（College of New Jersey） ， 亨利总是兴致勃勃地给学生们演示如何使用电磁波发送电 报， 实际上这比萨谬·莫尔斯（Samuel F. Morse）真正发明电报并将其推向 市场要早了 10 年。他早先的学生， 后来在新泽西学院任教授的亨利·卡梅 伦（Henry D. Cameron）曾这样评价道： “将软铁的磁化性质利用起来， 辅以 远距离的电流传输， 成就了他伟大的科学发现。他所发明那个小仪器， 不仅 仅证明了电磁转换的可能性， 更开启了电磁型电报的时代。 ”亨利是一个心 无旁骛的科学家， 他无私地将其发现贡献给整个科学界， 而没有利用他的发 现进行任何面向实用的商业开发。1845 年， 世界上第一封实用电报成功从 华盛顿拍往巴尔的摩， 亨利立刻意识到这对于气象学意味着什么： 利用这种 全新的长距离通信方法， 人们可以完成在全国范围内建立大规模天气观测 网的目标， 而这将显著提升气象科学的基础性地位。

没有人知道究竟是什么让詹姆斯·史密斯森（James Smithson）着了迷， 让这位诺森伯兰郡（Northumberland）公爵私生子把自己的全部遗产都捐 给了一个他从未踏足的国家。这笔财富被用来在华盛顿特区建立了“史 1

这里是指史密森尼学院（Smithsonian Institution）的捐助人詹姆斯·史密斯森（James Smithson） 。

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图 7.1: 约瑟夫·亨利的肖像

61 密森尼学院（Smithsonian Institution） ”， 该学院的宗旨是“创造并传播知识 （Increase and Diffusion of Knowledge） ”。此前还从没有人见识过如此慷慨 的捐赠行为。1829 年， 史密斯森去世， 但直到 1836 年， 他的侄子、 他唯一法 定继承人也去世（未留下子嗣）后， 这笔遗产才正式生效。当时美国正处于 一次经济衰退中， 因此国会为如何处置这笔总计 50 万美元（$508,318.46） 的遗产而不断讨价还价， 拖延了整整 10 年， 直到 1846 年， 才由一个独立 的遗产继承小组接管。这个小组随后开始搜寻一名主席， 许多世界顶尖的 学者， 包括法国阿拉戈和法拉第以及英国的大卫·布鲁斯特爵士（Sir David Brewster）在内， 都纷纷写来推荐信， 推荐新泽西学院的数学和自然科学教 授亨利。布鲁斯特爵士这样写道： “本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin） 的斗篷毫无疑问落在了亨利的肩膀上。 ”这个比喻后来很有名， 常常加在亨 利头上。其实不管是富兰克林还是亨利， 他们都有共同的特点： 即对科学异 常敏感、 持开放自由的态度、 并且有很高的道德标准。作为一个从没有进过 大学接受过高等教育的人， 亨利就这样被遗产继承小组一致通过地选为史 密森尼学院首任秘书长。 气象学家们很快就知道了他们的好朋友亨利担任了史密森尼学院的新 秘书长。与富兰克林一样， 亨利一生坚持每天都花几个小时来研究电的特 征， 包括闪电， 甚至还包括大气的一些神秘性质。他从未宣称过自己是气象 学家， 尽管他掌握了很多与天气有关的知识并写了很多有关气象学的文章。 他还一直是气象学家詹姆斯·埃斯比（James Espy）的挚友， 并且他一直保持 着对头顶上变幻莫测的天气现象的浓厚兴趣和进行业余观测的习惯。 在亨利早年的事业中， 亨利曾经亲身参与并非常熟悉美国第一个小规 模的、 由志愿者组成的天气观测网。1825 年， 纽约州法院让纽约州立大学 的继任者负责组建覆盖全州的天气观测系统。两年之后， 亨利作为阿尔巴 尼学院（Albany Academy）年轻的数学和物理教授， 被征召去整理数据。整 整五年， 亨利专心致志地在学院里整理着海量的数据， 他小心翼翼地将观测 数据制表， 并每年公开发布数据报告， 将有用的观测信息提供给除天气研究 之外的气候学者。 埃斯比在位于费城的富兰克林学院（Franklin Institute）的气象学委员 会的支持下， 为宾夕法尼亚州也做了类似的事。1837 年， 宾州法院拨款 4000 美元用于购置志愿者观测网络所需的仪器。但不幸的是， 由于州内各

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郡行政当局的冲突， 本该各个郡完成的观测和志愿者组织都出了问题， 使得 这个支离破碎的观测网在 10 年之后就无法正常、 连续运行了。 埃利阿斯·卢米斯（Elias Loomis）也曾经试图说服俄亥俄州的立法院， 从财政上支持在本州内组建天气观测网， 但最终没能成行。 亨利接手史密森尼学院后， 首先希望做一件大事， 即建立全国范围内的 气象观测网。亨利采纳了埃斯比和卢米斯的建议， 以卢米斯于 1842 年曾展 示给美国哲学学会（American Philosophical Society）的一项远景规划为基 础。 “美利坚合众国最适合发展这一伟大的事业， ”卢米斯曾写道， “只覆盖 一小片区域的观测网是远远不够的， 它不能展示大型风暴的全貌。如果我 们放眼全球， 就会发现想找一块和北美一样的大陆， 有着如此众多可以信赖 的业余观测者的大陆， 是多么的困难。在欧洲， 他们也许有机会发展类似的 观测网组织， 但事实上他们困难重重， 因为他们包含太多面积不大的小国， 而且各个国家又说着不同的语言， 这严重影响了他们建立统一观测网的效 率。而美国， 毫无疑问， 提供了最有希望的土壤， 我们应该开展这项伟大的事 业。 ”卢米斯所展示的民族自豪感肯定深深吸引了亨利和其他遗产继承小 组的成员， 因为他们也正渴望快速建立起这个新兴的国家级科学院的学术 声誉。卢米斯这样总结美国的独特优势： “相比于欧洲， 我们这个国家几乎 没有什么科学上发展的障碍， 这是我们的巨大优势所在。难道我们不应该 明智地毕其功于一役吗？难道我们不应该集中所有力量攻克眼前这个堡垒 吗？” 卢米斯与亨利几乎同时意识到刚刚诞生的电报系统对于气象观测具有 巨大的潜在价值。卢米斯在给亨利的一封信中这样写道： “当电报可以从纽 约市发到新奥尔良或圣路易斯， 这种新东西所带来的能力扩展就远远超过 了它本身的商业价值。 ” 1847 年， 亨利向史密森尼学院遗产继承小组汇报： 美国科学界已在气 象学方面取得长足进步， 这远远超过了其它物理科学方面的进步。他这样 说道： “很多重要技术的更新换代已经到来， 并已被理论所证明， 它们将使我 们能以科学的精度进行观测， 而且几乎不会失败， 我们必将会获得很多新 的、 有意义的结果。我建议组建一个气象观测系统， 覆盖北美大陆， 直至最远 的地方。 ”对于组建这样一个网络， 这个时候是“特别有希望的”， 他如是说， 因为“美国的国民已经广泛分布到北美大陆的各个地方， 特别是南边和西

63 边。这个电报观测系统的不断延伸， 将大大有利于北边和东边的观测者了 解风暴在到达当地之前的情况。 ” 史密森尼学院为此启动了两项气象科学计划。第一项计划是邮寄计 划， 覆盖全国的观测志愿者们每天要记录自己当地的天气状况， 然后每个月 将这些逐日的气象记录一起邮寄到位于华盛顿特区的学院秘书处， 在那里 这些记录会被重新整理、 制表， 并每年结集出版， 供研究人员自由使用。在短 短几年中， 这套系统就吸纳了来自全国各地的将近 600 名普通的业余观测 者， 这大大提升了史密森尼学院在公众心中的知名度， 并大大促进了公众对 气象科学的关注和兴趣。成为一名“史密森尼观测者”一时成为流行于城 市间的荣誉和时尚。这一套由志愿者记录的观测数据后来被气象学者使用 了很多年。 第二项计划相对规模较小， 但被证明有更大的知名度， 而且第二项计 划快速改变了美国政府对于气象学的社会价值的印象。1849 年， 亨利启动 了这项只包括 20 个电报发报员在内的、 覆盖全国的电报网络。这些电报 站的电报员每天要定时发报， 电报内容是在“握手”信号之后要简要描述 当地的天气实况。到 1850 年， 在史密森尼学院大厅的墙上， 一张硕大的美 国地图显示了全国各地实时传来的天气实况。通过简单的符号和不同颜 色的灯光， 就标明了哪里在下雨或下雪， 哪里是晴天。他们甚至还在图上标 注了冬季冷气团向东的移动路径。这张大地图板成为到史密森尼学院参 观的人们最喜欢的展览品。通过它， 人们可以“看到”远在异地的亲朋好友 正在经历怎样的天气。偶尔人们会看到， 亨利就站在这面地图前， 向大家介 绍天气的基本原理和风暴的移动。公众对气象学的兴趣因此而与日俱增。 后来亨利还把史密森尼学院大厅中的这张地图的拷贝转发给《华盛顿晚星 （Washington Evening Star） 》报用于每日出版。每当他在图上确切地看到风 暴移动到辛辛那提时， 他就非常有信心地在《华盛顿晚星》报上发布“今晚 史密森尼学院的公共讲座将因下雨而取消”的通告。 后来， 美国南北战争（The Civil War）极大地破坏了史密森尼学院所建 立起来的天气观测网。1865 年， 一场灾难性的大火烧毁了史密森尼学院 的建筑， 为了恢复其华丽的建筑结构， 学院花费了大量金钱， 这严重制约 了学院重建气象观测网的能力。但是尽管如此， 史密森尼学院仍然尽可 能地践行它最初的目标： 推动气象科学， 并生动地“传播知识（Diffusion of

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Knowledge） ”， 以至于美国联邦政府终于在 1871 年创建了国家级的“国家 天气服务（National Weather Service） ”。

后来的克里夫兰·阿比（Cleveland Abbe） ， 作为第一任首席科学家， 为 新的“国家天气服务”工作长达 45 年之久， 他对亨利在气象科学发展中的 重要作用赞赏有嘉： “尽管我们国家可以自吹有一大批杰出的气象学家， 他 们的工作大大促进了我们对大气运动规律的认识， 但恐怕没人敢说比亨利 对我们这个分支学科的贡献更大。 ”阿比还说， “毫无疑问， 亨利最重要的贡 献， 就是他为天气观测和预报服务安装了电报网络。 ” 亨利作为史密森尼学院秘书长， 一直工作到他生命的尽头。晚年的亨 利深受肾炎的折磨， 在他 80 岁的时候， 在其挚爱的亲人和深感痛苦的朋友 的陪伴下， 亨利于 1878 年 5 月 13 日走完了自己的一生。在他去世前所说 的几句话中， 他仍然询问了当时的天气， 以及询问了窗外的风从什么方向吹 来。亨利的葬礼盛况空前， 很多市民都前来吊唁， 仿佛为国家领袖举行国葬 一样。

Storm Watcher 8 马修·莫里 有争议的风暴 美国海军的马修·莫里（Matthew Fontaine Maury）中尉曾构思并实践 了一个非常伟大但又简单的想法： 收集穿越海洋船只的航海日志， 把上面记 录的洋流和风向的观测数据画在图上， 然后把这些图表印刷出版并分发给 那些之前提供航海日志的船员们。这些关于风和洋流的图表是第一个关于 每年不同时段平均起来的穿越海洋最佳路径和其周边环境的系统化信息。 船长们第一次享受到了他们分享经验带来的好处。这些图表对于在海上减 少航程、 节省支出和安全航行都非常有用， 它们为莫里带来了国际声望。许 多人认为这次航运业的巨大发展归功于伟大的科学工作， 所以， 他们把莫里 看作是一名伟大的科学家。莫里是他们给予如此高评价的第一人。 这位对 19 世纪航运业作出如此大贡献的人一时间受到很多人的敬仰， 并在政治上颇受关注， 但是他从没能说服同时代的美国主流科学家们认同 他是他们中的一员。其他学科的科学家因为气象学的统治地位， 也来抵制 他。对像亚力山大·贝奇（Alexander Dallas Bache）和约瑟夫·亨利（Joseph Henry）这样的人来说莫里无论在理论方面还是实践方面都称不上是一名 科学家。从任何方面来说， 他都是一个视野开阔并且非常有激情和野心的 军人。即使他不是一位科学观测家或者理论家， 他仍是一位多产的作家以 65

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8. 马修·莫里：有争议的风暴

及在许多学科都很著名的公众演说家。他写的东西都是引用其他人的科学 工作， 但是因为他不愿承认这一点， 这使他在科学界臭名昭著。他发表的文 章上只会写莫里这一个名字（而不会加入其他贡献者的名字） 。 尽管如此， 他还是造成了一个有趣的文化争议。到目前为止， 这些关于 莫里的不同甚至相反的评价仍然存在。大部分对莫里持不批评观点的人文 方面的历史学家和学者把他形容为一个科学家， 甚至是一个科学大家、 海洋 科学的奠基人。对历史学家伯纳德·渥托（Bernard de Voto）来说， 他一百年 以后形容莫里是他所在时代“宇宙的巨人”、 或者整个国家最重要的科学家。 莫里著名的书籍， 出版于 1855 年的《海洋地理学》 ， 经常被认为是海洋科学 领域的基础教科书， 特别是对于还没有读过它的人来说。 《海洋地理学》并不是一部传统意义上关于海洋和大气现象的科学教 科书， 书中充满了抒情的描写， 莫里还慷慨地把圣经加入到它的引文中。书 中的很多结论都不太可信， 并且甚至在它们被写进书中的时候就已经过时 了。而事实上， 除了莫里自己在他学术生涯的末期作为弗吉尼亚军事学院 的教授时曾使用过它， 《海洋地理学》从没被其他任何人当作教科书来使用。 于是， 到现在， 大部分海洋和气象的科学家都不把莫里当成是他们学科的奠 基人。对于法国物理学家马赛尔－路易斯·布里渊（Marcel-Louis Brillouin） 来说， 他在世纪之交时曾写道， 《海洋地理学》已经可以被称为一件稀奇的 工艺品。 “每次， 当他虔诚的乐观主义在那些文字华丽的段落迸发出来的时 候， 它们似乎更像是一种幼稚的鼓舞， 而非优美的文学形式。 ”这个法国人写 道。 “关于他作为作家的质量， 如果说他没有科学家的思想， 那他也是一个实 干家。 ”和其他科学家一样， 布里渊把莫里对航海图表的巨大贡献和他的气 象思维严格的区分开来。 “无论莫里的观点考虑了什么关于大气环流的知 识， 他的这一成就仅仅是观测资料累积的直接结果， 这种当时造成的假象后 来已经被纠正。 ”当莫里受到公众关注的时候， 他的工作一直都不是科学家 们认真研究的主题。他的名字从来没有出现在他们的著作中。 莫里 1806 年出生于弗吉尼亚的弗雷德里克斯堡， 在田纳西被抚养长 大并在当地条件艰苦的乡村学校受教育。他于 1825 年加入海军并成为见 习军官。他在海上渡过了 9 年时光， 第一次登上白兰地号是在这艘军舰送 美国革命战争英雄马奎斯·拉法耶特（Marquis de Lafayette）完成在美国的 胜利巡游回法国的时候。随后莫里在温森斯号渡过了 4 年的环游世界的时

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图 8.1: 马修·莫里的肖像

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光， 接着他加入了一个美国南太平洋长期巡逻团队。这些航行中， 海军军官 缺乏航海工具的现状使他印象深刻。1834 年， 他写了一本关于海洋航行的 书， 这本书后来成为了一本海军标准教科书。1839 年一场驿站马车事故使 他的右腿永久性瘫痪， 从而终结了他的海洋任务生涯。这次受伤使得他在 1842 年被任命为华盛顿海军图表仪器库的主管， 在那里， 他启动了他伟大 的图表计划。但是雄心勃勃的莫里的脑海中所有的不仅仅是水文学。 尽管莫里在天文学方面没有经过任何训练和实践， 他却在 1844 年被 来自弗吉尼亚的海军部长约翰·梅森（John Mason）认为是全国担任海军天 文台主管的最佳人选。梅森有可能是想选择一名海军军官而不是一名更有 能力的民间科学家， 因为海军中有许多可供选择的天文学家和具有更强科 学素养的军官。这次任命， 伴随着莫里对自己和他领导的机构的强大的自 信， 带着他进入到与 18 世纪 60 年代美国主流科学家， 特别是以贝奇为核心 的集团的逐步升级的争论和竞争中。物理学家亨利， 哈佛大学的本杰明·皮 尔士（Benjamin Peirce）——当时一流的数学家， 和瑞士出生的伟大的地质 学家路易斯·阿加西（Louis Agassiz）都是一个名为流浪者（Lazzaroni）的组 织的成员， 流浪者得名于对那不勒斯的乞丐的暗语称呼。他们是世纪之交 出现的那一代大学教育培养出的科学家的领导人物， 他们的出现提高了美 国科学家的专业水平和国家整体的科研水平。对这些科学家来说， 特别是 华盛顿的亨利和贝奇， 莫里是他们中间的鼓吹者， 他最多也就会用他的政治 实力吓吓人。 前议长约翰·亚当斯（John Adams）是众议院中少有的对科学感兴趣的 成员。他所在的华盛顿的政治家们， 对那些在企业中想为他们的项目申请 联邦资助的发明家、 工程师、 甚至是伪科学家来说， 是最容易捕获的猎物。当 时， 人们正在为了证实两极地区通往地球内部的洞穴入口的存在性而组建 探险队。埃斯比也正在推出他关于西部放火东部降雨的理论。早在 1838 年， 亨利就写信给当时在欧洲旅游的贝奇提到关于“最让人厌恶的欺骗行 为”导致参议院委员会在海军事务方面发表了一个十分荒唐而幼稚的关于 地磁场的论断的声明。亨利把那份被称之为“值得社会认可和国会赞助的 声明”叫做“这个国家的耻辱”， 并主张类似的声明在官方公布前应该经过 科学家们的检验。 “我经常思考你们经常发表的一些论断， 我认为我们必须 把欺骗消灭， 否则欺骗将会把我们的科学消灭， ”亨利写道。

69 对亨利和贝奇来说， 莫里甚至是一个更直接的威胁。时任美国海岸与 大地测量局主管的贝奇一直害怕海军将会利用一些伎俩让财务部把他的这 一民间机构控制起来， 并使它成为莫里的海道测量机构的一部分。在莫里 的指使下， 海军几乎要在 1851 年成功了。在这个事件的背后， 贝奇和莫里 曾为争夺大西洋沿岸和公海上的项目的控制权进行了各种斗争。在国家的 首都， 他们依靠一些权利经纪人， 用军事规定和民用规定来控制美国科学界 以此获得联邦政府的财政支持。 在莫里提出航海图的同时， 他提议扩充一本前所未有的航海指南， 这 体现了他对于科学事件的超凡脱俗的见解。然而， 读到这些记载的人却没 有看到其他人的贡献： 比如海洋测量局测量海岸线的工作、 史密森尼学会 发起的气象学研究等等。作为富兰克林的曾孙， 贝奇为莫里拿他著名的曾 祖父的研究来肆无忌惮地证明自己关于湾流成因的理解而倍感煎熬。同 时代的科学家们没看到莫里关于大洋环流的解释有什么进展， 除了还需要 更多研究外别无他物， 而后来的海洋学家更是对他的工作毫不在意。对二 十世纪著名的尤其以湾流的研究见长的海洋学家亨利·斯托梅尔（Henry Stommel）来说， 莫里“对流体力学的概念非常混乱不清， 即使那门科学在他 那个年代其实已经非常先进了”。 到 1851 年为止， 在莫里所研究的科学领域中几乎没有能够称为莫里 自己的东西。此外， 许多从莫里那里领取观测薪金的人也没有完成任何值 得用他们的名字写出来的东西。当民间科学家西尔斯·沃克（Sears Walker） 在进行了简单的工作之后退出莫里的气象台， 并且带着他的研究成果发表 在史密森尼学会的时候， 莫里暴跳如雷， 要求他重回气象台。 （沃克离开去为 贝奇工作了。 ）所以， 莫里曾经一度一个人撰写《关于克莱奥的各种光》 ， 还有 接下来的《关于磁场和大气环流的可能关系》 。在 1851 年 8 月， 当贝奇在纽 约奥尔巴尼出任美国科学促进会主席的时候， 他毫不掩饰地希望用某些冒 牌的人的野心来警告他的同事们， “现在， 我们真正的危险来自于那些乔装 打扮了的诈骗行为， 或者说， 那些在科学的一个分支中取得了某些进展却想 以此来主宰其他学科的行为。 ” 直到 1851 年， 莫里已经渐渐远离他原本作为一名海军探险家的专业 领域而继续扩展着他的势力范围。当史密森尼学会已经在不断的收集并展 示着来自于其不断成长壮大的全国志愿气象观测网的气象观测资料的时

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8. 马修·莫里：有争议的风暴

候， 莫里正在将他对乡村和海上的天气科学的管理权公诸于众。在那些“古 老宝藏”的帮助下， 莫里能解释一切也只是时间问题。除了雄心壮志以外没 有任何实质性的东西作为依据， 这位海军军官已经开始对农民们许诺， 正如 他在海上商业和航海领域所取得的成就一样， 他也能够对农业完成同样的 事情。 当英国皇家的工程师们询问美国是否有兴趣发展一个联合陆基气象观 测系统时， 莫里已经有了一个更加宏大的想法。即便当时在美国还没有一 个气象观测的统一协议， 莫里已经开始推动一个关于全球联合的整个世界 范围的统一的陆地和海洋上的气象观测系统的想法。他呼吁召开一个国际 会议来确定一套标准的天气预报系统， 却没有得到美国和欧洲主流科学家 们的支持。结果， 1853 年在布鲁塞尔召开的关于海洋气象学的国际会议缩 小了规模， 目的改为规范海军舰艇上的气象观测。会议主持人比利时数学 家、 天文学家阿道夫·凯特莱（Adolphe Quételet）缺席， 与会者不是科学家而 是海军军官。 回到美国， 莫里很快开始投入撰写《海洋地理学》 。写这本书的原因不 是因为莫里渴望指导海员， 而是因为他的出版商警告他说， 与他的图表一 起出版的其他著作将不受著作权的保护。那本书读起来就给人一种作者 是在仓促中写出来的感觉。华丽的辩论式的风格和频繁的引用《圣经》中 的话， 让这一本书读起来像一个南方牧师的每日布道。此外， 其诗歌式的 夸张手法吸引了许多没有识别能力的读者。尽管缺少科学意义， 这本书自 1855 年面世以来， 出版了好几个版本并在美国和英国持续印刷达 20 年之 久。 “当莫里的动力学理论站不住脚时， 他引入了假设的电场力和磁场力， ” 奈培爵士后来在 1924 年发现。现代批评家， 哈佛大学学者约翰·莱利（John Leighly）提到这本书时说“从来没有得到那些同时代的最有评价权利的科 学家们的赞成… …不能被当作 19 世纪 50 年代最优秀的科学思想的代 表。 ”此外， 莱利在 1963 年写道， “如果这本书没有被写出来， 把物理理论应 用到海洋和大气中的历史也几乎不会有什么改变。 ” 与此同时， 莫里还在加倍实施着他掌管整个美国陆上气象的计划。不 久， 他便慢慢不再提起和亨利合作的事情。1856 年 1 月 1 日， 当莫里在史 密森尼学会向美国农业协会讲话时， 权力终于被他掌握。莫里当时正在极 力推动一项关于在他的计划和指导下拨出 20000 美元以支持一套陆基气

71 象观测系统的法案的通过。在听众中的亨利已经在报纸上得知了这项陆基 气象计划。 莫里说， 一个时代已经到来， “陆上观测对我们得以认识这些控制巨大 的大气机器运动的法则意义重大。在海洋中， 我们已经有了规矩， 而在大气 中， 我们寻找着特例。我们想看到一块布满观测点的陆地， 这些观测点在某 些统一的计划指导下， 并被截然不同的国内外气象学家们所一致认同。 ”但 是， 正如莫里所料想的一样， 随着这项计划的发展， 其面临的问题是大部分 国内外的迥然不同的科学家是否能够喜欢它。 亨利站出来， 表达了对莫里航行图表的贡献的赞许， 他参加会议的记录 中写道：

亨利先生说道， 即使非常重要， 但是， 其本身却很简单， 不包含 任何伟大的科学成就， 确实也不需要因为农业的目的而把应用 于海洋气候系统的具体技术移用到陆地上来。二者的方法和对 象都是截然不同的。后者的问题更复杂， 为了设计一个合适的 系统， 这个课题应该交给一个由国内对气象学极为关注， 并对农 业问题也有研究的科学人员构成的委员会来完成。

亨利曾提出过一种尖锐地讽刺性的社会上两种人之间的差别， 这使他 树敌无数。他自己所作的所有的事情都是以史密森学尼会的名义， 根据约 翰·史密森（John Smithson）的遗志， “而正好相反， 莫里中尉所做的所有事 情都是以他自己的名义， 尽管花着政府的钱。 ”这样他们之间的矛盾就众所 周知了。通过调查， 史密森的出生的不合法性浮出水面。莫里和他的同盟者 们起先在 1856 年的会议上取得了胜利， 而亨利和他的同盟者们则在国会 中胜出， 并且他们在 1857 年最终看到该议案被驳回了。随后， 莫里便离开 家开始在 25 座城市进行巡回演讲， 希望为他的陆基气象观测计划赢得公众 的支持。但是， 他在这个学科中的影响因为 1861 年内战的爆发戛然而止， 当时， 他辞去了在天文台的职位， 而加入到了联邦1 中去。 1

美国内战的参战双方为美利坚合众国（简称联邦）和美利坚联盟国（简称邦联） 。美利坚 合众国为北方阵营， 美利坚联盟国为南方阵营， 也就是说莫里加入到了北方阵营中， 北方阵 营最终取得了战争的胜利。

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8. 马修·莫里：有争议的风暴

1861 年， 在战事的中心地带， 《华盛顿星报》上的一篇文章说莫里在首 都失宠了。 “骗子莫里再次出现， ”报纸这样记载道， 当时人们说莫里正在发 明用来保护南方港口的潜水艇电池。 “在华盛顿， 莫里如此的受欢迎， 以至于 他自己的那些发明似乎都不太受到关注。当具有资格的专业人士评价并描 述他所做的工作时， 他的那些世界历史上最著名、 最成功的厚颜无耻的骗子 行径便将公之于众。 ”

作为这个国家的名人， 莫里可能是反面的人物， 但是这个国家也不可 能因为人们夸大自己的气象学知识就灭亡。莫里自称“合格的应用气象学 家”， 在内战中他作为一个具有进取心的公民而获得与总统林肯见面的机 会， 他当时声称自己预报天气的能力可以拯救成千上万的生命并为政府节 省下千万美元的开支。莫里还说过类似的话， 他一生下来就应该是一名北 方人而非南方人。但是弗朗西斯·卡彭（Frances Capen）却犯了一个莫里永 远不可能承认的错误。卡彭为了让总统对气象学在战争中的价值留下印 象， 为总统预报了一次天气， 但是其结果却使他总统顾问的事业还没开始 就已经划上了句号。根据 1863 年林肯写给天气历史学家小大卫·勒德伦 （David Ludlum）的信中记载： “卡彭先生似乎对预报天气一无所知， 他三天 前告诉我说直到 4 月 30 号或 5 月 1 号之前的这段时间不会再下雨。但是 现在正在下雨并且已经下了 10 个小时了。我不能再在卡彭先生身上浪费 时间了。 ”

Storm Watcher 9 威廉·费雷尔 害羞的天才 如果说 19 世纪气象学家中有一个真正聪明的伟人， 一个有能力并愿 意把自己的科学天赋贡献给气象学问题的人， 一个能够用全新的方式描述 空气运动从而把整个气象学抬升到新的高度的人， 一个气象学上牛顿或开 普勒式的人物， 那么他肯定是这个美国的男孩， 这个边拿着草耙边学物理 的男孩， 这个在谷仓的软杨木上刻几何学图形的男孩。他就是威廉·费雷尔 （William Ferrel） 。尽管伟大的天文学家和物理学家们会时不时地研究一些 大气问题， 在各处留下一点开拓和进展然后返回他们主要的研究方向， 但是 费雷尔是第一个持久地专注于气象学的天才。 不幸的是， 这个爱尔兰籍的美国人出身贫寒， 穷困的农村环境使得他接 受的科学教育非常缓慢不均衡， 也使得最终对他工作的重要性的认可， 来得 特别晚。同时期的人形容他是“极端内向”， 而且完全不关心个人职位。尽 管这些谦逊的特点可能让他在同事间很受喜欢， 但也很可能造成他身份低 微、 成名太晚。于是气象学史上最重要的文章之一， 是由一名不知名的田纳 西州教师所写， 最先发表在在 1856 年的《纳什维尔医学和外科学报》上。 费雷尔对大气环流划时代的解释， 最先写在《关于风和洋流》上， 之后 做了更多数学上的发展， 写成《流体和固体相对地球表面的运动》 ， 分别于 73

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9. 威廉·费雷尔：害羞的天才

1859 年和 1860 年在《朗克尔数学周报》杂志上连载发表。 “就算他以后什 么都不写， 光这两篇文章， 一旦被发现就能保证他今后名声大噪。 ”他的朋 友， 波士顿的弗兰克·沃尔多（Frank Waldo）教授写道， 沃尔多也写过一篇气 象学上早期有影响力的文章。但不管是《纳什维尔医学和外科学报》还是 《朗克尔数学周报》 ， 都不太可能在气象学家中广为人知， 于是这些论文在 19 世纪下半叶， 在美国、 欧洲特别是英国的传播非常缓慢。但费雷尔的文章 在那群能读懂的人中迅速产生了深远的影响。美国杰出的气象学家克里夫 兰·阿比（Cleveland Abbe）从没有忘记那次经历。 “我一看到这些文章就确 信， 复杂的大气力学终于有了一个成功的突破， 所有的事情都会从根本上得 到解决， ”他写到。 “我总是说， 那篇研究报告对气象学的意义就和《自然哲 学的数学原理》对天文学的意义一样。 ”这个暗示并没有看起来那么夸张， 费雷尔确实是如皮埃尔－西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）和艾萨克· 牛顿（Isaac Newton）般的科学巨匠。阿比称这是“智慧的继承”。

如费雷尔自己所说， 他“出身卑微”， 1817 年生于宾夕法尼亚州中南部 的边远地区， 他是家中的长子， 后面还有五个弟弟两个妹妹。他的父亲本杰 明（Benjamin）有段时间做木材生意， 对锯木厂很有兴趣。费雷尔后来回忆 他当时上学的农村学校是“很差的学校， 老师们大多只会教读、 写， 和一部分 算术。我进步很快， 于是因得到最佳奖学金而在邻居中小有名气。 ”费雷尔 12 岁时， 他父亲在弗吉尼亚州的伯克利买了一个农场， 现在属于西弗吉尼 亚州的一部分。1829 年春， 他们搬家到那儿， 但这丝毫没有改善他的教育条 件。 “我现在一天到晚都在农场工作， 但是我有两个冬天去上了学， 完成了普 通中学教育， ”他写到。 “校舍算是那个时候在农村的平均条件， 做工粗燥的 小木屋， 墙上糊了白纸， 没有玻璃窗。 ”放学后除了农活就是农活， “没有什么 可以学习的东西吸引我， 也没有什么能阅读， ”除了一张新闻周报。有一次 他偶然看见一本高等算数课本， 他就带着在附近农场帮工赚的第一个 50 美 分， 跑到马丁斯堡去买这本书。在闪烁的火光和烛光中， 他很快学会了这个， 他智慧的火花就被这个简明概述和几张几何测量图点燃了。 1832 年 7 月 29 日早上， 费雷尔在去农场的路上亲眼目睹了日食。 “这 让我非常兴奋， 也让我陷入思考， ”他写到， “以前我从没有读到或想到过和 天文学有关的领域， 但也或多或少知道日食是月亮经过太阳和地球中间形 成的， 月食是月亮经过地球的阴影形成的。 ”仅仅靠日历和一本初级地理书，

75 15 岁的费雷尔开始着手建立自己的太阳年历， 精确地预测日食和月食的时 间。他记得， “我没日没夜地投入这个研究， 花了很多时间。 ”他的工作最终 于 1843 年完成了。在接下来的一年里， 他准确预言了一次日食和两次月 食； 后来他记录“最大的预言误差仅仅 9 分钟”。

那个时候农场和农村都很穷， 费雷尔家又是个大家庭。几乎所有费雷 尔想要的东西， 都得靠借或者用物品交换。1834 年 2 月， 他去马丁斯堡寻 找关于三角法的专著， 却带回来一本他更想要的测量学课本。 “那个夏天， 我 花了大部分时间在打谷场忙碌， 打谷场两头的门都是宽大而柔软的白杨木 板， ”他写到， “我用草耙的耙子在木板上刻图。 ”25 年后， 这些门上的图表仍 然清晰看见， 他说， “偶尔回老家的时候， 我总会去看看那些图。 ”在 1835 年 至 1836 年的冬季， 他骑了两天的车去马里兰州黑格斯敦弄一份《普莱费尔 几何学》的副本。1839 年， 他终于用教学赚到的钱， 报名进入了宾夕法尼亚 州默瑟斯堡的一所大学， 在那儿他第一次接触到了代数学。但他完成学业 之前， 他所有的钱都花光了。直到 1844 年 7 月， 他 27 岁时得到了父亲的资 助， 才从弗吉尼亚的贝森尼学院毕业。 费雷尔在密苏里州的利伯蒂教书， 他碰巧在那儿的乡村书店看到了一 本牛顿《自然哲学的数学原理》的副本。他回忆到， 那时研究这本书， “我现 在最感兴趣的是潮汐， 并且有一个这样的想法： 月球和太阳对潮汐的引力， 一定会对地球绕自身轴的旋转产生阻碍作用。 ”后来他又得到了一本拉普 拉斯五卷《天体力学》的翻译本， 更深入地研究了这个问题。这就是阿比所 说的智慧的继承： 从牛顿到拉普拉斯， 直接引导出费雷尔的第一篇科学论 文， 在他 1853 年 35 岁时发表在《古尔德天文学报》上。 《关于太阳和月亮对 地球旋转运动的影响》是第一个指出在拉普拉斯描述的潮汐对地球旋转的 摩擦效应模型中， 存在数学家称为“二阶精度”的误差。 在田纳西州那什维尔地区的书店里， 也就是他当时教书的地方， 费雷 尔看到了一本马修·莫里（Matthew F. Maury）的《海洋地理学》 ， 他读后发现 书中很多重要观点都存在科学上的错误。 “这第一次把我的注意力引向气 象学。 ”费雷尔回忆到。正如杰出的哈佛大学科学家威廉·戴维斯（William Morris Davis）后来评论道， “我们几乎有理由感谢莫里把自己的理论以如 此不可信的方式呈现出来。 ”甚至后来还有人评论说莫里对气象学最大的 贡献就是把费雷尔引到气象学里来。费雷尔告诉他的一个朋友， 《纳什维尔

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图 9.1: 威廉·费雷尔的肖像照片

77 医学和外科学报》的出版商威廉·鲍林（William K. Bowling）博士， “我有很 多地方不赞同莫里的观点， ”尽管他谢绝了鲍林让他写一篇关于这本书的 评论文章的邀请。费雷尔憎恶这类论战， 但莫里或詹姆斯·埃斯比（James P. Espy）这些人却很热衷论战。相反， 作为邀请的回复， 他写了他第一篇气象学 上的论文《关于风和洋流》 ， 这个著名的工作中仅仅附带地提到莫里的观点。 第一次， 在费雷尔的手上， 对全球风和洋流行为的描述中， 终于把地球 旋转造成的偏转力放在了恰当的基础性的地位。自从 1686 年埃德蒙多·哈 雷（Edmond Halley）和 1735 年乔治·哈德利（George Hadley）研究信风以 来， 大气环流的课题还从未被如此细心地考虑过。费雷尔给出了大气的运 动方式和形状——在中纬度大约 35 度处凸出来， 因为在那儿地球的旋转使 得上层向极地吹的风偏向东， 靠近地面的赤道信风偏向西。依据这个工作 以及之后几年对这个课题更严格的处理， 费雷尔和拉普拉斯一起成为地球 物理流体动力学的创立者之一， 这是一门严谨的交叉学科， 是现代地球科学 的前身。 在这个农村男孩的手上， 美国的“风暴论战”终于得以结束。 “在那些日 子里， 很需要深入的研究和对学科敏锐的洞察力， 以及独立的思想才能不变 成莫里派或埃斯比派或瑞德菲尔德派， 更不必说费城（美国宾夕法尼亚州东 南部港市）的黑尔（Hare）先生， 或柏林的统计学家达夫（Dove） ， ”阿比后来 写道。 “恰恰只有费雷尔有这般头脑， 从那什维尔俯瞰这个气象学论战， 摒弃 舌战， 坚持逻辑和理性。 ” 当然， 威廉·瑞德菲尔德（William C. Redfield）对于飓风和其他大多数 风暴周围风的旋转运动的认识是几乎正确的， 而埃斯比关于风从四面八方 径直吹向中心的看法是错误的。但费雷尔仍然摒弃了瑞德菲尔德关于旋转 是“气流的特质”的解释， 或者莫里关于“可能和空气的磁性有关”的提议。 费雷尔的大气环流模型不仅仅解释了大风暴的螺旋形是地球旋转效应的结 果， 而且还强调地球旋转效应是本质所在。费雷尔写到， 另一方面， 埃斯比关 于这些风暴能量来源的看法是正确的。飓风， “和所有普通的风暴， 一定是 在一种持续作用的力下发展起来， 强度逐渐增大， 而当这些力减弱时， 摩擦 使得大气归于平静， ”他写道， “这个力可能是由飓风中心上升气流中的水汽 凝结提供的， 与埃斯比教授的风暴与降水理论一致。 ” 1857 年， 费雷尔收到了加入《美国星历表和航海年鉴》员工的邀请， 《年

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鉴》是麻萨诸塞州剑桥地区美国海军天文台的年度出版物。费雷尔从那什 维尔的教师变成了新英格兰的科学家。过了 25 年农场生活， 近 15 年的文 法学校教师后， 费雷尔终于开始了他从各方面看来都注定从事的职业生涯。 39 岁的费雷尔终于找到了他的使命。更准确地说， 是他的使命找到了他。 他从没要求什么职位， 而且他的很多重要文章并非出自他自己的表达冲动， 而是出自朋友的敦促。直到 1886 年 69 岁的他退休时， 他把一生献给了科 学， 研究潮汐机制和气象学， 不断充实他 1856 年第一次提出的大气和海洋 的行星尺度运动。 费雷尔的科学论文， 即使是不带任何方程的“流行”处理， 都与这个学 科的其他人不一样。正如同事亚历山大·麦卡笛（Alexander McAdie）说的， 费雷尔“创造了一门科学， 把气象学从观察、 描述以及唯象的一般定律， 上升 到用精确的数学方法来讨论的严格层次。 ”他是个杰出的理论推导家。阿比 写到： 我们这位同事的许多文章， 都是能够成功解决迄今我们所能 考虑的范畴内的问题的。他是如此全面地检验了他所在领域的 研究， 如此精确地把重要的力从自然中众多不重要的力中选择 出来， 他公式化表达出的每一个结果都前进了一大步， 在未来许 多年里不必重新处理。在研究像海洋和大气运动这样的复杂现 象时， 我们必须考虑 8 到 10 个变量， 其中任何一个都可能偶尔 变成主要因素。也许在某个遥远的时代以后， 人们能找到同时 表达所有这些因素的方程组的通解， 但现在我们连方程组都无 法写成， 更不说求解它们了。 没有任何记录表明费雷尔曾花过时间看温度计或气压计， 或是亲自 做些其他大气观测。 “他似乎并没有完全忽略这些外部因素， ”戴维斯写 到， “但他很赞成对气象学恰当的理解必须基于比任何人做的都更广泛的观 测。 ”而他所依据的是别人的数据， 如埃里阿斯·卢米斯（Elias Loomis）一丝 不苟的风暴研究， 詹姆斯·科芬（James Coffin）编制的全球风场观测， 和莫里 的《海洋地理学》中包含的气压记录。 费雷尔不是一个伟大的数学家， 但他， 像牛顿一样， 已经足够优秀。戴维 斯称费雷尔在气象学上的观点是“精彩的原创”， 远比他对它们的数学处理

79 重要得多。 “也许是因为太多数学形式上的注重， 而对想法本身相对忽略， 使 得整个英国数学界和气象学界受到费雷尔建议的影响很少， ”戴维斯 1891 年写到， “在那个保守的国家中， 他的定律仍然没有影响气象科学。 ” 那些年英国气象学的状况如果不说是可耻的话， 至少很讽刺。守旧的 老一辈统治着当时的科学社会。借用一个历史学家的话说， 掌舵的人死也 不撒手。英国数学家和科学家曾一度说教般地指责作为预报员先驱的罗伯 特·费茨罗伊（Robert FitzRoy）的应用型、 经验主义的工作， 可他们自己却彻 底忽视 19 世纪气象学上最重要的理论工作。很多年以来， 英国气象学家重 复着古老的、 早就被证明是错误的理论。 费雷尔自己似乎对这些事漠不关心。 “在费雷尔的日常生活中， 似乎所 有认识他的人都知道他太孤立了， 他自己明白这一点， ”阿比写到他的老朋 友， “他总是全神贯注地想问题， 因此必须和他自己的思维独处， 甚至从孩童 时候起他就忽视了他社会交往方面的发展。 ”他从没结过婚， 从来没放下那 痛苦的羞涩， 如阿比所描述的， 和他一起生活的朋友就是“他知道如果他想 解决海洋与大气的问题， 就必须不能违反的系统性规律。 ”与他熟悉的人在 客厅交谈几分钟， 是他需要的所有社交活动， 和所有他确实觉得舒服的事 情。费雷尔写到， “在我的主要性格特点中， 最突出的一点就是我一生与陌 生人交流或是以任何方式被推到人前， 都会感到强烈的自卑和羞怯。 ”甚至 在他的科学影响力的顶峰， 这个特点也会给他带来麻烦。他至少有一次描 述过， 自己在波士顿的美国科学院交流会上， 阅读文章《关于潮汐对月球平 均运动造成明显的加速》时几乎站不稳。他写到， “尽管文章里包含了一个 原创性而且重要的建议， 并且我把它都写出来了， 但我一次又一次把它带到 科学院会议上， 想把它读出来， 可我总是失去了勇气， 如果我再一次延期， 我 就不会在同一课题上赶在查尔斯·德劳奈（Charles Delaunay）前面了。 ” 1867 年， 费雷尔收到了海岸和大地测量所的工作邀请， 对方对他关于 潮汐观测的洞察力很感兴趣。在测量所里， 他发明了潮汐预报机。从 1884 年起， 这个精心制作的设备被需要机械计算潮汐的机构用了很多年。 1882 年， 当他还在海岸和大地测量所监督建造他的潮汐机器时， 费雷 尔接受了去新建的美国陆军通信兵团任气象学教授， 正是在那里， 他一生的 好友阿比从 1871 年就开始负责国家的天气预报工作。

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30 年以来， 费雷尔做出了高度原创性和有价值的研究， 写了 3000 页 的研究报告， 这值得其他研究者钻研许多年。尽管如此， 他却用“没有机 会”来结束他对自己的事业的简短描述。 “我的很多时间都被浪费了， ”他写 到， “特别是早年， 由于没有科学书本和科学团体， 我经常手头没有任何我特 别感兴趣的东西。 ”

费雷尔于 1891 年 9 月 18 日， 在堪萨斯州梅伍德市死于他弟弟妹妹的 公司里。在接下来几月里， 国家所有的重要社团中， 科学研究者聚集起来对 费雷尔表示敬意。 “在我们几百万人口中， 几乎不过几百人知道他的名字； 和他有过交 往的就更少； 但他安静的工作极大地推动了人类知识的范围， ”戴维斯写 道， “可以说这个世界对他一无所知， 但他是最杰出的气象学家， 也是美国培 养的最杰出的科学家之一。 ” 阿比比任何人都更了解费雷尔， 他从来没忘记那种身边有个智力上和 别人有重要不同的人的感觉。 “我们都记得他安静的样子， 不知疲倦地勤勉 工作， 他的害羞， 他永久专注于思考一些新的复杂问题， ”他写到， “他生活在 一个抽象的世界中； 他与我们同在， 却不在我们之中。 ”

Part III

主线

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Storm Watcher 10 罗伯特·费茨罗伊 无冕先知 一个不太可能的人， 在一个不太可能的地方， 成为了世界上第一个真 正意义上的天气预报员， 他就是英国皇家海军副司令： 罗伯特·费茨罗伊 （Robert FitzRoy） 。在 1831 年， 他作为猎兔犬号（HMS Beagle）1 军舰的舰长， 曾亲自选择了一位名为查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的年轻的博物学 家， 与他一起随船考察南美洲沿岸各地。费茨罗伊是个实干的人， 到 1854 年， 他便当上了刚成立的英国海外贸易部（Board of Trade）下属的气象厅 （the Meteorological Department）的首席统计学家。与大西洋对岸的约瑟 夫·亨利（Joseph Henry）一样， 费茨罗伊也很快意识到电报可以被用来给女 王陛下的那些水手、 海员、 和渔民们发送海上风暴警报。于是在 1861 年， 他 开始发布风暴的临近预报。凭借这项先锋性的服务， 费茨罗伊大大拓展了 他的眼界， 远远超越了其它同时代的英国人。事实上， 恰恰因为他的过度超 前， 费茨罗伊一直被英国皇家学会的所谓“专家们”所质疑和嘲笑。在这种 极度自信和极度挫败的折磨下， 费茨罗伊常常感到万分沮丧甚至绝望， 终于 在 1865 年 4 月 30 日的上午 7:45， 他独自走进自家的洗手间， 选择用剃须 刀切断了自己的喉咙， 家人发现时他已经死去。 1

也译作“小猎犬号”， 或“贝格尔号”， 是英国皇家军舰 HMS 系列之一。

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10. 罗伯特·费茨罗伊：无冕先知

在此之后， 那些国会中曾经诋毁费茨罗伊的人和英国科学界中位于象 牙塔顶端的人， 却用一部冗长的、 充满细节描写的、 从根本上歪曲事实的报 告来为自己的过错辩护。这份报告完全否定了费茨罗伊的风暴预警和天气 预报的准确性， 以及这些预报背后的价值。他们命令气象学界的所谓专家 们， 要像物理学家和天文学家那样从根本上弄清楚气象学原理。可后来这 些“专家们”忙活了好久才意识到， 他们每天枯燥地收集和分析的数据， 其实 和费茨罗伊已经发现的一切都大同小异， 只不过这名海军军人当年看起来 像是走上了一条完全不同且不被认可的“不归路”而已， 而最终大家却都殊 途同归。不幸的是， 天气预报， 因为是经验性的、 因为太过于实用化、 因为太 不守规矩、 因为太过于简化， 最终无法被主流学者认为是真正的“科学”。在 维多利亚时代， 不给予公众基本的天气服务， 也不是什么大问题。到了 1866 年 12 月 7 日， 英国皇家学会的一个特别委员会， 索性命令海外贸易部停止 对外发布风暴预警和每日天气预报， 直到接到新的通知为止。 英国皇家学会和英国政府最终意识到， 费茨罗伊的个人悲剧， 将像幽灵 一样萦绕英国科学界很多年。气象学作为一门“真正的科学”被彻底地扭 曲了， 科学探索的根基被错误地动摇了， 以至于都无法确保公众继续支持政 府对所谓“高端科学（High Science） ”持续地投入。在费茨罗伊的晚年， 他 怀着满腔热忱推动建立的完整的天气预报系统， 为公众提供着有参考意义 的天气预报服务， 同时反抗着来自政府官僚和所谓科学“精英”们的重重阻 力。费茨罗伊， 英国的第一位天气预报员， 最终让历史站在了他一边： 英国皇 家学会最后不得不放弃其反对开展天气预报的立场， 并令改名后的气象局 （Meteorology Office）重新捡起以前的工作。电报的使用与天气图的发明， 这些曾被费茨罗伊所掌握的利器， 被再次用来预报灾害性天气。尽管预报 结果仍不完美， 但至少它们不再被当成魔鬼， 封禁在阿拉丁的神灯之下。 费茨罗伊在加入刚成立的气象厅（the Meteorological Department）工 作之前， 就是一个问题缠身的人。费茨罗伊是一个富有争议的理想主义者， 他脾气十分暴躁， 周围总充斥着很多对其个人和工作的非议。正是由于他 脾气不好， 这位船长曾被他的船员们戏称为“烫嘴的咖啡（Hot Coffee） ”。生 物学家达尔文， 曾连续五年每天和费茨罗伊一起用餐， 所以不止一次地见证 了他大发雷霆。出于巨大的工作压力和焦虑， 又恐于丧失理性， 费茨罗伊在 航海中不止一次地濒于精神崩溃。 “我一直都很担心他的性格， ”达尔文后

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图 10.1: 罗伯特·费茨罗伊的肖像

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10. 罗伯特·费茨罗伊：无冕先知

来对朋友这样说， “他身上充满了高尚和慷慨的品质， 但他又被自己糟糕的 脾气给宠坏了…他头脑中的某些组织和部位， 需要修补一下才好。 ”费茨罗 伊和达尔文， 两人尽管在性格、 政治倾向、 宗教信仰、 和科学态度上都大相径 庭， 但达尔文这位伟大的博物学家似乎始终保持着对这位坏脾气的船长的 喜爱和钟情。 由于出身豪门， 有着良好的贵族背景和个人气质， 再加上一直是一位忠 实的英国保守党党员， 费茨罗伊于 1841 年被选为德罕（Durham）市议会的 议员， 从此， 光明的政治前途向他敞开了大门。1843 年， 他被任命为新西兰 殖民地的总督， 并即将被授予爵士（Knighthood）头衔并担任其它潜在的政 府要职。但是， 这一切都止于一次看似不起眼、 但影响深远的政治事件。费 茨罗伊是 12 月登陆奥克兰的， 当时一场已拖延很久的有关岛屿归属权的 冲突， 正在当地的毛利人和白人定居者之间展开。费茨罗伊似乎很快就冒 犯并得罪了所有派别， 但包括远在伦敦的殖民地事务部在内， 外人都对此全 然不知情。到了 1845 年 10 月 1 日， 消息传到英国， 议会立刻决定委任新 总督， 费茨罗伊的雕像旋即被当地原住民吊走， 人们欢呼雀跃地焚烧这座雕 像。返回英格兰后， 他重回皇家海军任职， 在那里他作为指挥官的名誉得以 保全。他后来担任军舰甲板总指挥， 并被派至海军第一艘人力驱动的蒸汽 船“傲慢号（Arrogant） ”上， 开拓海上航线。到了 1850 年， 他从繁忙的工作 岗位上退休， 致力于照顾妻子的病体， 以及其它个人事务。 在那个时代， 历史与科学正在快速地融合。北美加州的淘金热正在如 火如荼地进行， 全球驶往加州的舰船， 都来不及把欲火中烧的人们快速地运 往那里。作为曾经同时服役过海军军舰和商船的船长， 费茨罗伊更擅长使 用那些根据最新的气象记录发明的新一代导航工具。比如， 英国皇家工程 师威廉·里德（William Reid）写的一本手册， 就给出了对风暴预警的对策， 并 指明热带地区的台风移动是可以预报的。在里德的倡导下， 规范的气象观 测首先在众多的大不列颠海外殖民地和皇家工程师台站中得以普及。美国 海军军官马修·莫里（Matthew Fontaine Maury） ， 作为华盛顿海军观象台的 台长， 也出版了《风和洋流图集（Charts of the Winds and Currents） 》 ， 这本书 使得很多船只能有效利用风向， 大大缩短了海上航行的时间。众多诸如此 类的努力与合作， 促成了第一届国际海洋气象学大会（the first International Conference on Maritime Meteorology）于 1853 年在布鲁塞尔召开， 会上一

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图 10.2: 罗伯特·费茨罗伊于 1839 年在《航海探险自述： “猎兔犬号” 皇家军 舰的远征》中配的插图。此图描绘的是南美洲 Tierra del Fuego 沿岸地区的 风光，背景是 Sarmiento 山峰.

致同意要标准化海上气象观测的内容与格式。 1854 年， 英国在海外贸易部（Board of Trade）下建立气象厅（the Meteorological Department） ， 开始履行布鲁塞尔公约， 在所有海军军舰和商船上 使用新一代气象观测仪器和记录手册。在议会上， 有人提及“这套观测系统 将最终使伦敦人提前 24 小时知晓未来的天气”， 但却只赢得了一片嘲笑。 在英国皇家学会的敦促下， 费茨罗伊走马上任负责这个新机构（指气象厅） 的运行， 并被赋予“气象统计学家”的名份。这对于这位皇家海军的军官而 言， 显然是一份理想的工作， 而且也正是费茨罗伊向往已久的。这个新机构 的责任是， 监测所有海面上的天气， 那么费茨罗伊将如何把现有的军舰和商 船提升到国际公约所规定的水平上来呢？

费茨罗伊任职后迅速进入角色并开始工作： 采购可靠的观测仪器； 组织 编写仪器的使用指南； 通过海军司令部至基层海军的网络、 通过港口网络、 通过商船船长， 进行设备和手册的分发。然后开始启动规范的日常气象观

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测， 收集并核对那些注册会员所提交的数据。这项纷繁复杂但意义深远的 工程， 就这样有条不紊地展开起来。值得强调的是， 这并非某个企业让一个 有激情的实干型员工去完成一项艰巨的任务， 而是费茨罗伊受内心深处的 愿望所驱使去主动完成的。正因为如此， 费茨罗伊还亲自设计了结实耐用 的船载气压计， 被后人称为费茨罗伊气压计（FitzRoy Barometer） ， 并为此编 写了使用手册。 气象厅在费茨罗伊的带领下， 于 1858 年翻译并出版了一本由波兰科 学家海因里希·达夫（Heinrich Wilhelm Dove）所撰写的在当时有很大影响 力的著作。这本书本是用德语写成， 达夫时任柏林皇家普鲁士气象学院（the Royal Prussian Meteorological Institute）的院长， 并且是当时欧洲顶尖的气 象学家。达夫的这本书《风暴理论（The Law of Storms） 》 ， 后来成为费茨罗伊 气象思想的重要基础。费茨罗伊虽然是海军军官， 但他一直对科学十分感 兴趣， 但与美国同行莫里不同的是， 他从来不掩饰自己只是当时天气和风暴 理论的追随者而已。他曾经反省自己虽然只是“肤浅的追随者， 但却是真正 的思想者的崇拜者”。 当美国人致力于观察风暴周围风的空间结构时， 达夫却在致力于观察 风暴扫过同一地点时风向的变化。他清晰地揭示了天气变化的系统性结构 以及风的可预报性， 因此这项工作被认为是科学的重大进步。达夫后来还 进一步发现， 欧洲上空的风暴主要源于来自热带的暖湿气流与来自极地的 冷干气流的对冲。他的这种思想， 被后来的挪威学派所继承， 并发展为气团 分析方法， 盛行几十年不衰； 同时也被费茨罗伊所借用并发扬光大， 很快就 显示出实际的威力。达夫甚至还认为， 中纬度地区风暴周围的旋转风场， 也 是源于气流对冲。风暴的其它特征， 诸如： 气压、 温度、 湿度的分布， 则是旋转 风场的直接后果。总而言之， 不论这些理论是否有瑕疵， 费茨罗伊所践行的 天气预报方法， 都代表了对当时诸多气象学理论更聪明、 更智慧的应用， 这 比多年之后的许多预报员都要强得多。 布鲁塞尔国际大会之后不久， 在克里米亚战争期间的一次特殊事件， 迫 使欧洲各国的领导人开始重新认识气象对于军事的重要意义， 并促使人们 开始考虑建立更广泛的气象观测网络。事件的经过是这样的： 1854 年 11 月 14 日， 英国和法国停靠于黑海沿岸巴拉克拉瓦（Balaklava）港的军舰， 同 时被一场未经预报的风暴所重创。法国人认为， 如果在船只之间也能有电

89 报预告天气的话， 就像人们已经在陆地上所做的那样， 就不会再发生类似的 灾难。 1859 年， 又一场强风暴重创了停泊在威尔士海岸安格尔西（Anglesey） 岛附近的现代化铁甲舰“皇家宣言号（Royal Charter） ”， 舰船甲板被掀翻。 费茨罗伊立刻仔细研究了这场名为“皇家宣言号风暴”的天气事件， 放在他 书桌上的天气图显示， 这是一个尺度不大， 但强度很强的气旋扫过英格兰所 造成的。整个气旋的移动过程非常清晰， 这些图背后的意义深深地吸引了 费茨罗伊的注意。如果这场风暴可以被成功预报， 那这样的灾难就完全可 以避免， 他对此笃信不疑。正是从那一刻起， 费茨罗伊已清楚地知道他要把 气象厅的工作引向哪里。

在“皇家宣言号风暴”之后不久， 英国科学促进会（The British Association for the Advancement of Science）在苏格兰的阿伯丁（Aberdeen）开会， 提出要建立覆盖全国的陆基天气观测通讯网。整个大不列颠及爱尔兰被分 成三个天气区， 这些天气区的报告将被送往伦敦的劳埃德（Lloyd's）保险公 司， 以及各个天气区的重要部门。尽管开展天气预报的想法从未被那些“大 科学家”们和海外贸易部的官员所看好， 但他们都同意了这一方案， 费茨罗 伊从中看到了难得的巨大机遇！从此， 费茨罗伊每天不再仅仅局限于收集 和整编来自各个船只汇报的数据， 他选择去面对更大更艰难的挑战： 那些在 他观察范围之内的工作， 和那些值得他贡献远见的工作。这名老船长想尝 试完成众多船长们一直想做的事， 他要用他所收集到的最准确的天气实况 数据， 去预测未来。此时， 费茨罗伊已经确信， 他手中掌握了足够的资源和能 量， 去让生活在更广阔地域的人们知道即将到来的灾害性天气， 有更多的生 命和财产将因此被挽回。而他， 就是那个被赋予了这项伟大使命的人。 与美国的亨利几年前所做的工作相似， 费茨罗伊也首先致力于在气象 站之间建立电报网络。所有气象站都被分发相同的温度计和气压计， 气象 站的工作人员经过培训后每天都能发回当地的天气观测数据。到 1860 年 年底时， 他已经能完整地收集到分布在整个大不列颠群岛 22 个气象站的 信息， 以及 5 个位于欧洲大陆上的可以每日发报的气象站信息。1861 年 2 月， 他使用他自己发明的一套圆锥形模态识别方法2 ， 首次发布了风暴警报； 到了同年 8 月， 他就已经开始规律地发布每日天气预报了。这些预报信息 2

原文并没有详细介绍这种方法， 不详。

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被刊登在伦敦的各大报纸上， 引起了公众广泛的关注。 很多著名的皇家学会会员， 对费茨罗伊开展的天气预报都感到震惊、 甚 至惶恐。在 19 世纪中期， 人们有足够多的理由怀疑， 政府怎么可能有能力 承揽天气预报这种服务？而且还只是通过一个政府授权的类似“公司”性 质的机构！在那个时代的英格兰， 真正受经济利益驱动的， 能提供预测性质 产品的， 是那些所谓的星相学家（Astro-Meteorologist） 。他们主要通过向大 众售卖“星相年历”而大发横财。这些年历都是在鼓吹那些古老而神奇的星 象， 诸如漫天的恒星、 行星、 太阳和月亮等， 认为它们在某种程度上预示了未 来的天气和气候， 甚至其它各种各样的未知事件。对严肃科学而言， 这些打 着“科学”幌子的伪科学者们， 才是真正的致命威胁， 他们颠倒是非， 但他们 的预言却被视为真理， 而且受众甚广。例如当时著名的书籍《扎吉尔占星术 （Zadkiel's Almanac） 》的主编， 本是一名退休的海军军官， 他联合其他几名 星相学家， 曾渗透进伦敦气象学会（London Meteorological Society） ， 成为 其会员。伦敦气象学会尽管是伦敦地区第一个科学机构， 但 1842 年以后， 该机构受困于财务腐败和学术道德蒙羞， 几近解散。这位主编也成了继费 茨罗伊之后又一名跻身政府高层的退役海军军官， 但他宣扬的是那些陈旧、 危险、 不受人尊敬的妖言： 唯有星相学才真正具有预测未来的能力。此后， 报 纸上也刊登了他们这些占星术士的预报结果， 于是各种社论和评论便蜂拥 而至， 对双方的预报予以评价。费茨罗伊从此开始受到严重威胁， 声名日下， 特别是当他的天气预报不太准的时候。各种流行的报纸杂志， 都热衷于拿 基于“扎吉尔占星术”所做的未来预测， 与费茨罗伊提供的政府官方天气预 报做比较， 并乐此不疲。对那些皇家学会的保守的大科学家们而言， 这种玷 污科学的混乱局面， 或者说， 这种玷污他们脸面的混乱局面， 令他们感到无 法接受。很明显， 他们更在意他们的脸面， 而并不关心老百姓是否从天气预 报服务中受益， 何况还是他们认为根本未经证实的、 没有保障的预报服务。 这样一来， 这个刚刚成立的气象厅（Meteorological Department）所提供的 天气预报服务， 不仅阴差阳错地提高了那些星相学家们的知名度， 而且还撼 动了公众对科学的信任。 费茨罗伊为这种混乱局面深感焦虑， 也许并不明智， 但他从未屈服。 费茨罗伊是一个自信的实干家， 他只想为那些同样实干的人们提供确凿 的、 有价值的服务。从本质上讲， 他是一名皇家海军军人， 一个充满人性

91 关怀的人， 他自视自己肩负着重要的使命， 要为那些在海上和海边生活的 人们挽回宝贵的生命。为此， 他承受着舆论的诟病， 但始终遵循达夫的气 象理论， 来和那些污七八糟的星相学相区别， 并且他从不吹嘘自己的工作 是“预测未来”。费茨罗伊说， 那些风暴预警和天气预报， 只是科学的信息 和观点。他甚至回避使用“预测（Prediction） ”一词， 他更喜欢用“提示性 警告（Cautionary Warnings） ”这样的词语。最终， 他定下并一直使用这样 一个单词： 预报（Forecasting） 。他曾经这样写到， “我们的工作既不是预言 （Prophecies）也不是预测（Predictions） ； 预报（Forecast）这个词才是最准确 的叫法， 因为我们的结果是源于科学原理的组合和科学事实的计算。当然， 我们的结果也有极小的可能性会受到那些偶然误差的背叛， 比如风向的瞬 时倒转， 或者突发性雷阵雨之类的坏天气， 这些都受制于我们非常有限的视 野和理解。但我们终将会知道得越来越多， 预报得越来越准确。 ” 1863 年， 费茨罗伊的《天气手册（The Weather Book） 》出版。用他的话 说， 这是一本“给大多数人、 而非极少数人看的气象指导手册， 希望能为人们 的日常生活提供便利。这意味着对于任何一个能力一般、 受过平均程度教 育的人， 都可以成为实际意义上的懂天气的人， 而这在以前是难以想象的。 ” 这本书作为任何人都可以掌握的工具， 大大提高了普通英国人的科学素 养。但在皇家科学院和英国科学促进会的成员们的眼中， 费茨罗伊只是在 玩弄预言家、 催眠师、 或骗子的伎俩， 在他们的脑海里， “大众科学（Popular science） ”无异于只是“伪科学（Bad Science） ”的另一种外衣而已。

当费茨罗伊表面上依赖于达夫提出的对冲气流理论时， 他内心深处则 一直希望能给出一个有明确科学外观和科学形式的预报方法。当他在撰写 《天气手册》时， 他就已经发现很难结合数学方程的准确性， 来解释所观测到 的现象。他似乎只能记录天气预报员们在预报实践中的直觉和经验， 而难 以给出满意的数学表达。在英国范围内频繁发送的无线电波， 只是提供给 他一种对当前天气的“感知 (feeling)”， 或者更确切地说， 是一种对当前英伦 群岛大范围内天气状况的“头脑视觉 (mentally seeing)”， 这不足以令那些 有威望的学术权威们信服， 不足以令他们认同气象学已像物理学或天文学 那样的精确和客观。 费茨罗伊究竟为什么会自杀？达尔文关于“他的大脑组织需要修补” 的结论是客观的吗？费茨罗伊的抑郁是源于遗传基因吗？要知道， 费茨罗伊

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母亲的叔叔洛德·卡斯特勒利夫（Lord Castlereagh） ， 也是死于自杀。巧的是， 费茨罗伊还是第二个自杀的猎兔犬军舰的舰长， 在他之前的舰长普林格·斯 托克斯（Pringle Stokes）也是在衣橱中开枪自杀的。除此之外， 1865 年 4 月 30 日也不是费茨罗伊第一次把自己推向死亡的边缘。他精神一直高度紧 张， 在老年生病期间， 他两耳逐渐失聪。在他 59 岁的时候， 他衰老的特别快。 那时， 他已负债累累， 但海军军部却一直没有给他报销他在随猎兔犬军舰远 航探险和去往新西兰期间的巨额费用。 没有什么人能像达尔文一样， 在 19 世纪下半叶， 引起科学界对生命演 化问题进行如此革命性的争论。达尔文于 1859 年出版的《物种起源（The Origin of Species） 》深深地冒犯了费茨罗伊保守的宗教信仰。这个事业上 的亲密伙伴， 却给费茨罗伊带来了无尽的烦恼， 也给公众带来了无尽的尴 尬。在 1860 年英国科学促进会所组织的一次著名的会议上， 费茨罗伊曾大 声抗议托马斯·赫胥黎（Thomas Huxley）与萨谬·威尔伯福斯主教（Bishop Samuel Wilberforce）关于达尔文的自然选择学说的讨论。这位猎兔犬军舰 的舰长， 看起来比其 55 岁的实际年龄要老得多的老人， 清清楚楚地表明了 他的态度： 他对《物种起源》的出版， 对其与圣经第一章《创世纪》相悖的内 容， 表示深深的遗憾。在他自己的“猎兔犬”自述记的最后一章， 费茨罗伊这 样解释啮齿象和其它大型动物灭绝的原因： 是由于它们无法适应并通过诺 亚方舟的并不大的门。 除了以上两种可能， 在费茨罗伊的妻子看来， 毫无疑问费茨罗伊的死是 天气预报的错。正是由于费茨罗伊每天都对天气预报忧心忡忡， 而且还要 担心那些大科学家们和星相学家们的不断挑剔， 她的丈夫才会在自杀前快 速消瘦。皇家地理学会的主席， 罗德里克·莫奇森（Roderick Murchison）爵 士在公开场合持这样的观点： “如果费茨罗伊不自己把自己推进责任的深 渊， 去承担那些莫须有的对预报的非议的话， 那么他如此有意义的人生肯定 会走得更远。 ” 应该说， 即使在最好的情况下， 这位敏感的、 情绪不稳定的理想主义者， 从精神气质层面上也并不适宜做天气预报类的工作。费茨罗伊对待批评 和质疑的认真、 执着的态度， 可能是最终把他推向绝境的主因。在弥留的日 子里， 他一直处于深度抑郁中， 他失去了往日著名的费茨罗伊式的自信， 也 失去了海军舰长的威严， 他的助手们则接过了他在气象厅的全部工作。在

93 他去世之前， 他面见了美国人莫里， 那是一个在敌人中比在朋友中更出名的 人， 只因为莫里刚刚在法国巴黎出版了一篇论文， 否定了费茨罗伊用于天气 预报的技术。 在费茨罗伊死后， 对他自杀的争论在科学界中形成了泾渭分明的分野。 天气预报服务尽管给公众提供了有效的气象学工具， 并因此快速流行开来， 但这并不是皇家科学院中那些大科学们所希望看到的， 甚至可以说他们从 未正视这一现实。气象学发展的轨迹是永远向前的， 哪怕官方对费茨罗伊 的死的态度， 阻碍了英国继续领导气象科学的未来。皇家科学院和海外贸 易部后来以费茨罗伊的死为契机， 严肃地彻查了气象厅过往的工作业绩， 否 定了费茨罗伊风暴预警和天气预报服务的价值， 并最终于 1866 年公布了 他们的调查结果。 在这篇 43 页的报告中， 他们推翻了费茨罗伊所有的成就。费茨罗伊组 织建立、 并收集整理的 50 万个海上观测记录， 被认为数量不足以进行科学 研究。费茨罗伊的天气预报， 也被认为在使用中十分不准确， 尽管以现代的 标准来看， 这些预报已达到了合理的统计水平。在 1986 年出版的《科学史 学报（Journal of the History of Science） 》上， 英国历史学家吉姆·贝顿（Jim Burton）这样评价这份报告： “这份粗制滥造的报告显然很不公正， 但它被奉 为官方报告并因此广为流传， 里面对费茨罗伊工作的评价都是以成败论英 雄。 ”这份报告还有这样的结论： 对英伦三岛开展天气研究， 最好是由一个科 学团体来承担， 而不是由一个政府机构。海外贸易部对此的回应就是， 立刻 终止每日天气预报服务和风暴预警服务。公众对此反应强烈， 最后风暴预 警服务不得不于 1867 年再次恢复。 那些从事海上贸易的商人、 海洋保险公司、 以及渔业船队等， 无不十分 感激费茨罗伊“不太准确”的预报， 在他们看来， 这比那些皇家科学院所坚 持的所谓“科学的纯洁性”要“准确”得多。他们认识到不列颠群岛的沿岸 地区对北大西洋风暴是十分脆弱的， 因此他们在苏格兰天文学家查尔斯·米 斯（Charles Piazzi Smyth）的领导下建立了一个重要的联盟组织。 “高尚的 科学是一回事， 风暴预警则完全是另外一回事， 用天然属性完全不同的东西 来衡量风暴预警存在的必要性是不公平的， ”米斯在给爱丁堡商会的一封信 中这样写道。在谈及对强风暴的预报和预警服务的实际意义时， 他说： “现 在， 我们已经充分理解， 并将在未来很多年的时间里继续慢慢加深理解。 ”

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大约 10 年之后， 业务化的每日天气预报才被更名后的气象局所恢复。 而在恢复之前的几年间， 气象厅和皇家科学院的专家们， 并没有就如何提高 天气预报准确性和如何促进气象科学发展等方面， 获得任何实质性进展。

Storm Watcher 11 厄本·雷维利尔 克里米亚半岛的云 在漫长的欧战历史中， 克里米亚战争可以算得上是最大的军事失误。 1854 年， 英格兰、 法国、 奥斯曼土耳其和奥地利联合起来， 共同对抗企图在 巴尔干地区和中东地图拓展自己领土的沙皇俄国。俄国人在塞瓦斯托波 尔加强了布防， 在这里， 他们已经被一支小型盟军舰队包围了将近一年之 久。对战争的双方来说， 克里米亚战争后来成为了一次策略失败、 逻辑错误 的笑柄。在阿尔弗雷德·坦尼森（Alfred Tennyson）的《轻骑兵冲锋》 （Charge of the light brigade）中， 这位维多利亚女王的桂冠诗人赞美了不列颠轻骑兵 们在巴拉克拉瓦战场上英勇消灭敌人的情形： “他们不问为什么， 要么战斗、 要么牺牲。 ”尽管， 不列颠的护士弗洛伦斯·南丁格尔（Florence Nightingale） 给予了伤病的士兵极好的照顾， 但是在战事结束前， 敌对双方死亡的士兵和 海员总数仍都达到了 25 万人左右， 大部分人都是死于疾病， 而非战斗。这 场战争， 无论对于战败的沙俄， 还是战胜的英法联盟来说， 都是代价巨大的。 无论结局怎么样， 克里米亚战争都促使了欧洲国家气象服务的产生。 1854 年 11 月 13 日晚上， 黑海上空的天空阴沉下来， 大雨袭来。东北 风吹过军舰和盟军的营地， 随着夜的加深， 风逐渐增大。到拂晓时分， 帐篷和 被褥已经淹没在强劲的东南风中了。沿着克里米亚半岛西面和南面的海岸，

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风力持续增大， 强劲的西风以飓风般的力量冲击着军舰。严寒和降雪接踵 而至。暴风雪过后， 人们发现陆军和海军都损失惨重。不列颠王子号轮船， 以及船上的 7000 顿药品补给、 靴子、 冬天的衣物， 都已沉入海底。同样的悲 剧还发生在法国最好的战舰——百炮战船亨利四世， 以及其他十几艘船舰 身上。 对英格兰和法国焦虑的民众来说， 这场风暴比一场溃败更可怕。在这 个以电报联络的新时代， 新的问题被提了出来。显然， 对许多人来说， 这场 风暴在到达黑海的前几天就已经袭击了西欧大陆。路易 -拿破仑（LouisNapoléon）想知道， 如果这支不幸的船队在风暴接近的过程中能够接到警 报的话， 这场灾难是否就能被阻止。风暴什么时候到哪里？这能否被预测出 来？为了找到这个问题的答案， 他请教了世界上最著名的科学家之一—— 厄本·雷维利尔（Urbain J.J. Le Verrier） 。 雷维利尔在 1846 年就已经发现了海王星。那是一项极其优秀的科学 成就。最让当时的公众和政府吃惊的是， 他取得这一发现的过程中没有用 到任何观测和仪器， 而仅仅是应用了一些数学知识——铅笔是他唯一的工 具。了解了天王星的轨道后， 雷维利尔计算发现它的偏心率不能仅仅依靠 木星和土星提供的万有引力来维持。他给出了宇宙中的一个位置， 并计算 出一颗人类以前不知道的行星将在某个时间出现在这里。他把这个发现写 信告诉给在柏林天文台工作的一位天文学家朋友——约翰·加勒（Johann G. Galle） ， 后者调整望远镜到那个位置， 很快就看到一个在当时的任何星图 中都没有出现过的物体。 “你说的那颗行星确实存在， ”加勒写道。因为这一 重大发现， 1853 年弗朗索瓦·阿拉戈（François Arago）死后， 路易 -拿破仑任 命雷维利尔为巴黎天文台台长。 1855 年， 雷维利尔让他的助手伊曼纽尔·李艾丝（Emmanuel Liais）去 研究那场黑海风暴。同时， 他向欧洲的一些研究者索要从 1854 年 11 月 12 日到 16 日的观测资料， 这些研究者包括， 格林尼治皇家天文台的詹姆斯·格 雷舍尔（James Glaisher） 、 荷兰的克里斯托弗·巴劳特（Christophorus Buys Ballot） 、 普鲁士的海因里希·达夫（Heinrich Dove）以及比利时的阿道夫·凯 特莱（Adolphe Quetelet） 。从这些观测资料中， 巴黎的科学家们全面地追踪 了经过欧洲和亚洲的风暴的路径。雷维利尔得出结论， 当时那个席卷克里 米亚半岛的风暴是可以预见到的， 军队是可以被告知有风暴正在接近中的。

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图 11.1: 厄本·雷维利尔的肖像

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他说， 唯一需要的， 就是建立一张穿越大陆的巨大气象观测网。但是， 雷维利 尔后来花费了数年时间， 想在法国建立起这样一个天气观测系统却以失败 告终。 联合各个电报公司并组织其他国家的天文台， 这样一个工程在当时混 乱的欧洲实现起来难度比在美国大得多。而且， 雷维利尔所面临的问题更 加棘手。他的同行法国科学院的科学家们， 对天气预报保守的抵制态度一 直根深蒂固。很显然， 雷维利尔也非常清楚他的导师对气象学发展的坚决 抵制。每个人都记得雷维利尔在天文台的前任——伟大的阿拉戈的警告， 他曾在 1846 年就这个问题发表了著名的言论。 巴黎一些卑鄙的出版商曾借用阿拉戈的名号发售一本名叫《阿拉戈的 演讲》的书， 书中包含着假的天气预报。直到 1846 年， 这本骗人的书将要发 行第四版， 阿拉戈对此非常苦恼。就是因为这件不道义的事情， 激起阿拉戈 在当年的巴黎天文台年报中写道： “类似的话从来没有从我的嘴里说出来 过， 私下里或者我这 30 年来所讲的课里从没有过。从来没有人经过我的同 意发表过一句关于此内容的话， 我也没有授权任何人把这说成是我的想法， 根据我们现在所掌握的知识， 任何可信度的关于未来一年、 一个月、 一周， 甚 至一天的天气的预测都是没有可能的。 ”他补充道： “我相信我可以从我的 研究中推出我现在要宣布的这个重要的结论： 无论科学发展到什么地步， 一 个值得信赖的、 为自己的声誉负责的科学家都不敢预报将来天气的状态。 ” 阿拉戈气象研究的影响广泛而久远。他的研究最终把流星的成因排除 在了气象学的范畴之外， 反驳了詹姆斯·埃斯比（James P. Espy）等科学家关 于流星产生自大气内部的观点。阿拉戈强调流星、 陨星、 彗星、 小行星都属 于天文学的高级范畴。当人们的这一误解被他纠正过来后， 他又开始仔细 研究古代关于月亮和小行星影响天气变化的说法。在 1846 年的年报中， 阿 拉戈声明： “我认为， 这一结果很明显地说明， 这两类天体对天气的影响微乎 其微， 所以， 从绝对意义上来说， 对天气的预测永远不能划归到天文学的范 畴。 ”虽然这些有一定道理的科学论断在当时深入人心， 但是事实表明， 后来 天气预报比当时继续作为 ‘绝对意义上天文学的分支’ 获得了更多的尊重。 这种与天文学之间割扯不断的联系、 以及把气象学的结果拿来与占卜术的 结果进行比较的行为， 从一开始就一直萦绕在气象学周围。对 19 世纪的欧 洲天文学家来说， 对天气的经验近似似乎很难被称为科学。

99 美国的气象学家特别喜欢研究与风暴有关的课题， 因为这种题目往往 可以让他们仔细思考风暴的发展和可预报性。这一领域由德国人海因里希· 布兰德斯（Heinrich Wilhelm Brandes）最先提出， 被称为天气学（synoptic meteorology） ， 因为它以一个大区域中同时观测得到的数据为基础， 并且与 天气预报联系紧密。然而除了达夫以外， 19 世纪中期的科学家们都被大气 动力学的内容所深深吸引。是什么造成了雨、 雹、 闪电和雷暴？几个奖金丰 厚的国际竞赛希望可以解决这些问题， 但是这些诱惑却没有能够吸引来多 少有能力领取它们的人。 19 世纪， 美国科学家不仅在天气预报领域， 在其它像大气物理、 大气化 学等基础研究领域也都远远领先于欧洲科学家， 这得益于这个年轻的国家 没有庞大、 古老而且牢牢把持住权利的哲学体系， 也没有皇家科学院和皇室 ——这些欧洲科学的“守护者”们的歇斯底里。比如在伦敦， 仅仅首相亨利 的批评意见就使得托马斯·杨（Thomas Young）放弃了预言光的波动性的演 讲。在巴黎， 科学院的科学家们甚至不愿意去接受一项重大的科学突破。

类似的事情也发生在皮埃尔·迈尔（Pierre Hermand Maille）这个来自 小城圣弗劳兰丁的不太知名的业余科学爱好者身上， 他第一个给出了对流 过程的模型， 却没有在科学史中占有一席之地。1834 年， 迈尔拿着非常具 有原创性的文章去参加法国科学院发起的， 征集解释冰雹的形成的学术论 文比赛。他不但解释了雹的形成， 而且， 比埃斯比做的更出色的是， 他还给 出了对流、 凝结和云的形成等过程的大致轮廓。法国科学院既没有给迈尔 的文章授予任何奖励， 也没有把他的文章发表出来。但是， 奇怪的是， 到了 1841 年， 同样是这群科学家， 却拜倒在埃斯比更加不严谨的风暴理论下。 一位有影响力的法国科学家， 物理学家雅克·巴比涅（Jacques Babinet）在这 之后承认了迈尔的文章。直到 1965 年， 在英国历史学家诺尔斯·米德尔顿 （Knowles Middleton）的请求下， 迈尔的原始文章才被从法国科学院的众多 科研结果中发掘出来。 中世纪期间， 法国科学院的一个特殊项目是考虑在当时的法属殖民 地阿尔及利亚建立天气观测站。而物理学家亨利 -维克托·勒尼奥（HenriVictor Regnault）却对这个项目薄弱的科学理论基础进行了抨击。如勒尼奥 所说， “我们到现在还不知道该观测什么， 怎么观测， 在哪里观测。 ”同时， 资 深物理学家、 天文学家让－巴蒂斯特·毕奥（Jean-Baptiste biot）也指出这种

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图 11.2: 雷维利尔的墓碑上有一个海王星的石球状雕刻，以纪念他在天文 理论方面的杰出贡献.

101 观测在俄国进行了许多年却仍然没有任何收获， “我们现在倒退到寄希望于 在实际应用中去检验气象学理论的正确与否的境地了。 ” 只有像雷维利尔这样拥有国际名望的人， 只有在面对像克里米亚溃败 这样的情况下， 才能够成功地克服欧洲科学家对天气预报的抵制。电报的 出现使得军队在天气信息的即时交流上优势越来越明显。没有什么比战争 需求为气象学的发展带来了更大的贡献。在美国科学家瑞德菲尔德和埃斯 比描述出风暴运动的规律很多年以后， 雷维利尔那个关于克里米亚半岛上 暴风雨的行进路径的报告在法国居然还被奉为一场科技革命——这确实是 1855 年末欧洲科学的真实状态。他当时的报告描述了一种“大气波动”， 称 可以从气压计示数的振荡和画在地图上的等压线中找出它们。 即便如此， 雷维利尔的项目还是进展缓慢。1857 年， 巴黎的一家报纸开 始刊登来自法国和欧洲其他气象站的天气报告， 但是这离雷维利尔预想的 天气服务还差很远。欧洲第一套风暴预警系统不是在法国， 而是在荷兰由 克里斯托夫·布朗特（Christoph Buys Ballot）建立起来。他在 1854 年建立 了荷兰皇家气象中心。海军上将罗伯特·菲茨罗伊（Robert FitzRoy）在 1861 年也开始通过英国贸易局发布类似的预警信息。巴黎天文台在 1863 年开 始提供风暴预警服务， 虽然和不列颠的一样， 但是这种预警一出现就饱受非 议和质疑。 没有人比雷维利尔更能体会天文学与气象学之间的戏剧性的反差了。 这个天文学家仅仅靠自己的大脑和铅笔， 就能够在宇宙中指出一个人们从 来不知道的星球的位置。当他转向更加实际的气象科学时， 即使在助手的 帮助下， 即使掌握一个国家天文台， 即使拥有分布在整个大陆的二十来个同 时直接观测数据， 伟大的雷维利尔也只能含糊地概括第二天的天气状况。 在天文台外， 有些人称他为一直努力尝试的疯子， 但是也有些人指责说他应 该做得更好。1863 年， 在一次科学院的会议中， 当拿破仑的的国防部长在法 国主流科学家们面前严厉质问雷维利尔预报的准确性并批评他的预报思路 时， 雷维利尔坐如针毡。即使天文台已经开始自己的天气预警系统， 皇家海 军仍然继续依赖从英格兰的菲茨罗伊那里接收到的预报。 在巴黎天文台， 没有什么事情比雷维利尔的脾气对气象服务造成更坏 的影响了。专横、 脾气暴躁的雷维利尔最受那些国际同事的尊敬， 因为他们 和雷维利尔见面机会不多， 很少见到他发脾气。似乎没什么人可以为雷维

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11. 厄本·雷维利尔：克里米亚半岛的云

利尔工作很长时间。雷维利尔一被任命， 几个科学家就离开了天文台。李艾 丝， 曾经研究过 1854 年克里米亚风暴的雷维利尔的助手， 在 1857 年被开 除。助理台长埃德姆·玛丽 -大卫（Edme Hippolyte Marié-Davy） ， 可能是天 文台最有天赋的气象学家， 在 1863 年 8 月开展天文台的风暴预警服务后， 就一直在和雷维利尔争吵。最后， 雷维利尔在 1867 年 10 月向预报服务施 压并试图把玛丽 -大卫开除掉。这位助理台长直接向国王申诉， 从他的角度 报告了争执， 并指出从 1854 年雷维利尔被任命以后， 已经有超过 100 人离 开了天文台。在 1870 年一个大规模的辞职活动后， 雷维利尔终于被免职 了。风暴预警服务重新回到了玛丽 -大卫手中。但是在 1871 年预警服务再 次因为普法战争的爆发而停止， 随后拿破仑三世退位， 巴黎被巴黎公社拥护 者所占领。雷维利尔在 1873 年被重新任命， 法国的战乱还在继续。法国甚 至没有出席当年 8 月国际气象学领域重要的维也纳会议。 法国当时在大气物理领域中最重要的研究来自于一个门外汉——一个 叫做俾斯林（H. Peslin）的采矿工程师。1869 年， 俾斯林向法国科学院提交 了一篇文章， 他在文章中推导出等压线与风速的数学关系。审稿的是一个 科学院的委员会， 其中包括雷维利尔， 他主张不发表这篇文章。俾斯林的研 究最后被玛丽 -大卫在 1872 年发表， 玛丽 -大卫当时是蒙苏里天文台的台 长。五年以后， 这篇文章被美国人克里夫兰·阿比（Cleveland Abbe）翻译成 英语并发表在史密森尼协会上。但与此同时， 在巴黎天文台， 整个预报过程 都没有使用俾斯林的任何公式。

Storm Watcher 12 克里夫兰·阿比 “概率老头” 人们称他“概率老头（Old probabilities） ”， 或简称为“Old Probs”。起这 个外号时阿比才 30 岁， 满脸胡须和厚厚的金属框近视眼镜让他看起来不 那么年轻了。他是美国第一个官方天气预报员， 在他发布天气“概率”的第 一周， 他评论道， 辛辛那提星期一 0.5 英寸（1.3 厘米）的降雨量“在周六中 午就预报出来了， 但是实际降雨量比预报的多一些”。这个手写的公告张贴 在辛辛那提商会的公告板上， 人们还发现了他的拼写错误： “辛辛那提观测 站的天气公告， 1869 年 9 月 7 日， 星期二（Tuesday 拼错为 Teusday） ”。在 错误的那行字下面， 一个装肉工人写道， “天气’ 概率老头’ 的错误拼写”。 “概 率”这个词， 1876 年变成了“迹象”， 到了 1889 年， 罗伯特·费茨罗伊（Robert FitzRoy）新造的术语“天气预报”最终成为官方语言。尽管这些术语改变 了， 但克利夫兰·阿比（Cleveland Abbe）教授的外号没有变， 人们仍亲切地 称他为“概率老头”。正如马克·吐温（Mark Twain）1876 年在新英格兰社会 演讲时的评论， “ ‘概率老头’ 在精确预测方面素有赞誉， 他当之无愧”。阿比 1916 年去世以后， 他的儿子杜鲁门（Truman）翻阅父亲的日记时发现， 这样 一个仔细和博学的人， 居然有如此古怪的心理障碍： “概率老头”几乎所有的 星期二都拼写错误！

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12. 克里夫兰·阿比：“概率老头”

正如许多天气学家一样， 阿比最开始喜欢的是天文学。他经常回忆起 在俄国普尔科沃跟随大天文学家奥托·斯特鲁维（Otto Struve）学习的那两 年难忘的时光。直到 1868 年他受聘成为辛辛那提观象台台长一职他才回 到美国。这个观象台拥有当时全国最好的天文望远镜， 尽管它 10 年没有用 过， 而且性能已经损坏。阿比那时候对气象方面的个人兴趣主要是为了更 好的理解天文学， 以及测量当地各种大气条件对折射率的影响。但阿比是 一个充满激情， 有雄心壮志的年轻人， 他一看到机会就会抓住它。 他生于 1838 年的纽约城， 在他少年时代， 报纸上经常刊登詹姆斯·埃 斯比（James Espy） ， 约瑟夫·亨利（Joseph Henry） ， 威廉·瑞德菲尔德（William Redfield） ， 埃利阿斯·卢米斯（Elias Loomis）以及其他人描述美国风暴形状 和特征的文章。阿比后来说， 这些文章“让我确信， 人应该而且必须克服我 们对于破坏性暴风雨的无知。 ”当阿比 19 岁从纽约自由学院毕业时， 他阅 读了威廉·费雷尔（William Ferrel）1859 年发表在《朗克尔数学月刊》上的 经典论文， 立即意识到天气预报的可能性， “我发现他克服了很多风暴和风 的理论中的潜在困难， 从那天起他（费雷尔）就是我的向导和权威。 ” 阿比 1867 年从俄罗斯回到美国后， 在华盛顿海军观象台找到一份助 理的工作。那正是当年联邦的马修·莫里（Matthew Maury）工作的地方。在 这里， 阿比看到了由亨利 1849 年开始组织的开拓性的全国天气观测电报 系统。内战破坏了史密森尼学会的网络， 加上 1856 年史密森大楼上层一场 毁灭性的大火， 使它失去了重建天气系统的能力。亨利曾呼吁国家政府着 手建立一个新的系统， 但是没有成功。与此同时， 这里有一些分布广泛的电 报线， 有一个有效的风暴预警工具， 有这些地处辛辛那提运输和交流中心的 科学设备， 还有一个正在寻找使命的年轻科学家。 1868 年 7 月， 阿 比 在 他 的 就 职 报 告 中， 向观象台董事会表明了志 向： “如果一个台长要让观象台持久地发挥作用， 他会拓展观象台的活动领 域， 一方面囊括天文学、 气象学、 地磁学， 另一方面把这些科学应用到地理学、 测地学和风暴预测中去满足市民和土地测量的需要。 ”很多年后， 气象学家 威廉·汉弗莱（William J. Humphreys）在写给他老朋友的信中写道， 这真是 典型的阿比计划：

他的计划视野宽广， 目标崇高， 但是对于这个迄今为止主要

105 功能是娱乐大众的一人观象台来说， 这些都是不可能的。他的 性情一直是如此乐观， 显然他很少考虑负面因素， 如时间不足或 时机未到。但是， 也许这个计划能够让他启动一些永远完不成 的事情， 无疑从另一方面来说， 也能完成许多没有他就开始不了 的事情。 阿比现在专注于气象学， 他呼吁辛辛那提商会为建立电报系统和天气 预报公告提供经济支持， 公告将在当地每日报纸中发表， 并投递到商会的办 公室里。他在 1869 年 5 月写给商会会长的一封信中写道， 这些信息对很 多商业公司都有巨大的价值， 特别是农业和航海领域。 “由于辛辛那提不临 海， 很可能我们 90％的天气预报都会准确。因此很显然， 我们不是在猜测天 气， （把那交给年历制造商吧）我们能够自信的提前一天、 两天或四天断定天 气的发展情况。 ”商会批准了三个月的项目资金——当然没有阿比希望的 那么久， 但是已经足够显示项目的价值并确立阿比在天气预报领域的地位。 项目雇佣了电报公司员工， 史密森自愿者和其他人。1869 年 9 月， 美国第 一次出现系统化的每日天气预报。阿比为纽约日报提供每日天气服务， 指 出其对航海的价值， 还通过法国电缆给巴黎的厄本·雷维利尔（Urbain J. J. Le Verrier）每日发电报。在写给纽约的爸爸乔治·阿比（George Abbe）的信 中， 充满激情的儿子大胆预言： “我已经开始做一件这个国家不希望我停下 来的事情。 ” 阿比是对的。一个关键的政治推动， 来自密尔沃基的史密森观测员。英 克里斯·拉帕姆（Increase A. Lapham）是一名土木工程师和地质学家， 也是 一位气象学爱好者。他从 1827 年起就开始做长期的天气观察记录。早在 1850 年， 拉帕姆就拿着埃斯比和其他人的研究结论——风暴是自西向东移 动的， 去劝说威斯康星州立法机构筹措资金为五大湖地区建立风暴预警系 统。在 1870 年 1 月拉帕姆发表在芝加哥一本杂志上的文章中， 他提议芝加 哥科学院支持这个项目。这篇文章阐明了这样的风暴预警系统的价值， 并 附上地图说明在这个地区 1859 年的风暴的发展过程。芝加哥科学院对此 表示支持， 但是《芝加哥论坛报》嘲笑了这个想法。 “这可能需要问一下， 如 果要花上 10 年去计算一个风暴过程， 这样的部门能有什么实用价值。 ” 但是另一份报纸， 《密尔沃基哨兵报》汇编了一份这些年五大湖上大量 船舶遇难的报告。它指出这些生命和财产损失， 还有 1869 年 12 月发表的

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图 12.1: 克里夫兰·阿比的肖像照片

107 长列表特别有说服力地证明了为什么要发展天气预报。这个报纸报道到， 在 1868 年的五大湖风暴中， 有 1164 只船只沉没， 321 名水手死亡， 接下来 的一年里， 1914 只船只被损坏或摧毁， 209 名水手失踪， 经济损失高达几百 万美元。 拉帕姆引用这些损失数据， 写信给国会议员、 密尔沃基众议员哈尔伯 特·佩恩（Halbert E. Paine） ， 问道“政府是不是有责任为了阻止， 至少是部分 阻止未来发生这样令人悲痛的损失而做点什么？”拉帕姆起草了请愿书， 向 国会要求为了五大湖的商业利益而支持风暴预警系统。恰巧佩恩曾是俄亥 俄州西储大学气象学家卢米斯的学生， 而且正是卢米斯在风暴结构和运动 方面的研究取得突破的那段时间。如果没有这些巧合， 美国的天气预报服 务也许会走上完全不同的发展路线。拉帕姆预想的是一个由“那些最可能 获益的人”赞助的区域系统。佩恩带着拉帕姆的请愿书， 并且大大地扩展了 它的范围。佩恩在国会提出一项决议， 提倡建立一个联邦政府资助的全国 性的天气预报服务系统， 而非区域系统。 佩恩提议把气象观测和风暴预警的责任交给战争部长和陆军通信兵 团， 而非平民组织， 阿比对此非常担忧。阿比已经亲身体验过军人做的气象 观测的质量。阿比在 1870 年 1 月 7 日写给拉帕姆的一封信中提到： “现已 证明军队的气象观测很不可靠， 质量远不如电报操作员做的那样。 ”他认为 成立一个专家委员会来设计行动计划才是明智的， “我坚持认为， 把这些钱 交给气象学家而非军官， 会得到更好的结果。 ” 阿比很可能不知道， 他面临着多么巨大的政治压力。通信兵团的首领 阿尔伯特·迈尔（Albert J. Myer）是一个光杆司令。大多数通信兵团的士兵 在 1865 年和志愿军一起退伍了， 只剩下迈尔、 两个中尉和两个秘书组成的 机构。 “我刚做完测量的介绍， 就有一个人打电话给我， 说他是迈尔上校， 通 信兵团首领， ”佩恩写到， “他非常兴奋， 强烈要求这件事交给他执行。 ”佩恩 后来写到， 自己把天气系统的负责权交给战争部长是因为“我最开始时觉 得， 军队纪律很可能能保证观测的迅速， 规律和准确。 ” 迈尔曾经只是一名纽约的医师， 但他在政治领域人缘很广。由于内战 期间迈尔和战争部长埃德温·斯坦顿（Edwin Stanton）的一次争论， 迈尔被 免除了首席通信官的职位， 后来他开展了一场漫长的政治运动， 最后胜利 了并找回了自己的工作。在这个过程中， 他成为了总统尤利西斯·格兰特

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（Ulysses S. Grant）的朋友， 并在参议院结识了很多好友。负责一个新的天 气服务组织， 只是迈尔在华盛顿游说的众多想法之一， 很多政客也很想找点 事情给他做。 “那个决议背后能明显看出是迈尔自己， ”一个通信兵团历史 学家写道， “在努力抓住一点能让通信兵团继续工作的事情。 ” 更一般的说， 胜利的北方军队在政治上需要一个让全国受益的目标。 国家还沉浸在战争的伤痛中， 战后政治重建很乐意投资这类国家公共服务， 旨在帮助人民对付一个在和平时期的强大敌人： 美国猛烈的风暴。这条法 规获得了广泛的支持。引进才两个月， 国会就通过了第 9 号公共决议， 1870 年 2 月 9 日， 格兰特总统签字批准它写入法律。 阿比对军队控制的担忧很快就出现了。越来越明显地看到， 无论多少 百姓的生命和财产处在危险中， 美国军队都不会把天气当成多么危险的敌 人。战争部长威廉·贝克纳普（William W. Belknap）花了三周时间才正式通 知迈尔： 国会给他的通信兵团安排了一个新任务。6 月底， 迈尔的工资单上 没有任何天气预报员的名字， 很明显他的计划中根本没有天气预报员。他 报告说， 通讯兵团的活动仅限于“测试接受报告的迅速性， 公布这些一个紧 接着一个关于风暴路径和强度的同步报告， 但不做任何预测。本部门认为 一开始不要进行更多尝试才是明智的。 ”各地军事站点模仿阿比在辛辛那 提观测站的操作， 向华盛顿发送每日气象观测电报， 但是陆军通信兵团厚着 脸皮很多个月都没有发布任何风暴预警或天气预报。 在拉帕姆和佩恩的压力下， 迈尔最终于 1870 年 11 月 8 日第一次会见 了拉帕姆， 因为五大湖的风暴季节已经来临。他迅速聘请拉帕姆作为首席 通信官的特别平民助理。迈尔让拉帕姆负责五大湖的天气预报， 还命令所 有天气报告改送至芝加哥。在上任几分钟内， 拉帕姆就发布了美国政府第 一个官方风暴预警： “致所有五大湖周边的观测员： 马上公告这个预警。夏 延和奥马哈市昨日全天大风。奥马哈市今晨报告狂风。芝加哥和密尔沃基 大风、 气压下降。底特律、 托莱多、 克利夫兰、 水牛和罗切斯特城气压下降、 温 度上升。五大湖周边很可能有大风。 ” 但是拉帕姆没待多久。他已经 60 岁了， 并且身体不好。这个困难重重 的工作需要一个年轻人来承担。不久， 拉帕姆就回到密尔沃基做自己的事 情去了。

109 最终迈尔找到了阿比这个国家唯一一个直接做过天气预报的人。对于 阿比来说， 这是一个转折点。早在 1869 年 12 月的时候， 尽管阿比积极主张 在辛辛那提和其他地方扩展天气服务， 但是他一直希望回到最初吸引他的 那门科学天文学。他在 12 月 7 日写给拉帕姆的信中， 介绍了辛辛那提的最 新进展： “谈判正在进行， 无疑需要一个有能力的气象学家来负责这件事， 为 风暴接近的港口提供预警服务的尝试一定会启动并系统性地推进。我希望 在这几个月内能回到我本身的研究——天文学——以增加观象台那个方向 的人力。 ”但是他的辛辛那提计划并不顺利。在工业城市被污染的空气中， 这个天文台停止了工作， 已经不再适合做天文观测。但把它移到新的地方 花费太高， 远远超过它的私人科学赞助者的接受范围， 于是他们马上决定转 移资金去创办俄亥俄大学。 阿比从 1871 年 1 月 3 日开始为美国陆军通信兵团的天气服务工作。 与陆军军官学校的传统一致， 他以平民科学家的身份被授予教授头衔。对 于这份工作， 这个天文学转行过来的气象学家非常依赖埃斯比关于风暴移 动的研究和费雷尔关于大气环流的理论。 “经过一个月的练习， 大家认为我 的预报已经明显超过公众预期， 于是三天天气预报立即开展起来。 ”阿比写 道。尽管他希望在三年内辞职， 但直到他最后一个任期结束， “概率老头”一 直从事此工作长达 45 年。 尽管陆军通信兵团的任务是平民化的、 科学性的， 但这个组织为商业利 益提供电报和报告的工作至始至终由其军队性质掌控。入伍军人的规则和 纪律都非常严格而且合法。 与此同时， 一些军官对科学性质工作的态度非常随便。全国各地出现 大量的天气谚语。天气预报完全是靠生搬硬套做出来的， 连接观测到的气 压值画等压线， 就能定出低压地区， 进而定为风暴中心。这就是当时的天气 预报， 并且这种预报模式在美国持续了许多年。 迈尔对科学研究没有兴趣。在他担任天气服务负责人期间， 他只聘请 过一位科学家。那些早期研究者注意到美国广阔的大陆是天然的科学研究 优势， 但这个优势在这些年都被浪费了。如果关于大气运动和风暴结构有 新的认识出现， 那也一定不是在美国。对于通信兵团来说， 天气预报可能确 实是任务， 但无疑美国陆军部才是掌控者。新的观测员要去弗吉尼亚阿林 顿的波多马克河边的一个要塞接受气象学指导和其他培训。他们受到一些

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美国最好的气象学家的教育， 包含阿比、 费雷尔和卢米斯。然而就像其他军 人一样， 他们大部分人回忆起陆军通信兵团的训练时， 印象深刻的不是气象 科学， 而是那个地方的臭虫、 劣质食物和死板的训练传统。 迈尔死于 1880 年， 威廉·哈森（William B. Hazen）上将接替了他的工 作。哈森对支持气象学研究更有兴趣， 阿比评论说这才是天气服务的关键。 但是陆军通信兵团由于内部冲突和贪污丑闻而受挫， 为了节约成本， 对新招 募的观测员不再进行气象培训。国家天气服务即将脱离军队的控制。与此 同时， 在通信兵团任职的科学家们的待遇是非常糟糕的。如果没有阿比的 鼓励， 很可能大部分杰出的平民科学家如费雷尔、 卢米斯还有物理学家托马 斯·门登霍尔（Thomas C. Mendenhall）就不会到后来闻名的“研究实验室” 工作了。而且他们也肯定不会在这里工作这么久。 门登霍尔后来写到， 从一开始阿比就认识到“我们的气象学知识还远远 不足以精确预报， ”他不断地向陆军部寻求系统研究气象学的资金。但“阿 比的计划几乎从未成功过。 ” 气象机构的总部在华盛顿陆军部附近， 它看起来分为两部分。在 G 街 西北部， 一面是研究实验室的科学家们， 还有仪器测试室。另一面是军事高 层——首席通信官， 及其军事助理， 财产收支办公室， 和业务预报员。门登霍 尔描述， 科学家们经常遇到草率的军事命令， 要求他们研究这样或那样的未 知现象， 还有那些军事编制的冷漠冗长的繁文缛节。 门登霍尔回忆“一种军人的传统……一个上级军官签字做某件事的命 令不仅暗示着做这件事的责任， 还暗示着做事的能力， 我想这在战场上可能 会鼓舞人心， 但在科学研究上就不一定有用了。 ”科学家们对军事作风很愤 怒， 但军官们限制了他们的反抗。门登霍尔写道， “很遗憾自然的秘密并不 向命令屈服， 于是经常会无法按时’ 得到结果’ 。 ” 这种笨手笨脚的军事文化只会加大 19 世纪后半期气象学中的尖锐分 歧。一方面， 代表商业利益、 公共安全和便利的实用主义者把气象学看成一 种服务。另一方面， 科学家们看到大气运动的秘密只能在基础研究中解决。 在英国， 科学界的权威掌控在皇家学会的精英手上， 费茨罗伊的天气预报被 取消。而在美国， 在陆军通信兵团的控制下， 气象科学也在走下坡路。在那 时， 很少有人在努力协调不断增长的分歧。但阿比就是调停者之一。

111 “概率老头”既不是一位伟大的科学家， 也不是一位伟大的预报员。 “他 没有做出重要的发现， 也很少发表新的或原创性的文章， ”汉弗莱写到， “从 根本上来说， 他是一位教育和传播者。他把目前最好的气象仪器、 气候及农 业的知识和大气力学的知识汇编成册， 方便人们使用； 发表了近 300 篇气象 学及相关学科的文章； 写了几千封信鼓励别人为大气科学作贡献。 ”阿比可 能是做预报的国家第一人， 但他甚至算不上一个出色的天气预报员。汉弗 莱回忆道： “他在这个角色上的成功是不重要的。他并不是那种一看到天气 图就能从整体上快速把握接下来 12 － 36 小时可能发生的变化的人。 ” 近半个世纪以来， 在一个先是被和平时期繁琐的军事命令所压迫、 后是 与政府的官僚政治作斗争的机构里担任首席科学家， 阿比最伟大的技巧是 人性化。他非常无私， 把时间和赞美都献给了他的同事。他很受尊敬， 甚至 爱戴。 “他是最友好的人， 也是我认识的最惹人喜欢的人之一， ”门登霍尔写 道， “他的演讲中有一种罕见的朴素和真诚， 这也反映在他的行为上， 更增强 了他的人格魅力。 ” 1981 年， 这个国家已经受够了军事化的天气服务。国会批准立法把天 气服务转给农业部。这个机构从此改称为气象局。

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12. 克里夫兰·阿比：“概率老头”

Storm Watcher 13 约翰·芬利 深入龙卷风走廊 随着西进运动的不断开展， 很多美国人开始向西部大平原移民并定居， 但有一种恶魔般的天气灾难始终困扰着这个年轻的国家。越来越多的新移 民发现， 他们精心选择的定居点是某种特殊风暴经常光顾的地方。当然， 龙 卷风并不只在这个国家的西部平原肆虐， 但毫无疑问， 在这里发生的频率比 其它任何地方都要高。这对于蒸蒸日上的美国而言是一种打击， 甚至是一 种威胁。这种令人恐怖的风暴究竟从哪里来？是如何形成的？没有人知道。 有人甚至怀疑： 为修建铁路、 架设电话电线或建设其它人居建筑而进行的大 面积开荒就是这一切的根源。 美国陆军通信兵团（Signal Corps）会定期派观察员去调查这些龙卷风 过后的灾害性后果。最初， 这些龙卷风的轨迹、 破坏程度等细节， 都会被忠实 地记录在案， 而且绝大部分都要存档。威廉·费雷尔（William Ferrel）曾奠定 了风暴的基本理论， 他揭示了巨大的离心力如何引起涡旋中心的低压。但 仍有很多尚不清楚的前提条件， 在真实案例中左右了龙卷风的形成。比如 中西部大平原的地形特点， 亦或是大规模的移民定居活动， 是否也影响了此 处的龙卷风？国家天气服务也很想知道一个很实际的问题的答案： 究竟能 不能预报龙卷风？ 113

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13. 约翰·芬利：深入龙卷风走廊

1879 年 5 月 29-30 日， 一场密集的龙卷风群袭击了堪萨斯州、 内布拉 斯加州和爱荷华州。一名出色而努力的、 受过良好大学教育的、 新入职的年 轻人负责调查此事， 他彻底改变了人们对龙卷风的看法。约翰·芬利（John Park Finley）所做的关于龙卷风的研究， 是那个时代最严谨、 最全面的气象 学研究。这为他赢得了崇高的国际声誉， 使他在龙卷风——这一萦绕在美 洲大陆中部的阴霾——的研究上， 站在了同时代所有气象学家的最前列。

但芬利也许太过于领先他所处的时代了。一个还只对宗教的“天命 （Manifest Destiny） ”充满渴求的年轻国家， 并不会真正倾听芬利关于中部 大平原上肆虐的风暴的警告。很自然地， 新成立的国家天气服务很明确地 表明了他们的态度： 他们对这种“只有商贸受益”的小问题不感兴趣。事实 上， 芬利的研究发现了更多的龙卷风， 这是华盛顿的学者们不曾期望或不想 听到的。于是， 陆军通信兵团的高层拒绝了芬利的提案， 最终停止了对其科 研工作的资助， 并禁止他在任何天气预报材料中使用“龙卷风（Tornado） ” 这个词。 芬利对龙卷风的研究， 标志着美国人从 19 世纪初开始的对传统意义上 “风暴（Storm） ”定义的争论达到了顶点。过去， 飓风（Hurricane）和龙卷风 （Tornado）是两个被紧紧绑在一起、 可以互换的概念， 但现在却要各自为政 了。在这个世纪中， 很多前人都为认识这些基本的风暴系统做出了贡献。威 廉·瑞德菲尔德（William Redfield）和威廉·里德（William Reid）识别了热带 风暴和飓风的形状特点； 埃利阿斯·卢米斯（Elias Loomis）的观察与詹姆斯· 埃斯比（James Espy）和费雷尔提出的理论成功辨别了中纬度气旋——这种 经常横扫美国大陆的季节性风暴——的特征。1879 年， 芬利就科技领域中 使用的这些容易混淆的名词定义提出了自己的看法： “很显然我们并不缺少 创造并使用新词的能力， 但如果我们坚持使用那些老词， 将会严重影响它们 在科学研究中简洁准确地使用。 ”他还写道： “你们不能否认， 我所研究的那 种风暴就是龙卷风， 而绝不是任何已知的风暴， 许多可靠的与龙卷风伴生的 特征都写在了这份报告中， 甚至在其它早期的报告中也有说明。 ” 到 19 世纪末， 至少专业气象学者都已能够认同传统风暴与龙卷风的 区别了。比如在 1899 年， 气象局长威利斯·穆尔（Willis Luther Moore）曾在 《国家地理杂志（National Geographic Magazine） 》上撰文指责道： “出版界 和将近十分之九的人都应该多了解一些两者的区别才是！”， 因为他们仍然

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图 13.1: 约翰·芬利穿军装的照片

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13. 约翰·芬利：深入龙卷风走廊

不能正确区分气旋风暴和龙卷风。他明确地向公众介绍： “气旋（Cyclone） 是呈圆盘状做水平运动的气团， 空间上可以覆盖整个美国... 所有流点都 缓慢地、 旋转地向中心运动； 而龙卷风只是一种直径不过 500-1000 码（约 500-1000 米）的小尺度气旋， 可认为是传统意义上的气旋的一种极端特 例。 ”考虑到他领导的天气局对此问题尚有模棱两可的认识， 穆尔不得不隐 忍公众对龙卷风的错误理解。事实上在美国——这个世界龙卷风之乡， 其 国家级的天气服务机构在接下来的将近半个世纪中， 都从未开展过任何有 关龙卷风的研究， 甚至连“龙卷风”这个词都一直被禁止出现在官方的天气 预报中， 这样的被动局面一直持续到 1952 年才得以改善。 尽管科学从未停止过前进的脚步， 但气象学却因龙卷风一直身处困境。 汤普森·莫里（Thompson B. Maury） ， 作为 1871 年第一个为通信兵团服务 的民间志愿预报员， 在 1882 年曾这样抱怨： 一个广为传播的现象是： 随着西进运动中的不断拓荒和定 居， 龙卷风的造访越来越频繁。因此主流媒体最近抛出了一个 关键问题： 龙卷风的频率和破坏力是否会对我们这个国家的西 部定居及其财产积累产生永久性的影响？我们甚至听说在某些 地区， 龙卷风警报异常恐怖， 人们不仅在地面挖洞修建避难所， 还有很多人准备移居国外， 彻底放弃这个国家。 莫里从通信兵团辞职后， 一直为《纽约先驱报（New York Herald） 》撰写 有关天气的文章。上面这段文字是莫里为 1882 年版的《北美回顾（North American Review） 》撰写的一篇文章， 这篇文章反映了当时官方对龙卷风的 看法。 当谈及定居者有无可能“轻微地影响当地气候”时， 莫里写道： “无论人 干什么， 都不足以增加或减少龙卷风的数量； 因为人根本无法撼动产生龙 卷风的大气——这台机器， 就好像一只苍蝇不可能影响一台巨大的蒸汽机 一样。 ”当谈及国家天气服务是否已准备好， 为西部定居者发布局地龙卷风 警报时， 莫里说： “成功预报龙卷风对现在的气象学而言还是天方夜谭。 ”不 仅如此， 国家天气服务连朝“成功预报龙卷风”这个方向努力的计划都没 有。 “如果说有可能做这种预报的话， 恐怕也只能靠每一个社区依靠自身的 力量进行预警， 或者依赖其州立的天气预报服务。 ”

117 芬利和他的上司在天气服务如何处理龙卷风这个问题上， 有着完全不 同的见解。由于缺少政策支持， 联邦官方对待此事的态度变得暧昧和消极， 尽管他们看起来似乎是在为人民着想， 但他们最担心的其实是错误的预警 会造成民众恐慌、 引起经济混乱。芬利则是从亲身经历的角度来理解这件 事， 主张采取完全相反的态度和方法。毕竟这事生死攸关。他选择主动出 击， 积极谏言， 他的演讲常常振聋发聩： “美利坚人口最稠密的这片地区， 就 要永远因龙卷风而厄运连连。 ”芬利在 1887 年写道： “日复一日， 这里将不 1 断出现漏斗云 。从密西西比到密苏里的平原上， 只要有阳光照耀的地方， 就 永远有暴虐的龙卷风打破所有美丽与宁静。 ” 芬利似乎受 1879 年他亲自调查过的那次横扫中部大平原的龙卷风的 影响， 对灾难给人们造成的惨重伤亡和心理阴影都留下了深刻的印象。在 那次调查报告中他记载道： 5 月， 共有 42 人死亡， 262 栋房屋被摧毁。但与 东部各州曾经爆发的几次龙卷风相比， 这根本不算很大的损失。他还写道： 我们必须铭记这些龙卷风， 特别是在堪萨斯州， 它们横扫了 很多非常新、 非常脆弱的定居点。对于在广袤平原上努力寻找 立足点的新社区而言， 它所造成的损失， 都是可怕的灾难。 忍受这一切的居民都痛苦万分。每天晚上（特别是在堪萨斯 州） ， 数以百计的人们都彻夜难眠， 他们不得不合衣而睡以保持 警惕， 社区里的灯塔整夜环视四野， 寻找着任何一个可能的、 来 自大自然的突然袭击。每当有乌云飘过， 或是一阵疾风吹来， 人 们都有恶魔来犯的不祥预感， 这种令人窒息的紧张感要到所有 痕迹都烟消云散之后才能渐渐平复下来。那些平日最勇敢的男 人们也是满脸的恐怖表情， 看到乌云消失在地平线外的瞬间， 他 们微妙的心理变化简直难以用语言来形容， 只有身临其境的人 才能感知他们瞬间的放松和喜悦。这里的人们纷纷准备离开； 各种商业活动都被这恐怖的季节所击垮。只有那些不断安抚受 灾人群、 告诉他们此地充满希望的政府机构还留在这里。有很 多充满献身精神和自我牺牲精神的灾后救援行动， 才真正彰显 了堪萨斯人民的荣耀与尊严。 1

龙卷风形成时常伴随明显的漏斗状云型， 俗称漏斗云。

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13. 约翰·芬利：深入龙卷风走廊

在这些灾难中， 有很多人、 很多瞬间都曾令芬利深深感动， 以至于他又 用了 10 年时间专心研究龙卷风， 并积极倡导为普通居民提供龙卷风预警， 让他们脱离苦难。 “我非常严肃认真地、 反反复复地思考过， 难道这片地区 就真的要永远遭受这种毁灭性的风暴？还是以多高的频率遭受这种劫难？” 他写道： “这个问题究竟能不能解决？通信兵团气象局能不能关注一下这种 毁灭性强、 和人们生活幸福息息相关的风暴？能不能在明年春季和夏季给 人们提供预警？类似这一系列的问题， 在每个社区中都有很多积极的商人 们诚恳地提出来。有些社区是在风暴扫过的地方， 有些甚至不在。 ” 芬利是陆军通信兵团气象局中受过良好高等教育的年轻人之一， 是克 里夫兰·阿比（Cleveland Abbe）努力把他们这一批人招募进气象局的。芬 利于 1854 年生于密歇根州的安娜堡（Ann Arbor）市， 他父母是伊普西兰 蒂（Ypsilanti）市成功的农场主。芬利在他那个时代， 算是有着极其复杂教 育经历的人。在伊普西兰蒂市完成小学教育后， 他在密歇根州立师范学院 （Michigan State Normal College）修完了古典文学课程， 并获得了科学学 士学位。后来又在密歇根州立农机学院（Michigan State Agricultural and Mechanical College）研究了气象和气候对农业的影响， 并因此获得了科学 硕士学位。再后来他用了一年时间在密歇根大学（University of Michigan） 学习法律。即使到了 1877 年， 他已经被陆军通信兵团录取， 并完成了入职气 象培训后， 芬利又跑到位于马里兰州的约翰 -霍普金斯大学（Johns Hopkins University）去做研究生， 开始深入研究龙卷风和气旋。 芬利与政界也联系紧密。除了通过他的父亲， 在家乡声望卓著的弗 罗斯·芬利（Florus Samuel Finley）先生外， 他还通过他的叔叔希拉姆·贝丹 （Hiram Berdan） ， 把人情关系网铺向全国。叔叔贝丹住在首都华盛顿， 在美 国南北战争期间曾任北方军上校， 他还开设过一家名声在外的工厂： 贝丹兵 在布尔河 工厂（Berdan's Sharpshooters） ， 专门为波托马克军团2 生产武器， 战役（Bull Run）中他还被提拔为将军。这一切都为芬利通往联邦高层铺平 了道路， 也使得身份特殊的芬利在通信兵团几次颇富争议的事件中都幸免 于难。 芬利看起来虎背熊腰， 身高 6 英尺 3 英寸（约 190.5 厘米） ， 体重超过 200 磅（90.718 公斤） 。他因具有敏锐的洞察力， 并且做出过非同寻常的贡 2

波托马克军团（Army of the Potomac）是南北战争中北方军的一直重要军团。

119 献而在学术界广受尊敬； 但是， 他并不讨其上、 下级的喜欢。他明显在科学研 究上很有进取心， 但在政治上却略显迟钝。尽管在他叔叔贝丹的帮助下， 他 轻松晋升了军衔， 但他似乎仍缺乏足够的个人魅力和管理才能去胜任一个 成功的军官。每次出了问题， 当他叔叔厚着脸皮疏通军方想方设法把他带 出泥潭时， 他自己反而显得不能、 也不想摆脱困境。只有龙卷风预报， 才是 他愿意为之奋斗和努力的事情。他为此工作十分辛苦， 常常为了一个问题， 不屈不挠地投入无数个小时深入其中， 还常常拉着身边的其他人， 让他们每 一个人也做出同样的牺牲。1882 年， 在芬利与妻子朱莉娅·拉尔金（Julia V Larkin）新婚不到一个月的时候， 由于他对自己工作压得太紧， 导致他神经近 乎完全崩溃， 住进了位于华盛顿的军方医院中。军方医师诊断说： “神经衰 弱导致有癌变风险”， 是“脑力活动过多”所导致， 药方就是要多多休息。医 生还在诊断书上写道： “如果他继续按现在的工作量工作， 后果将不堪设想 直至死亡。 ” 芬利的研究首次表明龙卷风是与中纬度气旋紧密联系在一起的， 并多 发于风暴气旋系统的东南 1/4 象限。他首次指出了龙卷风的西南——东北 移动路径， 是与飑线后的高空西北冷气流有关。他首次给出了促成龙卷风 形成的一整套地表气象条件。他的龙卷风示意图首次说明了干空气下沉 插入南风吹来的暖湿空气对龙卷风的形成至关重要。1884 年， 威廉·戴维 斯（William Morris Davis）在《科学》周刊上撰文介绍芬利的工作， 他乐观地 说： “将龙卷风定义为气旋的一种， 将再次点燃人们的希望！这意味着通过 一段时间深入的研究， 也许再过几年， 这些小尺度的气旋风暴（龙卷风）也许 就能被成功地预报出来， 其准确性就跟现在预报大尺度气旋风暴一样。 ” 芬利组建了一个龙卷风观测网， 最多的时候包含 2400 多个观测点。他 曾认真地试验了龙卷风预报， 但他所声称的“成功”并没有被公众认可。在 某一期《科学》周刊上， 他声称自己曾成功预报了 1884 年春天有 55 天没有 龙卷风； 在倒数 28 天时， 他预报龙卷风将在某个州甚至更大一些的区域发 生； 在倒数 17 天时， 龙卷风就在那些地方发生了； 在倒数 11 天时， 又有一些 龙卷风在没预报过的地方发生了。一些数学家因此斥责芬利， 说他混淆了 没有龙卷风特征的平日和有明显特征的龙卷风日。而芬利则回应道： “说着 容易， 我们知道哪一天特别、 哪一天不特别； 但做着难， 很难决断到底会不会 发生龙卷风。我们也不希望发生龙卷风啊。 ”

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芬利的尝试和观点都没能打动通信兵团。他的一项具体建议： 在龙卷 风多发的季节前， 在堪萨斯（Kansas）城建一个专用的观测站， 用于给平原上 的居民们提供龙卷风预警， 也同样没有被采纳。1885 年， 一项禁止发布任何 龙卷风预报的禁令发布， 尽管该项禁令在 1886 年有所放松， 但在 1887 年 初又再次被执行。通信兵团的局长明令道： “不论是当前气象科学的发展水 平， 还是国家对龙卷风预报的实际需求， 都无法支持进行这种预报。龙卷风 预报错误所带来的损失， 比龙卷风本身所带来的损失还要大。 ” 1899 年 4 月， 几个龙卷风在密苏里州和爱荷华州扫荡后， 阿比对芬利 的谏言终于有了回应。 《芝加哥论坛（Chicago Tribune） 》杂志质疑“以当前 的电话、 电报技术水平”， 是否真的不可能给龙卷风活跃路径上的居民发布 预警？阿比说， 答案是： 不。 “很显然， 如果气象局许多年前就尝试这么做的 话， 现在这些假设早就成了现实。 ”他还写道， “但机不可失， 时不再来。 ”最 好的推进龙卷风预报的时点， 应该是在 1871 年以前。因为那时某些地方 同时“有好几个龙卷风有可能（被预报出来） ”。现在， 龙卷风这个词仍然禁 用， “我们根本没有权力发布， 哪怕是错误的龙卷风预警也不可能。 ”阿比写 道， “由此引起的商业停滞不前和居民中不必要的恐惧， 其损失加起来比一 年中龙卷风本身的直接危害要大得多。龙卷风的直接危害反而是很小、 很 少的。 ”

最终， 芬利的科研经费逐渐枯竭， 他也被委以其它工作。出于几个原因， 他所倡导的科学显得生不逢时。几十年之后， 科学界才意识到芬利的研究 工作究竟有多么大的价值。如果不是在那样的环境下， 他和他的团队恐怕 早就获得了巨大成功。在所有原因中， 有部分原因来自芬利本人——这位 全国第一位强风暴预报员的脾气和性格问题。如果换做别人， 可能龙卷风 预报的倡议会获得更多人的拥护。曾经发生过很多年轻雇员集体上书向领 导请愿， 抗议给他们培训的某些教官的严酷行为， 而芬利就是被指控的四名 教官中被开除的那一位。到了 1886 年， 经过国会的特别调查， 国家天气服 务最终被转移至农业部（Department of Agriculture）进行管理。在此次国 会调查过程中， 芬利夹在中间， 又说了很多冒犯他上司的证词。 1886 年 4 月， 发生了一次特殊事件。新闻媒体首先报道出来， 有6名 通信兵团的工作人员被困在了科罗拉多山脉派克斯峰（Pikes Peak）的山顶 气象站里， 情况十分危急。芬利的上司心中， 立刻有了借此事处理芬利——

121 这个烦人的下属——的安排。当时肆虐的暴风雪， 加上山坡上时常发生的 雪崩， 已经截断了周围所有的电话线和铁轨， 山顶气象站已经好几个月没有 消息了。芬利回忆说： “再勇敢的登山者， 此时也不会应征去尝试救援。 ”因 为 4 月被认为是一年中最危险的登山季节。在科罗拉多斯普林斯（Springs） 市的通信兵团总站里， 为解决此事而来的特派员“焦急地、 努力地劝阻我， 叫 我不要冒险登顶； 因为我跟他说， 只要我去登顶， 他必须陪我一起去！” 当然， 最后谁也没能劝住芬利。 “我们穿得很厚， 仿佛被几层麻袋完全包 裹起来， 装备包括登山杖、 猎刀、 小左轮手枪、 以及一些我要到山顶做比较试 验用的仪器， ”他回忆道， “水银气压计放在木盒子里也绑在了我背上； 温度 计， 同样放在盒子里保护好， 由特派员负责携带。 ”当他们到达顶峰附近的一 处悬崖时， 正好赶上一场大雪， 芬利失足滚落下去。 特派员踉跄着爬到山顶气象站， 感觉气象站紧闭的大门毫无 生气。而里面的人仿佛听到了从另一个世界传来的敲门声， 他 们疯了似的冲到大门口。在此之前， 他们已经彻底放弃了一切 求生意志。特派员也累得没有力气过多解释我的情况， 只说我 一定是掉到悬崖下面去了。于是他们所有人都冲了出来， 最终 在一片雪堆中发现了我的登山杖冒出来的尖， 我得救了。当时 我完全被雪覆盖着， 就像雪覆盖下的一块大岩石一样。他们把 我抬回气象站， 我也渐渐恢复了意识。当我醒来时， 我发现我自 己平躺在一张很宽大的桌子上， 其他人都俯在旁边努力帮我恢 复知觉。 尽管芬利是一个有政治背景、 有个人天分的学者， 但他在通信兵团中的 位置终于还是走到了风雨飘摇的一天。这个机构在越来越频繁的内斗中逐 渐支离破碎， 军方指挥官和普通科学家之间都想争夺更大的权力。在军方 的这一批军官中， 芬利算是受过高等教育的、 地位偏低的一位， 尽管他在通 信兵团中升职得比较容易、 比较快。而在非军方的普通科学家一边， 他又被 看作是“赶尽杀绝（take-no-prisoners） ”的军人代表。当 1891 年军方彻底 失去了对国家天气服务的掌控后， 芬利像其他曾供职于陆军通信兵团的军 人一样， 也要面临去、 留的两难选择。他可以选择留在美国陆军中继续担任 其它职务， 也可以退役后变成平民供职于农业部。最终， 尽管芬利一生都热

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爱气象学研究， 但这个曾经努力工作并不断晋升军衔的军官， 还是选择了为 美国陆军第九步兵团服务。

Storm Watcher 14 马克·哈灵顿 文职人员的灾难 新成立的美国气象局的第一位文职局长是一位在全国有很高声望的科 学家， 他带领着这个机构的气象学研究提升到一个新的高度。对于这个气 象机构来说， 经过了 20 多年的军队控制， 文职领导的到来意味着它在科学 追求上向前迈了一大步。 《纽约论坛报》 （the New York Tribune）建议总统本 杰明·哈里森（Benjamin Harrison）选择一位合格的、 不带政治色彩的科学家 担任这一职位。 “这个机构中一开始就存在的大体风格很可能一直延续下 去， ”这家报纸上这样写着。从任何一个角度来看， 密歇根大学教授、 天文学 家、 气象学家马克·哈灵顿（Mark Walrod Harrington）都非常符合农业部下 属的这一新机构的领导职位。1891 年， 农业部长耶利米·鲁斯克（Jeremiah M. Rusk）就做出了这样一个明智的选择。但是， 整件事情来得太突然了， 在 接下来的时间里， 无论科学上的需要多么迫切， 美国气象局都没有按照预想 的那样成为一个科学领军机构。后来的许多事件和政客似乎都在针对这一 新的国家气象机构及其领导者， 短短几年后， 哈灵顿就从这个职位上被撤了 下来。没人知道从事业巅峰被撤职这件事是否是导致他后来精神问题的原 因。 哈灵顿出生于 1848 年伊利诺伊州的锡卡莫尔。他的父亲是一位物理 123

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学家， 他是在一个农场被抚养长大的。在大二时他进入西北大学学习， 并于 1868 年在密歇根大学获得学士学位， 1871 年获得硕士学位。那年夏天， 他 去阿拉斯加的美国海岸与大地测量局担任一名天文学家的助理。接着哈灵 顿回到了毕业前任教过的密歇根大学成为一名博物馆助理管理员兼数学等 许多学科的教员。1876 年到 1877 年间他在莱比锡大学学习， 然后他来到 中国， 作为外国驻北京办公室军事学校的天文学教授。哈灵顿在中国生病 迫使他回到美国， 并在 1878 年成为路易斯安那州立大学的教员。接着， 他 回到密歇根大学成为一名天文学教授并在底特律主持一个天文观测中心的 工作， 他在那里教授天文学和气象学。1884 年， 他创办了很有影响力的刊物 《美国气象杂志》并担任该刊编辑一直到 1892 年。这样， 在 1891 年， 农业部 长选出来担任气象局长的这位 42 岁的世界级科学家对气象学以及他手下 的研究者们都有着非同一般的了解。 哈灵顿为工作带来了新的活力和技巧。在美国陆军通信兵团的控制 下， 只有在华盛顿的一些被选中的人才被准许进行天气预报。哈林顿掌管 着一个国家天气预报机构， 手下却只有 4 名受过训练的预报员。在三年的 时间里， 他把这个数目扩充成 40 名并把这些预报员送往了全国各地。虽然 全国天气预报仍然是一如既往的每天两次的 36 小时预报， 但是在新地区的 天气预报员们却在修正预报效果、 反映地方气象条件和需求上做出了重要 的贡献。 哈灵顿为气象局第一次组织了倍受期待的旨在满足美国农民需求的气 象研究计划。他还发起了一项气候研究， 以及用一种新颖而有效的方法收 集雨雪纪录， 并展开与密歇根大学和约翰·霍普金斯大学合作的土壤物理性 质的研究。他曾写道， 在把天气服务从航海业扩展到农业的过程中， 天气预 报员在遇到一些新的问题的同时， 还因为一些老问题变得更加复杂而头疼。 海员主要关心大风的出现和有破坏力的大风暴的到来， 而农民们除了需要 准确的温度和湿度条件以外， 还想知道下雨的强度、 范围以及在庄稼成长季 节时可以起到灌溉作用的局地小风暴的形成。要达到所有这些要求， 还要 让国会满意， 哈灵顿曾说， “这是一项非常困难的任务， 坦白地说以我们现在 掌握的知识， 基本上不可能实现。 ”哈灵顿对当时天气预报的状态和思路的 局限性有一个非常清楚的认识， 毫无疑问， 他更倾向于进行新的大气基础研 究。

125 在杂志《评论的评论》中， 哈灵顿曾就这样的基础研究内容写了一篇名 为《天气预报对农业和内陆贸易的价值》的文章。哈灵顿说天气图仍然是天 气预报的主要工具。 但是， 作为一种增加我们知识的途径以及塑成一种大气变化 研究的方法来说， 天气图的作用显然被夸大了。如果我们想成 功地预报出局地的风暴、 雾、 雨、 雪、 雹以及温度变化率等信息， 更长远的发展是必不可少的。但是这种发展可能只能依靠合格 的科学家才能完成， 特别是物理学家和数学家。如果我们把天 气预报从现在的水平提升到一个新的高度， 就像天文学中从天 圆地方的理论提高到现在的高度一样， 那肯定会涌现出很多像 伽里略、 开普勒、 哥白尼和牛顿的人物。 哈灵顿说， 因为天气学和地质学一样， 是一门地域广泛、 个人远无法完 成的科学， 所以只有政府才具备进行这样的研究的能力。然而， 气象学（与 地质学相比）具有更多的潜在好处。虽然他没有对能够研究出什么科学结 果给予保证， 但是他确实非常乐观。 “进展很容易得到， 比如对雾的预报水 平， ”他写道， “可能一名合格的科学家花一年左右的时间就能提高。然而其 他比如完整、 正确的局地风暴理论， 可能在一个世纪内也无法完成。我估计， 三名合格的物理学家， 在恰当的鼓励和支持下， 专心研究十年， 应该就很可 能改善并提高我们现在的预报水平， 使其满足所有的常规需要。 ” 哈灵顿却没有机会尝试这些想法， 他甚至都没能让美国气象局的气象 研究运作起来。当时的经济条件不太合适。整个国家进入到严重的经济萧 条中， 联邦政府提供的经费严重缩水。更重要的是， 政府对美国气象学的态 度是完全错误的。即使美国气象局有可能能专注研究十年， 哈灵顿也已经 没机会看到了。 哈灵顿的任命恰逢本杰明·哈里森（Benjamin Harrison）的共和党政府 执政期间。哈里森在 1888 年赢得了总统选举团的支持， 却在普选中输给了 当时的总统——民主党的格罗弗·克利夫兰（Grover Cleveland） 。政治局势 的异常让在首都的党派分裂异常激烈。虽然不久进行的文职官员改革一再 被建议保留大部分老政府的雇员， 克利夫兰仍在 1892 年参加的第二次大 选后把哈里森任命的所有人推到了被罢免边缘。克利夫兰任命内布拉斯加

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图 14.1: 马克·哈灵顿的肖像

127 州的朱利叶斯·莫顿（Julius Sterling Morton）作为农业部长的举动意味着将 给每一位政府的科学家带来了麻烦。像所有的政客一样， 这位新上任掌管 农业部的官员对科学一无所知， 也不相信科学的结论。所有与科学有关的 部门都发生了骚动——气象局、 地理监察局、 海岸监测局、 农业实验站无一 幸免。 莫顿于 1893 年 2 月来到气象局， 并没有与主管哈灵顿交谈， 而是立即 与作为首席预报员的陆军通信兵邓伍迪（H.H.C.Dunwoody）见面。邓伍迪 周游过全国， 并完成了一本关于气象谚语的书， 同时， 他也是在 1880 年的那 段时间最极力反对扩充气象局科学研究项目的人。邓伍迪和莫顿对气象 研究的价值及政府对科研机构的支持的态度是一致的。所以从莫顿掌权 的那一刻起， 老一套的政治游戏就又开始了。最后， 莫顿任命了一些他自己 的“专家”到气象局中去。哈灵顿辞退了他们， 他把他们称作“命令专家”， 并 且他发现， “他们想把我的气象局变成政治的庇护所时经常会和我发生摩 擦。 ”到 4 月时， 哈灵顿发现他身受几项罪名的指控， 变成了最高监察院的调 查对象。当哈灵顿明白了自己和莫顿斗争的政治本质的时候， 他才意识到 他似乎高估了他的对手的道德水平。 莫顿解雇了哈灵顿的助理局长并把邓伍迪放到了这个位置上。哈灵 顿， 作为一名政府研究人员， 被一个自己还正受着渎职调查的助理监察官指 控。可以遇见， 在 5 月下旬， 原告给出了一个十分不公正的报告。哈灵顿拒 绝屈服， 并直接向总统克利夫兰申诉， 报告指出“一份蓄意、 恶毒的诬陷证词 在这个案件中被使用”。 《纽约论坛报》把这份报告称为“一个不小的震惊”， 因为“在调查期间， 每一个人都参照了这个证词”。如果克利夫兰当时被牵 扯近来调查这个案子， 他肯定会发现那名检察官是“在某个人的指使下， 精 心制作了这一份指控被告有罪的证词。 ”在哈灵顿给总统的信中， 他请求克 利夫兰公正地听这件事， 并且告诉他“不会听从农业部长的要求”。显然， 最 后克利夫兰调查了案件， 因为在当年 7 月 3 日， 莫顿宣布对哈灵顿的所有指 控都被撤销了。 现在鲜有人知当时受挫的农业部长和他的同盟者邓伍迪继续着他们对 抗哈灵顿和气象局的科学家们的斗争。莫顿以削减开支的名义开除了两名 主要的研究人员， 并减少了克利夫兰·阿比（Cleveland Abbe）的工资。一封 来自具有一定影响力的律师加德纳·哈伯德（Gardiner Hubbard）的安慰阿

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比的来信中写道： “莫顿不懂得科学研究项目的价值， 我会尽力为科学研究 做一些事情， 其中也包括你， 我会找机会和总统谈一谈。 ”哈伯德和他的继子 亚历山大·贝尔（Alexander Graham Bell）一起创立的贝尔电话公司收购并 重组了杂志《科学》 。在一封写给《纽约论坛报》编辑的信中， 阿比写道： “自 从哈森将军开始鼓励科研室的发展， 军队官员门就预见到了强有力的竞争 者。 ”莫顿不断地表彰邓伍迪， 并同意其在哈灵顿走后进行一场政治清洗行 动。 哈灵顿在 1895 年发表的一篇期刊文章中指出了这个问题， 文中涉及 “许多以科学为名义的机构”。 “对一些人来说， 科学就像是可怕的怪兽， 那 些差分方程、 平行四边形、 悖论以及可怕的令人厌倦的东西就是它表达怒气 的方式， ”他写道， “对于其他人来说， 它就像是宗教一样不切实际。而科学 家就是那些没有足够能力进行商业活动的人。还有另外一些人认为科学 工作不应该是政府职能， 他们的逻辑是这样的： 因为一些科学没有实际的意 义， 所以所有的科学都不应该被政府扶持。 ”随着邓伍迪受到的纵容一直持 续， 科学家们发现哈灵顿已经慢慢失去了对气象局的掌控力， 他的目标也越 来越模糊。在一封 1895 年 4 月 30 日写给莫顿的信中， 哈灵顿最终忍不住 脱口而出： “邓伍迪是一个自私的挑拨者， 是扰乱气象局的源头。我希望总 统撤掉他， 我们气象局不需要军队的控制。 ” 这封信后来成为了打破平静的导火索。6 月 19 日， 克里夫兰总统最终 同意莫顿的申请， 告诉哈灵顿他可以以“个人兴趣”为由， 自己选择辞职。哈 灵顿拒绝这么做， 他坚持要以“公众利益”为理由， 所以很快， 在 7 月 1 日他 被总统开除了。 “克里夫兰拿起了他的斧子， 哈灵顿教授的官衔落地”， 《纽 约论坛报》以这句话作为文章的标题。 “气象局的政治家阵营和科学家阵 营陷入争斗， 而最终给科学家们带来了灾难——莫顿最终取得了胜利。 ”在 一个声明中， 哈灵顿说道， “在这些公众利益中， 我所一直坚持的， 就是气象 局中的科学力量， 保护气象局免受政治分肥者的迫害。当气象局沦为一架 四年的官方老飞机， 它就已经失去了威望并屈服于有权有势之人的控制下 了。 ” 这件事一直饱受国内报纸的批评。 《费城调查者》在一篇文章中暗讽邓 伍迪和莫顿对科学研究的态度时提到： “申请去气象局工作的人没有被问到 气象学的知识， 而是被问到关于当天气变化时， 猫、 老鼠、 狗、 羊、 雁群、 鸡、 牛、

129 马的习性的变化。 ”克里夫兰的致歉中使用的理由是“气象局的领导者必须 在个人和官方两个层面都与农业部保持一致”， 《论坛报》提到莫顿对自己 的所作所为， 自始至终都没有坦诚过。 “这是白宫该管的事情， 在这个事情上 我什么也没说。 ”莫顿说。 在关于顶替哈灵顿职位的人选的问题上， 毫无疑问， 莫顿喜欢军官胜过 科学家， 但是邓伍迪为保全自己的权利而谢绝了这个要求。阿比是气象局 中的最佳人选， 但是莫顿不准备考虑一个曾经指责过他对气象局的科学声 望造成破坏的人。如果莫顿仔细找， 他不可能找得到气象局外愿意为他工 作的一流科学家。他后来在气象局中深挖， 终于找到了 39 岁的气象局最年 轻的教授——威利斯·穆尔（Willis Luther Morre） 。虽然穆尔不如哈灵顿那 样有才能， 但是他后来展示出了无限的政治能力。 在哈灵顿被解雇的三周内， 他收到华盛顿大学代理校长让他去做气象 机构主管的邀请。密歇根大学的校长詹姆斯·安吉尔（James B. Angell）和斯 坦福大学的大卫·乔丹（David Starr Jordan）都极力推荐哈灵顿， 乔丹说哈灵 顿有着“足够的政治预报经验”。8 月， 哈灵顿接受了邀请， 没有了莫顿的影 响， 9 月时他已经在大西洋西北部的另一块大陆上帮助建立了一个学术中 心。但是， 政治却仍然纠缠着他。华盛顿的农业部民主党员们重新获得了权 力并制定法律以削减大学中的政治力量。当许多人都料想哈灵顿在政府机 构的经历会给他带来一场争斗之时， 事实情况却正好相反。 “哈灵顿发现处 理大学里的事务、 或者做出有效而必要的决断对他来说太难了。 ”一位大学 中的历史学家这样写道。身在加州的乔丹也在担心哈灵顿在气象局的经历 会影响到他。然而， 在 1897 年 3 月， 哈灵顿自己主动辞职了。 从这开始， 事情慢慢变得不妙了。在一封 12 月写给他的华盛顿大学的 朋友的信中， 哈灵顿询问一些同事们的情况并提到他面临的关于人性问题 的困扰： “对于我自己来说——为什么要在这些问题上耗费时间——我仍然 在试图解决不能解决的问题。 ”哈灵顿写了一本书， 《关于天气》 ， 这本书于 1899 年出版。1898 年 9 月， 他成为波多黎各首都圣胡安市的气象局局长， 并写了一篇关于这个岛的杂志文章。但是， 他的科学和政治的时代已经过 去， 他处于完全精神崩溃的边缘。因为不能处理正常的工作事务， 哈灵顿被 撤职了。1899 年 3 月， 他被调往纽约市的气象局， 但是因为精神和身体欠 佳， 他于 6 月被迫退休。

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就在那一年， 有一天他离开家去吃晚餐， 却再也没有回来。这是一次长 时间的独自远行的开始。对这件事情的零星的描述来自一位传记作者的 “来自木材场、 糖料种植园或者造船厂的一两个奇怪的字母或偶然的消息”。 在将近 10 年的时间里， 哈灵顿就像一个幽灵一样游荡在他过去辉煌过的地 方。回到路易斯安那， 那么他就认为自己是一个糖料种植工。回到中国， 他 就又在造船厂中工作。回到太平洋西北部， 他就又是一名伐木工人。1907 年 6 月， 他出现在新泽西纽瓦克警局的第二管辖区， 正在寻找一个庇护所。 一个警察询问他的名字时， 他说他不知道。他被安置在莫里斯平原精神病 院， 直到 1908 年 11 月， 他的妻子罗斯·哈灵顿（Rose Smith Harrington）和 他的儿子在那里找到了他。 1908 年 12 月， 杂志《科学》刊登了这封从一位名叫乔治·洛夫乔伊 （George N. Lovejoy）的人寄给《波士顿笔录》的信：

我们可能很难接受哈灵顿教授——密歇根大学天文学系前 系主任、 美国气象局局长的职业生涯的悲剧式的终结。这位最 有聪明才智的专家、 最成功的教师在他的祖国和中国都传授过 知识， 这让他在学术界声望卓著； 他在华盛顿的事业虽然短暂， 却提升了他的信誉并给政府带来荣誉； 他是一位少见的同时具 有沟通的天赋、 吸引人的人格、 无时无刻的亲切感的人。而这样 的一个人， 却很少见地被囚禁在精神病院里， 更可悲的是他脑中 一片空白。 讽刺的是， 在这封信后， 《科学》还刊登了一篇名为《克里夫兰纪念协会 被建立， 其目的在于在普林斯顿建立一个纪念已故克里夫兰总统的纪念堂》 的文章。 哈灵顿的精神和身体状态似乎一直都在慢慢恢复， 有好几次他都有希 望重回科技世界。但是他一直没能恢复到足够从精神病院离开的程度。他 最后于 1926 年在那里去世。

Storm Watcher 15 艾萨克·克莱恩 被风暴带入加尔维斯顿 艾萨克·克莱恩（Isaac Cline）无所不知。直到 1900 年 9 月 8 日， 他似 乎还认为关于天气的所有应该知道的问题都已经被解决， 并且， 这些问题的 答案他都知道。在克莱恩的脑海中， 问题很少， 而答案却已经很多。无论在 他的话语和文章中， 还是在他的正派举止中， 没有什么能引起人们对他的气 象观点以及他对大气科学的理解有哪怕是最微小的质疑。作为一个有着 18 年军龄的老兵， 克莱恩从旧的美国陆军通讯兵团中一步步走来。他已经 向莫顿和邓伍迪证明， 他就是他们所需要的， 能够顶替第一任美国气象局 长哈灵顿的那种人才。如果威利斯·穆尔（Willis L. Moore）不想要气象局 长这个职位， 克莱恩将会是一个很好的选择。他和穆尔一样可以协调当时 不断增长的财政和政治力量。在当时那个世纪之交的年代， 国会和国家都 不希望听到那些知识分子们关于他们面对的问题的复杂程度、 不可知性和 不可行性的一连串含糊不清的说辞。北美大陆已经被征服， 古巴和菲律宾 也已经从西班牙手中夺得， 1900 年的美国已经准备接手世界。天气预报和 美国气象局不应该仅仅和科研有关。这个错误不应该再犯——政治家不应 该、 科学家不应该、 穆尔也不应该。这位新任气象局长穆尔任命了一位他的 好朋友， 他最信任的人——克莱恩担任德克萨斯州加尔维斯顿气象局局长。

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克莱恩非常适合这个职位： 他勤奋、 有雄心、 果断、 忠诚、 自信。至少在 1900 年 9 月 8 日之前， 克莱恩都是这样自认为的。 但是， 即使是在加尔维斯顿发展最快的繁荣时期， 还是有一小部分人一 度担心这座城市抵御从墨西哥湾来的热带风暴时的脆弱性。毕竟， 这是一 座建立在墨西哥湾和加尔维斯顿湾之间的狭长低洼沙洲上的城市， 整个沙 洲的最高海拔仅仅只有 9 英尺。在大部分时间里， 对大部分人来说， 暴露在 海中是加尔维斯顿一个最有魅力的地方——这里可以使居民们免受夏天 令人窒息的高湿度之苦。这座繁忙的港口城市热爱它的海岸线。为了改善 海边景色， 使人们更方便的到达海滩， 那些可以稍微保护人们免受巨大浪潮 袭击的自然沙丘也被移走了。在长长的码头的尽头， 精美的淋浴房被悬挂 在海湾上空。乘坐在蒸汽轮船上的乘客们看到的这座城市仿佛是夏天从水 面升起的海市蜃楼。即使作为和邻近的休斯顿竞争港口生意的城市， 仍然 有许多人发现， 加尔维斯顿发展和繁荣的很大一部分原因是曾经繁荣的西 南部港口城市印第安诺拉的灾难性覆灭。1875 年， 一场灾难性的飓风袭击 了印第安诺拉， 1886 年另一场飓风使这座城市完全在地图上消失了。自从 1886 年以后， 有一个问题开始萦绕着加尔维斯顿： 如果印第安若拉会遭受 飓风的袭击， 加尔维斯顿为什么不会？印第安诺拉遭受灾难以后， 加尔维斯 顿的一群商人考虑修建一个防护性海堤， 但不久之后他们的想法就随着潮 水的退去而消退了。1891 年， 另一个潮湿的热带气旋经过并造成了加尔维 斯顿的洪水， 又让这个议题重新提上了日程。这个事件促使《加尔维斯顿每 日新闻》杂志敦促当地的气象局评估城市面对热带风暴的脆弱性。 那些谨慎的气象学家们在面对解释“关于未来风暴路径预报的困难 性”的邀请时， 可能早就躲得远远的了。很多科学家会在表达他们的观点时 含糊其辞。然而， 在 1891 年， 这个问题对 29 岁的克莱恩来说却没有什么可 害羞和不确定的。他似乎想通过这个机会来证明他的科研成就。这时， 克莱 恩正在尽他最大的努力试图在当时——甚至是一百年以后——气象学界最 困难的问题上用自己的观点说服别人。究竟飓风为什么会去它们要去的地 方？每一个 19 世纪的科学家都低估了这样一个问题的困难性， 正如他们低 估了那些关于天气预报准确性的困难一样。在这个问题上， 没有人比这位 通讯老兵走得更远。1891 年， 克莱恩那自信的论断不仅仅平覆了加尔维斯 顿的人们心中的担忧， 还在很长一段时间内使人们相信建立海堤是没有必

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图 15.1: 艾萨克·克莱恩的肖像

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15. 艾萨克·克莱恩：被风暴带入加尔维斯顿

要的。同时， 城市的财政管理者们也非常乐于支持这样的言论。此外， 这在 某种程度上也使美国气象局长穆尔以及他在华盛顿的上司们非常高兴。 克莱恩在《每日新闻》上的文章向读者们展示了一幅过去 20 年经过墨 西哥湾流的热带风暴的路径的地图。他这样描述道： 在大概 20 个经过美国南海岸的西印度飓风中， 只有两个到 达了德克萨斯。在众多产生于墨西哥湾中的飓风中（其中七个 在墨西哥湾西侧） ， 也只有两个到达了德克萨斯海岸。德州海岸 的大气现象通常是遵循大气运动基本规律的， 但西印度飓风除 外。这两个西印度飓风是沿着一条异常路径到达德克萨斯的， 这种异常路径在气象学中被认为是偶然现象。 同样地， 墨西哥湾西侧的风暴， “一般都会改变他们的路径沿着北方或 向东北方向发展， 最终他们的路径就是朝向东北方向。而平行于州海岸线 的风暴又太远而很少能够造成破坏。 ” 到底加尔维斯顿气象局的科学家们是怎么认定那些到达这里的风暴是 偶然的？这是莫里曾经写过的东西吗？不管是不是巧合， 莫里在他的《海洋 地理学》一书中， 同样自信地提到像加尔维斯顿这样的城市在热带风暴中不 会被淹没， 因为城市之前长而浅的海滩可以使风暴驱使的海浪在到达岸边 之前就消散掉了。克莱恩还说， 周围低洼的陆地可以在加尔维斯顿被严重 破坏之前吸引洪水。克莱恩声称： 德州的海岸远比全国的其他地方更难遭遇气象侵扰。那些 不了解具体情况的人们所持有的观点——加尔维斯顿将有可能 被这样的侵扰严重破坏， 仅仅是可笑的错觉， 并且只能从想象中 得出而不是推理的结果； 因为岛的北部有一大片低洼陆地可以 把水分散开， 所以任何气旋制造出的风暴都不可能对城市造成 实质性的破坏。 把人们不合理甚至无知的担心归结于可笑的错觉之后， 克莱恩继续说， 因为风暴的路径和城市周围陆地环境的原因， 加尔维斯顿根本不用担心这

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图 15.2: 1900 年加尔维斯顿风暴的路径

些自然的事故。 “加尔维斯顿， 考虑到它的位置和海湾的具体特点， 不容易出 现在任何可能碰巧进入海湾西侧的西印度飓风的路径上。 ” 克莱恩 1891 年所写的东西， 没有一点可以解释发生在 1900 年 9 月 8 日的事情。在所有的重要报告中， 克莱恩和每一位美国气象局的科学家对 风暴的行为的观点基本上都是错误的， 关于加尔维斯顿的脆弱性的估计也 是完全错误的——特别是关于在 9 月的第 1 个星期从加勒比海经过墨西 哥湾的这次热带气旋的具体的路径和破坏力的估计上。 这次灾难性的失败的一个重要原因在于穆尔以及邓伍迪方面奇怪的政

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15. 艾萨克·克莱恩：被风暴带入加尔维斯顿

治家的自信。就在加尔维斯顿飓风灾难发生的前一天。美国气象局长， 在邓 伍迪的督促下， 说服陆军部拒绝获取古巴在哈瓦那的贝伦大学长期发布的 天气预警电报。在贝尼托·瓦因斯神父（Jesuit priest Father Benito Vines）的 带领下， 贝伦天文台是一个非常出色的气象研究机构， 已经研究了 30 年的 飓风。穆尔和邓伍迪在被贝伦的独立天气预报骚扰多时之后， 认为他们的 飓风预警不必要地骚扰了“美国人民”。古巴人后来被他们的这一行为激怒 了， 美国的电报禁止令随之撤销， 但是， 就在禁制令实施期间， 穆尔和邓伍迪 成功屏蔽了 1900 年 9 月的第一次重要的飓风预警， 这次飓风正好指向墨 西哥湾并到达了德克萨斯州。 穆尔和邓伍迪根本没有预料到飓风会来袭。当飓风到达海湾时， 穆尔 把它定位在佛罗里达附近， 并警告称其将会到达亚特兰大海岸。在飓风造 成德州降雨后， 穆尔预测飓风将会在奥克拉荷马消失， 并再也不会造成威 胁， 然而后来飓风却沿着中西部一直行进并转向北方， 最终在一个星期后到 达了加拿大的东南部。 从风暴进入墨西哥湾到 9 月 8 日晚整个城市遭受暴雨的肆虐和狂风 的侵袭， 华盛顿的穆尔和身在风暴中的克莱恩都没有警告任何人风暴即将 到来。之所以他们的失职没有引起全国范围的责备和惩罚， 是因为正是由 他们来告诉全国到底那天在加尔维斯顿发生了什么事情——并且克莱恩的 经历是如此的恐怖， 他个人的损失如此的巨大。 “到晚上八点的时候， 许多房子都飘了起来， 散落在我的房子的东边和 东南边。海浪就像攻城槌一样， 任何建筑都不可能支持很长时间。大概八点 半的时候， 我的房子倒了， 里面还有大约 50 个寻求庇护的人， 只有 18 个人 活了下来”， 他在一份 9 月 23 日给总部的特别报告中写道， “去世的人中有 我的妻子， 当房子倒下以后她就再也没露出水面。 ”克莱恩紧紧抓住漂流的 废墟， 试图解救自己和他的两个小女儿。几天以后， 怀着第三个孩子的科拉· 克莱恩（Cora Cline）的尸体被找到了， “一个美丽、 聪明、 传统的女子”， 他生 命中的挚爱， 被发现卡在房子的废墟中。 这样一个对自己的责任如此在意的男人， 当他想到因为自己的过失而 使自己的家庭、 朋友和这个城市陷入危险的时候， 就会痛苦万分。不过， 在公 众面前， 克莱恩从没有让任何对他在这个可怕的天气灾难中的角色的质疑 萦绕在他周围， 克莱恩 1955 年在新奥尔良去世， 享年 93 岁。1900 年 9 月

137 23 日， 克莱恩回到他的岗位上， 并小心的篡改着那天发生的事情。

“风暴预警很及时， 我们收到了一个范围更广， 不仅仅局限于加尔维斯 顿， 而是整个海岸区域的警告， ”克莱恩在他向上级穆尔的特别报告中写道。 许多年以后， 在他的自传中， 克莱恩才敢承认在飓风到来之前， “既没有从华 盛顿收到飓风警报也没有收到紧急事件警报”， 他在描述他是如何聪明地掩 盖了这个事实时写道： 灾难发生后的几天， 一家出版社的当地代表递给我一个从纽 约发来的他们的社长的电报， 询问他风暴预警是否被公布出来。 我告诉他， 那个风暴预警在风暴到来前两周就公布出来了， 他知 道我给人们的极力警告和建议以及我如何在 8 号早上和人们 呆在一起并告诉他们正处于危险之中。然后我问他， 他认为还 有什么事情是我应该为警告民众而做的。他回答说“已经做得 很好了。 ”然后我说， “把这些内容电报给你的社长。 ”他照做了， 这样民众的疑问得到了回答， 并且避免了把中心办公室那个没 有发布风暴预警的预报员牵扯进来。 克莱恩所报告的每一件事情都是精心设计的， 为气象局、 穆尔以及他自 己的声望服务的。他把自己叙述成了一个英雄。 “我们通过电话和书面的形 式警告了公众， 最可怕的风暴就要来临， ”他写道， “民众们被建议去寻找安 全的地方过夜。所以， 成千上万居住在海滩附近或者小房子里的人家转移 到城市的中心而保全了生命。 ”这个故事的后续版本说他在当天早晨奔波 于海滩上， 大声警告人们， 告诉那些度假的人回家去。在这场灾难发生后的 许多年中， 除了克莱恩自己， 那些幸存下来的人中没有人提到过曾听到过这 样的警告声， 也没有人目睹克莱恩所说的他自己的英雄事迹。通过一些不 为人知的算法， 克莱恩声称他救了至少 6000 人的生命。这是否跟估计的风 暴中的死亡人数为 6000 这一事实是巧合呢？实际的死亡人数不是克莱恩 或者任何其他人所能准确估计出来的。许多家庭整个都失踪了， 根本没有 留下人来寻找他们。那些腐烂的尸体被堆起来统一焚烧了， 还有成千上万 数不清的尸体被冲到了海里。在一个对克莱恩的报告的公开回复中， 穆尔 说道： “记录显示从风暴被发现开始， 你们就都很警觉而且英勇， ”成千上万 的民众因为克莱恩的警告而获救， 他表现出了“值得每一位气象局的工作

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人员骄傲和学习的勇气与忠诚”。 无论这场灾难给克莱恩个人带来了怎样的冲击， 加尔维斯顿飓风改变 了克莱恩的专业目标。他以前曾在业余时间获得了一个医学学位， 并着力 于研究当风暴到来时， 天气和气候对人类健康的影响。事实上， 关于这方面 的手稿丢失在他的房子的碎片中了。飓风过后克莱恩便放弃了这些研究， 而投身于研究热带气旋。在很多年以后的回忆录中， 他写道： “因气旋带来 的大风导致的风暴潮的破坏作用， 以及在其他的热带风暴中因为同样的原 因而造成的可怕的伤亡告诉我： 如果有关于这些风暴潮的成因的足够知识， 巨大的生命和财产损失可以在一定程度上被避免。 ”他利用很多年的时间 进行着这方面的研究， 成为了一个得到国际认可的研究型气象学家。他变 成了一个更加深刻并且认真的科学家， 甚至少了许多让人无法忍受的自负， 即便谦虚这个词和他从来都不相干。 一路走来， 克莱恩也受到过与他曾经对待别人的态度相同的待遇。在 气象局的科学家当中， 他的关于飓风结构、 构造及其产生的风暴的新理论， 遭遇到了如一堵墙般的傲慢的反对者。克莱恩的工作挑战并推翻了之前关 于热带气旋的描述。他把风暴分为四部分——前、 后、 左、 右——并展示了不 同的力是如何改变风暴路径、 风的强度以及波浪的。传统的描述认为风统 一地绕着风暴的中心旋转， 而克莱恩则给出了一个在风暴的不同部分分布 不同的模型， 并且， 他还介绍了为什么最强的风出现在风暴的右后部， 以及 这些风是如何推动风暴前进的。最终， 他的工作在气象局的科学家们的反 对中被发表了出来， 虽然他发现没有人发表过正式的科学文章来反驳他。 1926 年， 他出版了《热带气旋》一书， 这本书后来成为了这个方向重要 的教材。1934 年， 他出任美国气象协会会长一职。在他的书中， 他注意到威 廉·费雷尔（William Ferrel）50 年前就已经正确地描述出了气旋中风不统一 的结构， 但是 1885 年时没有人注意到这一点。克莱恩再也没有把和他自己 不同的观点说成是可笑的错觉。 “费雷尔对气旋的研究作出的伟大贡献不 被接受的原因在于那些气象科学家和研究人员们的小气的嫉妒。 ”他写道。

穆尔的政治欲望最终毁了他。在 1912 年， 他因为竞选农业部长的过程 中滥用政府职权而成为调查的重点。随后， 他被解雇。 直到现在的许多年中， 当国家气象局的员工们被认定为全局的榜样而

139 得到嘉奖时， 他们会被授予克莱恩奖。

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15. 艾萨克·克莱恩：被风暴带入加尔维斯顿

Storm Watcher 16 吉尔伯特·沃克 南方涛动 我们人类生活在两种神奇的流体中： 水和空气， 或者说海洋和大气。现 代的气候科学很早就发现： 深厚而缓慢的海洋和浅薄而快速的大气， 从来 都是捆绑在一起、 相互依存的， 它们彼此在边界处混合， 交换能量， 就像两个 性格迥然不同的孩子， 永远有说不完的悄悄话。在海 -气之间的所有对话 中， 有一个仿佛是它们在大声、 激烈地彼此叫喊， 这一现象我们称为“厄尔 尼诺（El Niño） ”。科学家们则更常用另外一个词， “厄尔尼诺与南方涛动（El Niño/Southern Oscillation, 简称 ENSO） ”， 来准确地描述海 -气间的能量交 换。每当这种现象发生时， 科学家们认为来自大气的声音——南方涛动—— 可能就是它们之间激烈对话的开始。 一切都要追溯到 20 世纪初的印度。那时还是英属印度， 首都（实际是 夏都）是位于喜马拉雅山脚下的一个名为“西姆拉（Simla） ”的小城。西姆拉 也被称为山城（Hill Station） ， 它恰好位于印度次大陆的副热带幅散带上。从 阿南德（Annandale， 西姆拉小城中位于山脚下的一大块绿地的名字）那修 建得无比整齐的宽阔草坪上看去， 总能看到一幅静谧安详的唯美画面。这 里是英属印度的总督吉尔伯特·沃克（Gilbert Walker）和他的军界朋友阅兵 的场所， 是他用来炫耀不列颠帝国荣耀的地方。除了常握在手里的回旋镖 141

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16. 吉尔伯特·沃克：南方涛动

之外， 总督大人还是一位看起来十分死板的剑桥大学的老师。他清瘦而挺 拔， 具有一种内敛而权威的风度。1904 年， 36 岁的他就站在这片草坪上， 就 职印度观象台台长， 即整个印度的首席气象学家。而在此前不久， 他才刚刚 从剑桥来到印度， 刚刚放下剑桥三一学院那保守、 稳定的教席。他是一名科 学家， 也是一名学者， 人们总能在他身上看到这些影子， 唯独手里的回旋镖， 不像他的风格。 在注重纪律、 强调执行命令的古典年代， 作为大英帝国海外前哨的长 官， 沃克却是一个勇于创新、 不墨守陈规的人。首先， 他是一名杰出的数学 别 家， 而且是一名“指尖上的数学家（A mathematician to his fingertips）1 ”， 人是这样评价他的。其次， 沃克是一名水彩画画家， 还是一名精通横笛的音 乐家。除此之外， 他还是一名滑冰高手， 从不服输的登山爱好者， 博物学家和 喜欢猎鸟的猎人。最后， 他也是一个机敏的辩论家， 他客户眼中的好朋友， 有 着无比好脾气和好性格的男人。许多年后， 伦敦的《泰晤士报（Times） 》说他 “兴趣如此广泛， 言辞如此清晰， 性格如此和善而通情达理， 以至于他无论在 西姆拉社交圈、 还是伦敦科学界， 都是一个受到广泛认可的人物。 ”另外， 还 有一件事也是确定无疑的， 那就是在他所处的时代， 他还是全欧洲和全印度 投回旋镖投得最好的人。也难怪， 因为阿南德那片供游行的草坪， 有足球场 那么大， 这是西姆拉小城方圆几英里唯一的一块平地， 也是最适宜投回旋镖 的地方。 沃克是第一个定义“涛动（Oscillation） ”概念的人。涛动的意思是， 太 平洋东侧的海平面气压与西侧的海平面气压呈反向振动的模态。当一端 的气压升高， 另一端的气压就降低， 就像跷跷板一样。除了南方涛动本身 所代表的大气质量的大尺度“摆动”， 沃克还指出它对太平洋周围、 甚至全 世界更远地区的温度的季节变化和降水的模态都有影响。他所发展的这 一伟大思想， 被记录在一系列名为《世界天气（World Weather） 》的重要论 文中， 并于 1920-1930 年代陆续出版。这一系列文章， 首次指出了全球气 候年与年之间的微小变化， 不论从范围还是特征上来说都与南方涛动有 关。受影响的地区和天气要素主要包括： 热带太平洋和印度洋地区的风 和降水； 西加拿大的温度； 东南美国的温度和东南非洲的温度。沃克甚至 通过数据分析探讨了长期天气预报， 或者如他所说的“季节先兆（Seasonal 1

指在生活中随时随地都离不开数学、 使用数学、 热爱数学的人。

143 foreshadowing） ”的可能性。今天的短期气候预测， 一般也称作“季节预报 （Seasonal forecasting） ”， 都是从对南方涛动的研究和这一系列论文开始的。 然而， 当时的科学还没有准备好去研究“全世界天气”的问题， 因此人们真 正认识并理解沃克的科学成就， 已是很多年以后的事。

其实在 1904 年， 沃克并不是在印度开展气象服务的最好人选。他本人 在伦敦和剑桥的学术圈里， 是因其在数学方面所表现出的卓越才华和很高 的学术造诣而闻名的。但实际上， 更准确地说， 他的主攻领域其实是数学物 理。他最重要的工作， 如果不算他在业余时间所研究的回旋镖动力学的话， 都是关于电磁学的数学理论的。他的一篇著名的文章《交流电的斥力和旋 转（Repulsion and Rotation Produced by Alternating Electric Currents） 》曾 在 1891 年受到英国皇家学会的重视。当然， 更有趣的事是， 沃克于 1897 年 写成的关于回旋镖动力学的专著， 也被广泛认为是十分精彩的原创性工作， 而且数学上有巨大的创新意义。可见， 沃克在约翰·艾略特（John Eliot）爵士 1903 年回到英国之前， 可以说几乎从未接触过一丁点有关气象学的东西！ 而艾略特爵士当时回国的目的， 恰恰就是要寻找一位继任者作为印度政府 的首席气象学家和印度观象台的台长。可当时的沃克， 却没有任何行政管 理方面的经验， 也从未在剑桥三一学院接受过这方面的训练。 那时的印度急需气象服务， 但欧洲气象学没有印度气候的经验。印度 曾经在 1877 年和 1899 年两度发生大饥馑， 季风没有到来， 导致大面积干 旱， 几百万人死亡。因此， 印度次大陆非常需要增进对季风性降水的理解， 因 为这紧密关系着印度的农业和人民的生命财产安全。正是出于这一需要， 艾略特爵士曾拔苗助长式地强力推进季风预报。多年以后一位英国气象学 家查尔斯·诺曼德（Charles Normand）爵士曾这样写道： “令人遗憾的是， 尽 管季风预报计划在艾略特的引领下变得越来越雄心勃勃和充满希望， 但他 们只有很微薄的经费支撑。 ”那些预报通常要事无巨细地写 30 页纸以上， 但还常常报得完全错误。诺曼德爵士还提及： “连报纸上对这些预报的评 论， 都开始变得无比尖刻、 毫不留情。 ” 因此， 这个印度观象台台长的位置绝不好当， 绝非一个有名望的普通 学者可以胜任。在本世纪（指 20 世纪）初的欧洲， 天气预报在科学上是否 有价值还仍然有争议， 因此， 对季风及季风在世界范围内的影响做长期预 报的想法， 必须突破当时主流学者的禁锢才行。当时的英国气象局（British

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16. 吉尔伯特·沃克：南方涛动

图 16.1: 吉尔伯特·沃克的肖像照片

145 weather service） ， 也才刚刚从 1860 年代罗伯特·费茨罗伊（Robert FitzRoy） 的失败中恢复， 重新开始正常地发布每日天气预报。正如印度评论界所攻 击的那样， 印度政府应把艾略特爵士的最后一次季风预报当成“绝密”的政 府文档， 不宜公开发布。事实上， 当艾略特爵士声称， 他的继任者需要更多的 科学家支持的时候， 印度殖民政府否决了他的提案。

在英国剑桥， 印度气象服务的新领军人物最终加冕到“玩回旋镖的沃 克”头上， 因为他总是显得与传统意义上的“剑桥风范”格格不入。如果让沃 克有机会抱怨一下三一学院的话， 他肯定会抱怨那里的生活缺少挑战。同 时期的数学家杰弗里·泰勒（Geoffrey Taylor）这样说道： “沃克常常提起， 那 时在剑桥想找点事情做以便使数学有用武之地都是很难的， 因为他们从不 参与任何具体的实验室工作。他对数学的基本态度和看法， 可以用约翰·霍 普金森（John Hopkinson）给他的一句话概括： ‘数学要成为好的工具， 而不 要成为坏的大师’ 。 ”值得庆幸的是， 艾略特这位剑桥的老前辈留给沃克的机 会， 正是沃克期待已久的事业。 “这是一个令人惊讶、 但非常明智的决定， ”沃克的同事这样评价。 “艾 略特选择了一位精力充沛、 机敏好学的继任者。而且后来的事实证明， 沃克 有能力与所有同事融洽相处， 不论是英国的还是印度的。 ” 印度气象科学的建立， 特别是季风预报， 都需要从零做起。在 1880 年 代后期， 印度饥荒委员会（the Indian Famine Commission）曾问过殖民地首 任气象官员亨利·布兰弗德（Henry Blanford） ， 每年 6 月至 9 月灌溉整个印 度的季风降水， 从科学上是否真的可以预报？当时布兰弗德认为印度降水 主要受制于一些局地因素， 比如喜马拉雅山积雪量、 中亚和青藏高原地区的 2 夏热/冬冷状况、 以及波斯 地区的风暴等。因此， 布兰弗德当时的季风预报 并不成功。实际上， 在后来的艾略特爵士的领导下， 季风预报甚至变得更差。 艾略特似乎总想通过把报告写得又臭又长来掩盖他科学上的欠缺， 沃克将 之评价为“武断而傲慢”的表达法。 玩回旋镖的沃克， 并没有将这种“武断而傲慢”的表达习惯带到印度， 他只带了一个回旋镖、 一个开放的心灵和一套全新的方法。如果布兰弗德 所倡导的局地因子事实上并不影响季风的变化， 那么答案只能存在于非局 2

现在伊朗等地， 1900 年前后为波斯帝国。

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16. 吉尔伯特·沃克：南方涛动

地的远方。正是由于初涉一个全新的领域， 使得沃克能够毫无成见地考虑 所有的可能性， 这其中很多想法在传统的气象学者眼中都是根本行不通的。 沃克甚至并不想从本质上理解季风的原因， 他只想找到一种方法来打磨出 更准确的季风预报。他想在全世界范围内寻找任何与印度季风相联系的信 号， 不论物理机制是什么。他想把调查网撒得越远越好， 最好能找遍世界上 所有的气象记录才好！当时， 沃克总共搜集到了全球范围内长达 40 年的气 压、 温度和降水记录。不仅如此， 他还搜集了很多传统气象记录以外的变量， 这些五花八门的数据包括： 河水的洪泛期、 山顶的雪盖深度、 湖泊水位和太 阳黑子等， 他只想寻找与印度季风对应的因果关系。 虽然沃克的分析方法在气象科学上是异常罕见的， 但恰恰应用到了他 作为数学家的特长。首先， 他把气象资料数字化， 然后寻找季风线索就变成 了一个庞大的关于这些数字的统计学问题。每一个气象记录都被平均到一 年的四季中， 这样任何一个台站的任何一个变量一年只有 4 个数。根据伦 敦泰晤士报上的一份讣告的记载： “早期曾去过沃克在西姆拉的办公室的一 名访客， 亲眼见证了那些 ‘一行行密密麻麻的小格子’ 中记录了 ‘各种各样的 奇妙的偶然’ 。每当沃克发现两个现象在几年时间里变化一致时， 就把它们 一并放到一个小格子中， 最终这些小格子构成一个表格， 哪怕他并不知道小 格子中有什么实质性的联系。 ” 沃克在这里引入了一种统计分析方法， 即现在被人们所熟知的“相关 系数”的方法， 它可以用一个数字来表征两个变量的相似程度， 而且是绝对 客观的度量。如果两个变量的变化一模一样， 则它们的相关系数为 1.0； 若 两变量变化彻底无关， 则相关系数为零； 如果两个变量的变化完全相反， 则 相关系数是 -1.0。沃克和他的助手们， 编制了大量的表格， 以记录各种同期 和滞后的相关系数。这是一项无比枯燥和艰难的工作， 为此沃克动用了大 量的助手， 总共进行了数百小时的计算。在一般的数学家眼中， 这种研究方 法是多么的愚蠢。但沃克十分清楚他在做什么。在整个计算分析过程中， 当 遇到具体的问题而没有现成的方法时， 沃克总是选择发明一种新方法来克 服困难。 “沃克的工作从统计学角度来看是很有创意的， ”位于科罗拉多州博尔 德市的美国国家大气科学研究中心的数学家兼高级科学家理查德·卡茨 （Richard Katz）说， “在沃克推进他的研究的年代， 各种时间序列分析和哪怕

147 今天看来很简单的回归分析， 都仍在发展中。 ”对今天的统计学家而言， 沃克 的名字常常和所谓的尤里 -沃克递归关系（Yule-Walker recursion）相联系， 这是在时间序列分析中用来提取周期的一套方程组； 对今天的气象学家而 言， 沃克的名字则与“南方涛动”相联系。 “很少有人意识到， 这两个沃克就 是同一个人， ”卡茨说， “而且这两个理论都源于同一项研究的成果。 ” 沃克于 1928 年在给英国皇家气象学会的报告中写道： “主要的结论是： 全球有三个大的气压摇摆振荡中心， 即涛动中心： (1) 北大西洋涛动， 以亚速 尔群岛（Azores）或维也纳（Vienna）为一极， 以冰岛或格陵兰岛为另一极； (2) 北太平洋涛动， 以副热带高压带为一极， 以冬季阿留申群岛为另一极； (3) 南 方涛动， 以南太平洋为一极， 以印度洋附近陆地为另一极。 ”这三大涛动的命 名略有遗憾， 北大西洋涛动和北太平洋涛动， 在名字中准确地指出了其影响 的范围； 而“南方涛动”却没能在名字中点明其日后被证明所具有的无比深 远的气候意义， 也没能指出其在全球巨大的影响范围。 沃克本人并非没有意识到这一点。 “南方涛动比另两个涛动的影响范 围更大， ”他说， “但它的气候效应却传播得很慢， 至少需要 6 个月或更长的 3 时间， 才可能传到地球的另一边 。 ”他还说， 这是季风预报的关键， 也是其它 季节性预报的关键。 “太平洋和南美附近的高压， 对应着印度洋岛屿的低压， 伴随着热带地区和北美中部的温度偏低， 以及印度、 爪洼岛、 澳大利亚的多 雨和尼罗河地区的洪涝， 但智利降水偏少。 ”夏威夷的降水也受此现象影响， 加拿大西部的冬季温度也是一样。 沃克已经得到了他一直寻找的东西： 用于预报印度季风降水的客观基 础。他说： “通过统计方法对数据的分析， 我们看到了世界范围内不同地区 间的季节性联系， 有时它们是同时发生的， 有时前后相差三个月或更久。在 后一种情况中， 如果某地出现了前兆信号， 我们就能预报出另一个地方会发 生什么。 ” 沃克的研究成了后人的榜样， 之后年轻的气象学家们纷纷为理解全球 尺度的天气和气候现象而努力。很显然， 这代表了科学上一个新的方向。可 是， 沃克的方法在当时却招致伦敦的权威气象学者的质疑。也许这个来自 剑桥的数学家从未做过气象外场观测， 但从传统的气象学者的角度看来， 沃 3

指北半球， 印度位于北半球。

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克的工作和记录观测数据一样枯燥乏味。而且他的统计分析几乎完全掩盖 了现象背后的动力理论， 甚至违背了科学上经久不衰的标准流程， 即“假设 -观点 -求证”的研究范式。 沃克从原始数据中计算出了各种统计量， 以这些漫无边际的统计关系 为基础， 对长期天气预报的可能性做出了武断的结论。他自己也不能解释 这些关系， 更不能给出理论。因此沃克的方法被称为是彻底的“纯经验性的 （Empirical） ”方法， 在那个时候， 这个词是科学家口中贬低他人工作的最凶 狠的武器。 “没有任何已有的知识可用于解释这种空间和时间上都间隔遥远的两 个事件之间的关系， ”诺曼德爵士说道， 沃克曾想为这种全球范围内的天气 关系寻找一种合理的物理解释， 他将其归因于太阳黑子、 南大西洋海冰等因 素， 但这些探索都无法形成结论， 因为它们之间的相关系数并不高。英国气 象学家威廉·戴恩斯（William Dines）说过： “除非极高的相关关系， 否则任 何只依赖相关系数做出的预报， 连瞎猜都不如。 ”在伦敦， 传统的人们开始用 相关系数作为指引， 寻找其背后可靠的理论。在印度， 由于沃克本就不是一 个理论家， 他不准备再奢望等待理论的出现了。就像诺曼德后来所言， “如 果等到理论基础成熟了再行动， 那推进季节预报的所有尝试都会被耽搁。 ” “在那种情况下， 沃克坦率地选择了直接使用经验的方法。他甚至争辩 道， 真正的物理关系是可以用严格的统计方法发现的， 缺乏物理解释也不应 阻止人们使用经验结论； 而且如果发现越多的经验， 就越有可能触及物理本 身， 并最终形成理论基础。 ”今天看来， 他真是一语中的。 讽刺的是， 事实证明南方涛动与印度夏季风的关系， 比与其它季节的关 系都要弱。随着时间推移， 他的季风预报也变得越来越不可靠， 部分原因是 因为印度气候发生了系统性变迁。一个世纪后的今天， 这仍是一个困扰气 4 候学家的难题 。 1953 年， 在英国皇家学会的发言中， 诺曼德提及沃克的“南方涛动”在 对印度季风降水的影响中， 其实只起了一小部分作用：

不幸的是， 对印度而言， 6 月 -8 月的南方涛动与之后的很多 4

在 1920-1930 年代， 印度季风与 ENSO 的关系似乎脱钩， 两者的变率都很弱。

149 现象相关， 但与其之前的事件却关系很弱。在我看来， 沃克的结 果中最重要的结论， 是他发现了南方涛动对其之后事件的影响， 特别是 6-8 月南方涛动指数， 与接下来的冬季的南方涛动指数 存在 0.8 的正相关， 而与之前的冬季南方涛动指数却只有 -0.2 的相关。与这一点一致的是， 印度季风降水也是与其后的气候 异常相关更强， 而与之前的关系很弱。因此， 印度季风在世界天 气系统中是一个主动、 而非被动的角色， 用它做预报工具去预报 别人， 比去预报它本身， 要来得有意义的多。

诺曼德不无玩笑地说： “总的来说， 沃克的世界天气大调查， 最终为预报 世界其它地区的天气带来了希望， 唯独不包括印度本身。 ” 但我们不得不承认， 沃克是当时仅有的几名思考过全球天气预报的学 者之一， 并且他缺少足够的数据。究竟表面气压的跷跷板现象意味着中 -高 层大气中发生了什么？与之匹配的海洋中又发生了什么？正是由于缺乏一 些最基本的信息， 比如缺少上层大气的探空数据， 也缺少地跨两个半球的广 阔的太平洋海表温度的资料， 沃克最终无法探究世界天气背后更深一步的 理论， 即使他已经几乎触到了这些问题的门径。在 1918 年， 沃克曾这样写 道： “我多么希望， 我们可以逐渐发现这些现象得以维持的背后的机制， 并为 更广阔的世界做长期预报。 ” 尽管有如此辉煌的成就， 沃克仍没能看到人们承认他对气候科学的巨 大贡献的那一天。为了表彰他在印度的出色服务， 1924 年沃克退休时他被 授予贵族爵位。沃克从此成为了沃克爵士。他退休后前往伦敦， 在帝国理工 学院讲授气象学， 并因此声誉卓著。他还成为皇家学院的会员， 并出任皇家 气象学会的主席。尽管还有其它学术荣誉接踵而至， 但他有生之年最重要 的科学成就仍未被大多数人认可。沃克于 1958 年 11 月 4 日去世， 其时他 刚刚度过 90 岁生日零四个月。1959 年， 他的讣告中有这样的描述： 沃克是 一名写了一系列“世界天气”重要论文的气象学家， “他的愿望并不仅仅是 挖掘出对于预报有意义的统计关系， 而是探索出足够多的气候系统中的相 关关系， 以促进世界天气理论的形成。但似乎他并没有实现这个目标。 ” 气候科学在几年之后便走向了其它方向。尽管南方涛动被很多观测 证据所支持， 但它仍被视为一个奇妙的、 从统计上发现的、 没人能解释的

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一系列巧合而已： 这里多雨； 那里就气压下降； 温度以某种未知的节奏上升 或下降； 亦或什么都不发生。直到几十年之后， 才有一名卓越的理论气象 学家把这一切整合起来。在 1960 年代， 挪威人雅可比·皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes）将海洋中的新发现与沃克所发现的大气中的涛动现象联系起来， 最终指明了厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）在全球范围内的物理意义。 最后， 让我们再回头看看南方涛动和沃克爵士在西姆拉所率先使用的 统计方法。这一切， 难道不正像一枚回旋镖， 在天空中划过一道长长的美丽 弧线？今天， 当科学家们在新领域开疆扩土时， 常常再次意识到沃克对他们 的启示。南方涛动指数， 已成为现代气候学中的一个标准工具， 是季节预报 中的关键指标。沃克所定义的那些反向关系， 在 20 世纪早期， 曾显得多么 得不清晰、 多么讳莫如深， 但它们经受住了时间的考验。现代气象学家为寻 找南方涛动和世界范围内诸多天气现象的“遥相关（Teleconnections） ”建 立了一套有效的新方法。 在沃克爵士的时代， 厄尔尼诺（El Niño）还只是秘鲁渔民对局地小范围 内的奇异海洋现象的称呼， 它发生时沿岸海流会发生季节性反转， 鳀鱼会游 走， 几个月都不回来。多年以后， 这种现象有了更大范围内的意义， 即厄尔尼 诺与南方涛动联系了起来。直到下一个世纪的初期（指 21 世纪初） ， 当美国 气候预测中心主任安茨·利特马（Ants Leetmaa）博士重新计算厄尔尼诺和 南方涛动的相似度后， 所有人都深深理解并感激他的措辞： “它们的相关系 数高达 0.995， 这意味着它们本就是同一现象的两面而已。 ”

Storm Watcher 17 雷罗伊·梅森格尔 赴死的勇气 “悬在空中有一种别样的魅力， 特别是当一个人不知道他的位置， 也 不知道他的速度的时候。 ”美国陆军通信兵雷罗伊·梅森格尔（C. LeRoy Meisinger）中尉在气象局《每月天气评论》的报告中这样说。在一个月之前 的 1919 年 3 月 14 日， 他乘坐热气球从内布拉斯加州的奥马哈升空。梅 森格尔是一个非常有才华的撰稿人， 这一事实在每一份政府科学杂志中都 有记录。 “随着太阳升起， 我们得以目睹那些没有到过上层大气的人们无 法想象的美景， 热气球的下方是壮观如波涛汹涌的云海， 像绒毛般柔软， 如 珠贝般精致， 在我们的头顶上， 飘着一层乳白色的积云， 太阳一升起， 刹那间 变得五光十色。 ”作为一个具有非同一般艺术性和创造性的年轻人， 梅森格 尔深深地着迷于他的事业， 他向高层大气的探索是一项非凡而且紧迫的任 务。 “这个旅行带给我们的不仅是心情的激动， 还让我们能实际进入并融合 到一个强气旋的劲风中。 ” 在第一次世界大战阴霾的笼罩下， 过去的关于征服天空的梦想已经变 得现实了许多。自从 1 月份停战协定签订以来， 民用航空的想法开始在欧 洲和美国传播开来。不久后， 广阔的天空中就会充满各种各样的飞行器： 热 气球、 飞艇和飞机， 它们将根据自身的特点各显神通。一个探索广阔的未知 151

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世界的时代正在到来。知名探险家们的长途热气球比赛已经成为主要的国 内国际体育赛事。巨大而精致的飞艇以及轰鸣着的小飞机在大城市中逐渐 变得常见起来。从第一次世界大战的新武器来看， 新的和平会遍布世界： 所 有的国家不久后就都会加入到一个联合的航空运输系统中， 这个系统的广 度使世界变得更小， 它的速度使世界变得更快。人们仍然需要考虑的问题 是让这些飞行器更加安全， 让它们的系统更加可靠。世界各地的投资者们 都信任创造出这些神奇机械的工程师们的智慧， 他们相信这样的改进都只 是时间问题。 除了工程上的挑战之外， 民用航空所设想的高质量科学气象服务也还 没有实现。从本质上抓紧地球表面大气的天气科学， 作为这个工程的重要 核心， 开始受到关注。作为一个拥有热气球飞行员执照的气象学学生， 梅森 格尔敏锐地发现了热气球、 飞艇和飞机的飞行员们的具体需要和人们能够 提供给他们的天气预报服务之间的差距。作为一个既是服务又是科学的学 科， 气象学需要在一个全新的领域得到提升。事实上， 美国气象局中根本没 有人像 23 岁的梅森格尔那样渴望填补这一由飞行器的蓬勃发展带来的科 学空白。 梅森格尔 1895 年出生于内布拉斯加州的普拉茨茅斯， 他成长的大部 分时间则是在林肯市度过的。他 1917 年毕业于内布拉斯加大学， 获得天文 学学位。他是一个非常聪明， 工作努力， 生活严谨的典型中西部地区的孩子。 除了科学外， 他在大学的兴趣分布在音乐、 艺术和文学方面， 虽然没有达到 能够加入内布拉斯加人都热衷的互助会的程度， 但是也非常出色。人们都 说他非常友好， 他确实也非常积极； 但是他比周围的大部分学生都严谨。他 曾为一个戏剧学会作曲并在军乐团中演奏法国号。他曾经在担任年鉴艺术 家的同时， 在大学的后备军官训练团里当少尉。 1917 年 4 月美国加入第一次世界大战。梅森格尔 5 月份毕业并在 6 月份参军。他首先被安排在第 134 步兵乐团演奏法国号， 但是在下一年 4 月他转到了新的气象服务通信兵团。他被送去参加德州农业与机械大学的 三个月特别气象训练课程， 在那里， 他迅速地在班上的 300 名学生中脱颖 而出。 “军事机构把每一个军人都变成了流氓， 但是他却是个例外。 ”伊凡· 坦尼希尔（Ivan Ray Tannehill）——他的一位同学写道。查尔斯·布鲁克斯 （Charles F. Brooks） ， 一位研究与高层大气有关问题（梅森格尔曾非常感兴

153 趣的问题）的气象局老职员在谈论他时说道： “就像大部分他那类人一样， 他 能完成惊人的工作而没有丝毫的焦虑和迷惑。 ”经过训练， 只有四分之一的 士兵得到了任务， 梅森格尔被派去负责美军陆军通信兵团的第 37 高层大气 监测站， 随后他被任命为内布拉斯加州奥马哈市的气象局主管。在这里， 他 接受训练并得到了热气球飞行员的执照， 开始了他对高层大气的探索。 3 月 14 日， 梅森格尔乘着从奥马哈升空的热气球开始了一次典型的科 学探险。自由热气球飞行和其所能到达的高层大气的神秘地带在几十年的 时间里都深深吸引着一些勇敢的欧洲和美国科学家。然而， 热气球作为一 个科学仪器， 其天生的缺乏控制性使得它既不适合于许多经过精心设计的 天气探究实验， 也不适合于对其携带的仪器进行调整和操控。在浓雾中漂 泊不定， 她们粗心得没有发现高度计已经在颠簸的起飞时损坏。热气球带 着梅森格尔和他的队员们飞行在如风车转动的吱吱呀呀声中。迫于职业道 德的压力， 这位气象学家后来公开承认， 在浓雾中他错误地把迅速接近的雪 堆当成了一层云， “还在用他的专业知识思考在这么低的高度看到这种云是 多么不正常的事情。 ”他们差点撞到地面， 被固定在热气球篮上的栏杆拦了 下来才没掉下去， 随后他们重新升空。但是梅森格尔总是倾向于忽视自由 飞行热气球的这些缺点。正如他 1919 年 4 月写的一篇《每月天气评论》的 文章中提到， “因为一阵突然出现似乎要把热气球吹到地面的东风， 球体剧 烈地震动使得篮子冲向了地面， 把气压计都弄坏了。但是， 整个飞行经历还 是非常美妙的。 ”

一个月以后， 梅森格尔再一次从奥马哈起飞， 完成一项由气象局的气象 学专家威廉·汉弗莱（William J. Humphreys）和威利斯·格雷格（Willis Ray Gregg）发起的双热气球任务。正如格雷格在回忆录中描述的那样： 一个气 球准备停留在 5000 英尺（127 米）的高度， 另一个准备停留在 10000 英尺 （254 米）的高度， 这样设计的目的是“为了让我们能够确定一个气块在给 定气压分布的影响下的实际路径”。梅森格尔在向东南方向漂流的较高的 热气球中， 他能大概维持在稳定的高度， 但是较低的热气球遇到了奥扎克上 空的湍流而一下子上升到了 13000 英尺（330.2 米） 。梅森格尔后来仍然报 告说热气球能够完成大部分预定的爬升任务， 所以这个任务可以算是成功 的。 “两个热气球的路线差不多一致， 这表明中心在大湖区上空的主导环流 的效果在一定高度上都是显著的， ”他在 8 月的《每月天气评论》中说， “较

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高的热气球速度稍微比较低的那个快一些。 ” 1919 年 6 月， 停战后的第 6 个月， 在准备离开通信兵团时， 梅森格尔有 三个有趣的职业选择。他可以在加州大学完成研究生工作； 他也可以成为 一个作曲家兼任管弦乐队主管； 或者他可以加入美国气象局作为一个研究 科学家以及《每月天气评论》杂志的主编布鲁克斯的助理。然而， 他并没有 像其他如梅森格尔般有雄心并聪明的 24 岁年轻人一样选择了政府天气机 构提供的职位， 他选择了另外一份可以继续从事热气球飞行的工作。 1919 年 9 月， 梅森格尔在华盛顿任职， 当时这位年轻的、 冉冉升起的新 星一定感到非常自豪。梅森格尔如何通过自己的努力来应对气象局的逐渐 衰落， 是一些他自认为很好但是又没办法反映在公文上的东西。他确实感 受到了单位中的一些科学家们受到孤立。他们的容忍非常值得敬佩， 至少 从表面上看， 但是他们的能力、 责任和前进的方向却在其他的方面上。人们 不会混淆研究者和那些干实际工作的甚至都不是准科学家的天气预报员的 角色和地位。

那些希望成为天气预报员的年轻人仅仅只需具备高中物理的知识背 景。然后他们被要求花三五年的时间跟着成熟的业务员工作， 逐步通过各 种资格考试， 基本掌握天气图的预报技巧并具有丰富的经验和良好的直觉。 气象局 1916 年发表在《美国天气预报》杂志中的一项研究说： “似乎大家都 一致同意的一点是， 通向成功的唯一途径就是坚持耐心地学习每日的天气 图。 ”在退休以后， 汉弗莱教授在他的回忆录《我的故事》中， 也描述了这一陈 腐的惯例。汉弗莱说， 那时候官僚们管理着整个机构， 梅森格尔， 作为一个研 究型的气象学家， 报告说， “他眼中的气象局完全是这样的一个服务机构， 每 个预报员都根据自己的这样或那样的天气图经验法则来进行天气预报。在 这种环境中， 大学教育被那些没有进入大学学习过的人所蔑视， 图书馆被看 作是废纸的储存地， 任何投入到真正研究中的人都被看作是无用的理想主 义者。 ” 在加入气象局不久， 梅森格尔进入乔治·华盛顿大学进行研究生阶段的 学习， 在那里， 汉弗莱教授气候物理学课程。1920 年， 梅森格尔获得了科学 硕士的学位， 随后， 1922 年， 他得到博士学位。他的文章《美国中部和东部自 由气压分布图的准备和意义》的灵感来自于航空业对高层大气风、 降水及光 照信息的需求。这是一个关于如何从地表观测资料通过回归分析外推出高

155 层气压分布的严密工作。这个想法的目的在于解决航空业非常需要的， 在 雨、 雪、 雾等恶劣天气条件下， 热气球和风筝无法观测的问题。 “但是航空业 的发展也不能因此滞后！”梅森格尔在一篇强调图表的重要性的文章中提 到。气象局把他的论文作为《每月天气评论》的特别补充发表出来， 梅森格 尔正在他成为全国著名气象学家的道路上逐渐为人所知。 梅森格尔在 1920 年一篇回顾第一次世界大战以后的第一年美国民用 航空业发展的文章中提到： “政府气象机构的任务在于必须双重考虑航空业 的角色， 一方面必须利用航空业收集并分享整个国家的气象数据， 另一方面 必须加紧提高针对航空业的预报准确性。 ”气象局的老职员们虽然没有与 他关于气象学将在民用航空中发挥巨大作用的雄心产生共鸣， 却对这个年 轻的热气球驾驶员关于高层大气的特别魅力产生了浓厚的兴趣。民用航空 并不是他们的梦想， 这些刚刚起步的飞行员的不切实际的新要求往往不是 很受欢迎。气象局的这些老职员们已经开始适应使用那些每个人都知道不 太可信的没有什么意义的信息去应付农业和航海业的需要， 而不是像以前 那样尽可能得到最好的数据。航空业则需要快捷、 迅速、 可依赖的新的天气 细节的预测， 像能见度， 高空风速和某个时刻某个地方的磁暴度， 这些都不 是以他们的能力所能完成的。 不管这些老职员曾经有着怎样的雄心， 他们已经满足于他们的思维的 限制很久了。从 19 世纪 80 年代开始， 天气预报以关注气压图上的变化为 主； 40 年以后， 这仍然是他们每日天气预报的基础。正如 1916 年气象局的 研究所指出的， 现代天气预报中可以保留的仅有的两点老思路是： （1）天气 的移动； （2）一般大尺度气压分布所决定的天气特点。从这些高低压分布场 中再也不能得到更多的东西了， 也没有什么值得研究的了。 不久以后， 梅森格尔发现， 虽然他在《每月天气评论》中指出了有份量的 科学进展在当时的重要性， 但是这和气象局实际工作中的天气预报没有任 何关系。1919 年 2 月， 《每月天气评论》发表了挪威科学家们具有重大意义 的定义中纬度风暴的主要性质重要工作。冷锋和暖风交接面上的气块模型 改变了气候学的思维。但是这些变革却没有发生在美国气象局。在这个杂 志接下来的一篇文章中， 一位气象局的气象学家认为挪威学派的模型不适 用于北美的天气情况因而应该忽略它们。而事实正好相反。中纬度的北美 比面积狭小的挪威更适合于挪威学派描述的冬季风暴模型。但是梅森格尔

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17. 雷罗伊·梅森格尔：赴死的勇气

似乎并没有很失望， 他抓住每一个机会去向大家展示卑尔根学派的老皮耶 克尼斯和小皮耶克尼斯的新的风暴模型。 “他在学术上仍然具有年轻人的 那份热情， 而且幸运的是， 在气象局他被给予了很多追求学术的机会， ”后来 也成为气象局的气象学家的坦尼希尔写道， “不可避免的失望和巨大的复杂 性打败了气象局里的老人们， 却显然没有影响到他。 ” 1919 年 2 月， 在分析一个巨大而强烈的穿过美国中部的风暴时， 梅森 格尔发现观测的结果和挪威学派的气旋模型有着“惊人的一致”。 “风暴从 洛基山脉的重重阻隔中被解放出来后， 在它向东行进的过程中， 它的风场和 降水分布与皮耶克尼斯的模型结构符合得非常完美。 ”他在 1920 年 10 月 的《每月天气评论》中写道。

在一篇发表在 1921 年《科学》杂志上的报告 1920 年伯明翰国际热气 球比赛的文章中， 梅森格尔记录道， 一位比利时的气象学家根据气象局的观 测员乔治·安德鲁斯（C. George Andrus）的建议， 赢得了这场比赛， 安德鲁斯 也是一位热气球爱好者。他预测出了第二天晚上将要到来的风暴， 并敦促 参赛者们在风暴到来之前尽可能避免向西的赛段。这名获胜者在接下来的 那个夜晚充分利用了航线上前进中的风暴强烈的高空气流， 很快就到达了 佛蒙特州完成了比赛。梅森格尔发现最有趣的事情是安德鲁斯是通过小皮 耶克尼斯的新的气旋模型来分析他的风场观测数据的。梅森格尔写道， “皮 耶克尼斯的理论的魅力在于它给我们呈现出发生在高低压场上的一个更令 人满意的三维图像。这次是气象学赢得了比赛。 ” 在气象局工作以及在乔治·华盛顿大学学习的过程中， 梅森格尔是一个 不知疲倦的工作者， 亦是一个多产的作家， 他常常在科学期刊和一些流行的 新航空杂志上发表文章。他翻译了许多重要的外文科学文章， 包括一战以 后被公开的那些描述德国军方天气服务的文件， 把它们发表在 1919 年 10 月的《每月天气评论》上。同时， 他还极力帮助推动美国气象学会的建立， 他 曾花很多时间去组织会议、 记录报告、 撰写文章。1921 年， 他不知怎么地抽 出一点时间与内布拉斯加州林肯市的海伦·希尔顿（Helen B. Hilton）举行 了婚礼。 自从到气象局以后， 梅森格尔就开始频繁地鼓励使用自由控制的热气 球来扩展人们对高空大气的了解。1924 年早些时候， 一个可以进行一系列 激动人心的科考飞行的机会摆在他面前。从 1919 年春天他的第一次实验

157 性恒定高度热气球飞行从奥马哈起飞后， 他在《每月天气评论》中写道， 他 就对每一次飞行都非常珍惜并且有着无限的热情， 为最大程度地从所选定 的天气情况中受益并且利用好地面和自由大气的观测资料而详细地计划 着。 “现在也许是最适合干这些事情的时候了。 ” 梅森格尔规划了两个主要的科学目标， 都依赖于恒定高度飞行和在飞 行路径下的气象局的观测站点的同时观测。第一个目标是确认从地面观 测推断出高空风的方向和强度这项他完成的工作的实用性。 “我们现在的 目标是研究制作自由大气气压分布图的机理， 所面对的一个把它们整合起 来的大问题是学会如何解释它们， ”梅森格尔在一个气象局的回忆录中写 道， “在对自由大气流动的研究过程中， 我们能够信任它们吗？自由热气球 所能够提供的仅仅是在随着气流运动的过程中感应气压梯度的变化而获取 数据的方法。 ”利用梅森格尔的方法， 地面上的观测者们在气球升空过程中 计算出气压分布模态， 然后把结果与梅森格尔在飞行过程中得到的数据进 行比较。 他的另一个目标是发展更加全面的气旋上空大气层的热力和风场结 构， 这个目标要求热气球驾驶员穿过湍流的前部。参考了皮耶克尼斯和其 他人的工作， 梅森格尔写道： “最近的关于风暴机理的工作， 着重强调对气旋 和反气旋各层的空气流动轨迹的观测这个巨大而迫切的需求。 ” 梅森格尔希望在 1924 年春天可以进行多达 15 次的飞行， 从4月1日 开始， 航程从伊利诺伊州南部的斯科特基地出发， 在这里有 1922 年成立的 空军气球和飞艇服务学校。之所以选择春天是因为在这个季节的中西部， 热气球驾驶员可以从风暴上部经过但没有遭遇风暴上升气流的风险。但是 事实上， 1924 年春天的气流却不寻常地非常暴乱； 甚至像这个地区的大部 分夏季的情况一样不稳定。 这次最后的飞行的细节被气象局的气象学家文森特·亚克尔（Vincent E. Jakl）记录在 1925 年 3 月的《每月天气评论》中， 约翰·刘易斯（John M. Lewis）和查尔斯·穆尔（Charles B. Moore）在 1995 年 1 月和 2 月的《美国 气象协会公告》中也对这次飞行进行了详细的叙述。梅森格尔和他的驾驶 员， 陆军航空服务兵詹姆斯·尼利（James T. Neely）中尉发现， 整个 4 月和 5 月， 他们都处在剧烈狂风的肆虐中。这使得驾驶热气球维持在稳定的高度 变得特别困难。梅森格尔既疲劳， 又失望， 他发现自己并不能像预期那样得

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到丰富的观测数据。他决定， 第 10 次飞行作为整个系列飞行的最后一次。 因为天气不好这次飞行被推迟了三到四天， 梅森格尔和尼利不耐烦地等待 着。最后， 6 月 2 日， 不顾对当晚雷暴天气的担忧， 他们下午 4 点在斯科特基 地起飞， 希望在天空中待 48 个小时。 当 3 小时后太阳落山的时候， 没有了太阳的辐射， 热气球下降了大概 1000 英尺（305 米） 。尼利扔下一包压舱物——一个 30 磅（约 13.6 公斤） 重的沙袋后， 热气球爬升到 5200 英尺（1585 米）的高度， 随后， 一次更迅速 的下降开始了。在 1000 英尺（305 米）的高度， 更多的压舱物被丢弃下来， 气球再次爬升这次到达 5900 英尺（1798 米）的高度并进入到一片伊利诺 伊州梅肯上空的云中。这朵云是一个发展中的雷暴的一部分， 接着热气球 被困在它的急速的下沉气流中。尼利在 1000 英尺（305 米）的高度扔出 了更多的沙袋， 让热气球重新返回到云层中。这次他们到达了 7400 英尺 （2256 米）的高度， 并希望可以到达风暴上部， 但是热气球却进入到一股更 强的下沉气流中， 失控并急速坠落下来。热气球的篮子坠落在伊利诺伊州 米尔民的一片玉米地中， 碎裂开来。这次撞击又使 4 袋压舱物掉落出来， 导 致热气球又猛弹回空中。 夜里 11 点 14 分， 在 1200 英尺（366 米）的高度上， 一道闪电击中了热 气球。它穿过梅森格尔， 使他当场毙命。闪电点燃了热气球底部泄露出来 的备用氢气， 使热气球的缆绳着火了。梅森格尔的尸体摔落在篮子的底部。 尼利严重受伤， 抓住一个降落伞跳出篮子， 但是， 在他系上降落伞带之前， 伞 就已经打开了。从 1200 英尺（366 米）的高度上坠落下来立刻要了他的命。 不久， 火烧断了缆绳， 热气球篮装着梅森格尔的尸体掉在一块牧场上， 第二 天早晨一个农夫在寻找自己的马时发现了它。当时， 梅森格尔和尼利都是 29 岁。 “虽然他的生命短暂， 但是梅森格尔必须被看做是美国气象学界最杰出 的人物之一。 ”杰罗姆·纳迈阿斯（Jerome Namias）——另一位伟大的气象 学家， 在许多年以后发现。美国气象局对他的勇气和他对科学事业所作出 的贡献表示认可。但是气象局的预报员们没有把梅森格尔的方法应用在从 地面观测反算出高空风场的实际工作中， 在他死后不久， 气象局就弃置了他 所有的研究工作。1938 年， 为了嘉奖包括纳迈阿斯在内的出色年轻气象学 家， 美国气象学会每年都会颁发梅森格尔奖。

Part IV

前沿集结

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Storm Watcher 18 威廉·皮耶克尼斯 卑尔根学派的领袖 当天气科学闯入威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）生活的时候， 他 脑海中其实正想着其它事情。在 19 世纪后期， 皮耶克尼斯作为年轻有为的 挪威科学家， 他的兴趣点主要集中在数学和力学上。这主要是受到他父亲， 著名的物理学家卡尔·皮耶克尼斯（Carl A. Bjerknes）的影响。他父亲付出 了毕生精力致力于用牛顿力学去证明宇宙中以太1 的存在。当然， 最终他父 亲没能成功， 而以太论也渐渐被其他杰出的物理学家所抛弃。但皮耶克尼 斯出于一个儿子对父亲的崇敬， 仍坚持在这条路上走了很远。在有关力学 的研究中， 他顺带在水文动力学和流体力学领域里发展了十分重要的的数 学原理。斯德哥尔摩大学（University of Stockholm）的同事们很快就看到 了他的理论在地球流体领域的重要价值。对皮耶克尼斯而言， 能在其它“陌 生学科”中应用他的理论， 也属于他感兴趣的范畴。于是， 他最终强迫自己 走出他曾经付出无数心血的、 他父亲认为最辉煌的研究领域。后来， 皮耶克 尼斯亲眼见证了他父亲在物理学研究中渐渐走向孤立。在世纪之交， 他不 得不痛苦地反思这一切， 思考如何成为一个面向未来的科学家。虽然有些 1

一种充满整个宇宙无所不在的假想介质， 光可以在这种介质中传播。在光速测定为常数 后， 这种假想渐渐被抛弃。

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18. 威廉·皮耶克尼斯：卑尔根学派的领袖

遗憾， 他最终还是决定把父亲的工作彻底抛到身后， 遵从同事们的建议， 把 他发展的流体动力理论应用到大气与海洋中去。 一旦做了这个决定， 这个不期而至还难以接受的改变成为皮耶克尼斯 人生的转折点。这不仅彻底改变了他的研究方向， 更改变了他对变化本身 的态度。他仍然是他父亲的儿子， 但父亲那种离群索居的生活， 对单一理论 的固执的不懈追求， 已经完全不是皮耶克尼斯要走的路。他要面对的不仅 是生活的变迁， 如第一次世界大战、 世界经济大萧条、 食品短缺等， 更要想方 设法利用仅有的物质条件促进自己的科学研究。他变得不仅精通于组织各 种资源以实现科研目标， 而且还擅长于在世界范围内推销和传播他的科研 成果。不止一次， 他竭尽所能挣脱宿命， 事实上， 始终把命运牢牢掌握在自己 手中， 而不像其他同时代的科学家那样， 常常被时代的命运所摆布。他和他 年轻的学生们， 可以称得上是“伟大变革的代言人”或是“科学的革命者”； 他们所做的研究， 把天气预报实践与气象学的物理理论都向前推进了一大 步； 他们科研上的许多目标， 都成为了之后 100 年内大气科学的发展指南。 毫无疑问， 皮耶克尼斯就是现代气象学之父。 1904 年， 皮耶克尼斯在德国《气象学报（Meteorologische Zeitschrift） 》 上， 明确地提出了一系列清晰可信的想法来实现他的长远目标： 要让气象学 变成真正的科学。他写道： “如果像每一个气象学家认为的那样， 气象学真 的是一个状态按照物理规律发展到下一个状态的话， 那么很显然， 准确计算 天气预报的充分必要条件就是如下两点： 第一， 足够准确的大气初始状态； 第二， 足够准确的大气发展变化所遵循的物理规律。 ”

从传统的科学如物理学或天文学的角度上来看， 皮耶克尼斯的想法是 非常完美的。但对于世纪之交的大气科学从业者而言， 这样的想法未免太 过革命， 因而很难被大家接纳。皮耶克尼斯的想法多少有些异想天开， 毕竟 当时的气象学知识体系还很支离破碎， 而且科学家和预报员本质上也是完 全不同的两种人， 在做着完全不同的两种事。基于理论的科学家和基于经 验的预报员眼中的气象学体系， 从来都是泾渭分明。更何况， 在 1904 年时， 他的想法也只是有个苗头， 八字还没一撇呢。 整个 19 世纪期间， 气象学尽管有一些进展， 但那些所谓的理论只不过 是其它学科——如天文学、 物理学、 数学等——早已掌握的知识、 原理和定 理的杂乱混合而已。那些学科早已获得了长足的发展， 而气象学仍然进展

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图 18.1: 威廉·皮耶克尼斯的肖像照片, 拍摄于 1946 年.

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缓慢。天气科学在自然科学中根本没有一席之地， 而且也没能形成任何学 术性、 学院派的力量。所有大学都不会颁发任何与气象学有关的学位， 气象 学界也几乎没有什么值得关注的学术刊物。在有限的气象学家之间， 通信 和见面也很困难， 这导致他们经常发现自己的研究成果早就被别人发现过 了。不论想研究点什么， 观测数据也常常有问题、 不可靠。最优秀的气象学 家也不过是对理想大气的机理进行解释， 而这与现实中的地球大气或其它 行星大气都大相径庭， 也远远超出了气象预报员们所感兴趣和理解的范围。 而这个时代的天气预报员， 则只是在摆弄一个看似很光鲜、 实际很僵化 的学科而已。政府机构里的管理人员， 用了近 30 年的时间， 将气象观测网 的地理范围扩展开去， 但对知识的理解却没有半点进步。天气科学本身仍 然像一个新生儿一般年轻， 但却被一群固执的老人所掌控。人们曾热切期 盼的风暴预警服务， 在长久的等待之后仍然是水中望月。尽管预报员们都 清楚天气预报很不可靠， 但他们似乎也并不期望它有所改善。虽然气象学 中的科学原理还是如此不充分， 但在预报员的眼中已经足够了。 在这样的时代背景下， 天气预报的工作与其说是基于物理学的， 还不 如说是基于几何学的： 他们无非就是把通过电报传回的最新的气象观测数 据， 用统一的形状和记号标注在地图上。而风暴的形成、 发展和消亡全然 不考虑在内。这时的一些天气学的基本概念还停留在 1870 年代， 可以简 单地概括为： 天气过程总是自西向东移动， 天气图上若形成了闭合的低压 中心就会形成风暴。在天气图上， 人们所画的等压线不过是把稀疏的地面 气压相同的点连接起来， 然后圆滑一下形成等值线。通过与之前的天气图 对比， 预报员可以追踪低压中心的移动路径、 速度和强度， 并通过一些说不 清、 道不明的外推， 粗略地进行接下去的天气预报。还有一些图， 总结了过去 常见的风暴路径， 也可作为预报的参考。所有这一切， 都是一些值得商榷的 经验和模糊不清的理论的混合物。在当时的美国气象局里， 天气预报是被 作为一种工作——而非科学——来加以培训的， 只需要学习一些唯象模型 （apprenticeship model） ， 再用几年的时间见习其他前辈是如何“围着天气 图转的”就可以了。可以说整个天气预报体系， 根本就没有任何科学的预报 理论的发展机会。因此， 美国气象局的那些老家伙， 几十年间一直对气象领 域的创新和发展置若罔闻。 当然， 也并不是所有的美国人都和气象局里的老家伙们一样保守。在

165 1905 年还发生了一件颇具讽刺意味的事： 正是美国的金钱支持， 才使得后 来作为卑尔根气象学派领袖的皮耶克尼斯在科学的成功之路上有了早期 的发展。那一年， 43 岁的斯德哥尔摩大学教授皮耶克尼斯， 带上他的气象 学讲义前往美国， 他要去纽约哥伦比亚大学和华盛顿特区的卡内基学院做 特邀报告。他在报告中介绍了他发展的环流理论， 以及如何将水文动力学 和热力学的原理应用到大气科学上。他还倡议气象学的各种理论要走向统 一， 并倡导把物理理论带入到天气预报中来。他表达了整合天气理论与预 报实务的决心， 他说气象学将作为一门科学彻底站立起来。更为激进的是， 他还举气象为例， 说明一门学科是否严谨、 理性， 主要就是看它是否有能力 准确预报下一个时刻的变化。卡内基学院的院长罗伯特·伍德沃德（Robert S. Woodward） ， 被皮耶克尼斯的报告点燃了激情， 他们彼此成为了一生的 挚友。皮耶克尼斯后来受邀成为“卡内基高级研究员”， 并享受不错的年薪， 足够他在全世界任何地方招聘他喜欢的年轻人做科研助手2 。在皮耶克尼 斯后来的研究生涯中， 卡内基学院一直在提供巨大的支持， 直到 1941 年第 二次世界大战爆发为止。今天， 已退休的挪威地球物理学家昂特·埃利艾森 （Arnt Eliassen） ， 在回首皮耶克尼斯近半个世纪的学术创造和传播时这样写 道： “没有比这笔钱花的更值的了。 ”

这些卡内基助手们日后成了 20 世纪最伟大的一批地球物理学家。他 们发展了大洋环流理论， 准确描述了风暴的特征和生命周期， 对大气的三维 结构有了更好的认知， 还提出了很多其它重要理论。不仅如此， 当他们离开 卑尔根学派分散世界各地时， 他们也把卑尔根学派的知识体系带到了世界 各地。在那个特殊而关键的动荡年代， 他们彻底重塑了全球范围内天气预 报的实践体系， 大幅度提高了预报的准确性， 延长了预报时限， 加强了预报 结果的可用性。他们的工作对当时的军事工业和民航产业的崛起也起了至 关重要的作用。 皮耶克尼斯是个温和而深邃的人。他是一个深思熟虑的思想者， 也是 一名富有科学创见的学术领袖。他极擅长吸引和鼓励有才华的年轻学生。 在选择和培养科研助手时， 他总是能恰当地把“给学生自由”和“约束他们 的行为”二者结合起来， 因而他似乎有着点石成金的迈达斯之手3 。埃利艾 2

称为“卡内基助手”， 这不仅是一项荣誉， 他们还享受卡内基学院提供的高薪， 以协助皮 耶克尼斯开展科研工作。 3 Midas， 希腊神话中的人物， 能点石成金。

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森回忆道： “不论他在哪里， 在斯德哥尔摩、 奥斯陆、 莱比锡亦或是卑尔根， 他 总能在他身边营造出积极的工作环境。 ”他在学生面前始终是一个很好的 倾听者， 并且能慷慨地分享他的远见、 鼓励、 甚至道义上的支持。 “皮耶克尼 斯是一个绝顶聪明的人， 还是个特别注重直观表达的人， 不论何时， 他总爱 用几何图形和唯象图景来解释那些复杂难懂的方程。 ”在回忆到 20 世纪另 一位伟大的气象学家时， 埃利艾森这样写道： “朱尔·查尼（Jule Charney）曾 经说过， 他猜想皮耶克尼斯一定总假象自己是大气中的一个气块， 要决定往 哪里走。只有这样， 他才能理解他头脑中的大气动力学。 ” 在斯德哥尔摩大学的瑞典学生中， 有一位叫瓦格·埃克曼（Vagn Walfrid Ekman）的年轻人。他在完成皮耶克尼斯布置的任务时， 有了很多关于海洋 和大气的惊人发现。这些研究都源于皮耶克尼斯和弗里乔夫·南森（Fridtjof Nansen）的讨论。南森是挪威著名的航海家和探险家， 他曾于 1893 年至 1896 年用船和雪橇横穿北极。在那次探险中， 他被困在西伯利亚沿岸地区， 他的船突然陷入一团死水， 怎么也出不来。埃克曼后来的研究表明， 正如皮 耶克尼斯所预见的那样， “死水”现象是由表层淡水与下面高盐度水交汇处 的重力内波引起的。埃克曼的另一项重要发现， 是从数学上证明了地球旋 转驱动洋流， 使得海船向风向的右侧漂流的现象。这被后人称为“埃克曼螺 线（Ekman Spiral） ”， 也被用来描述北半球的近地面风受到摩擦向右侧偏的 现象。 1907 年， 皮耶克尼斯回到挪威， 受克里斯蒂安大学（Christiania Univer4 sity）的邀请， 在那里任教并继续发展他的天气学理论。但时过境迁， 此时人 类对大气层空间的争夺已日渐加剧。首先发明了汽油填充的固体火箭， 再 后来是飞艇和飞机。皮耶克尼斯敏感地意识到这些工具对气象学有重要意 义。有规律的飞行器飞行， 可以带来规律的大气探空数据， 这将大大改善天 气学的理论和预报。反过来， 人类驾驶飞机的出现， 也要求气象学进一步提 供更高准确性、 更高精度的天气信息。在这一时期皮耶克尼斯麾下的挪威 籍科研助手中间， 有一位名叫哈罗德·斯维尔卓普（Harald Ulrik Sverdrup） 的年轻人， 他后来成为了著名的物理海洋学家5 。 1912 年， 皮耶克尼斯又接受邀请前往德国莱比锡大学（University of 4 5

即后来的奥斯陆大学（University of Oslo） 。 斯维尔卓普是物理海洋学中研究大洋环流风生输送过程的鼻祖。

167 Leipzig） ， 组建一个全新的地球物理学院。莱比锡这座城市， 当时作为齐柏 6 林（Zeppelin）飞艇 的中心而名声在外， 现在又有了最好的天气预报， 只可 惜这个国家已经走到了战争的边缘。皮耶克尼斯很快发现， 德国军方和掌 管航天航空的政府高层都对他非常尊敬， 并且能十分认真地聆听他关于高 层大气和如何做气象观测的各种言论， 他们的严谨程度比挪威甚至任何其 它欧洲国家的人都要更胜一筹。与英国和法国不同的是， 德国早在 1914 年 以前就已经意识到了天气服务对现代军事领域涌现出的很多先进技术都具 有重要意义， 比如航空、 毒气战、 远程火炮等领域。 1913 年他在莱比锡的就职演说被《每月天气评论（Monthly Weather Review） 》杂志于 1914 年 1 月全文刊印。在这篇文章中， 皮耶克尼斯系统 地回顾了当前天气学理论的进展是如何激励他萌发重塑整个气象学的雄心 的。他说他已经准备好了数学方程， 它们是描述大气运动的基本定律。他还 说明了如何利用航空领域的进展（如热气球、 飞机等）对整个欧洲进行观测， 并形成对高空自由大气状况的完整描述。这些对于他的计划而言， 都是非 常重要的。至此为止， 所有信息都已在手， 万事俱备， 他高调宣称道：

一团隐约可见的阴霾摆在我们面前， 令人无法忽视。我们必 须将理论——如物理学的方程——应用于客观存在的、 真实的、 可被现代气象观测设备观测得到的大气状况中， 而不能总是满 足于抽象的个例研究。这些方程应能描述大气从之前状态变换 到之后状态所依赖的全部物理定律。我们只需要发展一些实用 的方法使用好这些方程就可以了。在收集观测资料之后， 我们 还必须学会如何计算那些方程。现在必须把天文学几个世纪前 就发展起来的定量计算和准确预报技术， 全面引入气象学的每 一个堡垒中。 皮耶克尼斯的工作有着充裕的资金后盾、 良好的环境支持， 还有大量优 秀的科研助手。除了那些德国助手外， 皮耶克尼斯还有两名重要的挪威籍 卡内基助手： 他的儿子雅可比·皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes）7 和哈尔沃·索 6

德国飞艇设计师齐柏林伯爵在 20 世纪初设计的飞艇， 取得巨大成功， 以至于“齐柏林飞 艇”成为当时飞艇的代名词。 7 雅可比·皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes） ， 也称小皮耶克尼斯， 和老皮耶克尼斯（Velhelm Bjerknes）相对应。

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伯格（Halvor Solberg） 。在如此优越的条件下， 皮耶克尼斯很快就对外宣传， 他们已经取得了一些进展， 可把水文动力学方程应用在预报风场的变化上。 但这方面的进展没能持续很久。随着 1914 年第一次世界大战的爆发， 莱比 锡的工作和生活环境日渐艰难。他的德国学生们一个个离开研究所， 被迫 参战， 并且大多数都死在了前线。研究所所需要的食品和能源也日渐紧张。 最终于 1917 年， 皮耶克尼斯与他的儿子和索伯格一起离开了莱比锡。他 们返回了挪威， 希望在卑尔根再找一个合适的地方， 重建新的地球物理研究 所。 在挪威西部， 皮耶克尼斯的科学伟业又有了新的转折点。在一战期间， 尽管挪威奉行中立原则， 但没有炮火染指的挪威也很难完全摆脱战争的阴 影。当时挪威庞大的渔业船队， 由于缺少英国通过无线电传来的天气信息， 而再也无法出海作业。因为战时的天气预报已成为军方控制下的绝密情 报。由于正常的贸易被中断， 挪威开始面临严重的食品短缺， 可能会发生大 规模的饥荒。于是挪威政府开始推行配给制， 并采取紧急措施、 想方设法 刺激国内的农业生产。在这种情况下， 皮耶克尼斯敏感地意识到他心中的 新天气学对国家的紧急状况有重要意义， 于是他直接写信给首相陈述其想 法。他许诺要给挪威的农业以“绝对的、 完全的气象支持”。正是靠如此诚 恳的誓言， 以及靠政府的鼎力支持， 原本学术性的卑尔根地球物理研究所 （Geophysical Institute of Bergen） ， 于 1918 年转换成了一个业务化的天气 预报中心， 那里的理论气象学家们也一下子变成了注重实务的天气预报员。 从 1918 年开始， 皮耶克尼斯进入其漫长的科学生涯中最高产的一段 时期。卑尔根的科学家们很快建立了密集的海、 陆常规气象观测网， 并开 始尝试把许多物理规律应用到天气图的分析上来， 这些构成了日后“卑尔 根气象学派”的基础， 并最终彻底改变了全世界天气预报的面貌。尽管它 们的方法还算不上是真正的“动力气象（dynamic meteorology） ”， 比如直接 使用动力学和热力学方程， 但也给了科学界一个精彩的采用了科学方法的 第一印象。它们带给气象界的新方法实际是今天所谓的“天气学（synoptic meteorology） ”， 这种方法注重在天气图上分析某一瞬间特定天气系统的多 种观测数据。这个研究所的科学家们似乎都缺少传统的气象学训练， 但这 使他们能释放很多看似不可能的力量。他们用全新的眼光， 凭借青年人特 有的冲劲和机敏， 重新审视天气图上的各种观测数据， 他们都是真正的训练

169 有素的地球物理学家。 通过对 1918 年 8 月中旬的一个破坏力极大的风暴的研究， 特别是分 析其风场的辐合线， 皮耶克尼斯的儿子雅可比·皮耶克尼斯得以描绘出中纬 度锋面气旋的全新模型的各种细节。在此之前， 如 1820 年代的鲁克·霍华 德（Luke Howard） ， 1840 年代的埃利阿斯·卢米斯（Elias Loomis） ， 和 1850 年代的海因里希·达夫（Heinrich Dove） ， 也都曾触及到了这一问题， 但最终 没能深入。而此时只有 22 岁的年轻的雅可比·皮耶克尼斯， 于 1918 年 10 月发表了一篇经典论文《关于移动气旋的结构（On the Structure of Moving Cyclones） 》 ， 并首次指出： 一个中纬度风暴就是一个像“钩子”形状的低压中 心， 其南北两侧是被楔形的两条界面分开的两种气团。第二年， 雅可比·皮耶 克尼斯受第一次世界大战的启发， 用一个战场的名词“锋面（Fronts8 ） ”来作 为描述这种天气的专有名词。 另一个概念上的重要突破， 来自于年轻的挪威人、 卡内基学者索伯格。 他研究了覆盖整个北大西洋地区的天气图， 在卑尔根学派称为“极锋（Polar Front） ”活动的地区， 发现气旋总是沿着一条特有路径发生、 发展、 消亡， 形成 不同发展阶段的气旋族。还有一个来自瑞典的科研助手托尔·贝吉龙（Tor Bergeron） ， 则归纳出全新的气旋模型： 快速移动的冷锋与缓慢的暖锋相交， 把暖气团挤出低压中心， 从而引起锋面锢囚走向衰亡。 瑞典人卡尔 -古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby）只在挪威学习了 很短的一段时间， 但他可能是卑尔根学派对外最有影响力的继承人。正是 罗斯贝克服了来自美国气象局的各种保守势力， 将全新的预报方法、 理论和 工具播撒到了整个美国。 1926 年， 皮耶克尼斯离开了卑尔根， 将地球物理研究所留给自己的儿 子继续发展。他自己则接受了奥斯陆大学（University of Oslo）的教授职位， 在那里回到了他年轻时梦想的研究方向： 将流体动力学和热力学的物理定 律， 以最基本的数学形式应用在包括天气预报和理论在内的各种气象问题 上。最终， 皮耶克尼斯没能在自己有生之年看到这一梦想得以实现。他完全 意识到了这个问题的复杂性， 但从没在通往梦想的道路上退缩过。就像他 1913 年在莱比锡时对学生们所说的： “一个人永远不要把目标放在近在眼 8

Fronts 的本意是战争前线， 战场前沿。在天气学中用来形象地比喻冷气团从北向南的楔 形进攻， 和暖气团从南向北的缓慢爬坡， 中文译为“锋面”。

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前、 唾手可得的地方； 我们应奋勇直前， 向着心中那个与众不同、 甚至可望而 不可即的终点不懈努力、 不达目的誓不罢休。 ” 评论界常常批评皮耶克尼斯发展的“计算天气”的方法， 比天气变化 本身还要慢， 这使他的计算方法失去了应有的实际意义。皮耶克尼斯也承 认： “如果我能沿着既定的方向再前进几十年， 我就能真正做好有时效性的 天气预报， 没有什么能比这更让我高兴的了。 ” 只有当基于方程的数值计算能完全地符合事实时， 科学才算 胜利。那样的话， 气象学才能成为真正的科学， 去描述真实的、 基 于物理的大气。当人类能完成这一步的时候， 有实际意义的天 气预报就会水到渠成。 这就好比用很多年的时间在一座山上挖一条隧道。虽然进 度非常缓慢， 可能很多工人都没能活着看到隧道贯通， 但最终受 益的后人却可以乘着高速列车瞬间穿越它。 正如皮耶克尼斯所预见的那样， 很多年以后， 这辆高速列车才最终从这 条隧道中呼啸而过， 其历时之长是所有人在 1913 年都不曾预料到的。当 然， 他在 1913 年也没预料到只几个月后， 就有一个叫刘易斯·理查森（Lewis Fry Richardson）的年轻人毅然开始了这项费时费力的工作， 成为开辟这条 隧道的第一人。

Storm Watcher 19 刘易斯·理查森 天气预报工厂 与以往所有的概率预报不同， 人类在第一次世界大战中， 史诗般地第一 次通过求解描述大气运动的物理方程做出了天气预报。创造这一奇迹的 是一名 35 岁的英国气象学家刘易斯·理查森（Lewis Fry Richardson） 。他在 20 世纪 20 年代， 完成了这一科学史上的壮举。在那个年代， 天气预报的问 题是多么的复杂， 手工求解那些方程是多么的枯燥， 而可用的观测数据又 是多么的稀少以至于总结出大气运动方程组的鼻祖——威廉·皮耶克尼斯 （Vilhelm Bjerknes）也从未真正用它们做出过预报。因此， 任何人敢于尝试 此事， 而且还做得如此出色， 都堪称名副其实的奇迹！在 70 年后的今天， 当 我们再次回首他的计算结果时， 都不得不感慨“这是何等的勇气”。一个气 象学家描述理查森当时所做的数学计算是“迄今为止最卓越、 最庞大的计 算成就之一”。在那个计算机还没有出现的时代， 他是在头脑中构建并运行 一个大气“计算机模式”的。理查森究竟是如何在炮火纷飞的第一次世界 大战的战场中， 在穿越泥泞小路的战地救护车上完成他的惊世之举的呢？ 1916 年秋， 理查森作为协约国的志愿者参加了第一次世界大战。在接 下来的两年中， 他一直在西线的战壕里为前线士兵和伤员服务。同一时期， 西线东侧的许多德国年轻科学家， 正在莱比锡大学（University of Leipzig）

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的地球物理学院（Geophysics Institute）师从威廉·皮耶克尼斯开展研究工 作。后来， 10 名威廉·皮耶克尼斯手下的年轻学者被征召入伍， 很快就离开 了实验室， 他的研究随即陷入困境。这些入伍的德国年轻人， 有 5 人在前线 阵亡， 还有 1 人就在距离理查森 50 英里（80 千米）范围内的法国第 14 集 团军附近， 他们正在香槟市（Champagne， 在法国西北部勒芒市以东）附近的 平原上， 快速修筑德 -法边界的军事工事。正是这样的一副战争图景， 深深 刺痛了威廉·皮耶克尼斯。于是在 1917 年夏天， 他返回挪威， 并从此将研究 兴趣从长期的理论工作转向短期的天气预报实务。同样是在这战火纷飞的 1917 年， 躲在法国战壕里的理查森， 虽单枪匹马、 却下定决心要推进他心中 的伟大事业， 而这恰恰是躲在德国一侧的威廉·皮耶克尼斯曾经很想推进、 但最终被迫放弃的事业。 理查森是一名贵格派基督徒， 也是一名坚定的反战主义者1 。他参加了 2 Friends Ambulance Unit） 在英格兰组建的“教友会救护小组（ ”， 并以认真 勤奋的实际行动， 在国家危亡之时履行了自己的公民责任。但是， 这位 36 岁的科学家并不是服兵役， 可能他也从未服过兵役。他是放弃了对他而言 最好的一份工作， 自愿参加战争的。用他的话说， 这就是所谓“内心深处的 追求”。他要用这种无声的抗议， 来控诉他亲眼目睹的第一次世界大战的残 酷战场。 理查森生于 1881 年， 是家中 5 个男孩和 2 个女孩中最小的孩子。 他的家位于英格兰北部的工业港口、 座落在泰恩河（Tyne）上的纽卡斯尔 （Newcastle）市， 是一个兴盛的贵格派3（Quaker）家庭。他的父亲大卫·理 查森（David Richardson）是一名制造皮革的工人， 他的母亲凯瑟琳·弗莱 （Catherine Fry）来自于一个谷物经销商家庭。理查森中学时在约克（York） 的一所贵格派寄宿学校读书， 后来进入纽卡斯尔的德姆理工学院（Durham College of Science in Newcastle）读大学， 再后来转入伦敦大学的国王学院 （King's College）继续学习。为什么理查森一直接受物理等相关学科的训 练， 却始终对它们没有兴趣； 而唯有数学， 令他展现了非同寻常的天赋， 并保 持了一生的热情？其实， 尽管他一生都在不断地用数学的方式提出问题并 1

Pacifist， 也译作和平主义者。 英国贵格派组建的战地医疗救护志愿者组织， 在两次世界大战中为盟军提供了重要的 战地医疗服务。 3 贵格派基督徒的特点是： 反战、 理性、 和简朴。 2

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图 19.1: 刘易斯·理查森的肖像照片

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解决问题， 但这种疑问仍然是一种对他的偏见。 理查森大学毕业后花了 10 年时间， 辗转于各种各样短期的与科学有关 的工作， 包括在阳光灯具公司（Sunbeam Lamp Company）和国家煤炭工业 有限公司（National Peat Industries Limited）上过班。在 1909 年， 他迎娶了 剑桥同事的妹妹， 出身科学世家的杜若兮·嘉奈特（Dorothy Garnett）小姐。 由于嘉奈特不幸地遭遇 7 次流产， 他们没有自己的孩子。理查森后来收养 了 2 个男孩和 1 个女孩。嘉奈特是他们家庭的支柱， 她每日操劳于家务， 以 弥补理查森不事劳动的性格， 不仅如此， 她甚至一直给予理查森情感、 道义、 甚至科学上的支持， 因为理查森在工作中也常常是独来独往。 “我几乎不知道什么是孤独， ”理查森曾这样写道， “每当一个人时， 我通 常都感觉很安详； 而当周围人多时， 我反而会感觉局促不安。 ”理查森视自己 古怪的性格为双刃剑， 有好有坏。 “我总是受我内心意志的驱使， 有时很隐 秘， 有时很低沉， 有时很愚蠢， 有时又很明智。 ”正是他不同寻常的性格， 给了 他不同寻常的创意， 但也同时常常令他受到阻力， 甚至非议。对英国地球物 理学家杰弗里·泰勒（Geoffrey Taylor）而言， 理查森就是一个“非常有趣、 非 常有创见的角色； 但他总是与他的同伴想的不一样， 也很少会被他的同伴理 解。 ” 理查森第一篇重要的科学论文发表于 1910 年的伦敦皇家学会， 题目 是《物理问题中微分方程的差分算数解——在一个砖石结构大坝应力分 析中的应用（The approximate arithmetical solution by finite differences of physical problems involving differential equations, with an application to the stresses in a masonry dam） 》 。在他任职于那几个公司时， 他尝试了很多 富有创新性的方法解微分方程， 创造了一系列符号语言用于描述客观世界 的变化关系。他一直在寻找一个机会， 得以更好地应用他的这些方法。他在 1908 年曾这样写道： 他相信“科学发现中最鼓舞人心的部分， 就是数学的实 际应用。 ”这之后又过了 5 年， 理查森这名过去的物理学家， 终于转到了气象 学领域， 而这个领域十分需要他发明的那些差分算法。 1913 年， 他如愿以偿地被委任到埃斯科达勒姆观象台（Eskdalemuir Observatory）做负责人， 那是一个位于苏格兰的观测地磁和气象的研究机 构， 附属于英国气象局和伦敦皇家学会。这个稳定而舒适的职位很显然是 理查森离开大学、 飘摇了 10 年之后最好的工作机会。他们给他的薪水是

175 350 镑， 这在当时是相当优厚的待遇； 还给他提供了一套别墅； 一个工作助 手； 以及他梦寐以求的那种远离尘嚣、 幽静偏僻的工作环境。

走马上任后， 最先浮现在理查森脑海中的， 就是一个近乎于梦幻的 “天气预报工厂”的想法， 这是一个与今天用计算机进行数值天气预报 （Numerical Weather Prediction）的原理完全类似的想法。在他那个时代， 他脑海中的“计算机”就是“人”。对于脑海中的这份图景， 他这样描述道： 在 一个类似剧院但没有舞台的大厅中， 有无数的“计算机”在四面八方环绕分 布， “这个剧场全部的内壁上正好拼贴一张世界地图”， 在世界地图对应的各 个地方， 摆放相应位置的“计算机”， 每一个人负责计算他所在格点大气状态 的变化量， 从剧场地板正中心立起一个半高的柱子， 支撑一个指挥台到剧场 正中心， 一个人在那里负责指挥、 协调整个预报工厂的一切， “就像交响乐团 的指挥那样”， 令所有计算机们按照一定顺序、 一个接一个地快速计算。 “在 中心指挥台， 还要有 4 名专职人员， 负责及时收集计算出的预报结果， 并通 过一个气动运输装置发送到另一个安静的房间， 在那里， 这些预报结果要被 编码， 并用电台发送到无线电中继站。 ” 对其他人而言， 理查森的设想简直就是白日梦。但对理查森而言， 这绝 不是空穴来风。这个梦想意义重大， 在他眼里， 这是一个“目的导向明确的 梦想”， 而且他日后很认真地践行了这个梦想。天气预报工厂不仅仅代表了 理查森对未来天气预报的远见， 它更是一个雄心勃勃、 艰巨的数学研究计 划。为此， 他即将启程。 理 查 森 把 这 个 梦 想 告 诉 了 他 的 上 级， 英 国 气 象 局 局 长 纳 皮 尔·肖 （Napier Shaw） 。肖随即给威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）写信， 向 他索要两本他写的有关大气动力学的新著， 以转交理查森。肖在信中告诉 威廉·皮耶克尼斯： “有一天， 理查森告诉我他想在荷兰海牙建造一座类似宫 殿的建筑， 里面摆放 500 台 ‘电脑’ ， 用于处理全世界的观测资料。所有 ‘电 脑’ 都受制于大厅中心的一个指挥间， 每一个 ‘电脑’ 只处理它所在格点的观 测数据。我已告诉他您已经开展了类似的研究， 因此我建议他能吸取您已 有的经验和结果。 ” 在理查森的名著《数值过程的天气预报（Weather Prediction by Numerical Process） 》中， 他对此表达了谢意： “威廉·皮耶克尼斯和卑尔根学派 的很多研究， 都展现了微分方程所具有的深刻意义。当我读了他的书《统计

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学》和《动力学》后， 我就开始着手我的工作， 而他们的结果对我有着深刻的 影响。 ” 从 1913 年至 1916 年， 理查森在埃斯科达勒姆观象台忙于行政管理、 科研工作和各种观测任务。即便如此， 他还是在这段时间里完成了他伟大 著作的第一版手稿。他已经把人们已知的描述大气运动的原始方程， 转换 成适合用他在 1910 年发明的差分方法来求解的形式。另外， 他自己也推导 4 了一些物理公式， 以解决一些悬而未决的问题 。 “计算的基本思想就是， 大 气气压、 速度等物理量都要表示成数字， 并插值到规范的经度、 纬度和高度 格点上， 以便给出大气的瞬时状态。空间上要覆盖足够大的范围， 高度要达 到比如 20 公里以上， ”他这样写道。他还总结出“一整套处理格点数据的算 术方法， 以求得下一个时间片各个格点的大气状态数据”。他甚至还搞出了 一大套“计算表格”以方便计算， 就和今天用于数值天气预报的程序一样。 肖将理查森的第一版手稿向皇家学会做了介绍， 皇家学会承诺只收取 100 镑就帮他出版。但是理查森却认为时机还不成熟， 他不想这么早看到 这本书出版。他觉得他已经把筹建天气预报工厂所需的数学概念、 方法和 流程都介绍清楚了， 但他还从未“运行”过这样的工厂， 从未亲身实践过他 的设想， 还从未发布过一次预报。这项极为艰难的、 需要海量计算的工作， 若 能在苏格兰郊外静谧的观象台里舒舒服服地完成， 显然是最理想不过的了。 但是， 此时第一次世界大战已激战两年有余， 战争一直压着理查森， 令 他喘不过气来。其实他完全没有必要在 1916 年做那样的选择。理查森是 观象台的负责人， 对国家而言像他这样的重要人物是不需要应征入伍的。 而且退一万步说， 他已结婚， 已是一个 35 岁的中年人， 他确实没有必要在 1916 年应征入伍。但理查森有他自己的理由， 他自己把自己推向了一条生 死未卜的险峻之路。作为一个深刻的反战主义者， 理查森决定将自己多年 的学术生涯奉献给反战， 他甚至觉得“自己没有选择”。多年之后， 在理查森 的晚年， 他这样评价当时在观象台所做出的“情绪化”的决定： “在 1914 年 8 月， 我怀着强烈的好奇心想近距离观察战争， 却又强烈地反感战争中杀人 的残忍场面。这两种情绪让我左右摇摆于对公民职责的追求， 和对我是否 能忍受这种危险之间。 ” 4

理查森自己设计并计算了模式中所需要的物理过程， 这是威廉·皮耶克尼斯原始方程组 所不曾包括的。

177 终于， 理查森与 1916 年 5 月辞去了那份待遇优厚、 对科研而言非常稳 定的职位。他带着手稿和心里盘算着的庞大的计算任务奔赴战场。 “那份手 稿在战争中几经修改， 还给出了一个计算的例子。这两者都是在 1916 年至 1918 年， 在法国战场上往返运送伤员的间隙中完成的”。他在书中这样写 道， 由于战场上条件简陋到令人难以忍受的程度， “我所谓的 ‘办公室’ 就是 放在寒冷角落里的一堆干草”。随法国第 14 集团军的前线生活无比艰难、 危险还时不时很混乱。理查森曾这样描述他的工作如何在一次战斗中差点 瞬间化为乌有： “在 1917 年 4 月的香槟市战役中， 我把正在计算的纸放在 屁股兜里， 后来行军中丢失了， 直到几个月后， 我才在原地的一堆已夷为平 地的焦炭碎石下重新找到它们。 ” 理查森的计算中使用的是威廉·皮耶克尼斯提供的一套已发表的 1910 年 5 月 20 日的观测数据集。这套数据集是由遍布整个欧洲的观象台， 在 “国际探空日（International Balloon Day） ”对高层大气所做的特殊观测组 成的。理查森想用这套数据来验证自己的方法， 外推计算 6 个小时的变化， 再把结果和同一天稍晚时刻的观测数据进行对比。 遗憾的是， 理查森以极大的耐心， 在如此艰难困苦的条件下完成的第一 次纯手工“预报”， 却以巨大的失败而告终。其结果被他自己称为“如此刺眼 的错误”， 比如他计算得到的大气压在 6 小时中的变化， 是实际的变化量的 一百倍。理查森将错误的原因归结为风场数据的质量不高。今天， 当人们重 新计算理查森的试验时发现， 可能导致他的计算偏差过大的最主要原因是 当时的计算过程中缺少现在模式中常用的所谓“初始化（Initialization） ”部 分。在理查森正式出版的著作中， 他并没有掩盖这次失败的试验， 因为他是 一名真正的科学家。不仅如此， 即使其他人并不都这样认为， 但理查森仍坚 信， 他所发明的数值天气预报过程是如此重要而基本， 绝不会因为这一次试 验没有成功而受到任何影响。 理查森并不是战斗人员， 因此他在救护车中的服务使他与战争中最惨 烈的死人的画面保持了一定距离。并且由于在数学上的孜孜以求以及常常 思考其它科学问题， 他的业余时间总是比其他战士过得更丰富多彩。可即 使是这样， 在他与其他 55 名同伴、 22 辆救护车所构成的这个英国人救护站 中， 还是有 13 人由于第一次受到战争中大规模破坏性武器的影响而产生了 神经性损伤。他们不止一次地要遭受重型火炮的轰炸， 特别是在 1917 年香

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槟市战役中， 他们在战场临时救护站和后方一个村庄里的伤员分类处理中 心之间来回摆渡伤员时， 就受到了惨烈的炮火袭击。理查森最终于 1919 年 离开了战场回到英格兰， 像许多从战区返回家乡的老兵一样， 他也患上了严 重的神经性疾病。理查森的儿子史蒂芬·理查森（Stephen Richardson） ， 多 年以后仍记得每当夜里叫醒他父亲时， 父亲脸上仿佛总挂着被炮弹轰炸的 惊恐表情。在战后很长一段时间里， 隆隆炮声都在他父亲的噩梦中萦绕不 去。理查森后来写过很多有关战争的文章， 特别是他个性鲜明地用他擅长 的数学方程， 量化地计算了许多战争的原因和结果。但与无数从战场上活 着回来的老兵一样， 理查森在整个后半生中从没有提及过他在前线的任何 经历， 一个字也没有。 1922 年， 距离他在埃斯科达勒姆观象台任主任时所完成的第一版手稿 6 年之后， 《数值过程的天气预报》终于得以正式出版。他说， 是战争及其后 遗症拖延了这本书的出版。肖作为英国气象局局长， 非常欢迎理查森再次 回到气象局工作。他委派理查森到本森观象台（Benson Observatory）任研 究员， 并让他在那里与当时高层大气探测和辐射方面的顶尖科学家威廉·戴 恩斯（William H. Dines）合作。戴恩斯比理查森年长 25 岁， 但他们两人非 常投缘， 无论是对科学的热情， 还是研发观测仪器， 亦或是孤僻的性格， 两人 都默契有嘉。理查森因此在 1920 年和 1921 年重写了他的手稿， 并在鸣谢 部分感谢了戴恩斯对他的慷慨帮助。

受惠于威廉·皮耶克尼斯的影响和戴恩斯的指导， 《数值过程的天气预 报》这本书几乎在任何人看来都是完美和无懈可击的， 唯独理查森本人略感 遗憾。在如此复杂的数学问题上颠覆传统， 最好还要加一点异想天开的幽 默感， 这才是理查森所期望的完美之作。书中最复杂的数学计算部分， 是伴 随着他幻想的天气预报工厂的图景进行介绍的。而书中关于积云对流中的 湍流和湍涡的部分， 又是这样生动地表达的： “大涡旋中套着很多小涡旋， 是 为了给它们提供速度； 小涡旋中还有更小的涡旋， 直到最后变成了粘性， 可 能最终要达到分子层次了吧。 ” 尽管理查森书中的数学内容复杂而艰深， 而且对阅读这本书的同行而 言需要有很高的微积分水平， 但理查森并没有因此而感到不安。 “我知道这 些计算方案很复杂， 那是因为大气本身就很复杂”， 理查森这样写道。天气 本身就是混沌而复杂的过程， 地球流体力学确实很难像其它物理问题那样

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图 19.2: 理查森梦想中的天气预报工厂

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19. 刘易斯·理查森：天气预报工厂

得到优美的简化。理查森在一份私人笔记中写到， 他已观察到像爱因斯坦 一样的理论物理学家总是从直觉上倾向于简单而优美的东西， 这使得他们 在自己的领域中取得了巨大成功并大放异彩！ “如果他们肯屈尊加入气象 学界， 也许我们这个学科会突飞猛进很多， ”他说， “但是我想他们也许不得 不放弃原来那种 ‘真理之美在于简单’ 的想法。 ” 在这本书中， 理查森还想把读者的目光吸引到那些计算表格上， 这些表 格是用来减少总计算量的。据他估计， 总共需要 64000 人（或计算机）共同 计算， 才能跟得上全球观测数据的采集间隔， 尽管这想法连他自己都觉得有 点异想天开。而在最近的一次重新估算中， 爱尔兰气象局的气象学家彼得· 林奇（Peter Lynch）甚至将同时工作的计算人数提高到了 204800 人。不论 哪个数字是准确的， 理查森已清楚表明了他的结论： “也许在很遥远的未来， 计算能力的进步终有一天会超越天气理论与知识的发展， 那时人类计算的 成本将大大降低。但就目前而言， 这还是一个梦。 ” 1922 年， 这本书发行之后好评如潮， 它甚至被视为科学界的重要成就， 但真正理解这本书的人少之又少。在那个时代， 许多从事气象研究的科学 家， 都不能完全跟上和理解理查森书中复杂的数学。在没有电子计算机的 年代， 除了威廉·皮耶克尼斯之外， 再没有第二个人很认真地去努力实现数 值计算的梦想， 再没有第二个人真的相信终有一天数值计算的天气预报将 完胜人类已有的认知。理查森书中所记述的那次他在一战中重要的失败， 可能某种程度上也阻碍了后人在数值天气预报方面做进一步的尝试。特别 是当时来自卑尔根学派的很多实用而清晰的天气学发现， 还如日中天地吸 引了所有人目光。毕竟即使有再快的计算员， 即使有质量再好的观测数据 作为输入， 理查森所提出的方案也确实是太复杂了。在天气预报方面， 这么 耗时的流程很难让别人承认它是一个实用的方案。

理查森备感失望和消沉， 因为他发现动力气象学界几乎没有一个人跟 随他书中的方案去做试验； 但比这更不幸的是， 就在这本书付梓之前， 来自 科学之外的事最终使理查森彻底离开了气象界。在第一次世界大战结束后， 英国气象局的运营权转交到空军部门， 这严重冒犯了理查森对科学的热情 和对反战的信仰。1920 年夏， 尽管理查森仍选择了继续为气象局工作， 但之 后不久， 气象局局长就评价他的这个决定是“气象史上最悲剧的决定”。因 为事实上， 理查森仅在气象局工作了几年， 之后便选择了彻底离开。在 1953

181 年理查森死后不久， 他的太太杜若兮在一份颂词中回忆道： “当他得知气象 局里那些对高层大气研究感兴趣的人竟然曾经是毒气专家时， 他的心都碎 了。理查森随即停止了他的气象研究， 亲手撕毁了所有未发表的论文。这对 他而言代价有多大， 恐怕没人知道！”理查森在剩下的几十年间， 把绝大部分 5 时间都献给了气象学以外的其它科学 ， 再也没回到气象界来。 “除 了 一 开 始 人 们 对 他 的 理 论 还 有 些 情 理 之 中 的 犹 豫 外”， 林奇写 道， “理查森所具有的所有先见之明， 今天已被全世界的气象学家所认同。 他的研究也被公认为是现代数值天气预报的奠基性工作。 ”遗憾的是， 理 查森没能活到亲眼见证数值天气预报得以实现的那一天， 但是他活到了见 证它即将实现的那一刻。1952 年， 另一位杰出的气象学家朱尔·查尼（Jule Charney） ， 寄给理查森几篇论文， 这些论文记录了他们用计算机运行简化的 大气数值模式的最新进展。当时这位年事已高的老者立刻向查尼表示祝 贺： “这是极大的科学进步， 尽管当年那个叫理查森的人没有算对。 ” 刘易斯·理查森于 1953 年 9 月 30 日在苏格兰奇芒（Kilmun）市的家 中逝世， 享年 71 岁。他在睡梦中因心脏病发作而去世， 离开的很安详。

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晚年的理查森尝试用数学的方法研究战争， 这反映了他一生都在对战争进行深刻的反 思。

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19. 刘易斯·理查森：天气预报工厂

Storm Watcher 20 雅可比·皮耶克尼斯 从极锋到厄尔尼诺 1917 年， 雅可比·皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes）离开莱比锡城来到卑尔 根市， 他目睹了他父亲为了满足更加迫切的战争需要而暂时搁置了推动大 气动力学发展的计划。像刘易斯·理查森（Lewis Fry Richardson）一样， 威廉· 皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）确信天气的奥秘最终会被物理定律揭开， 但 是对理论的笃信并不能解决迫在眉睫的全国大饥荒的威胁。挪威由于在战 争中持中立立场而受到孤立。战争导致在冰岛和英国的陆地以及海洋观测 中断， 农夫和渔民们非常渴望有一种新的天气信息来源可以帮助他们， 以此 最终解决国家的粮食危机。在从瑞典独立出来（1905 年）后的第 12 年， 挪 威面临着严重的贫困危机， 威廉·皮耶克尼斯知道自己的爱国使命。

但是， 这三个德国莱比锡城来的理论物理学家——威廉·皮耶克尼斯、 雅可比·皮耶克尼斯和另一个卡耐基助手——瑞典年轻人哈尔沃·索伯格 （Halvor Solberg） ， 到底对具体的每日天气预报了解多少？虽然德国军方向 地球物理研究机构寻求有关战场上高层大气情况的预报， 但是没有提到每 日天气预报。这个新的小组希望可以把这项业务变成他们的优势。他们不 想模仿以前不可靠的经验方法： 在地图上画出地面气压场， 使用左右手定则 和直觉预言它们和第二天天气的关系。萦绕在天气预报中的问题将第一次 183

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面临这些积极探索的物理学家的挑战。然而， 他们不准备追求威廉·皮耶克 尼斯的研究目标， 即通过描述物理定律的方程来提前计算出天气情况。他 们预期他们可以发明出一种改进预报技巧的科学方法。但他们没有想到， 皮耶克尼斯可以如此迅速地实现他们的预期。 皮耶克尼斯为自己制定了一个特别的协调理论与实践的研究方案。 赫伯特·佩措尔徳（Herbert Petzold） ， 莱比锡地球物理研究所的第一个博士 生， 被安排去研究天气图上出现在地面温度场、 压力场和风场上的辐合线 （convergence line） 。在研究所里， 威廉·皮耶克尼斯对这些特征很感兴趣。 同时， 战争中出现的新式大规模杀伤性武器——长程大炮、 毒气和飞行器， 对敌对双方的气象学家们都提出了新的挑战和要求。在莱比锡， 德国航空 中心想知道这些辐合线是否与能够瞬间产生并给飞艇和飞机带来威胁的飑 线有关。佩措尔徳的早期研究表明这些致命的威胁确实与那些地图上标志 着气压及温度场的梯度的流线和辐合风有关。然而， 在进行了一年研究之 后， 这位青年就被招往前线， 并于 1916 年牺牲在凡尔登。佩措尔徳的研究 被 18 岁的皮耶克尼斯接管， 后者于 1916 年进入到他父亲的实验室。在那 一年的德国气象学杂志上， 皮耶克尼斯在他的第一篇科学文章中把辐合线 定义为： 在冷空气侵入， 并把面前的暖空气抬起来时， 边界处按不同强度“具 有阴、 雨、 阵雨或暴雨特征的带状区域”。 那时挪威已经开始实行食物定量供给， 到 1918 年春天， 食物的供给量 已经低到极其危险的水平。在挪威政府和海军的强力支持下， 老皮耶克尼 斯访问了挪威西部的几乎每一个前哨站， 在海岸和北海中的海岛上建立起 了一套独立的天气观测网络。卑尔根的研究组希望通过他们丰富的局地资 料来弥补冰岛和不列颠的观测数据的缺失。以前只有 9 个观测站的地方， 现在有了 90 个。到 1918 年春天庄稼生长的时节， 挪威的农民们将拥有其 它任何国家都没有的天气预报服务。自然而然地， 卑尔根的物理学家们也 将会拥有最珍贵的风场以及其它地表变量场的详细观测数据， 这些资料已 足够展现中纬度气旋的到来与行进过程。 对皮耶克尼斯来说， 拥有精细的空间分辨率的观测网络就像拿着一个 显微镜去观察大气。整个夏天以来， 每天早晨一波新的数据一传来就很快 变成了大家紧张研究的对象。而能够为挪威西部带来降雨的风暴的各个层 面都被当成每日研究的重点。在使资料规范化方面， 皮耶克尼斯做得比其

185 它任何人都好。这位有创造力的年轻科学家从这些资料和地图中， 构造了 一种突破性的理解中纬度风暴的新方法。 长长的辐合线对风暴来说不是偶然出现的， 他总结道， 它们是风暴最重 要的性质。传统的天气预报因为过于关注最易于观测到的高低压中心， 而 没有能够抓住那些与雨雪分布最相关的因素。皮耶克尼斯发现， 两条不连 续的线从风暴的中心辐射出几公里。一条线有细长的雨带， 似乎连着风暴 的中心， 并与风暴向东行进的路线拥有一样的角度。他把这条线称为“操舵 线”。而“阵风线”则拥有一条更细的雨带， 并按照一个更大的角度从中心辐 射出来。其他科学家们的工作一直没能把这种结构弄清楚， 而皮耶克尼斯 做到了。中纬度气旋并不像是传统的天气预报员所描述的那种近似对称的 冷暖空气的螺旋。它们是另一种完全不同的冷暖气流模态。在两条长长的 辐合线之间， 皮耶克尼斯定义了一个暖区， 这个暖区从中心延伸出来， 像舌 头一样被冷空气包围着。 1918 年 10 月， 20 岁的皮耶克尼斯完成了一篇可以被视为气象科学的 里程碑的文章——《移动中气旋的结构》 。这篇发表在《挪威科学院学报》上 的 8 页的文章标志着著名的卑尔根气象学派的建立。一个气象科学界关于 大气研究和预报手段的新纪元， 从皮耶克尼斯那个夏天在挪威西部的每日 天气预报的经验中诞生了。

皮耶克尼斯的气旋模型衍生出一套崭新的观察和探究中纬度风暴和其 它天气现象的三维系统。辐合线——这个最初用来描述水平风场上的褶皱 的词， 在三维模型中演化成“不连续面”这个重要概念。这里是风、 温度、 湿 度以及其他描述不同性质和来源气团的变量迅速变化的区域， 是风暴发生 的区域： 沿着三维模型的缝隙地带， 是大气中降雨和降雪最多的地带、 形成 云的地带、 地表和空中的温度和风变化最剧烈的地带。 由于缺少发展模型的垂直剖面所需的高空观测资料， 促使了皮耶克尼 斯取得另一项突破性的成果。就像当初布置密集的站点来抵消长期观测的 短缺一样， 1919 年， 他们尝试用一套“间接的航空学”系统来弥补直接高层 大气观测的短缺。他们的天气观测员能粗略地报告云的形成。有了新的风 暴模型在手， 仔细地分析云的形状可以让卑尔根的团队在天气过程扫过挪 威的时候推测出大气垂直结构的变化。

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20. 雅可比·皮耶克尼斯：从极锋到厄尔尼诺

图 20.1: 雅可比·皮耶克尼斯的照片

187 在 1918 年到 1924 年之间， 皮耶克尼斯父子、 哈尔沃·索伯格和另一位 斯堪的纳维亚的聪明的合作者建立了一套全新的天气科学理念的基础。第 一次， 中纬度气旋可以被定义为沿着极锋、 成列而来的、 处在特定发展阶段 上的波动。一位年轻的瑞典学生合作者托尔·贝吉龙（Tor Bergeron）后来发 现， 在气旋晚期， 快速移动的冷锋超越暖锋， 形成一块他称为“锢囚锋”的暖 空气悬在空中的风暴区域。索伯格在回顾标有观测数据的北大西洋地图时 发现， 一连串处在不同发展阶段的气旋沿着一条特殊的不连续线排布。这 个团队的工作在皮耶克尼斯和索伯格 1923 年发表文章《气旋的生命周期 和大气环流的极锋理论》时达到顶峰。 这些概念为理论研究和实际预报建立起了一套更强有力的分析方法。 后来受一战的启发， 卑尔根的气象学家们用战地术语给这些概念命名。不 连续面变成了“锋”。在皮耶克尼斯的模型中， “阵风线”被叫做“冷锋”， “操 舵线”被叫做“暖锋”。 “极锋”， 被看作是围绕着半球的一串连续的波动， 是 从极区迁徙南下的冷舌和从赤道向北运动的暖舌的主要相互作用线。 “在 中部偏东， 暖空气是胜利的一方， ”1920 年威廉·皮耶克尼斯在《英国皇家气 象学会季刊》中写道， “在这里， 暖空气上升到冷空气上方， 向着极地慢慢前 行。冷空气， 被暖空气压制， 逃到西面， 希望能马上转向南， 从侧翼袭击暖空 气： 于是它就从暖空气的下方作为冷西风侵入。 ” 然而， 卑尔根的气象学家还在进行着另外一方面的斗争。从一开始， 威 廉·皮耶克尼斯就呼吁气象学的统一——通过普遍的、 严格的科学体系把支 离破碎的气象学研究和业务天气预报结合起来。到 1920 年早些时候， 卑尔 根学派的气象学家们已经建立起了一个能让理论研究者和业务预报员们 使用统一术语的体系。皮耶克尼斯和他的年轻的追随者们走遍全世界， 传 播他们的新理念。在这些人中， 就有后来成为上个世纪最有影响的气象学 家之一的瑞典学生卡尔 -古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby） 。 “极锋理 论为气象学的预报和理论研究这两个阵营架起了桥梁。 ”罗斯贝后来写道。 但是， 从一开始， 卑尔根学派的新概念就面临着来自老天气预报员和气象学 家们的抵触。这两个阵营之间一直存在着长期的彼此不信任。对预报员来 说， 理论家几乎不能给他们带来什么有实际价值的东西。对理论家来说， 预 报仍然是在科学范畴以下的“有技巧的”手艺。如罗斯贝发现的， 没有什么 机构比美国气象局更强烈地抵制这套体系了， 他们是反对这套新概念的最

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后的坚持者。尽管这套理论对美国蓬勃发展的航空工业具有显而易见的价 值， 美国气象局仍然花了将近 20 年的时间去适应卑尔根学派的预报方法。 作为挪威西部气象预报中心的主任， 皮耶克尼斯在 1924 年凭借他在 气旋模型和极锋气象学上的工作， 获得博士学位。1926 年， 他作为一名气 象学家在冰岛帮助瑞典探险家罗纳徳·阿蒙森（Roald Amundsen）完成了乘 坐飞艇飞越北极的探险。1928 年， 他和卑尔根的一位杰出眼科医生的女儿 赫德韦格·博尔滕（Hedvig Borthen）结婚。他们后来有了两个孩子。1931 年， 皮耶克尼斯离开气象中心， 把它交给了他的同学挪威人斯维尔·皮特森 （Sverre Petterssen） ， 他则前往卑尔根地球物理研究所， 成为了一名气象学教 授。在终于拥有了高层大气的资料后， 他把他的聪明才智投入到高层大气 波动的发展以及它们与中纬度气旋的关系的研究中去。在 1937 年， 他发表 了另外一篇关于这个问题的原创性的文章。 1939 年 7 月， 皮耶克尼斯同家人前往美国开始了一次为期 8 个月的 演讲旅行。然而， 同年 9 月， 第二次世界大战爆发， 1940 年 4 月， 挪威被德军 攻占。占领持续了五年之久。在那期间， 皮耶克尼斯成为加州大学洛杉矶分 校（UCLA）的气象系主任。虽然 1940 年美国还在讨论是否加入战争， 但一 些长远计划的军事准备已经在秘密进行中。皮耶克尼斯接受美国的邀请， 在加州大学组织了一个旨在帮助美国军队培养气象学家的项目。他选择在 UCLA 进行这个项目， 这里是美国五个基于大学的紧急军事天气训练中心 之一。 UCLA 第一堂课的听众中有一个平民——朱尔·查尼（Jule Charney） 。 这位年轻的数学物理学家后来坚定地选择气象学， 并为这个学科带来了惊 天动地的突破。查尼非常感激皮耶克尼斯的特别指点， 帮助他决定致力于 天气科学的研究， 虽然他在理解学习这门科学的过程中“又慢又费劲”。查 尼在 1975 年回忆：

我以前设想的整齐、 简洁的数学或理论物理范畴并不适合于 大气。但是在皮耶克尼斯的指导下， 我发现虽然大气极其复杂， 但是并不是没有希望。让我非常佩服的是， 皮耶克尼斯可以在 我认为完全无序的东西中发现规律。如果让我说出他的一个特 点， 那么这就他最出色的地方： 从极其复杂的、 庞大的、 总是存在

189 着湍流的数据中发现显著而有特点的事件和过程的能力。详细 叙述他从自然中抽象出结论的过程， 相当于背诵出了现代气象 学的大部分历史。他对锋、 锋面波以及高层波动的发现， 是人们 对大气行为的理解和分类逐步深入的基础。

查尼继续进行着必要的数学推演来实现威廉·皮耶克尼斯和理查森的 梦想： 用现代计算机提前计算出大气的变化。皮耶克尼斯 1937 年发表在 《德国气象学家杂志》上的德语文章， 阐述了高空风与地面气旋之间的联系， 直接导致了查尼后来在数学上的巨大突破。战后， 在皮耶克尼斯意识到气 象学界的这一颠覆性的革命（数值天气预报的诞生）后， 他又选择了一个完 全不同的研究方向。 皮耶克尼斯 60 岁时， 在罗斯贝等人的启发下， 建立了一个非常适合他 的聪明才智的新的理论研究方向——从混沌中寻找规律。他用 15 年的时 间领导了一个长时空尺度的海－气相互作用研究。他发现大西洋湾流后又 把他的注意力转移到太平洋， 并完成了现代气象学最重要的发现之一。 他的工作的巨大突破是在 1957 － 1958 年研究从国际地球科学年 （International Geophysical Year）收集来的资料时完成的。这时正好处在厄 尔尼诺（El Niño）时期， 科学家们正在尝试揭开海温变暖的谜题。直到这个 时期， 厄尔尼诺还被看作是一种局地的现象——南美沿岸的海温变暖， 或者 是种从圣诞节开始的季节性向南的暖流， 所以秘鲁人用“圣婴”的西班牙语 来命名它。而地球科学年发表的资料表明厄尔尼诺是一个影响范围更广的 现象。 另一套未解决的资料也深深吸引着这位伟大的理论学家。上个世纪早 期， 英国数学家吉尔伯特·沃克（Gilbert Walker）爵士在印度做季风研究时 做了一个有趣但是不太可信的相关分析。沃克发现热带太平洋的澳大利 亚的达尔文和中太平洋附近的塔希提的表面气压具有一种规律性的此消 彼长的关系。他把这种“跷跷板”似的高低压关系叫做南方涛动（Southern Oscillation） 。另外一些他当时不能解释的东西也深深地吸引着沃克。他发 现了大气中的南方涛动和一些离它很远的天气情况之间的联系， 比如加拿 大西部的偏暖。他的同事们当时因为他的这个想法而嘲笑他。这个想法当 时没有被深入进行下去， 它只是偶尔地被关注， 然后很快就被当作一个没有

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20. 雅可比·皮耶克尼斯：从极锋到厄尔尼诺

物理意义的单纯的统计上的相关而被忽略了。 在沃克的研究过去 50 年后， 皮耶克尼斯用一种新的观点来看待南方涛 动。1969 年， 他在一系列的文章中阐明了南方涛动真实的特征。皮耶克尼 斯第一次意识到南方涛动——气压“跷跷板”效应和厄尔尼诺——东太平 洋海温升高， 是同一种海洋尺度的耦合过程的两种不同的表现形态。皮耶 克尼斯第一次描述了由厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）制造出的连续的“反 馈循环”， 这些都是当今的科学家们所熟知的。他把穿过热带的海－气之间 的大尺度环流称为沃克环流（Walker Circulation） 。科学家们花了许多年时 间来用观测资料证明他的假设， 他们花了更长的时间来解释 ENSO 和加拿 大西部的冬天之间的联系。但是皮耶克尼斯的观点的重要性立刻就被人们 觉察到了。 皮耶克尼斯关于厄尔尼诺结构的原创性文章发表于他那篇定义中纬度 风暴的奠基性文章的 50 年以后。那时， 他已经是 UCLA 的退休荣誉教授了 ——他在 1965 － 1975 年一直担任这个职位。1975 年 7 月 7 日， 他因为 心脏病突发的并发症， 在他圣塔莫尼卡的家中与世长辞。

Storm Watcher 21 托尔·贝吉龙 天才的眼光 威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）在 20 世纪 20 年代是让其他欧洲 科学家非常羡慕的人， 因为他能把有天赋的学生吸引到小小的挪威卑尔根 气象机构来。学生们的激情和忠诚似乎都来自威廉·皮耶克尼斯的个人魅 力和教育方式， 这些都是威廉·皮耶克尼斯精心策划的招人运动的一部分。 威廉·皮耶克尼斯曾亲眼目睹他父亲的理论物理梦因为环境孤立而破灭， 因 此他非常强调研究氛围的重要性， 他称之为“科学环境”。这就是一战前吸 引他到莱比锡大学的原因——向广大科学家群体公开研究成果， 并且热衷 于地球物理学院实验室的后备助理非常充足。如果要让这种积极的环境在 挪威， 特别是卑尔根定型， 威廉·皮耶克尼斯知道他得靠自己来创造。 在世界大战期间， 威廉·皮耶克尼斯吸引了一批年轻人到挪威西部， 这 些人后来成为 20 世纪最重要的地球物理学家。在这批人中有瑞典人卡尔 －古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby） ， 一个世界著名的大气科学理论学 家， 并一直引领着 20 世纪最高的气象成就。还有挪威人哈罗德·斯维尔卓 普（Harald Sverdrup） ， 一个世界著名的海洋学家， 也是加州斯克里普斯海洋 研究所的负责人。但这些人中， 只有一位 1919 年来到卑尔根的 27 岁瑞典 气候学家受到的邀请最为热切， 对基本公式和新研究方法、 天气预报技术的 191

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21. 托尔·贝吉龙：天才的眼光

推行的贡献也最大。他就是托尔·贝吉龙（Tor Bergeron） 。 贝吉龙从 1908 年就对气象感兴趣了， 那时他所在的瑞典寄宿学校的 老师派他连续一个月每天观察气压计， 从此他就养成记录天气日志的习惯。 他对这些问题的好奇心驱使他一生致力于此。贝吉龙也很快观测天空， 监 控起其他天气要素。他可以称得上是个天赋异禀的观测者， 特别是天空可 视的方面。贝吉龙学会从细节中辨别大气的规律， 比如云的变换或更微妙 的能见度的变化。这种对天空的观察力将成为贝吉龙方法的特点， 并显著 地影响了他今后的研究方向， 包括 20 世纪 20 年代他当上卑尔根气象学校 校长后。 好的视野不管从审美还是实用角度都很吸引贝吉龙。1909 年， 他在瑞 典与挪威交界的山上拥有了一幢避暑别墅。从那里他能看见一个湖和周围 的山脊， 这个景致能让他长期观察背风坡云的形成和气团的能见度。贝吉 龙是一个风趣、 有魅力的人， 他有着艺术家的气质， 偶尔也有波希米亚式的 爱好。有时他做例行天气预报迟到， 以至于读预报的播音员不得不放慢语 速等贝吉龙赶来。他兴趣广泛， 在很多方面很有天赋， 包括音乐和语言。他 一生都爱唱歌， 常常由他的妻子维拉钢琴伴奏， 他无论住哪都会参加学院合 唱队。他会说很多种语言， 比如斯堪的纳维亚语、 德语、 法语、 英语、 俄语、 西 班牙语、 意大利语、 一些荷兰语、 捷克语、 塞尔维亚－克罗地亚语， 而且所有 语法规则和用法他比许多说母语的人记得更清楚。他也是个天才的演讲 者， 他走遍欧洲， 用卑尔根和其他地方的方法教育科学家们。就是在 1932 年的一次这样的到莫斯科的长期任务中， 他与维拉·罗曼诺夫斯卡亚（Vera Romanovskaya）相遇并结婚。维拉是学数学和物理的学生， 经常在工作上 帮助贝吉龙。 贝吉龙 1891 年出生于英国， 他是家里唯一的孩子， 父亲阿曼德·贝吉 龙（Armand Bergeron）是邮票商人， 母亲希尔达·斯塔韦（Hilda Stawe）是一 名歌手。贝吉龙四岁那年， 他们一家人回到祖国瑞典。三年后， 也就是 1898 年， 阿曼德·贝吉龙因为急性关节风湿病去世， 年仅 36 岁。亲戚资助了这对 寡妇和孩子， 包括送贝吉龙去朗兹伯格学校和斯德哥尔摩大学学习， 他在那 学习数学和物理， 于 1916 年毕业。 毕业后贝吉龙继续研究气象学， 于 1917 到 1918 年发展关于能见度变 化及其引起的天气事件的理论。特别地， 他在自己的天气图上画流线， 并注

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图 21.1: 托尔·贝吉龙的肖像照片

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意到在辐合型流线代表的风暴经过的路径上， 能见度是如何清晰地变化的。 这个工作最终成为他在气团分析理论里的开创性工作的一部分。 贝吉龙的天才要归功于三位重要科学家的发现和鼓励。一位是他母 亲的朋友， 气象学家和探险家， 瑞典气象局的主管尼尔斯·埃科赫姆（Nils Ekholm） 。另一位是约翰·桑德斯卓姆（Johann W. Sandstrom） ， 他曾是威廉· 皮耶克尼斯在斯德哥尔摩的第一位卡内基助理。第三位是威廉·皮耶克尼 斯在瑞典最亲密的朋友， 诺贝尔获奖者， 化学家斯凡特·阿伦纽斯（Svante Arrhenius） 。1918 年秋， 威廉·皮耶克尼斯从桑德斯卓姆和阿伦纽斯那儿听 说了贝吉龙， 想要他来卑尔根。在第一个夏季天气预报后， 雅可比·皮耶克尼 斯（Jacob Bjerknes）和哈尔沃·索伯格（Halvor Solberg）被派到瑞典招募新 人， 他们还接到一个特殊的任务——找到贝吉龙。 许多年后， 贝吉龙仍能回忆起 1918 年 11 月的那天， 他与卑尔根的气 象学家们见面。他坐在瑞典皇家科学研究院的气象学院， 做好思想准备。这 时候雅可比·皮耶克尼斯和索伯格走进来。他说， “我记得雅可比·皮耶克尼 斯和索伯格是如何激动地用天气图证明一个暖锋如何爬过山脉。 ” “当然， 我自己从 1908/1909 年起就进行云观测， 他们说的时候， 我越来越清晰地发 现我听到的与我自己的经验吻合得很完美。 ”卑尔根的招募者们完成了他 们的任务， 成功游说五名年轻人加入卑尔根， 包括贝吉龙和罗斯贝。 “我们这 儿将有一个活跃的科学氛围了。 ”威廉·皮耶克尼斯在给阿伦纽斯的信中写 道。贝吉龙于 1919 年一月来到瑞典气象局为埃科赫姆工作， 但两个月后就 被批准去挪威西部学习一年的新气象学。 对于年轻的科学家来说， 卑尔根是独一无二的工作场所， 威廉·皮耶克 尼斯是独一无二的教授。当年轻的应聘者们到达卑尔根火车站时， 等着他 们的是教授本人， 帮他们提行李， 指引住所。 “这对于我们来说是前所未有 的， 一个著名的教授能对陌生的学生们这么体贴。 ”另一个 1919 年招入的 学生， 埃里克·比约克达尔（Erik Bjorkdal）回忆道， “但这还不够。我们到了 仅三天后， 他带我们乘坐阿莫尔·汉森（Armauer Hansen）号进行了一次沿 岸视察， 让我们从一开始就能对挪威的自然条件和天气预报员们的野外工 作有一个生动直观的印象。 ”他们很快被派去实际工作， 分析天气图。 “每张 图都是一个亟待解决的新问题， 每个人根据自己的能力为分析做贡献， ”比 约克达尔回忆道， “每次发现有关锋面和气旋的新问题， 都会引发我们极大

195 的兴趣。 ” 在贝吉龙给一个朋友的信中， 他描述威廉·皮耶克尼斯是一个“非常有 魅力， 对自己的所有才华极度谦逊的人。 ”许多年后， 他仍然记得威廉·皮耶 克尼斯早年是怎样培养年轻科学家的创造能力， 那时卑尔根天气预报服务 工作没有固定的时间。 “经常一个人熬一整夜， 独自或与其他几个年轻气象 学家一起， 再分析那天的图， 思考或讨论未知的发展……有时候威廉·皮耶 克尼斯会放下手上的数学分析或者写作的工作， 出现在我们身边， 期待地眨 着眼问： ‘今晚有什么新发现吗？’ ” 三月份回到卑尔根天气预报服务组织后， 贝吉龙迅速对实际问题有了 认识。在为农民做了第一个夏季天气预报后， 沿海渔民要求卑尔根气象学 家们给新的挪威机动舰队提供类似的冬季天气预报服务。威廉·皮耶克尼 斯和雅可比·皮耶克尼斯最初不太情愿， 一部分原因是他们不确定是否有能 力提供大尺度狂风预警以外的服务。不同于传统的“气压气象学”， 他们没 有用描述气压状态的等压线， 而用的是描述风场的流线。尽管这个转变对 雅可比·皮耶克尼斯发现新气旋模型很关键， 但它对预报有另一个影响， 卑 尔根的科学家们还没有意识到。辐合型的流线对于预报降水非常有用， 这 对农民很重要， 但流线对预报风的变化不太管用， 因为风场跟气压场变化密 切相关。贝吉龙在瑞典使用等压线预报天气只做了两个半月。他指出把这 些等压线涵括进来会大大改善他们预报风向和风强变化的能力， 这些就是 舰队所关心的内容。 威廉·皮耶克尼斯和索伯格是卑尔根团队中较强的理论家， 而贝吉龙与 雅可比·皮耶克尼斯一样， 是个综观气象学家， 他能从看起来混乱的同步观 测中分辨出天气事件的特点。威廉·皮耶克尼斯 1919 年 10 月给桑德斯卓 姆的一封信中写道， “贝吉龙肯定是当今能找到的最好的预言家之一， 很可 能是最好的那一个。他懂得怎样从图上或者天空中挖出每一个信号。 ”一个 月后， 贝吉龙运用这个技巧为卑尔根气象学派的核心思想发展了一个重要 的新观点。 雅可比·皮耶克尼斯 1918 年的气旋模型是当时中纬度风暴主流观念 上的重要进步， 大多数理论家和天气预报员沿着苏格兰气象学家拉尔夫·阿 伯克伦比（Ralph Abercromby）1885 年模型的思路， 一直认为这是低气压中 心周围的对称环流。但新模型仍然是对风暴静态的描述， 是个冻结的时间

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片。当然， 每个人都知道风暴是运动的， 雅可比·皮耶克尼斯认为， 可以从和 中心低气压相关的辐合锋线的角度判断风暴移动的方向。因此， 不连续的 锋线， 也就是后来叫暖锋， 一开始被标为方向线。但这个模型仍然没有任何 发展或演变的过程， 没有一个动态的生命周期。风暴的形状是否会随时间 而改变， 贝吉龙 1919 年春接触的这个模型没有给出任何信息。两个锋面或 不联系的流线， 被暖空气的楔入阻隔， 仅仅在陆面上恒定流动。 贝吉龙凭自己非凡的敏锐能力把杂乱的数据变得井井有条， 他迅速从 挪威密集的观测网的数据中发现， “风暴”的结构和雅可比·皮耶克尼斯的 模型有些不同， 还更复杂些。虽然他的模型是基于对真实风暴的观测， 但这 毕竟只是个模型。正是凭借这内在的简单性， 才让卑尔根方法在推广运动 中被广泛接受。贝吉龙的重要突破是在秋天发现的。 1919 年 11 月 18 日横扫斯堪的纳维亚的风暴观测， 让贝吉龙脑海中 明确了两点雅可比·皮耶克尼斯模型中没有的动态元素。第一， 就像贝吉龙 怀疑的那样， 中纬度气旋的两个锋面在陆面上以不同的速度运动。这意味 着， 雅可比·皮耶克尼斯模型中被暖空气楔入而隔离出的两个锋面仅仅代表 风暴发展过程中的某一特定状态。第二， 随着风暴的发展， 运动得快些的冷 锋最终会赶上并取代带头的暖锋。11 月 18 日之后的后续天气图证实了这 个情况， 在挪威上空锋面发生了赶超现象， 在风暴中心低气压附近两个锋面 靠在一起。贝吉龙自信地画了横截面分析图， 演示冷空气从地表入侵并抬 升暖锋的过程。这个复杂的过程标志着风暴开始衰退， 因为它使风暴中心 丧失了热源和水分来源。卑尔根团队称这个过程为锢囚， 地表冷空气、 上层 暖空气的复合锋面称为锢囚锋。

贝吉龙在斯德哥尔摩仅做了两年的天气服务气象学家后， 就移居挪威， 后来他在那里生活了 13 年， 继续发展和传播新气象学。他把气团的概念作 了系统化分析， 把气团按来源分类： 赤道的， 热带的， 极地的， 北极的， 也有根 据类型的分类： 海上气团或大陆气团， 这些他做得比任何人都好。他向怀疑 科学预报的团体传播新气象学的理论， 把这些观点和当时天气状况联系在 一起， 比任何人都更有说服力。但对于贝吉龙来说， 卑尔根学派气象学是不 够的。 1922 年 2 月， 他在回卑尔根的路上， 中途在奥斯陆北部山区的一个健 身度假胜地停留了几个星期休息， 在那里他的观察天赋带给他另一个天气

197 科学的重要进步。那的山腰上总是被一层层云包围。当贝吉龙走在枞木林 的路上时， 他注意到雾并不是一成不变的， 而且差别取决于温度变化。当温 度远低于零度， 雾不会延伸到路基， 而温度高些的时候就会延伸了。 “我立刻 想到一个尝试性的解释， ”贝吉龙回忆道， “在 -10 摄氏度 [14 华氏度]， 沿路 的迎风面， 挂满雾凇的枞木枝条 ‘过滤’ 了很多空气中扩散的水汽， 一部分雾 滴蒸发了。 ”贝吉龙意识到是冰吸收了水汽， 因为温度高些的时候水汽仍留 在空气中。1928 年， 他在用德文写的博士论文中提到这个观点和云中冰晶 扮演的角色有关。1933 年， 在里斯本的一个国际会议上， 他在论文《关于云 和降水的物理过程》中把这一想法作了充分的发展。他著名的冰晶理论就 是用来帮助解决天气学上最持久的秘密之一。 是什么使雨落下来？科学家们可以解释云的形成是通过水汽凝结， 但 他们迟迟无法为降水给出一个有说服力的物理解释。贝吉龙是第一个解释 极小的水滴是怎样积聚自己， 一直变大到足以落下成雨。1933 年他解释道， 在寒冷的高度的云， 冰核从过冷水滴中吸收水汽分子。当冰晶长得足够大 时， 他们以雪花的形式掉落。当它们下落到暖的空气层， 雪花融化， 继续以雨 滴的形式掉落。这个贝吉龙过程解释了大多数中高纬度的降水， 并且是各 种尝试人工降雨的方法的科学依据。 气象学的课本中有很多概念都是贝吉龙做过贡献的。就连每日天气图 也有他的标记。1924 年， 当要印刷天气图广泛分发时， 贝吉龙想到舍弃蓝色 和红色， 而采用符号区别冷锋和暖锋， 使天气图得以印成黑白色。

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Storm Watcher 22 卡尔－古斯塔夫·罗斯贝 征服气象局 不是别人， 正是卡尔 -古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby） ， 最终把美 国气象局带进了 20 世纪。是他， 在美国的大学里建立了第一个气象学系， 并引领美国的气象学走到世界前沿； 是他， 帮助美国紧急训练出数千名气象 预报员， 并最终为盟军赢得第二次世界大战的胜利做出了重要贡献； 是他， 1 以公认的科研成果为美国的延伸预报 打开了大门； 是他， 帮助后人实现了 伟大的数值天气预报这一气象学的世纪之梦。1926 年初， 罗斯贝来到美国 华盛顿特区， 没有任何预告， 也没有夹道欢迎， 美国现代气象学之父就这样 悄悄地来了， 而且， 他还不是美国人， 而是瑞典人。 资助罗斯贝美国之行的奖学金， 来自于“美国 -斯堪的纳维亚基金会 （the American-Scandinavian Foundation） ”。这笔钱主要用于资助一些年 轻的气象学家， 去美国与其气象局合作， 以研究欧洲的极锋理论是否同样适 用于美国。当时的罗斯贝才 27 岁， 尽管外表仍像一个稚气未脱的青年， 个 子很矮， 有一张圆圆的脸， 但他一生都是一个精力充沛且非常勤奋的人。从 个性和智力上看， 罗斯贝比当时的美国气象局局长查尔斯·马文（Charles F. Marvin） ， 以及其他气象局的老官僚们都明显高出不少。他一直接受的是数 1

指“周”至“月”尺度的天气预报。

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学和物理的训练， 因此科学感觉十分敏锐。他是如此的天资聪颖、 个性迷人、 有说服力、 不屈不挠、 而且充满激情的人， 他始终致力于把卑尔根学派的气 象学新知传播到美国去。在气象局的中央办公室里， 他的这些性格特点一 点都不招人喜欢， 于是这个来自斯堪的纳维亚半岛的年轻人的桌子就被安 排在了气象局图书馆的一个无人问津的角落里。尽管他很快便有了新的位 置， 但他一直是气象局里不受欢迎的人。罗斯贝本人对气象局里的官僚气 息也是深恶痛绝， 但一时又看不到任何希望。 罗斯贝于 1898 年出生于瑞典的斯德哥尔摩， 是家中五个孩子中的长 子。他的父亲阿维德·罗斯贝（Arvid Rossby）是一个安静快乐的建筑工程 师， 薪水中等。他的母亲奥玛·罗斯贝（Alma Rossby）是维斯比市（Visby）一 个富有的药商家庭的女儿。维斯比市是瑞典东南部的港口城市， 位于哥特 兰岛西岸， 那里靠近波罗的海， 因美丽的兰花而出名。罗斯贝后来曾对美国 朋友说， 他的家乡让他从小就对植物学感兴趣， 并且他一生都热爱兰花。与 罗斯贝在一起生活， 你会感到他的性格很容易冲动。他能瞬间对很多事情 产生疯狂的兴趣， 并且， 他特别喜欢与别人分享这种兴奋感。当然， 他也有从 不为外人道的只属于他个人的一面， 比如即使最亲近的好友， 也不知道罗斯 贝一直对音乐情有独钟， 并且在钢琴方面很有天赋。他甚至还有完全的个 人秘密， 从未告诉过任何人， 比如他小时候一直受风湿热的折磨， 再比如他 曾学过很多医学知识， 只因他的心脏曾痛苦地忍受疾病的折磨。 罗斯贝于 1918 年获得斯德哥尔摩大学的学士学位。在那里他主修 数学、 天文学和机械力学， 他曾用不到一年时间修完了本需要修三年时间 的课程。很多教授都注意到了这个年轻、 早慧、 好问、 焦躁不安的学生。在 1918-1919 年的冬天， 当威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）再次造访斯 德哥尔摩大学， 为他新成立的卑尔根地球物理学院（Geophysics Institute） 和挪威气象局的天气预报服务挑选有才华的瑞典年轻人时， 罗斯贝的名字 赫然写在推荐名单的前列。尽管罗斯贝当时没有一丝气象学背景， 但渴望 冒险的他仍然被选中， 于 1919 年夏天兴奋地前往卑尔根， 而那里正是极锋 理论（Polar Front Theory）的发源地。 “这个 20 岁的年轻人有着惊人的说服别人的能力和组织才能”， 托尔· 贝吉龙（Tor Bergeron）这样回忆罗斯贝初到卑尔根时给人的印象。在一本 关于罗斯贝的回忆录《大气与海洋的运动（The Atmosphere and The Sea in

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图 22.1: 卡尔－古斯塔夫·罗斯贝的照片

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Motion） 》中， 贝吉龙写道： “他跨越式的想法和高瞻远瞩的计划常常令我们 惊讶不已。很快， 他就能在卑尔根地球物理学院开展的试验性的预报中给 出建设性的、 有价值的意见。 ”不仅如此， 那时他的头脑每天都处于兴奋的思 考中， 他的心思也仿佛早已飞出了卑尔根。那里富有吸引力的自由和随意， 与瑞典科学界的严谨大相径庭， 使得罗斯贝在各方面都想努力赶上。不过， 这也可能是他一生中唯一的一段令他感觉自己的智力不足以掌控他所研 究的领域的经历。罗斯贝非常不喜欢被要求去做那些程序化的事， 也对它 们完全不感兴趣， 比如在天气图上标注观测数据， 这种每日天气分析所必需 的环节。另一方面， 尽管他总想向理论方面发展， 但他又缺少足够的数学和 物理基础， 因而很难对动力气象作出实质性的贡献。据贝吉龙观察： “罗斯 贝在卑尔根并没有找到合适的时间、 地点和气象学领域， 以发挥出他作为学 者所具有的能力， 以及作为组织者所具有的能量。 ”但可以肯定的是， 他在那 里爱上了气象学， 他完全被气团分析的新方法所征服。于是一年之后， 他就 准备离开卑尔根， 去寻找他自己的路， 但首先他应该掌握更多的基本科学技 能。

跟随威廉·皮耶克尼斯的脚步， 罗斯贝接下来去了莱比锡大学（University of Leipzig） ， 在那里这名年轻的瑞典人第一次接触到了特别有价值的探空 数据。1921 年， 他大部分时间都待在位于柏林附近林登堡（Lindenberg）市 的航空观象台里， 那里有一个放探空风筝和探空气球的观测站。1921 年后 期， 他返回斯德哥尔摩大学， 又开始研究一些数学物理方面的东西。这之后， 为了挣钱以继续维持学习， 他用一年时间去瑞典气象局工作。在这一年夏 天， 他还以气象学家的身份登上了大洋探险船。1923 年， 他还登上了小型 挪威 SS 级军舰康拉德·霍尔姆波（Conrad Holmboe）号。不幸的是， 该船在 格陵兰岛东岸被冰山包围， 在其后的 2 个月的时间里， 他们一动不动， 无计 可施， 随时有沉没的危险， 在救援终于到来之前他们的航行几乎要以灾难告 终。1925 年， 罗斯贝从斯德哥尔摩大学获得数学物理方面相当于硕士级别 的学位， 他的正规教育就算彻底结束。不过， 罗斯贝真正靠的并不是学校教 育， 而是他永不休止的天马行空的头脑。这个年轻人后来只用了 25 年的时 间， 就成为了对美国气象学界最有影响力的第一人， 而他一生都从未获得过 博士学位。 1926 年， 罗斯贝初到美国首都华盛顿。他旋即找到气象学家理查德·

203 魏特曼（Richard H. Weightman） ， 魏特曼是美国气象局里少数几个对卑尔 根学派的新思想感兴趣的人之一。他们两人合作写了一篇论文， 发表在当 年 12 月的气象局刊物《每月天气评论（Monthly Weather Review）2 》上， 文 章题目是《极锋理论在美国天气图上的应用（Application of the Polar-Front Theory to a Series of American Weather Maps） 》 。这篇文章堪称经典， 它给 出的结论是： “很多精彩的个案和证据表明， 极锋理论可以应用到非常复杂 的美国天气图上， 并大大促进天气图分析。这种方法可以帮助我们解释很 多离开大气动力学就无法解释的现象。 ” 这篇文章似乎与刊物上的其它文章没什么不同， 对气象局的人也没有 丝毫触动。怀着强烈的使命感， 罗斯贝不厌其烦地向那些比他年长 40 岁以 上的老预报员们传播他的想法。对此， 气象学家赫拉斯·拜尔斯（Horace R. Byers）后来回忆道： “那些没受过系统教育的实践派老家伙们， 都是凭借一 些感性经验、 甚至半猜式的预报升到现在的位置上的。 ”实际上， 当时的气象 局长马文就是一个典型的老官僚。马文是一名设备工程师， 为气象局工作 的历史可以追溯到 1880 年代， 那时天气服务还只是美国陆军通信兵团（the U.S. Army Signal Corps）的一部分。在这样一个官僚主义根深蒂固的地方， 不论是局长马文， 还是其它高层的管理人员， 都不可能去主动改变几十年积 攒下来的稳定现状。据拜尔斯的观察， 这些人“对罗斯贝科学上的才华根本 不感兴趣， 甚至觉得这个年轻的瑞典人， 仅凭借自己那点新方案， 就想重振 整个美国气象学界， 实在是非常讨厌！” 然而， 在气象局以外， 航空领域于 1920 年代后期正在快速崛起。他们 对气象学的发展报以急切而务实的热情， 特别希望了解如何把极锋理论应 用到新的天气预报方法中去。第一个在气象局图书馆角落里发现罗斯贝的 人是一名名为弗朗西斯·里奇德弗（Francis W. Reichelderfer）的年轻的美国 海军上尉， 他负责美国海军的航空气象保障， 每天要看气象局的数据以做出 他们自己需要的天气预报。里奇德弗非常高兴能找到一个熟悉卑尔根学 派新方法的人。这两个年轻人， 年纪相仿， 每天都要在下班后对着当天的天 气图讨论几个小时。后来， 里奇德弗介绍罗斯贝给他的好友， “丹尼尔 -古根 海姆航空促进基金会（the Daniel Guggenheim Fund for the Promotion of 2

早期的气象学杂志， 由美国气象局主持发行， 后并入美国气象学会。至今仍是美国气象 学界最主流的元老级学术刊物之一。

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Aeronautics） ”的主席哈利·古根海姆（Harry F. Guggenheim）先生3 。此时恰 好支持罗斯贝在气象局访问的“美国 -斯堪的纳维亚基金”项目到期终止， 于是曾在第一次世界大战中担任空军飞行员的古根海姆先生， 爽快地答应 继续为罗斯贝提供财政支持。正是由于里奇德弗和古根海姆的慧眼识珠和 慷慨相助， 罗斯贝才最终得以重塑美国的气象舞台。 1927 年， 在古根海姆先生的帮助下， 罗斯贝开始筹备为理查德·比尔 德（Richard E. Byrd）制作天气预报， 以帮助他与另外 3 名机组成员驾驶三 缸驱动的“美洲号（America） ”飞机飞越大西洋。事实上就在几个星期前， 查尔斯·林德伯（Charles A. Lindbergh）驾驶“圣路易斯精神号（Spirit of St. Louis） ”飞机才刚刚完成了著名的独立飞行横跨大西洋的壮举。1927 年 7 月， 罗斯贝在气象局里被授予一个全职职位——由古根海姆资助的全新的 “跨部门航空气象学委员会（Interdepartmental Committee on Aeronautical Meteorology） ”主席。当上这个职位后， 罗斯贝决定派一名年轻而有前途的 气象局职员， 赫德·威利特（Hurd C. Willett）先生， 去卑尔根学习一年。

随着罗斯贝在气象局之外声名鹊起， 又由于为古根海姆工作时出了“一 系列小事故” （拜尔斯这样描述） ， 罗斯贝与气象局长马文、 及其他管理层的 冲突不断升级。最后的一次事故， 源于罗斯贝接了林德伯打来的一个电话。 当时， 由于受古根海姆资助， 罗斯贝作为年轻的美国英雄已经乘坐“圣路易 斯精神号”环游了美国 48 个州， 在 100 个城镇中对数以百万计的美国人宣 传了他对未来航空业的远见和观点。而林德伯已决定迎接 27 小时不间断 从首都华盛顿特区飞到墨西哥城的挑战。这位大名鼎鼎的飞行员对气象局 向来评价极低已是众人皆知的事。他打这个电话， 是希望请罗斯贝帮他预 报 12 月 13-14 日从华盛顿到墨西哥城的天气。后来在胜利完成这次飞行 挑战后， 林德伯称赞罗斯贝的预报是他接收过的最好的天气预报。就因为 这件事， 局长马文因为这种不正规的天气预报却赢得好评而勃然大怒， 并且 警告罗斯贝他从此在气象局是不受欢迎的人。 但是林德伯的飞行挑战， 以及罗斯贝受古根海姆资助完成的前所未有 的美国巡游， 已经唤醒了公众对乘坐飞机旅行的兴趣。现在， 古根海姆对罗 斯贝的工作有了更大的计划。为了向公众显示乘坐飞机不仅仅是“敢死队” 3

丹尼尔·古根海姆（Daniel Guggenheim）是哈利·古根海姆（Harry F. Guggenheim）的父 亲， 他创建了该航空促进基金会。

205 的行为， 古根海姆在加州资助并运行了一条模范航线。这条航线往返于旧 金山和洛杉矶之间， 由西部航线（Western Air Express）公司在其已有的一条 航空邮政路线基础上运营。设置这条旧金山 -洛杉矶载人航线的目的， 就是 想告诉迷茫的美国民众， 民航是安全可靠的。当然， 这需要高水平的天气预 报服务。而罗斯贝， 就被任命发展一种模范的天气服务系统， 以支持全美第 一条民航航线。最终， 这条航线于 1928 年春天正式投入商业运行。 在这件事上， 罗斯贝倾注了全部的精力和热情， 展现出卓越的领导才 华。旧金山气象局在接管了罗斯贝的方法后， 罗斯贝还常去回访。而旧金 山气象局局长爱德华·伯维（Edward H. Bowie）少校曾接到一封马文的来 信， 警告他罗斯贝不具有提供特殊天气预报的资格， 也不允许其使用气象局 的任何资源。伯维是一个聪明且有远见的人， 他忽略了美国气象局局长大 人的这封信， 热情欢迎罗斯贝来加州访问。在西部航线的飞行员的帮助下， 罗斯贝亲自俯视了一遍中央山谷（Central Valley）起起落落的崎岖地貌， 并 在一个小镇降落， 与当地镇长和一些本地商人吃饭， 并获得了他们的帮助以 确保当地一些观测台站的安全可靠， 而这些小台站的观测数据都要向奥克 兰机场（Oakland Airport）中心汇报。与美国国家气象局简单的分布安排不 同， 罗斯贝组建了一个密集而广泛的观测网， 其分布主要考虑了如下事实： 美国西部的飞行事故主要是越山起伏所致， 而并非南北方向沿山脊飞行的 结果。后来一名年轻的加州大学的学生拜尔斯加入到年仅 29 岁的罗斯贝 领导的这项工程中， 并最终成长为罗斯贝的得意门生和有商业头脑的经营 管理人才。这项天气服务的质量超出了所有人的预期， 这条模范航线开启 了美国普通乘客乘飞机出行的新时代。在试飞行的一年中， 这条航线没因 天气预报而出过一次事故。这条模范航线的天气预报服务， 赢得了包括军 方和加州民间飞行员在内的所有人的一致好评。在认识到罗斯贝领导的这 项工作的重要意义后， 美国气象局决定于 1929 年 7 月 1 日接手他在加州 发展的整套天气预报服务， 并最终将它推广到全国各地去。 罗斯贝在全身心地挺进加州航线事业的同时， 在自己 30 岁的年纪， 也 在美国气象学界奠定了自己的领导地位。在古根海姆的资助下， 麻省理工 学院组建了航空工程系。1928 年， 罗斯贝前往麻省理工学院（MIT）担任气 象学副教授， 并开始筹备美国大学中第一个完整的气象学系。后来又不顾 气象局长马文的反对， 罗斯贝将年轻的威利特写进了招聘教授的名单中，

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此时威利特刚刚完成一年的学业从卑尔根回来。建系后的第一年， 罗斯贝 招收了里奇德弗等海军军官们作为学生； 第二年则开始招收普通市民和高 中生， 包括加州航线的年轻人拜尔斯， 他也是该系第一个获得气象学博士 学位的普通市民。在波士顿， 罗斯贝遇到了他后来的妻子哈略特·亚历山大 （Harriet Alexander） ， 这对夫妇在罗斯贝来到 MIT 后的第二年正式举行了 婚礼。 “在 MIT， 罗斯贝展现了卓越的领导才能， 并因此而名声大噪。 ”拜尔斯 后来写道， “他手下的学生无不对他崇拜有嘉。他们就像他麾下的十字军战 士， 将现代气象学传播到美国， 传播到这个只有僵化、 沉闷的传统气象学的 国家。 ”拜尔斯兴奋地描述道， “他总是精心准备他的讲课和报告， 课堂上充 满了热情、 无拘无束的讨论... 他的话总是富有灵感。 ” 罗斯贝在 MIT 工作了 11 年， 是他一生中工作时间最长的地方。在这 段时期， 他最为关注的就是如何把美国气象学界从“蛮荒之地”改造成世界 气象科学的中心。就像威廉·皮耶克尼斯在卑尔根所打造的“活跃的科学 仙境”那样， 罗斯贝所打造的气象系， 也渐渐因其信息量大、 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、 以及保持了气象学理论与天 气预报实务的紧密联系而名声大噪。随着气象局那些守旧的卫道士的逐渐 隐退， MIT 气象系培养的关键性人物也渐渐登上了历史舞台。像卑尔根学 院一样， 每日天气图讨论是罗斯贝领导的气象系的核心传统。他曾经这样 阐释注重实践的重要性： “只有吃过的人才知道布丁的味道。4 。 ” 从某种意义上来说， 正是 MIT 真正创造了气象史。在马不停蹄的组织 工作中， 罗斯贝把先进的思想带到了每一个他去过的地方； 也正是由于罗斯 贝把自己的研究成果播撒到各地， 使他获得了“全世界大气科学界最杰出 的理论学家”的美誉， 并且无出其右。1937 年， 雅可比·皮耶克尼斯发表了 一篇论文， 介绍了气旋的生成与半球尺度高空波动的关系。在此基础上， 罗 斯贝在 1939 至 1949 年间进一步发展了该理论， 形成了另一个气象学家乔 治·克里斯曼（George P. Cressman）口中所谓的“令人震惊的结论”： 高空波 动的影响范围可下至对流层低层， 高空波动的移动导致下层冷、 暖空气的移 动并最终产生局地天气， 这一切的驱动力都源于地球自转所引起的地转力 分布不均。罗斯贝还发明了一个方程来解释这种旋转能量， 是因为大气或 4

布丁通常都好看， 但好不好吃却看不出来。

207 海洋流场从一个纬度运动到另一个纬度所产生的“涡度（Vorticity） ”变化而 导致的。1939 年 8 月， 罗斯贝在多伦多所做的一次题为《大气的行星流型 （Planetary Flow Patterns in the Atmosphere） 》的报告中总结道： “决定大气 运动中的驻波或快速移动的波的根本原因， 是涡度分布的不均匀； 而压力场 的不均匀只是次级效应而已。 ”在 1996 年《世界气象组织通讯》的一次采访 中， 克里斯曼称这项罗斯贝的贡献为“通往动力气象和天气预报革命的钥 匙。后来困扰我们的很多问题的解决之道就在其中； 或者说， 就在对罗斯贝 理论的理解中。 ” 这种旋转力分布不均的结果是， 在北半球高空形成 4-6 个大尺度的“行 星波（Planetary Waves） ”， 它们构成了围绕极地的高空西风环流， 同时也构 成了区分极地冷空气和热带暖空气的分水岭。这些半永久性的大尺度波 动， 同时在大气和海洋中被发现。拜罗斯贝著名的、 冷酷地、 大幅度简化复杂 问题的天赋所赐， 他后来干脆发展了一个数学公式， 用于帮助科学家和预报 员计算这些波动在北半球上空的移动、 以及波动移动带来的地表天气。借 助这个罗斯贝方程， 5 天的延伸天气预报首次成为可能。据科学史学者吉斯 拉·库兹巴赫（Gisela Kutzbach）说： “这可能是气象学文献中， 最受欢迎的一 个动力方程的解析解。 ” 1939 年， 罗斯贝自然而然地成为了美国公民。同一年， 里奇德弗被任 命为美国气象局局长， 肩负起现代化国家天气服务的重任。其实早在 5 年 以前， 受命于富兰克林·罗斯福（Franklin D. Roosevelt）总统的一个特派科 学小组就已经开始敦促气象局吸收、 消化挪威天气学派的分析方法， 但即 使来自如此高级别的政府力量， 也没能推动气象局对每日天气预报业务做 出任何实质性的改进。气象局长马文最终辞职， 从 1935 年开始， 拜尔斯和 另外几个 MIT 的毕业生陆续来到气象局工作， 他们从零做起， 推广卑尔根 学派的预报方法。气象学家杰罗姆·纳迈阿斯（Jerome Namias）仍然记得当 时拜尔斯等人所遭遇的持续不断的阻力： “他的小组被安置在气象局的一 个角落， 让他们与预报员们保持足够的 ‘安全距离’ 。这样预报员才能 ‘干点 正事’ ， 并且保证不会被这些未来新星在角落里作出的奇怪分析所干扰。 ”里 奇德弗的到来则彻底改变了这种面貌， 作为一个空降的局长， 他领导了气象 局将近 50 年。1939 年在里奇德弗的推动下， 罗斯贝并不情愿地同意了离 开 MIT， 临时担任美国气象局研发部门的副主任。此时， 距雅可比·皮耶克尼

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图 22.2: 1956 年 12 月，罗斯贝作为封面人物登上了《时代》周刊.

209 斯（Jacob Bjerknes）发表里程碑式的讨论极锋理论的论文已过去 20 年， 正 是里奇德弗不可阻挡的决断力， 和罗斯贝出众的说服力， 最终克服了美国气 象局内部的体制性阻力， 为国家天气服务带来了全新的科学方法。在华盛 顿， 罗斯贝还帮助建立了一个重要的有关气象学的“再教育”项目； 同时， 拜 尔斯前往芝加哥去领导建立一个全新的区域培训中心。尽管事情一个接一 个， 但罗斯贝并不喜欢这些政府工作， 并最终于 1941 年离开气象局， 去芝加 哥大学担任新组建的气象学系的系主任。后来， 拜尔斯受邀在芝加哥大学 任副教授， 成为罗斯贝的得力助手， 他出色的管理才能再一次派上用场， 帮 助罗斯贝管理系务很多年。 风云突变， 战争的阴云很快笼罩了整个欧洲。1940 年 4 月， 纳粹的铁 蹄攻占了挪威， 将雅可比·皮耶克尼斯困在了美国。此时， 美国被卷入二战 的可能性也在与日俱增。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。 1940 年， 在政客们仍在讨论是否继续奉行绥靖政策， 使美国免于战争的可 能性时， 美国政府在罗斯贝的推动下已开始制定一项大规模的军事气象人 员培训计划。正是罗斯贝雄辩的口才， 力排众议说服了军方高层， 打算征用 许多民用大学以培养军方需要的战时天气预报员。很快， 超过 7000 名军方 预报员， 开始在各个大学中接受紧急气象学培训， 包括： 麻省理工学院； 纽约 大学； 芝加哥大学； 加州大学洛杉矶分校（UCLA， 雅可比·皮耶克尼斯在此建 立了气象系） ； 加州理工学院在内的众多顶尖大学， 都加入了这一计划。在战 争期间， 罗斯贝在全世界走访了很多地方， 帮助深处战场的英军和美军气象 人员， 解决了很多具体的、 从未遇到过的棘手问题。当时很多军事气象人员 都意识到已有的气象学知识对热带仍知之甚少， 罗斯贝就在美属波多黎各 组建了芝加哥大学热带气象学院。 战后的芝加哥大学气象系， 在罗斯贝的领导下迎来了科学的春天。一 个接一个的突破性进展涌现出来， 与 1920 年代的卑尔根学派如出一辙。罗 斯贝发展的长波公式， 把气象学从局地的天气分析技术带入了以行星动力 学为基础的全新高度， 这正是威廉·皮耶克尼斯在 1904 年所描述的使大气 科学成为一门真正意义上的科学的梦想。在 1940 年代后期， 一个又一个 芝加哥大学的年轻人不断夯实基础， 最终推动了基于电子计算机进行计算 的数值天气预报（Numerical Weather Prediction）的巨大成功， 这是 20 世

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纪气象学最伟大的成就之一。拜尔斯则在他擅长的领域， 专注于对气象系 日常事务的行政管理， 尽管这极大地牵扯了他在科学方面的精力。当时的 校友， 气象学家罗伯特·辛普森（Robert H. Simpson） ， 后来回忆起拜尔斯时 说： “早期的气象系在精力充沛、 富有创造力的罗斯贝的带领下， 尽管很快成 为世界范围内伟大的科学中心， 但各方面的工作都充满了试验性。而拜尔 斯则是有能力平衡气象系各方面工作的最重要的一环。 ”在芝加哥大学的 这段时间， 罗斯贝尽情地推进各种理论的、 甚至富有想象力的工作， 围绕动 力学的各种新概念， 他亲手建立了另一个举世瞩目的学术研究中心。仿佛 是卑尔根学派的回声， 芝加哥大学气象专业也被后人称为气象学的“芝加 哥学派”或“罗斯贝学派”。 现代气象学界著名的“转盘”实验也起源于芝加哥学派。当时罗斯贝 鼓励其研究生大卫·福茨（Dave Fultz） “用一个半球状的装置去模拟湍流混 合过程”。福茨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。二战后， 芬兰访问学者气象学家埃里克·帕尔曼（Erik Palmen）来到芝加哥， 与罗斯贝 和其他人共同定义了急流（Jetstream）的概念： 高层西风带中一支高速的气 流。这个概念令二战中曾飞跃太平洋的轰炸机飞行员老兵们都感到震惊。 罗斯贝与很多合作者， 有老师有学生， 有美国人更有很多其他国家的访问学 5 这对 1950 年代用电子计算机进 者， 共同奠定了简化大气模式 的理论框架， 行数值天气预报并取得巨大成功起了关键作用。然而， 在 1947 年， 当数值 试验项目在新泽西的普林斯顿高级研究所即将开花结果之时， 罗斯贝却做 出了令所有美国同事和学生都倍感失落的决定， 他接受了来自祖国的邀请， 毅然返回瑞典。 直到启程之时， 也没有人知道究竟为什么他会突然回国。毕竟当时的 罗斯贝在芝加哥已经身处科学和智慧之巅， 没有理由做出这样的选择。也 许他觉得返回瑞典可以让他放慢已很繁乱的生活脚步。他永远愿意去往荒 芜之地， 迎接全新的挑战， 这对他本人的发展是至关重要的。于是回到瑞典 后， 他再一次震惊了所有同事， 他选择开创一个全新的科学方向， 探索大气 化学及其对天气和气候的影响。在这个方向上， 他又一次成为了少数几个 5

罗斯贝倡导滤波模式， 而非原始方程模式， 这一思想被朱尔·查尼（Jule Charney）继承， 并最终取得了 1950 年 ENIAC 数值试验的巨大成功。

211 最早意识到持续的人类工业污染将对大气产生巨大潜在危害的气象学家 之一。1956 年， 罗斯贝作为封面人物登上了《时代》周刊， 他在采访中表达 了对大气中多种痕量气体污染物不断累积、 浓度不断增加的巨大担心， 他首 次提及大气是“全人类的家园”， 人类的幸福都与它休戚相关。他甚至警告 说： “人类继续糟蹋大气将是十分危险的， 自然会报复我们。 ” 1957 年 8 月 19 日， 罗斯贝在办公室因突发心脏病而逝世。他在 58 岁 的年纪， 在崇高的荣誉之巅走完了自己的人生。巨星的陨落， 对世界范围内 数以百计的他曾经鼓舞过的年轻气象学家们而言， 都是难以承受的打击。 这其中， 可能没有谁比查尼更加悲痛。这位在普林斯顿高级研究所为数值 天气预报作出过杰出贡献的科学家， 亲自前往瑞典吊唁， 在从斯德哥尔摩返 回的途中， 查尼在巴黎机场遇到另一位气象界同事， 他告诉这位同事罗斯贝 去世的噩耗时说： “罗斯贝的离去， 令我的世界从此黯淡无光。 ”

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Storm Watcher 23 斯维尔·皮特森 登陆日的天气预报 两万名士兵正等待六个人的意见。旨在解放被阿道夫·希特勒（Adolph Hitler）军事控制下的欧洲的部队正处在一个被指挥官们称为“假死”的状 态下， 等待一群天气预报工作者们的判断， 判断 1944 年 6 月 5 日的天气条 件是否允许实施历史上最大规模的登陆作战。空军正等着让 11000 架满 载炸弹和伞兵的飞机起飞。海军正等着用 600 艘战舰护卫待命在 4000 艘 登陆艇中的美国、 加拿大和英国的战士们从英格兰南部穿越海峡到达法国， 并在诺曼底海滩登陆。 他们等待着身处伦敦市区地下二层的英国海军的杰弗里·乌尔夫 （Geoffrey Wolfe）和劳伦斯·霍格本（Lawrence Hogben） ； 在伦敦西北部邓 斯泰布尔的英国气象局的斯维尔·皮特森（Sverre Petterssen）和 C. 道格拉斯 （C. K. M. Douglas） ； 以及在特丁顿郊区的美国战略空军的本·霍兹曼（Ben Holzman）和欧文·里克（Irving P. Krick） 。这三个独立的单位都被牵扯进来， 说明这次事件的重大， 同样也说明天气情况在这次事件中所扮演的重要角 色。除了上面的三个单位外， 第四个单位是由英国国家气象局局长詹姆斯· 斯塔格（James Martin Stagg）和他的代表唐·耶茨（Don Yates）先生、 盟军指 挥官德怀特·艾森豪威尔（Dwight D. Eisenhower）以及其他的高级军官组 213

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23. 斯维尔·皮特森：登陆日的天气预报

成。 整个五月的天气对登陆来说都是完美的， 美中不足的是现在登陆艇都 是满载的， 而且战术空中打击正忙于在法国袭击德军的机场。六月的最初 几天天气晴好， 当所有都准备就绪时， 等待变得几乎难以忍受。然而， 在世界 的另一端， 高空却存在着一个危险的天气信号， 如果完全忽视天气， 总司令 和他的自由之师将可能受到来自天气的阻碍。 “我们希望能在我们护卫队的保护下在夜间穿越海峡， 这样黑暗能够隐 藏我们进攻的火力和方向”， 艾森豪威尔后来在《远征欧洲大陆》一书中写 道， “我们需要在有月亮的时候实施我们的空降突袭。在地面突袭之前， 还 需要花白天的 40 分钟时间完成我们的轰炸和火炮准备任务。我们要在潮 水相对较低时进攻， 因为当战士从登陆艇出来的时候， 必须确保没有海滩的 阻隔。这些主要的因素在平时就可以满足； 但是选择具体的日期还是需要 基于天气预报。 ”每个人都有自己心中完美的天气。轰炸机飞行员们喜欢干 净的天空， 伞兵则希望有云层的保护。地面部队偏好吹向岸的风， 而海军则 盼望有背离岸的风吹起的小波浪。但是， 还存在限制作战的天气因素， 一场 风暴就能招致灾难。在疾风和大浪下， 这次规模巨大的水陆两栖登陆战有 可能彻底失败。在完全可预报的因素——月相和早晨的低潮的基础上， 艾 森豪威尔只有很少的选择： 从 6 月 5 日开始的 3 天时间， 如果没有一个对这 几天的好的天气预报， 他非常担心， “随之而来的后果很可能不堪设想。 ” 第一个发出警报的是邓斯泰布尔的皮特森。这位著名的挪威科学家成 立了英国气象局的一个特殊分支机构， 关注从无线电探空气球和飞机观测 得到的相对较新的高空信息。他并不喜欢他所看到的 5 月 28 日的天气形 式。在当天晚些时候（周六晚）的一次电话会议中， 当斯塔格询问起对未来 5 天的天气形式的看法时， 皮特森警告大西洋上空的高层大气正在变得不 稳定， 高空西风正在逐渐加强， 到 6 月 2 日， 周五， 天气可能会恶化。海军的 天气预报员乌尔夫也同意他的观点， 而美国的预报员里克却没有发现任何 异常， 坚持说在接下来的 5 天中将继续平静的天气。 皮特森和里克关于这个问题进行了激烈的辩论。在大多数情况下， 皮 特森是不会为了这么一个长期预报冒险的， 但是他认为他看到了一个异常 强并且麻烦的模态正在形成。他在回忆录《经历风暴》一书中说， 他自己还 不能说出哪一天更好或更糟， 但是他知道这次新的异常的大气模态可以把

215 他认为是生死攸关的问题摆在海军面前： “我们能不能让部队成功登陆法 国海岸？”在另一方面， 美国人里克总是夸大他作为一个长期预报员的预报 能力。里克研究了过去 50 年的资料和图表， 他确信海峡会受到亚速尔高压 的保护， 亚速尔高压是一个主要在夏季控制东大西洋的气压模态。他们反 复辩论， 而此时作为一个更像管理者而非气象学家的斯塔格， 已经对他们的 争吵厌烦了。斯塔格在他的书《为帝王预报》中说出了关于这件事他自己的 版本。关于皮特森和里克， 他写道： “双方都对自己诊断和预报非常自信， 两 个人都有教条的断言倾向， 随着讨论过程的深入， 让哪一个让步都越来越困 难。 ” 5 天及以上天气预报的范畴——特别是在英国， 是有很多不确定性的 科学中的灰色区域。在邓斯泰布尔， 经验丰富、 比其他人都更了解英国的天 气的预报员道格拉斯， 一点也不希望做 48 小时以上的天气预报。只有当军 队要求时， 气象学家们才会例行公事地提供 5 天天气预报。

比长期天气预报的困难更让人吃惊的是预报员内部反常并让人头疼地 没有达成一致。讽刺的是， 随着需要预报的时间长度越来越短、 越来越多的 数据填补了空白， 两个人之间的斗争却越来越激烈。在信号嘈杂的秘密电 话会议中， 天气预报员之间的重大分歧， 尤其是皮特森和里克之间的， 在逐 渐升级的怒气与偶尔的敌对气氛中等待解决。北大西洋上空的气象条件复 杂， 预报起来较困难， 并且 1944 年 6 月初的天气确实很反常。但是， 一些其 他的过程也在进行着。对这个天气预报问题持完全不同观点的两个完全不 同的人正在激烈地斗争着。 皮特森出生在北极圈上的挪威诺尔兰郡， 在那里， 他的祖父乘坐维京人 制作的浅敞舱船往来于渔产丰富的海域。没几个人能像他那样了解北大西 洋， 在实际情况下， 他比任何人都懂这里的气象学、 天气分析和预报。作为卑 尔根学派的一名学生， 他接替雅可比·皮耶克尼斯成为挪威西部局地天气预 报服务的主管。在这些年中， 他曾在卑尔根为美国海军军官弗朗西斯·里奇 德弗（Francis W. Reichelderfer， 1938 年成为美国气象局长）辅导气团分析 的技术。皮特森继罗斯贝后， 后来也成为了麻省理工学院（MIT）的一名教 授， 他同时也是关于天气预报的第一本教科书的作者。他是一个具有国际 名声的傲慢的欧洲科学家， 特别以他的科学传统自豪。 纳粹在 1940 年对挪威的入侵使当时在 MIT 的皮特森被迫离开挪威气

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图 23.1: 斯维尔·皮特森的照片

217 象服务中心。他迅速表明自己支持盟军一方。在大西洋的两岸， 他作为一名 研究人员以及部队天气预报员非常受欢迎。在邓斯泰布尔的英国天气预报 中心， 皮特森的高空大气分部在 1944 年正在进行一项开创性的工作—— 使用最新得到的高空大气资料进行天气预报， 这一工作后来被证明对军队 和航空业的长期预报非常有价值。 1944 年春天时， 里克 37 岁。他可以被称作是一个非常聪明的美国“推 销员”， 天气预报是他的“生产线”——但是， 像所有推销员一样， 他的“一号 产品”就是他自己。里克出生在旧金山， 他在加州大学伯克利分校获得了物 理学本科学位， 虽然科学并不是他的第一选择。作为一位成熟的钢琴家， 他 走上了音乐的道路， 但是他发现收入实在少得可怜。1929 年之前， 他在广播 台和证券交易所都短暂地工作过。当他的妹夫——赫拉斯·拜尔斯（Horace Byers）——罗斯贝在 MIT 的研究生， 告诉他气象学会比音乐挣更多钱时， 天 气成了他关注的中心。因为一些原因， 他选择了帕萨迪纳市的加州理工伯 克利分校读书， 那里的航空学系讲授一些数学课程， 但是气象学的课程并不 多。他跟随教授大气结构课程的地震学家本诺·古登堡（Beno Gutenberg） 和航空工程师特奥多·卡曼（Theodor von Kármán）学习。这两个人很快就 收里克作为他们的第一个博士生， 里克在 1934 年拿到了博士学位。他为 自己选定了一个研究题目来讨论 1933 年发生的， 造成 74 名空军士兵死亡 的， 美国海军飞艇阿克伦号的坠毁事故， 这起事故是由于气象局的预报失 误造成的。在这里， 他结识了后来的美国空军司令亨利·阿诺德（Henry H. Arnold）将军。在那时， 阿诺德还是一名陆军上校， 驻扎在玛驰（March）空军 基地附近。里克把自己作为一个预报员的聪明才智推荐给阿诺德。三年内， 里克变成了加州理工大学气象学系的主任。这个大气科学系， 独特地把注 意力集中在满足工业的需求上（不仅仅是航空业， 还包括好莱坞电影制片厂 以及任何其他里克可以出售他的主意的地方） 。1935 年， 加州理工邀请皮 特森去加利福尼亚进行了一次为期 4 个月的演讲， 目的是为了给气象学系 吸引更多的学生并增加一些科学理论的保障， 虽然气象学理论在整个项目 中并不是最重要的一部分。加州理工的气象学系的工作更多的是关于里克 和他的蒸蒸日上的预报业务的。里克非常聪明、 有说服力、 乐观、 自信并且 非常有雄心。关于这次长期天气预报他更是特别确信——因为他可以赚到 很多钱。

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在战争期间， 阿诺德将军的空军成为了里克预报理论的热情使用者。 当其他人还尝试理解天气为什么变化时， 里克正在努力更进一步。不论他 们的成因是什么， 他一直在监视着他们模态、 环流以及类型。里克相信， 预测 未来天气的关键是看它们的过去： 找到一个与当下的情况最接近的以前的 天气图， 那么接下来的天气图就能够最近似地揭露出未来几天的天气变化。 批评者们把这种分析思路叫做预报的“罐子记忆法”， 甚至更糟。当乔治·克 里斯曼（George P. Cressman）刚从纽约大学和芝加哥大学的气象学项目毕 业来到蒙大拿大瀑布城的空军天气中心， 他被告知他将讲授里克的方法。 克里斯曼在 1992 年的一次由美国气象协会赞助的采访中回忆了当时情 形。 “不是开玩笑吧， ”他记得自己当时这样说道， “那是一堆垃圾！”后来成 为国家天气中心主任的克里斯曼发现自己当时很快被调离了。当时在芝加 哥大学作为国防部长亨利·斯廷森（Henry Stimson）的顾问的罗斯贝和气象 局的主管里奇德霏受里克的邀请在 1944 年春天的加入到美国天气预报小 组。罗斯贝特别反感里克的想法和他无耻的推销术， 他警告说里克根本就 不是一个科学家。但是， 里克不止一次地用他的方式向大家证明， 在美国空 军气象中心他之所以能和阿诺德将军合作， 完全是因为阿诺德将军的需要。 离登陆的那一天越来越近了。天气情况变得更加复杂。天气预报人员 幕后的争执也越来越激烈。6 月 4 日是周日， 史上最大规模的登陆作战的最 高指挥官们正在等待斯塔格向艾森豪威尔将军发出一个信号——6 月 5 日 的准确的天气预报。斯塔格——这个又高又严厉的苏格兰人， 沉溺于自责 和愧疚的情绪中， 这与他这样的科学功底和气质不太相称。幸运的是， 他有 美国空军的耶茨上校作为他的代表。耶茨毕业于西点军校， 是一位外向、 自 信、 意志坚强的军人。他从里克那里学到了一些气象学知识。但是， 耶茨已 经在这个敏感性的问题上站在了阿诺德的对立面上， 并且， 他知道怎么对付 里克。 “我知道你认为里克就目前而言无所不能， ”耶茨回忆他当时这样告 诉他的指挥官， “据我所知， 他是军队机构中的一个成员， 所以必须服从组织 的规矩， 否则， 对此我话可说。 ”阿诺德回应说： “现在你说什么都可以。 ”在 6 月 5 日前的几个小时里， 也许可以说是耶茨的强硬和皮特森的科学知识把 这次登陆从可怕的灾难中拯救了出来。 “如果在天气预报的历史中存在一次为达成一致的意见和信心而煞费 苦心的预报， 那这次就是， ”斯塔格在《为帝王预报》一书中写道， “但是， 这次

219 还是有很深的意见分歧和不确定性。 ”现在是 6 月 4 日凌晨 3 点。英格兰 南部、 海峡和诺曼底海滩的天气晴朗， 没有什么风。但是北大西洋的天气图 看起来却像隆冬一样。艾森豪威尔和高级军官们正在等待斯塔格在 4 点 15 分进行一次简短的天气预报， 以便最后做出关于 6 月 5 日的决定。 斯塔格在周五晚上曾警告艾森豪威尔说， “从不列颠岛到纽芬兰的整 个天气情形在最近的几天都发生了变化， 现在充满潜在的威胁。 ”他对预报 员之间的僵局只字未提， 耶茨也没有打断他而去说里克的关于登陆日会是 晴天并且环境稳定的乐观的预报结果。周五晚上离开办公室后， 压力使这 位气象办公室主管的眼睛深陷下去， 他已经忘记了舰队司令乔治·克里兹的 话， “6 尺 2（2.06 米）高的斯塔格身体里有 6 尺 1（2.03 米）都是抑郁。 ” 对自己的预报员失去了信任和信心， 耶茨在周六命令霍兹曼和里克联 系邓斯泰布尔那边， 找到一个使他们双方的预报更一致的方法。虽然里克 坚持了， 但是来自耶茨的压力还是在周六晚上促成了这几天以来最一致的 预报结果。斯塔格向艾森豪威尔简要描述了接下来的非常反常且复杂的天 气情况。 “我们对预测接下来几天会发生什么以及怎样发生没有太多的信 心， ”他说， “即使是明天的天气细节也还不清楚。但是我们知道， 现在我们 认为， 可以保护海峡免受大西洋低压的最坏影响的西南海岸附近的亚速尔 反气旋的延伸部分， 正在逐渐减弱。 ”此时， 一连串的三个风暴， 正在逼近这 一区域。 “他们都非常强盛， 并且其中至少一个可能在未来随着时间逐渐发 展并到达不列颠群岛。 ”斯塔格这样记录着。 在代表邓斯泰布尔和英国海军所做的报告中（与里克所支持的结果分 歧很大） ， 斯塔格在周六晚上指出 6 月 5 日晚上的天气情况不乐观。一个冷 锋将在周日或周一经过。到时候会出现阴天和暴风雨。海峡的风对部队成 功登陆诺曼底海滩来说会过大， 云也会太厚而使投弹手难以看清目标。耶 茨没有提到任何里克的反对意见。 艾森豪威尔留给自己 7 个多小时的时间去考虑。 在凌晨 3 点的电话会议中， 邓斯泰布尔的海军预报员和皮特森在获得 最新的资料后， 也没有发现任何需要对他们 6 月 5 日的预报结果进行改进 的地方。然而， 里克和霍兹曼仍然继续对这个负面的预报结果有争议。他们 说， 他们分析了过去 50 年的每一个 6 月的的天气图， 每一次诊断结果都表

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23. 斯维尔·皮特森：登陆日的天气预报

明一个高压脊会保护海峡免受风暴的袭击。其他天气预报员没有被说服， 斯塔格和他们的上司耶茨也没有被说服。凌晨 4 点 30 分在斯塔格的简短 天气报告后， 艾森豪威尔决定推迟登陆至少 24 小时。 在这次简短的天气报告的过程中， 卡尔·斯班茨（Carl A. Spaatz）将军， 美国战略空军在欧洲的总司令， 因为斯塔格所报告的预报结果和他单独收 到的来自霍兹曼和里克的预报结果的不同而纠结不已。他后来的某个时候 向耶茨提起了这件事。 “是的， 我们非常幸运， 事情就这么进行着， ”耶茨回答道， 他还提到了艾 森豪威尔关于推迟登陆日期的决定， “人（指里克）总是会犯错误的。 ” “是的， 那当然了。 ”斯班茨回答道。 里克和皮特森还在继续着争论， 但是， 天气中心不知怎地在关于接下来 的周六和周一的预报上得到了统一的意见： 在第一个风暴到来后， 另一个风 暴到来前， 会有一段相对风平浪静、 天空晴朗的时期。6 月 6 日， 周二的天气 情况不是太理想， 但是对大规模登陆作战来说已经足够好了。军队确实照 做了， 当天的天气确实也是如预期的那样。 在英格兰南部和海峡处于风平浪静的天气时， 盟军最高指挥官和高级 军事指挥官们相信他们的预报员所说的坏天气即将到来， 并延后了登陆日 期。又厚又低的云逐渐逼近， 猛烈的海风肆虐着。在风暴进行的时候， 军队 的领导者们再一次相信了天气预报员的预期： 决定在好天气到来时开始解 放欧洲的袭击。皮特森认为那是气象学最风光的时刻。 在取得胜利的余晖中， 美国的记者们即将迎接在登陆日中贡献巨大的 英雄天气预报员， 你瞧， 他们找到了一个。除了里克， 没有人愿意公开为气象 学在二战中的表现邀功。杂志作者们和传记作者会不分青红皂白地奉承这 位气象学大师， 并编造他在诺曼底登陆那一天预报的英雄事迹， 然后数百万 的读者们相信他们的文字。但是仍然有一些人不相信也不会忘记。斯塔格 不会忘记， 皮特森不会忘记， 耶茨也不会忘记。耶茨在 1980 年美国空军的 采访中回忆道： 里克使那段重要的时间变得非常困难。里克和皮特森， 两个 起关键作用的人， 陷入到可怕的麻烦中。他们完全无法统一意

221 见……在必须作出正确预报结果的前一天， 我不得不放弃里克 的预报。我们必须把他剔除。他说， “将会是一个好天气。 ”他发 誓他用其他的方法进行了预报… …我们（耶茨和斯塔格）无法 理解……电话会议中的其他人也无法理解。后来， 我意识到他 做了什么。他卡在他发现历史上相同情形下的结果都是好的的 诊断结果上了。但是， 这个男孩， 除非他极其幸运， 除非一大团冷 空气从上面下来把坏天气赶走， 但是那里根本没有建立起任何 冷空气来。我们没有从他的任何报告中得到有用的东西， 它们 看起来都不太一样… …但是这就是他的预报所依据的东西， 这 显然是错误的。虽然他对历史的分析确实是一个非常好的类比， 但是， 这非常非常不全面。风暴一直在逼近， 坏天气并没有被赶 走。我们终于有了一天好天气， 这对我们来说足够了。 德国人在 6 月 6 号时被吓了一跳。风暴从 4 号开始， 5 号就使德国纳 粹空军的侦察机呆在地面并且使纳粹海军的巡逻船躲在了海湾里。已经在 5 月的好天气中警惕了一整个月的纳粹指挥官们觉得 6 月初这几个风暴的 天会是休息和放松的安全时期。他们的预报员对不列颠西部的天气情况了 解很少， 虽然在斯塔格给艾森豪威尔的天气简报后的几个小时， 一位德国预 报员看到了同样的短暂的 6 月 6 号的风暴停歇。但是那时候， 包括隆美尔 在内的重要指挥官们， 都没有在职。 战后， 1948 年， 耶茨需要一位杰出的科学家。当时的美国空军天气服务 的指挥官， 耶茨， 现在是一位准将， 在位于马里兰州安德鲁斯空军基地的美 国空军天气服务中心总部创立了一个重要的新科学服务理事会。他希望空 军天气服务中心可以推动气象科学的前沿。他去寻找他能找到的最好最有 声望的科学家， 他很幸运。理事会的第一位主管科学家就是挪威天气预报 中心的主管——皮特森。 与此同时， 加州理工大学新的行政机构开始重新审视关于他们的气象 学项目和里克的私人商业兴趣之间的分配。他们觉得当时的情况不太妥 当。于是， 加州理工取消了他们的气象学项目， 并把所有的责任全都归于他 们的前任主任。然而， 里克发现了一个他作为天气科学推销员更有利润的 市场， 这个市场比以往都要大。他可以预报未来一年中每一天的天气细节。 他可以制造雨。当谈论到天气时， 似乎没有里克做不到的事情。后来， 他做

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23. 斯维尔·皮特森：登陆日的天气预报

不到的事情终于发生了， 他再也不能继续担任美国气象协会的会员了。这 个组织的管理委员会在 1958 年通知他说他违背了美国气象协会的道德准 则， 并接受他的辞职。然而当时的美国气象协会主席皮特森并没有参与到 这件事情当中。

Part V

突然到来的新科学

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Storm Watcher 24 朱尔·查尼 数学大师 “韦克斯勒， 华盛顿的雪下得大的不得了呢。 ”一个气象学家告诉美国 气象局的研究部主任。这个电话是朱尔·查尼（Jule Charney）半夜打来的。 查尼在他新泽西州普林斯顿的办公室里， 非常清醒， 他平常在这个点也是清 醒的。他对于这个消息非常兴奋， 尽管这是华盛顿 1952 年 11 月 6 日的天 气情况。而电话的另一头， 哈利·韦克斯勒（Harry Wexler）在华盛顿的家中 熟睡着。这个紧急天气预报不是 1952 年送到的， 而是一年之后的 1953 年， 尽管那时更轰动的是它最终报出来了。1952 年 11 月 6 日的风暴， 在这个 国家的首都倾倒了六英尺（1.8 米）厚的积雪， 这对于 1952 年的天气预报员 们来说是很大的意外。但现在， 一个功能强大的新工具就要改变气象学了。 查尼和他在普林斯顿高等研究院的精英研究团队， 采用与那些报错的预报 员们相同的数据， 用他们独特的数学模型在一个翻新的电子计算机上运行。 查尼看着试验预报的结果： 那场唬弄了预报员的风暴并没有唬弄计算机。 他都等不及到早上才把这个消息告诉韦克斯勒。雪在华盛顿疯狂地下， 与 此同时历史正在造就。 在 20 世纪的前一半， 对“气象学需要什么”的最好描述仍然是刘易斯· 理查森（Lewis Fry Richardson）幻想的“天气预报工厂”， 一个巨大的洞穴式 225

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的大会堂里， 成千上万的计算员聚在一起， 每个人负责特定的那团大气。当 然， 预报试验相比起世纪初还是进步了， 但还是远远不够。尽管有关风暴结 构和起源的新概念已经由其他学科知晓， 但这些进步对更准确的天气预报 没有直接的促进。一些重要的新细节已经加上， 比如通知飞行员能见度和 高空条件会怎样变化， 降水预报也更加可靠了。但仍然会有这么个时候， 预 报员需要退回到一定程度的猜测——不管预报员教育水平多高， 不管猜测 的理由多么科学——理论家卡尔－古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby） 都称之为“可怕的主观性”。威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）1904 年 曾梦想： 把气象学变成一门精确的科学， 通过物理规律来计算天气变化。这 个梦想仍一如既往的渺茫。物理规律已经知晓了很多年了， 但老问题仍然 没有解决： 大气的行为太复杂， 计算量太庞大。气象学需要的当然是一个超 级强大的新方法， 用来处理庞大的数据量和湍流流体动力学惊人的数学细 节。而直到二战结束， 这种东西仍然没有出现。 转折点来自电子数字计算机的到来， 以及数学家约翰·冯诺伊曼（John von Neumann）1946 年的决定： 把这台计算机用到气象学研究上， 来证明这 种设备在社会上和科学上的潜力。对于冯诺伊曼来说， 就像他第一个试验 的热核爆炸的计算一样， 大气中的非线性流体湍流问题就是这种只有计算 机才能解决的极度困难的问题。他对这个问题的兴趣来自与几个人的谈话： 一位是弗拉基米尔·佐里金（Vladimir Zworykin） ， 美国无线电公司的仪表工 程师， 另一位是芝加哥大学的罗斯贝， 还有一位是气象部门的弗朗西斯·里 奇德弗（Francis Reichelderfer） 。实际上， 吸引冯诺伊曼更多的不是气象而 是战争。在他偏激的鹰派思维中， 如果天气能被准确模拟， 也许它就能被控 制， 如果能控制， 也许就能用来当武器。不管他的目的多么别有用心， 这台放 在普林斯顿高等研究院的尚不完善的电子数字计算机， 将永远地改变气象 科学。 气象工程（Meteorology Project）的重要性在 1946 年还不是很明显， 几 年后， 数值天气预报的方法才证明了它的价值。多年来， 天气预报员们都 担心他们会被机器取代。1950 年后， 出现了更多根本性的科学质疑。 “把 这种本应属于精确、 平滑操作的天文学、 弹道学方法， 应用于这种数据误差 大、 观测精确度小的科学， 真是糟糕透了。 ”麻省理工的数学家诺伯特·维纳 （Norbert Weiner）声明道， “在半精确的科学中， 观测数据本身就是半精确

227 的， 所以应该使用更明确的统计方法， 而少用些像天文学这么动力学性的方 法。 ” 在 1946 年 8 月的讨论会上， 冯诺伊曼对顶尖气象学家们描述了他的 计划， 气象学家们并不太感兴趣， 冯诺伊曼也并不觉得惊讶。因为他和罗斯 贝已经下了结论， 气象学理论还没到可以数值计算的地步。 “确实， 这些设备 所提供的可能性是全新的， 不可预测的， 但理论还完全没有准备好。 ”冯诺伊 曼在会前写道， “过去想从数学和分析层面上计算那些气象理论是不实际 的， 因为它需要的计算能力比现在能提供的大 1000 倍到 10000 倍。 ”12 月 的气象学家会议认为， 气象学的这一转变尚未成熟。 大部分气象学家都不乐意为了试验数值计算而重写气象理论。用这台 没试验过的机器计算数值天气预报， 天知道它能不能准确预报？唯一确定 的是， 需要付出非常困难的数学上和理论上的努力， 需要那种只有少数人才 具备的科学天赋。除了眼力卓越的罗斯贝， 谁敢冒这个险放弃名声， 致力于 这种工作？只有一个人尝试过， 那就是 1920 年一战时理查森靠手算艰难完 成的预报， 而那个预报结果是世界上著名的失败。 在顶级气象学家中， 不管是对数值天气预报还是用其他方法改进预报 准确性， 态度都是消极的。美国气象学会会长， 罗斯贝的继任者， 麻省理工的 亨利·霍顿（Henry G. Houghton）教授， 于 1946 年 12 月对机构内部说： “现 在看起来， 是不可能马上出现一种完全基于物理规律的客观预报方法。 ”尽 管现在的主观方法可能有某些改进， 他说“一定要记住这些改进只是缓和 性措施， 不是根治方法。 ”直到 1952 年， 第一个成功的计算机天气预报试验 的两年后， 英国气象局的 C. 道格拉斯（C. K. M. Douglas）承认自己更擅长 预报英国天气， 而不擅长预言这门学科的发展。在《英国皇家气象学会季 刊》中他写道， “总的来说， 计算未来天气的前景， 不管用不用电子设备， 现在 都还很渺茫。 ”道格拉斯是一个经验丰富的纵观气象学家， 一个靠直觉的预 言者， 预言着一门当时正在重生的学科。他当然没有密切关注查尼身边发 生的事情， 也没有把年轻美国人的聪明才智考虑在内。 查尼是一名加利福尼亚州人， 他于 1917 年元旦出生于旧金山， 5 岁以 后在洛杉矶长大。他的爸爸斯特拉·查尼（Stella Charney） ， 妈妈伊利·查尼 （Ely Charney）是从俄罗斯移民来的讲易第绪语的犹太人。他们都从事服装 行业。查尼妈妈有段时间在电影制片厂做裁缝。他们的家庭生活环境虽然

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24. 朱尔·查尼：数学大师

图 24.1: 朱尔·查尼的肖像照片

229 多少有些不稳定， 但是是很能激发才智的。因为持有强烈的左翼政见， 他们 的思想很活跃， 而斯特拉·查尼钢琴上的音乐天赋， 让他们的生活丰富多彩， 他们还与很多作家、 学者、 艺术家有密切的联系。有一次小查尼被诊断为心 脏病， 虽然最后确定为误诊， 但这件事使他觉得他在身体上低人一等。大家 对查尼的期望是很高的， 在好莱坞高中的中间那几年， 他发现了自己的特 长。在 1980 年他接受乔治·普拉兹曼（George W. Platzman）的采访时， 他 对当时的回忆被印刷在回忆录《大气——一个挑战》中。 “我那时是个腼腆、 不善交往的小孩， 身边没什么朋友。 ”他回忆道， 那时的他一直很困扰。他正 处于青春期情绪波动的时候， 父母离异， 家庭生活也随之破碎。有一次暂住 在纽约叔叔家时， 他碰巧看到一本经典微积分教材。 “我本来只是为了消磨 时间， 就读了引论和第一部分， 但我发现我能看懂它， 并且我会做这些题。 ” 数学激发了他强烈的热情。 “我会做！我突然发现这是我能做的。 ”那时高 中和大多数大学里都不教微积分和微分方程， 而查尼才 15 岁就开始自学这 些内容。查尼记得他在公立图书馆聚精会神地看数学书的情景。 “我学完了 整套微分和积分， 并虔诚地做完了所有的例题， ”他回忆， “然后我找到一本 微分方程……我发现特别容易。 ” 加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）刚成立不久， 在数学物理上还很 弱。也许这对于像查尼这样拥有优异的分析天赋的年轻人来说是个不幸的 选择， 但它离家很近， 而且国家正处于经济萧条时期， 没人向这个年轻人建 议应该选择一个更成熟的大学。 “我真的对理论物理很感兴趣， 但那里没有 理论学家。 ”查尼回忆道。没有挑战， 没有兴趣， 他开始养成坏习惯。 “我根本 不学习， ”他回忆， “没人鼓励我。 ”正是这样， UCLA 的那些不尽人意的环境 把查尼引向气象学。 看起来查尼一直前进在他的数学或物理路上， 1938 年拿到学士学位， 1940 年硕士学位， 然后他第一次接触了气象科学。他参加了一个约尔根· 霍尔姆波（Jörgen Holmboe）开的研讨班， 这是一位从卑尔根地球物理学院 来的年轻的挪威教授， 他第一个向查尼展示： 大气运动是遵循物理规律的， 并可以用偏微分方程描述。查尼对气象学并没有一见钟情。 “它给我的印象 并没有特别深刻， 但也足以让我觉得 ‘气象学是门严肃的科学’ 。直到那时， 我对气象学还一无所知。 ” 年轻的霍尔姆波是雅可比·皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes）组建的 UCLA

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气象项目的一员， 他邀请查尼当他的助教。战争正在欧洲扩张， UCLA 项目 属于陆军和海军赞助的全国运动的一部分， 旨在给成千上万的军人做天气 预报培训。因为美国参战的可能性越来越大， 军人们可能会需要这种知识。 像查尼这样的年轻人面对着严峻的选择。有些人直接为军队服务， 有些人 收到军队延迟征兵的通知， 参与了防卫事务， 比如霍尔姆波的助教。在考虑 航空学后， 查尼选择了气象学， 接受了霍尔姆波的邀请。战争期间， 查尼帮助 训练了几十个战时气象学家， 尽管他后来还调侃自己 1941 年 7 月 1 日刚 入学分到 2 班的时候， 对这个学科还完全不了解。 “我从物理数学转到气象 学时， 还在怀疑风是不是运动的空气， 不太确定。 ”他写道， “我还从没见过天 气图。学习气象学对我来说是个缓慢而痛苦的过程。我并不喜欢它。大气 并不像我所期待的数学和理论物理那样整洁简单。 ” 不论如何缓慢痛苦， 那些年 UCLA 的气象学给了查尼数学物理没给的 知识挑战。随着挪威的雅可比·皮耶克尼斯和霍尔姆波， MIT 的德国人莫里 斯·纽伯格（Morris Neiberger）的到来， 一个出色的气象学项目诞生了。查 尼成为一个熟练的图表分析和预报的教员， 尽管他本来的兴趣是理论。他 的朋友莫顿·瓦泰勒（Morton G. Wurtele）记得那些年是查尼社交发展的 重要时段。 “他很风趣， 随时都能讲笑话， 大笑， 恶作剧， 看起来色咪咪的， 标 语一换就谈论政治， 不管谁提出体育运动， 他都积极参与， 尽管他很可能对 这项运动毫无天赋。 ”瓦泰勒写道。他的学生们为了确保他能在狂欢节（四 月斋前的最后一天）选上“职业国王”， 把投票箱都塞满了。 “非常感谢你们 给我这个头衔， ”查尼说， “但我的王后在哪？”1944 年， 朋友把埃莉诺·弗莱 （Elinor Kesting Frye）介绍给查尼， 她是一位哲学研究生。他们 1946 年结婚， 生了两个孩子， 还加上弗莱上段婚姻的一个小男孩。 随着战争局势变得对盟军有利， 查尼的教学事务也得到缓解， 他又回到 研究生的学习。是时候严肃地考虑一下他做科学家的潜能了。他有能力潜 心研究气象学吗？1946 年， 他找到了答案。他已经知道他的研究题目了。 他要全心投入到一个气象学家多年来努力解决的重要理论问题中去。中纬 度的大风暴是如何起源的？卑尔根学派的极地锋面模型阐明了这些气旋的 发展过程， 但它们起源的机理仍然是个谜。雅可比·皮耶克尼斯和霍尔姆波 1944 年的论文指出高层大气波动和辐散气流与气旋形成有关， 但气旋却在 锋面表层开始。对于芝加哥的罗斯贝来说， 他认为最主要的过程发生在中

231 层大气行星波动尺度上， 行星波动是在他 1939 年的著名文章中定义的。三 个斯堪的纳维亚人用不同的模型和不同的分析方法得到不同的结论。采用 雅可比·皮耶克尼斯的三维描述和罗斯贝那样典型的分析处理， 查尼加入了 这场论战， 并最终解决了它。 查尼的博士论文《斜压西风气流中长波的动力学》引起气象学界的轰 动。通过严密的数学处理， 他用公式表达了一个现代气象学的重要概念。中 纬度风暴的形成不是因为锋面的不稳定， 而是由于更大尺度的大气环境扰 动。当大气水平方向有急剧的温度差异， 垂直方向西风风速随高度增加， 环 流就会崩塌成一个个大漩涡。这个被称为斜压不稳定， 在中纬度地区， 冬季 气温区域差异大的时候最为常见。它发展的结果就是低气压气旋大范围的 暖空气抬升， 高气压反气旋的冷空气下沉。得到这个结论， 查尼设计出一种 重要的数学“近似”， 一位著名气象学家称这个近似展现了“天才般的物理 洞察力”。这些简化正是把大气的数学模型应用到电子数字计算机上所需 要的处理。 查尼的论文印在美国气象学会 1947 年 10 月的《气象学报》上， 被罗斯 贝发现； 它占了整整一期。 “这是完全原创的工作， ”后来成为 UCLA 气象学 主席的瓦泰勒回忆道， “尽管基本概念容易理解， 但它非常数学化， 不管雅可 比·皮耶克尼斯还是霍尔姆波都没有查尼这样的数学才能， 所以可以说查尼 没有从任何人那得到重要的引导， 而独立完成这篇论文。 ”普林斯顿的气象 学家诺曼·菲利普斯（Norman A. Phillips） ， 这样评价查尼的论文： “这是第一 次， 这篇文章建立了一个可信的大气大尺度扰动的发展和运动机制。 ” 1946 年， 查尼接受以国家研究委员会成员的身份在挪威学习一年。去 的路上， 当弗莱去中西部探望家人时， 查尼去了一趟芝加哥大学与罗斯贝见 面。这一见就是九个月， 他都无法把自己从芝加哥拖走。查尼后来回忆这 段时间是“定型我整个职业生涯的主要经历。 ”他在罗斯贝那找到了同类， 另一个有着相同分析爱好和敏锐直觉的杰出的理论家。 “我们很多想法相 同， ”他回忆， “我们有说不完的话… …没有什么我们不能一起讨论的话题， 而且和他讨论事情总是非常有趣。 ”他们在酒吧间里谈话， 也在芝加哥的餐 馆聊天。 “真的非常非常有意思… …这是我一生中最快乐， 最激动的经历之 一， ”查尼回忆， “我终于发现和一个人有思想上的默契是什么意义。 ”八月 份， 他和罗斯贝一起， 还有其他 16 名气象学家， 参加了由冯诺伊曼召开的在

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普林斯顿高等研究院的气象工程会议。有些参加了这次会议的人后来认 为， 这个会议最重要的成果就是把查尼和冯诺伊曼联系在了一起。 查尼 1947 年春去了挪威， 专心地想怎样对复杂的大气数学模型做进 一步简化或滤掉不相关的“噪音”。这时， 已经在美国待了 20 多年的罗斯 贝， 正准备回瑞典， 组织一个国际气象学会。在高等研究院， 冯诺伊曼努力为 气象工程招募合格的负责人。查尼在 UCLA 的好朋友空军中尉菲利普·汤 普森（Philip Thompson） ， 被冯诺伊曼聘请， 但普林斯顿的工作开始得很缓 慢。实际上， 冯诺伊曼在考虑是否放弃这个工程。在普林斯顿， 汤普森孤身 一人， 他写了一封很沮丧的长信给远在奥斯陆的朋友查尼， 提出了一些关于 大气中各种波动的问题。1947 年 2 月， 查尼回复了封同情的长信， 给了认 真的技术建议还有些创造性的幽默的隐喻。他写道：

我们可以说大气是一个乐器， 可以弹奏出很多曲调。高音是 声波， 低音是长的惯性波， 而自然是一位音乐家， 他更像贝多芬 而非肖邦。他更喜欢低音， 只偶尔轻轻的弹一手高音部的琶音。 陆地和海洋是圣桑动物组曲中的大象， 以缓慢笨重的节奏行进， 一天一步左右。当然， 也有泛音： 声波， 波状云（重力波） ， 惯性振 动等等， 但这些不重要， 只在纽约大学和麻省理工才会听到。

紧接着， 查尼又在奥斯陆有了另一个理论进展。在他论文的基础上， 他 提出了更完整的公式化数学简化， 称为准地转近似。这个公式把数学模型 中的真实风替换为系统西风的标准值， 系统西风是为了平衡地球旋转加速 度产生的气压差的风。查尼说用这个近似可以过滤掉那些对气象学不重要 的大气波长。准地转模型把大气运动的六个方程缩减到一个方程， 描述对 天气最重要的那些大气运动。这个概念， 对理论很重要， 对数值天气预报的 成功更是关键。 在 1947 年 11 月 4 日从奥斯陆写给汤普森的信中， 查尼说他从刚到 挪威就一直在“沉思”电子计算机工程。 “我越看着在这里和别的地方， 气象 学家包括我自己所做的微弱的努力， 越坚信天气预报是个计算问题， 它的 解决方案需要一个高度智能的机器和一些数学、 气象学的加油工。 ”查尼写 道， “目前我看来你们拥有， 或将要拥有这种机器， 但还没有足够的加油工。 ”

233 1948 年夏， 查尼一从奥斯陆回来， 就被冯诺伊曼聘请接管气象工程， 他 立刻成为了首席数学气象学加油者。在 1948 年初濒临夭折的气象工程现 在在查尼的领导下井井有条， 招满了杰出的员工。罗斯贝在斯德哥尔摩以 强烈的兴趣关注着查尼的进展， 催促“一个对查尼方法的系统性测试和延 伸”。在 1949 年五月写给气象学家普拉兹曼的信中， 普林斯顿团队的罗斯 贝写道， “我必须承认我非常强烈的感觉到， 我们站在一个应用气象学新纪 元的门槛上， 我们必须推动这件事， 使它能够广泛应用。 ”1950 年春， 由于研 究院的计算机没有完全建好， 查尼的团队第一次成功试验数值天气预报是 在马里兰州阿伯丁的美国陆军弹道研究实验室的 ENIAC 计算机上。 “总而 言之， ”查尼那时写道， “我认为我们现在有足够的证据来证实罗斯贝的预 言。当然我们还想要更多。 ”普林斯顿团队估计， 计算 24 小时预报需要花 24 个小时， 但关于这个跟不上节奏的笑话没有持续多久。1952 年春， 一个 新的更快的计算机在高等研究院落成运行。这个项目进展迅速且激动人 心。不久后， 华盛顿下了场暴雪。1955 年 5 月 6 日， 天气预报的新纪元开始 了， 在一台 IBM701 计算机上， 由美国气象局、 陆军、 海军人员组成的单位负 责每日实时天气预报。

不久后， 计算机模型的输出量就成为几乎全世界所有公共和私人天 气预报的技术起点。随着计算机速度越来越快， 改进的和更成熟的公式化 数学模型源源不断的被提出来。进步越多， 进程就越集体化。没有什么比 1946 年冯诺伊曼决定用气象作为证明计算机能力的第一个例子， 和查尼使 这一切得以发生更具有决定性了。 “这是气象学的一个特别的机会， 任何能与之匹敌的机会都可能不会再 出现了。 ”菲利普斯回忆， “我坚信， 如果没有查尼愿意并且有能力研究流体 方向， 这第一个尝试就可能失败了。这个独创的准地转系统可能会长期成 为理论之谜， 因为想要用实验彻底证明它是几乎不可能的。我认为查尼这 方面——他重视理论联系实际， 也对此非常谨慎——比起他著名的理论能 力是更值得我们感激的。 ” 在查尼研究的基础上， 菲利普斯 1955 年设计了一个成功的数学模型， 使得高等研究院的计算机能准确模拟大气环流。这是第一个成功的气候模 式， 统计地描述大气按月份和按季度的一致规律。菲利普斯的进步说明计 算机不仅是天气预报的强大工具， 也能用于气象研究。查尼称这个进步是

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一个突破， 是“动力气候学”的开端。菲利普斯之后出现了一系列一般环流 模型， 这些模型后来成为研究工业二氧化碳和其他温室气体浓度增加所可 能引起的气候影响的基础。 那些气象工程的科学家们在普林斯顿完成任务后， 于 20 世纪 50 年代 中期离开前往各个大学和其他地方。查尼 1956 年夏去了 MIT。一年后罗 斯贝于斯德哥尔摩突发心脏病去逝。沿袭罗斯贝的传统， 查尼在 MIT 的 25 年致力于启发和引导下一代杰出大气科学家。他于 1981 年 6 月 16 日因 癌症逝世于波士顿， 享年 64 岁。

Storm Watcher 25 杰罗姆·纳迈阿斯 长期预报的开创者 自从 19 世纪理论学者威廉·费雷尔（William Ferrel）在刀耕火种的年 代勾画出大气运动的基本轮廓后， 还从没有人像杰罗姆·纳迈阿斯（Jerome Namias）一样， 能够不断颠覆自身， 并最终创立了长期天气预报这门现代科 学。尽管他认为自己只是“幸运”而已， 但从某种意义上讲， 纳迈阿斯却是如 此的特别： 比如作为一门严谨而缜密的新学科的领军人物， 他从未获得过博 士、 甚至学士学位； 不过难以计数的科学奖却总是眷顾他。这些奖项表现了 人们对他的高度认可， 其中他最感到意外的奖励， 就是被选入国家科学院。 可以说， 他是如此幸运， 总是在正确的时间， 出现在正确的地点。虽然他可以 解释所有的“幸运”， 但人们总是用宿命论的眼光看待他。而在纳迈阿斯眼 中， 自己身上的“好运”是那些总认为自己运气不好的， 缺少热情、 执着信念 和天赋的人所难以理解的。 最初的好运是， 在 1920 年代后期， 纳迈阿斯在马萨诸塞州秋河市（Fall River, Massachusetts）遇到了一位非常出色的高中物理老师， 这名老师点燃 了他想成为气象学家的梦想。在 1986 年斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）出版的一本自传中， 纳迈阿斯回忆了自己充满 “不幸”的青春岁月， 但没有流露一丝的自怨自艾。比如， 当他高中结束时已 235

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25. 杰罗姆·纳迈阿斯：长期预报的开创者

获得了卫斯理大学（Wesleyan University， 位于美国康州）四年的奖学金， 但 他的父亲， 一名在秋河市给纺织工人验光的眼科技师， 却突然得了重病。由 于他哥哥福斯特·纳迈阿斯（Foster Namias）已经搬到了纽约市， 纳迈阿斯 回忆道： “我觉得我必须留在家中帮助我的母亲， 因为她已经为操持这个家 付出了太多。 ”于是， 在纳迈阿斯本应去康州读大一的那一年， 他却在秋河市 挨门挨户地贩卖各种各样的小东西， 并在一个爵士乐队中当鼓手挣点小钱。 到了这一年年底， 父亲逐渐从病痛中恢复过来， 但纳迈阿斯却不幸患上了肺 结核。他回忆道： “我不得不暂时尘封了自己所有上大学的梦想。 ”在漫长的 养病期间， 深居简出的纳迈阿斯有了很多学习的时间， 通过函授课程， 他学 习了物理、 数学、 气象学和化学， 还学习了德文与英文写作。最终当他病愈 之时， 他决定找一个与气象科学有关的工作， 幸运的是尽管在那个大萧条的 时代， 他还是最终如愿以偿了。他找工作的方法是： 给那些他曾经读过的气 象学论文的作者分别写信， 尽管信中语气诚恳、 充满渴望和必要的礼貌， 但 他也觉得据此被录用的可能性不高： “谁愿意要一个其实仍是学生的气象工 作者呢？特别是这个人还从没受过任何正规的气象学教育。 ” 纳迈阿斯人生的第一个转折点发生在 1930 年： 波士顿的一名气象学 者亨利·克雷顿（Henry Helm Clayton）来信邀请纳迈阿斯去其位于蓝山观 象台（Blue Hill Observatory）的家中作客， 克雷顿向纳迈阿斯说明， 他正在 与史密森尼学院（Smithsonian Institution）的秘书长查尔斯·阿伯特（Charles G. Abbot）合作， 一起研究太阳辐射对天气的影响。他们所用到的数据， 本来 要作为气候数据的一部分收入《世界天气记录（World Weather Records） 》 中， 由史密森尼学院结集出版， 但这些数据目前仍保存在位于华盛顿的气 象局中央办公室（Weather Bureau's central office）的档案中。克雷顿希望 雇佣年轻的纳迈阿斯去把它们挖出来。于是， 纳迈阿斯欣然接受了这份工 作， 成为阿伯特的手下在史密森尼学院任职。比工作本身更重要的是， 这份 工作给了纳迈阿斯访问气象局图书馆的极大的便利。在那里， 他拜读了很 多最新的卑尔根学派的富有突破性的论文， 尽管当时气象局的许多预报员 都不以为然。另外， 他还发现并拜读了卡尔 -古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustav Rossby）为 MIT 新组建的气象系所撰写的第一批教材， 他读得兴致盎然， 当 然对书中内容也存在一些理解困难。 纳迈阿斯第二个也是最大的人生转折点， 来自于 1931 年与罗斯贝的

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图 25.1: 杰罗姆·纳米阿斯工作时的照片

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相见， 以至于他认为这次会面使他整个人生都有了明确的目标。当时， 年轻 的纳迈阿斯阅读了一篇出自这位瑞典理论气象学家的论文， 但有两点不太 理解， 于是在一封几经措辞的信中， 他委婉地质疑了这两点的准确性。罗斯 贝很快回信， 告诉纳迈阿斯对第一点的质疑是正确的， 并相当详尽地解释了 为什么对第二点的质疑不对。在这封回信的末尾， 罗斯贝表达了想进一步 了解他的愿望， 并希望在下一次到剑桥时能邀请他见见面。 “大约一个多月 后， ”纳迈阿斯回忆道， “我发自内心地、 充满喜悦地、 有幸见到了这位影响了 我一生的人。 ”凭着对别人天资的敏感， 罗斯贝很快意识到纳迈阿斯具有非 凡的智慧和一般气象学家身上少有的那种更加注重实用性的禀赋。于是罗 斯贝邀请纳迈阿斯来 MIT 学习。 “由于我缺少正规的教育背景， 罗斯贝不得 不单独为我开了先例。 ”纳迈阿斯这样回忆道。在罗斯贝宽大的羽翼下， 纳 迈阿斯找到并确定了人生的两大方向： 成为一个气象学家， 以及在业余时间 从事金融安全方面的工作。不仅如此， 就像许多同时代的气象学家一样， 他 也受益于罗斯贝独特的指导学生的方法。 “他把我送上了一条令我兴奋的 科学道路， 并给了我通往成功的法则， ”纳迈阿斯回忆道， “更为重要的是， 他 为我树立了一个气象学者所应具有的行为和道德的准则的榜样。 ” 纳迈阿斯作为一名出色的天气预报员和天气图分析专家很快崭露头 角； 同时他也是一个对卑尔根学派的气团分析法有着强烈好奇心的有天赋 的年轻学生。尽管纳迈阿斯得以终日与世界最优秀的气象学家一起工作， 但他永远是个很“特别”的人。他喜欢在工作中引入不一样的方法， 探索不 寻常的方向。在那个气象学得以快速成长为一门专门的科学和技术的时 代， 纳迈阿斯却是一个几乎没有受过任何正规教育的研究人员； 或者说在那 个气象学已经进入“理论”的时代， 他却还停留在“经验主义者”的阶段。当 时， 很多气象学家已开始更多地关注动力和数值预报等偏数学的方向， 他却 仍停留在注重气象观测的世界。但是， 他的天赋是人所共知和公认的。在 第二次世界大战后， 当朱尔·查尼（Jule Charney）带领他的团队（包括纳迈阿 斯）在世界第一台计算机上尝试数值预报时， 正是纳迈阿斯承担起独一无二 的与观测对比的工作： “我就是要看看计算机是否能真的计算出与实际大气 相似的预报结果。 ” 纳迈阿斯作为科学家的崇高声望根本上来自于他对延伸预报的研究。 所谓延伸预报， 是指做出比传统预报天数（当时是 1-2 天）更长时间的天气

239 预报。这个方向是在 1930 年代建立起来的， 起因是美国发生了灾难性的 1 “黑风暴”气候事件 。当时在美国中部大平原， 随着大量因天气灾害致贫 的农民绝望地四散逃难， 联邦基金终于拨款用于研究长期天气预报。正是 由于有了这笔经费， 罗斯贝才得以于 1936 年在 MIT 给纳迈阿斯一个全职 “研究助理”的工作岗位。 “没有什么比得到这个位置更让我高兴了， ”他回 忆道， “因为这是我事业的真正起点。 ” 到 1930 年代后期， 罗斯贝正在着手发展他的行星波理论。行星波， 后 2 来也称“罗斯贝波”， 是指上层大气 中相当多的大气震荡。这种发生在西风 带上的大尺度波动， 也被当时蓬勃发展的探空观测网传回的观测记录所证 明。当时， 在东波士顿机场（East Boston Airport） ， 纳迈阿斯被指派完成这样 一项具体的工作： 收集和整理一架效力于 MIT 的气象飞机每天在波士顿附 近飞行所带回的观测数据。这项工作的意义就在于， 罗斯贝想在挪威人的 3 伟大发现 的基础上， 利用北美大陆独特的、 宽广的陆地条件， 利用 MIT 掌握 的新一代探空仪器， 抓住大尺度天气系统的三维结构。当然， 大气上层西风 带的波动是全球性的， 在 1940 年时， 北半球只有部分地区有探空观测网， 因 此也只能得到大尺度波形的一部分片段。罗斯贝甚至曾让纳迈阿斯在高空 天气图上做空间外插， 把波形外插到北美以外的地方。纳迈阿斯找来太平 洋和大西洋的商船观测资料（是地表而非高空观测） ， 使用最早由雷罗伊·梅 森格尔（LeRoy Meisinger）于 1920 年代使用过的差分分析方法， 将美国东、 西两个大洋上空的大气状况进行了外插。最终， 一份足以覆盖北美洲及其 东、 西两个大洋宽度的大尺度高空图， 就这样被画出来了。 “当罗斯贝看到这张图时， 他非常兴奋， ”纳迈阿斯于 1984 年对科学传 记作家珍妮特·巴素（Janet Else Basu）回忆道， “大气长波如此生动， 不像过 去的图只能看到一、 两个槽脊那样， 这张图上有一个大槽位于大西洋上空， 还有一个槽位于太平洋上空。当时罗斯贝手边没有草稿纸， 于是就在这张 图边上开始计算这些长波的移动速度... 正是这些图边上留下的计算痕迹， 促成了他在 1940 年代一连串全新的思考。这些基于大气长波的思考， 就构 成了延伸预报的基础。 ”后来， 罗斯贝发展的大气长波移动速度公式， 为纳迈 1

在 1930 年代将近 10 年的时间里， 美国中部发生了大规模的严重干旱， 并引发了频繁而 长期的沙尘暴天气， 这被称为“黑风暴（Dust Bowl） ”事件。 2 这里指对流层中上层。 3 挪威人利用密集的地面观测网， 建立了描述每一次风暴过程的锋面气旋结构理论。

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阿斯和其他同行在 MIT 开展试验性 5 天预报铺平了道路。 随着第二次世界大战的阴云渐渐向美国袭来， 美国急需在众多重点大 学里培养一批军事气象人才， 同时也加紧在 MIT 进行延伸预报试验。到了 1941 年， 出于军方高层的迫切需要， MIT 气象系甚至搬到了位于华盛顿的 气象局。纳迈阿斯也同时被借调离开 MIT 一年， 在气象局新成立的延伸预 报部（Extended Forecast Division）任主任。 纳迈阿斯领导的气象局延伸预报部在整个战争期间， 为美国陆军和 海军提供 5 天的天气预报。他在对军事气象人员的培训中， 讲过很多气象 预报与军事行动相辅相成的成功案例。 “我们最成功的预报个例， 是 1942 年 11 月 8 日联军在北非登陆。当时我们需要搞清楚海面的状况， 这很重 要！为此我们使用了哈罗德·斯维尔卓普（Harald Sverdrup）和沃尔特·芒克 （Walter Munk）所发明的技术， 通过估算北大西洋前几天的海面风场成功做 出了预报。 ”正是由于这项工作， 纳迈阿斯获得了海军秘书长的嘉奖： “延伸 预报部对这次行动的重大贡献， 使得这次有史以来最大规模的登陆战， 获得 了完全的胜利！” 直到 30 年后的 1971 年， 纳迈阿斯一直都以延伸预报部主任的身份 服务于气象局。到 1950 年时， 气象局开始发布官方的 30 日天气展望。到 1958 年时， 又开始发布 90 日预报。纳迈阿斯为此发展了一系列技术， 用以 突破传统方法的限制做出更长时间的预报； 同时， 他也完成了很多著名天气 事件个例的诊断研究。 “就像他的很多其他研究工作一样， 这些经验性的预 报个例， 特别是他用于解释现象所引入的各种概念框架， 总是领先于他所 处的时代几十年之久， ”马里兰大学著名气象学家尤金·拉斯穆森（Eugene Rasmusson）在 1998 年的一篇回忆文章中如是说， “他的文章在当时只短 暂地吸引了一下人们的注意力， 之后就渐渐散去。直到几十年后的新一代 气象学者， 在拥有更多基于经验的、 基于模式的和基于理论的结果后， 才意 识到纳迈阿斯曾经的工作所具有的基础性意义。 ”比如， 纳迈阿斯在一篇里 程碑式的论文中， 详细论述了急流的变化对大气垂直运动的影响， 后来这被

241 称为指数循环4 ， 再后来就被称为北极涛动5 。而后者在世纪之交时， 又成为 气候学领域的前沿课题之一。 纳迈阿斯很小心地避开了公众的各种非议， 因为他不像欧文·里克 （Irving Krick）那样那么高调地宣扬长期预报的准确性。不止一次地， 他清楚 地表明了自己不喜欢里克所热衷的相似性方法： “我看到过多的期望和金钱 被押在了相似性方法上， 而结果却微不足道。 ”他对一个记者说， “坦白地讲， 相似性分析的逻辑与我的想法背道而驰， 它完全忽略了现象背后的科学理 解。 ”事实上， 纳迈阿斯还经常警告那些喜欢接受长期预报结果的客户， 让他 们别轻易地被信誓旦旦的预报所欺骗。 “因为气象学家们并没有掌握任何 已被证明绝对有效的长期预报方法， ”他曾对某能源公司不无讽刺地说， “有 些伪专家甚至能预报很多年之后的天气了。 ” 长期天气预报， 就这样在 20 世纪下半叶、 在气象学家的争论中， 扮演了 一个被人怀疑和充满争议的角色。与同时代的、 非常严谨的、 基于数学计算 6 和物理基础的数值天气预报 相比， 长期天气预报显得是那么的经验和主 观。以至于在这之后的几十年间， 数值天气预报比长期天气预报获得了更 大的科学关注和更长久的经费支持。尽管有少数科学家的努力探索， 但这 样一个充满试验性的科研方向， 在那样一个官僚主义盛行的环境中， 最终不 得不走向衰亡。只有纳迈阿斯经典的科学思想， 他完成的海量的个例研究、 科学论文， 以及他系出名门（作为罗斯贝嫡系的合作者）的背景， 令纳迈阿斯 保有了令人尊敬的地位。 纳迈阿斯的另一项重要贡献， 是其自 1950 年代开始的对指数循环的 研究， 他称之为是对“大气系统的长周期演变行为”的关注。纳迈阿斯通过 对反常季节特征的观察， 提出了地表气压的慢变与高空大气罗斯贝波的移 动相对应的观点。他认为这些大尺度的大气质量的移动， 有助于解释美国 西部夏季的周期性干旱和一些反常的冬季天气。 斯克里普斯海洋研究所于 1958 年在加州拉霍亚（La Jolla）市召开了一 4

指数循环（Index Cycle） ， 在 1970-80 年代广泛用于延伸期天气预报， 描述了西风环流在 纬向型和经向型两种模态中的振荡特征。 5 北极涛动（Arctic Oscillation） ， 在 1990 年代之后被广泛关注， 描述了中纬度和高纬度大 气质量的振荡现象， 与指数循环所描述西风环流的振荡相对应。 6 数值天气预报（Numerical Weather Prediction）在二战后获得了长足进步， 成为气象学 发展的最重要方向之一， 获得了广泛的关注。

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次研讨会， 讨论 1957 至 1958 年反常的太平洋状况， 这是纳迈阿斯研究工 作的又一个重要转折点。这一年前后， 热带太平洋海温异常偏暖， 借着国际 7 地球物理年 的东风， 很多密集的观测数据被释放出来。于是在 1960 年代， 纳迈阿斯通过发表一系列论文， 成为从长期天气预报转向陆 -气相互作用研 究的第一人。受北欧天气学派的影响， 这个理念其实早就存在于纳迈阿斯 的头脑中。但直到 1960 年代， 受惠于国际地球物理年中多国参与的共同努 力， 科学家们才有可能拿到足够的观测数据来验证类似的想法。纳迈阿斯 尤其关注大气对冰、 雪的影响， 不同湿度的土壤的特点， 以及最为重要的海 表温度。 “海洋将热记忆保存在几百米深的混合层中， ”他说道， “由于水有 很高的比热， 因此海表仅 3 米深的水， 就包含了全部大气的热容量。 ”在同一 时代的加州大学洛杉矶分校， 雅可比·皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes）也用同 样的来自于国际地球物理年的密集观测数据， 将海洋反常的海温分布与沃 克爵士发现的南方涛动相联系， 并最终将这一热带气候现象命名为 ENSO。 到了 1971 年， 纳迈阿斯又准备再次转向。在忍受了近 30 年气象局内 官僚主义的政治、 金钱斗争后， 纳迈阿斯对位于华盛顿的权力中心逐渐失去 了兴趣。他的老师罗斯贝于 1957 年死于心脏病。他最好的朋友， 也是他的 表哥， 气象局研究部主任哈利·韦克斯勒（Harry Wexler）也于 1962 年死于 心脏病。纳迈阿斯自己于 1963 年也患上了心脏病， 又在 1964 年从波士顿 伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）返回的途中 遭遇车祸并受了重伤。他工作上长期的合作者菲尔·克莱普（Phil Clapp） ， 此时也刚刚从已更名为国家天气服务（National Weather Service）的气象 局退休。于是在 1971 年， 纳迈阿斯与克莱普在退休的聚会上商议要完成最 后一次合作。 其实对纳迈阿斯来说， 退休意味着另一段激动人心的科研生活的开始。 他接受了位于拉霍亚市斯克里普斯海洋研究所的邀请， 在那里开创全新的 气候研究方向。怀着无限的激情， 他再一次投入到对上层海洋和下层大气 的相互作用的研究中。 到了 1974 年， 数以百万的美国人开始担心来自阿拉伯世界的石油禁 7

International Geophysical Year， 1957 年 7 月 -1958 年 12 月， 是冷战前东西方最后一次大 规模的国际科学合作， 内容包含 11 个地球科学方向， 共有 67 个国家参与， 中国为抵制台湾 的参加而未参加。

243 运。卡特政府经过慎重考虑， 决定采取给国民发放石油配给券的权宜之策。 同时， 政府高层想到可以利用纳迈阿斯在长期天气预报方面的专长， 为石油 配给提供政策参考。而纳迈阿斯预报那一年末的冬天将比常年偏暖， 也就 提前释放了政府兑现石油配给券的压力。 纳迈阿斯在斯克里普斯海洋研究所的岁月里， 共发表了 70 多篇论文， 包括一些涉及 El Niño 的工作。纳迈阿斯是第一个发现热带太平洋海表冷 事件（现在称为 La Niña）的人。尽管当时越来越多的学者相信热带海洋异 常会滞后引起中纬度天气、 气候异常， 但纳迈阿斯却一直不相信这一点。这 其中的阻力主要来自于纳迈阿斯与当时学派领袖雅可比·皮耶克尼斯之间 微妙的个人关系。也许这就是纳迈阿斯这个“老家伙”一辈子也搞不定的 那个关节吧。毕竟他在气象局看了 50 年的北半球投影天气图（以北极为中 心的 20 度以北范围的天气图） ， 因此他一生都专注于 20 度以北的罗斯贝 波的移动， 而从来没有观察过热带地区。不过在当时， 他也并非唯一一个反 对热带影响中纬度、 强调北半球自身变化的学者。 在纳迈阿斯硕果累累的一生中， 没有人强迫他在每一个人生阶段应 该去做些什么， 他一直受到所有人的尊敬和爱戴。拉斯穆森至今仍记得在 他 75 岁的生日聚会（实际是一次别开生面的学术研讨会）上， 阿兰·海奇特 （Alan Hecht）向所有支持过纳迈阿斯的朋友们所致的贺词： “如果你在字典 中寻找 ‘纳迈阿斯’ 这个词， 你将获得如下定义： ‘一个赋予长期天气预报以 理性的人， 在面对失败时也愈挫愈勇’ 。他就是这样一个永远比别人想法更 多、 思考更快、 意志坚定的人。 ”到 1970 年代后期至 1980 年代早期， 纳迈阿 斯的同辈人几乎都已辞世， 但他作为气候研究部主任仍然坚持工作， 成为了 那个时代气候学界大师队列中站到最后的那个人。在他 79 岁高龄的时候， 纳迈阿斯罹患中风， 始终没能痊愈。直到 1997 年 2 月 10 日， 他走完了自己 的人生。

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Storm Watcher 26 爱德华·洛仑兹 混沌的计算 数字电子计算机给天气预报员和研究者们带来了梦寐以求的战后气象 学革命。在 20 世纪 50 和 60 年代， 天气学研究最终变成了科学和服务的 结合体。科学家们终于有了使用物理定律的客观工具来揭开古老气象学秘 密的资本。这些有创造性的数值天气预报程序都是拥有不可思议能力的工 具， 科学技术的快速前进步伐似乎确保了它们无限的潜力。完全湍流、 难以 处理的问题被压缩交给了一些类似于电子管的东西处理， 并最终被带进了 实验室。在这里假设可以被验证， 在这里越来越巧妙、 准确的大气模型可以 使每一个细节都变得更加清楚。不仅实用的天气预报得以实现， 合理的气 候模式也被创造了出来。 这是一个技术爆炸的时代。从二战回来的老兵使美国大学的科学专 业、 美国气象局、 私人企业人员爆满。政府正在加大资金支持， 以鼓励主要 的研究项目。有着庞大空军的参战国们发现它们大规模地需要精细的天气 服务； 逐渐发展壮大的民用航空业对天气预报员也提出越来越多的挑战性 的要求。技术的发展使问题和解决方法都越来越明确。计算机技术的发展、 观测网络的迅速拓展、 世界第一颗气象卫星 TIROS I 的发射， 都鼓励着气象 学家使他们确信他们可以完成他们的新任务。与神秘的天气搏斗了很长时 245

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间的研究员和预报员们似乎从古老的挫折和失望的阴影中解脱出来了。 功夫不负有心人。1814 年， 伟大的法国数学家皮埃尔 -西蒙·拉普拉 斯（Pierre-Simon Laplace）已经成功地描述出一个钟表版本的世界， 这一描 述一直被物理学家当做一种真理。宇宙现在的状态， 拉普拉斯写道， 应该 被看成是“它前一个状态的结果和下一个状态的成因”。他设想了一种智 慧： “在一个给定的时刻， 知道所有影响自然的力， 以及组成自然的所有事物 的相应的反应… …那么没有什么事情不能确定。未来， 就像过去一样， 会被 展现在眼前。 ”拉普拉斯启发了一个世纪以后的威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）去寻找一种严格的气象学体系； 直到最近的 1959 年， 瑞典人托尔· 贝吉龙（Tor Bergeron）把天气预报描述成“整个星球上， 最重要、 最有潜力， 但是仍然没有被解决的拉普拉斯问题”。 20 世纪 60 年代， 自由而热情的气象学家们对数值天气预报印象深刻。 他们被整个时代乐观的情绪所感染， 对新的气象学前景充满期待。一些人 梦想着有一天， 天气预报能够最终达到天文学（气象学的更加古老更加有 经验的姊妹学科）的精密水平。就像在天文学中一样， 艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的定律最终已经在气象学中找到了正确的位置。现在， 天气科学 还需要做到的是达到与天文学同样的精度。正如天文学家们计算遥远的彗 星何时回归一样， 气象学家们可以使用预测的力量看到很久很久以后的世 界。

比人们预想得更早， 天气能够被预测的那一天很快就到来了， 但是风和 雨的预报还不太理想。就像陆地和海洋边界一样， 这些天空中不规律的产 物必须被人性化地重新设计。雾和雹的危害将成为历史； 人造降雨将防止 干旱； 人造干旱将预防洪水； 飓风将被控制， 并被引导到海里而失去其破坏 力。除了这些启示外， 约翰·冯诺依曼（John von Neumann）还有更大的雄 心： 天气控制将成为战争武器。 在气象学家们追逐这些目标之时， 另一条研究路线也开始探究大气的 性质以及准确天气预报的难题。当大部分关注天气预报的气象学家们尝试 扩展预报的范围或者改进预报准确性的时候， 一个来自麻省理工学院的天 赋异禀的研究者正在他自己的研究道路上前进着。爱德华·洛伦兹（Edward N. Lorenz）正在利用他的新的“皇家马克比”计算机运行一个特定的数值 预报模式， 这个模式抛出了这样一个不同寻常而又基础的问题： 天气到底有

247 多大的可预报性？在 1961 年， 一个重要结果的到来使得大部分乐观的天气 预报员失望不已。 在一个不太倾向于使用数学方法的科学家手中， 对大气细节可预报性 的最基本的限制可能在许多年中都不太明确。到头来， 这个问题还是需要 那些天生的数学直觉才能被解决。 “当我还是个孩子的时候， 我喜欢摆弄数 字。 ”洛伦兹回忆他在康乃迪克州的西哈特福德郊区长大的日子的时候说。 他的父亲是一位机械工程师， 国际象棋是他们家中最受欢迎的放松游戏。 他去达特茅斯学院主修了数学， 接着在 1938 年去哈佛大学读数学专业的 研究生。像朱尔·查尼（Jule Charney）一样， 洛伦兹因为紧急的战事需要而 被迫成为一位气象学家。当美国加入二战时， 他先后来到麻省大道的哈佛 和麻省理工， 在一个为期 9 个月的旨在为军队培养成千上万天气预报员的 突击课程中学习如何成为一名天气预报员。他随后在位于塞班岛和冲绳县 的天气预报中心为空军信号部队服务， 给轰炸机飞行员预报气象条件。战 后， 经过仔细考虑， 他决定接受 MIT 的一个研究职位， 他觉得他能够为气象 学贡献比数学更多的成就。他后来学习动力学并教授了一段时间的统计预 报课程。他把精力投入到一个介于研究和应用之间的特殊的领域——不是 预报天气， 而是更加基本的， 研究它的可预报性。 那时候， 一些统计气象预报员们争论说他们的某些手段可以达到和数 值预报一样的精度。在 1961 年的冬天， 洛伦兹对这些言论进行了测试， 在 他的“皇家马克比 IGP30”计算机上运行了一个特定的大气模式。他推理 说， 如果出现有规律的行为， 统计学家们的理论也许正确。一些特定的模态 自己会重复下去， 就像天气一样， 但是他们没有规律的周期。然而在测试的 过程中， 他遇到了看起来像是意外事故或者计算机小故障的情形。 他中断了模式的运行并希望在一个中间点重新开始。为了达到这一目 的， 他把计算机上一次输出的模拟的天气变量重新输入到模式中。然后， 他 离开正在计算中的发出巨大声响的“皇家马克比”， 去门厅喝咖啡了。当洛 伦兹回来的时候， 他发现计算机程序不仅没有重复之前的模态， 反而呈现出 一种完全不同的天气模态。检查过一些明显的原因后， 比如真空电子管是 否脱落， 这位数学家开始更细致地检查数据。一个非常微小但是很明显的 差异被找了出来。在程序中， 计算机处理的变量都是精确到小数点后六位 的， 但是在程序输出时， 只保留到小数点后三位， 即千分位。洛伦兹当时把这

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图 26.1: 爱德华·洛仑兹的照片

249 些有微小近似的值作为了初始条件。现在， 他突然明白最后天气模态的巨 大差异来自于两组实验初始场上的微小差异。 “这非常激动人心， ”洛伦兹回忆道， “如果真实的大气和模式具有相同 的行为， 那么长期天气预报将变得不可能， 因为大部分真实的天气要素实际 上都不可能被以三位小数的精度观测到。在接下来的几个月里， 我开始考 虑缺乏规律性与小的差异的增长是否有某些联系。最后我终于能够证明， 在一般情况下， 这两者之间相互呼应。像这样的行为现在被归类到混沌中。 这是我的学术生涯中最令人激动的发现。 ” 洛伦兹发现了一个不仅仅存在于大气中， 而且存在于许多系统中的性 质。虽然物理学家和生物学家及其他一些人在很多年后才在《大气科学 学报》中发现并理解了这篇 1963 年的文章《确定的非周期流》中突破性的 理论。这篇文章的关键词是“基于初始条件的敏感性”。初始条件的微小 差异可以造成结果的巨大不同。这个理论后来被称为“蝴蝶效应”， 这个名 字的灵感是来自于洛伦兹在 1972 年的美国科技促进会上的报告的名称 ——“可预报性： 巴西的一只蝴蝶扇动翅膀是否会造成德克萨斯州的一场龙 卷风？” 混沌理论在科学领域分布广泛。那些被科学家们为了寻找规律而平滑 掉的所有噪声信号， 最后被证明比任何人所想象的都更重要。多变量不稳 定系统往往混淆人们的直觉： 输入的小的差别并不能得到输出的小的差别， 反而不可避免地产生大的不同。1944 年， 纽约城市大学的气象学家斯坦利· 盖泽尔曼（Stanley David Gedzelman）在《关于天气》杂志中描述了这项发 现的影响。 “几个世纪以来， 科学家们都被蒙蔽着双眼， 为了发现自然中为数 不多的有序的现象而忽视了这些古怪而不可预测的现象， ”他写道， “这是科 学的成就， 但是它也让我们承认了这样一个事实： 混沌潜伏在任何地方。洛 伦兹不仅让我们看到了自然界中始终存在的混沌现象， 还发现了它的主要 规律。带着这个改变我们对世界的看法的不可颠覆的发现， 他在 20 世纪的 气象学中登上了顶峰。 ” 混沌最终变成了医学家们研究心脏跳动的不规律性的工具； 生物学家 们尝试理解动物数量突然停滞增长或锐减的方法； 物理学家、 天文学家、 化 学家和地球科学家们重新研究他们的领域中不可预测行为的手段。

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对气象学来说， 当洛伦兹在 1961 年意识到这一发现时， 它的意义就已 经显现出来。他在 1963 年的那篇里程碑式的文章中总结说： “从天气观测 不可避免的不准确性和不完善性的角度看， 精确的长时间的天气预报似乎 是不可能存在的。 ”不论观测数据多么的完美或主导大气湍流过程的定律 运用地多么巧妙， 基于许多天的天气预报的细节仍然不可能实现。天气的 特点是其变量既是时间的函数又是空间的函数， 不同的地点各不相同、 不同 的时刻也各不相同。 在天气预报员能做的事情和不能做的事情中间画一条线， 找出精细的 每日天气预报的上限和混沌理论所决定的相应的下限， 从 20 世纪 70 年代 开始就是一个主要的研究问题。基于计算机的数值天气预报在其中扮演了 重要角色。计算机在提供一些优越性的同时， 也会剥夺一些东西。在数值天 气预报之前， 混沌效应在不精确并且主观的预报中没有什么影响。正如气 象学家菲利普·汤普森（Philip D. Thompson）后来提到的， 在数值天气预报 到来之前， 关于可预报性的问题甚至都不是一个能够被人察觉的问题。正 如洛伦兹和后来的研究者们阐明的， 分析这一问题和发现这一问题的主要 工具是一样的： 数值天气预报模式。 当很多气象学家都不愿接受这样一个来自关于实际预报限制的研究的 “坏消息”时， 洛伦兹研究的意义立刻被他的朋友——当时 MIT 的研究员， 伟大的查尼发现。洛伦兹回忆提到， 在 20 世纪 60 年代中期， 查尼一直在积 极推动大型国际气象研究——全球大气研究计划（GRAP）的实施。这个计 划的其中一个争取政府财政支持的亮点就是 GRAP 的目的是发展两周天 气预报。混沌理论的发现立刻给这样一个已经被广泛地宣传出去的目标带 来了威胁。洛伦兹回忆， 查尼当时开始考虑， 也许在第一个两周天气预报能 够被做出来之前， 它就会被证明是不可能的。他努力把达到这一目标转变 为更低调的目标——弄清楚这种天气预报是否可行。 1964 年查尼在科罗拉多州的博尔德当着 10 个国家的科学家的面， 讨 论了混沌行为的可能性。在会议中间， 他说服全球环流模式开发者们像洛 伦兹一样， 运行两个有着细微差别的初始场的天气预报模式来验证他们的 模式的初值敏感性。模式开发者们反馈的结果是， 平均而言， 温度和风的微 小差别会在五天内加倍。 “五天的加倍时间似乎为一周天气预报提供了可 信的担保， 但是却扼杀了一个月天气预报的可能性， 而两周天气预报正好在

251 边界线附近， ”洛伦兹总结道。 大气运动对变量的初值敏感性的发现导致了一种被称为“模拟法”的 方法被淘汰， 模拟法是一种用来预报天气细节的工具。1969 年洛伦兹的一 个数学研究证明： 利用过去的与当前类似的情况的集合来对未来的情况进 行预测的方法是无效的。 “有许多在一定程度上的类似情况， 但是没有可能 是好的。 ”他总结道。小的误差的效果很难通过计算得出， 他说， 因为真实情 况中小的差别很难被发觉。关于初始场中的小误差能够造成天气预报的巨 大差别的发现为气象学点起了一盏新的灯塔。基于过去条件的表面上的近 似不能够从混沌的大气中揭示出它未来的情况。 当两周的界限仍然是理论上最被广泛接受的精细天气预报的上限时， 现代的业务预报的界限仍然在一周左右。在英格兰的雷丁， 欧洲中尺度天 气预报中心和马里兰州斯普林斯的美国气象局国家环境预测中心， 人们一 直都在利用最先进的超级计算机研究提高技巧的扩展预报， 然而计算机的 计算能力和预报技巧似乎总是拖后腿。不管怎样， 现在精细的两周预报还 面临太多的问题， 即使是在最好的情况下， 人们也只能得到一个比纯猜测稍 微好一点的结果。 在计算能力更高更快的计算机上运行更加复杂的模式已经可以提高天 气预报的短期精度。在业务预报开始的前 40 年中， 准确性已经从 3 天增加 到大约 6 天。虽然混沌效应决定了两周预报的上限， 但是回报率的逐渐减 小的信号已经显现出来。在 4、 5 天预报的基础上， 再延长同样精细程度和 技巧的预报所需要的花费已经越来越高。但是， 奇怪的是， 每一个冬天都有 许多科学家们使用他们所信服的模式， 结果却预报失败的令人尴尬的例子。 作为一个最早理解混沌对预报科学的意义的人， 洛伦兹关于这个话题有着 自己不同的观点： “对这个经常萦绕在耳边的话题， ‘为什么我们不能作出更 好的预报？’ 我倾向于这样回答： ‘那么， 我们为什么就能够作出预报？’ ”

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26. 爱德华·洛仑兹：混沌的计算

Storm Watcher 27 藤田哲也 预言下击暴流 1975 年 7 月 24 日下午， 从新奥尔良出发的东方航空公司 66 航班正 在飞往纽约的约翰·肯尼迪国际机场。雨下得断断续续的， 在纽约地区有雷 阵雨。尽管波音 727 于下午 4:01 在仪表控制系统下驶向 22L 跑道时机场 风速的测量值只有 7 英里每小时（11.3 千米每小时） ， 但班机例行滑翔了 400 英尺（122 米）时突然碰到一阵狂风暴雨。就在你阅读这些文字的短短 时间内， 飞机速度急剧下降， 机身突然下沉。机组人员努力恢复控制， 把机头 拉起来， 加大推力， 但是一切都太晚了。一边机翼剪断了一个接一个的支撑 飞机降落指示灯的支柱。飞机坠毁成了个火球， 机身最后滑过洛克威大道， 那儿离机场跑道还有半英里（805 米）远。那是全国最严重的空难， 124 名 旅客和机组成员只有 11 名生还。

这场灾难的所有信息都把罪魁祸首指向天气。但是灾难发生的 30 分 钟内有将近 12 架飞机都在 22L 跑道上安全着陆。到底是什么样的天气因 素使东方 66 航班的着陆超出波音 727 和它的机组人员的控制极限？美国 国家运输安全委员会的调查员们引用“逆风”， “后见之明”地提出这样的事 故原因： “空运控制人员和机组成员本应知道在降落过程中明显有严峻的危 险天气条件， 还继续使用 22L 跑道。 ” 253

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不管是联邦调查员还是别人， 那时都无法揭秘那天的天气到底发生了 什么。这个危险因素的本质和范围到底是什么？虽然 20 世纪 40 年代末雷 暴已经研究地相当清楚了， 空运也已有所改善， 几乎没什么天气因素会产生 这么大的能够影响飞机着陆的风切变。是什么天气因素能解释一架飞机绝 对安全的降落而下一架就变成灾难了呢？到底从哪里来的这些致命气流， 如此突然， 还能接近一架相当于 6 海里每小时（11 千米每小时）风的飞机？ 不管是在东方航空公司的航空安全专家的脑海里还是在别处， 这些问题始 终没有解决。他们把这些问题交给了一个人， 他们认为全国唯一有可能找 到答案的一个人。 这个人就是芝加哥大学的气象学家藤田哲也（Ted Fujita） 。藤田因他对 雷暴中的风独特的研究而著名。他是那种一生都踩在幸运石上的人， 但藤 田的幸运是自己创造的。在日本的时候， 他买了一台英文打字机， 打出了他 对雷暴的“微观分析研究”的翻译本。1950 年他把翻译稿寄给了芝加哥气 象部主席赫拉斯·拜尔斯（Horace Byers） 。拜尔斯刚刚完成一个美国政府资 助的对雷暴的长期研究， 他对藤田的文章印象深刻， 于是邀请藤田来任职。 藤田创造了自己的幸运， 比他周围人工作更努力， 工作时间更长。他在地球 物理科学系的学生们有时称他为“超级藤田”， 尽管是背地里叫的。 藤田对 1957 年在北达科他州法戈地区爆发的龙卷风细致的描述， 已 经在中尺度分析中成为经典。中尺度分析这个新领域主要研究比天气气象 学的大陆尺度小， 也比数值计算机模型的分辨率小的风暴。1971 年， 他和他 妻子藤田纯子（Sumiko Fujita）一起， 使用藤田尺度（或称 F －尺度）根据风 速和破坏力对龙卷风的强度分类。这已经获得广泛认可。在大家心目中， 他 就是“龙卷风先生”。 最初， 藤田对 66 航班事故原因是风切变表示怀疑。但后来他想起了以 前的一些震撼的照片， 这些照片来自他在 1974 年 4 月研究的历史上最严 重的龙卷风， 著名的席卷南部和中西部 11 个州的 147 个“超级爆发”的龙 卷风。有些情况下， 连根拔起的树木以一种小范围但是明显放射状的形式 落下， 并不是在旋回， 而是被一股从云中垂直射出， 撞到地面后爆炸的风冲 散。 藤田还有其他关于这种形状的经验。在 20 世纪 50 年代他搬到美国之 前， 他作为日本教授被安排去调查 1945 年长崎原子弹爆炸的损失。从大范

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图 27.1: 藤田哲也的肖像照片

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围放射状烧伤和冲击波破坏来看， 藤田推测并告知日本权威， 长崎的荒废是 一个空降装置的爆炸引起的。 1975 年圣诞假期开始时， 藤田坐下来开始分析 66 航班的数据， 没过多 久他就形成了一个假说。藤田处理这个问题就像他研究所有的风暴之谜一 样， 像一个大侦探， 灵感来自于直觉。 “他有一种洞察力， 一种直觉。 ”科罗拉 多州博尔德地区的国家大气研究中心高级科学家， 也是藤田的重要合作人 詹姆斯·威尔逊（James W. Wilson）回忆， “他总是远远在我们能想到之前就 有好主意了。 ”

藤田检查了即将着陆的飞机和肯尼迪塔楼之间传送的无线电报， 注意 哪些飞行员汇报说 22L 跑道上遇到有麻烦的风， 而哪些说没有。这就是中 心谜团： 有没有可能风切变的范围很小， 很迅速， 而影响不连续？他从每一个 能收集信息的角度分析天气状况： 从卫星图片， 雷达扫瞄， 传统的绘制大范 围同步观测的天气图。从这些互相联系不大的渠道中， 他开始用他独特而 有创造性的方式合成数据。 1976 年三月， 他公布了他的研究结果， 认定 66 航班坠毁的原因是以前 从未定义过的一种雷暴特征， 他称之为下击暴流。 “对气象条件的详细检查 发现， 肯尼迪机场雷暴的生长速度在事故发生时达到极值， ”藤田写道， “风 暴的无线电回波就像先头部队一样比周围其他回波移动得都快一些。在先 锋回波里隐藏着四到五个强下沉流单元， 将它称为 ‘下击暴流元’ 。显然那些 穿过下击暴流元的飞机在降落中会遇到相当大的困难， 而其它在元与元之 间降落的飞机都没意识到行驶路线的两侧有危险区域。 ”

这篇文章在气象学界中引起不小的争议。很多人都持怀疑态度， 认为 藤田只是给几十年前就知道的下沉流现象取了个新名字， 或者他把这个风 误认为是著名的雷暴飑线的阵风锋。有些科学家想要为这个假说做独立试 验， 但发现他们没有足够的信息， 他们需要一些信念上的先决假定。 藤田非正统的做法使得他大受攻击。他走在科研惯例的边沿， 发表了 很多假说， 没有同业互查， 也没有其他人要求的大量数据。 “他有时是一个很 有争议的人， 因为他做科学的方式和别人不一样， ”威尔逊在一次采访中回 忆， “他从有限的观测中推出事情发生的理论机理， 而往往留给其他人跟着 他的思路去证明他的理论。 ”藤田常说的格言一些人听起来会觉得很傲慢：

257 他的工作是提出他的想法， 而别人的工作是去证明他错了。如果他有一半 时间是对的， 气象学就受益了。而这种看似自大的言论使他不太容易融入 互相谦让的西方科学界。世界被分为出头鸟和随大流。也许是因为他在战 前的日本所受的东方式教育， 使他认为公开批评是针对他个人的。他记得 关于他的下击暴流概念的争论“使他数夜难眠”。 然而和大多科学争论不同， 风切变的问题有着明确而迫切的社会需要， 和一批意料之外的公众支持者。一些航空飞行员欢呼这篇文章是一个突 破， 他们提供了证词说确实有时穿过无伤大雅的雨区时遇到过这种风。与 此同时， 在各地的机场， 平均每 18 个月就会有一次飞机因为风切变而坠毁。 1964 到 1983 年， 这引起了八起航空事故， 514 名旅客和机组成员丧生。联 邦航空安全调查员把风切变当作对国家商用航空安全最大的威胁。1983 年 8 月 1 日， 有记录的最强下击暴流之一袭击了马里兰的安德鲁斯空军基 地， 仅仅在搭载罗纳德·里根总统（President Ronald Reagan）的空军一号降 落六分钟后。 然而在 20 世纪 70 年代中叶， 连那些想接受新发现的人也必须承认下 击暴流（或者后来称的微下击暴流）确实没被任何人观测到过， 包括藤田。 坠毁事故当然是真的， 风切变也毫无疑问是很大的威胁； 但航空安全监控员 和其他人中仍然有严重质疑微下击暴流的人。如果微下击暴流不只是超级 藤田丰富想象力中臆造的事物， 一定需要有人出来证明它。通过拜尔斯的 支持， 藤田从位于华盛顿的国家科学基金会的主要官员和位于博尔德的国 家大气研究中心（NCAR）的科学家那里得到早期关键性的支持， 这其中也 包括无线电专家罗伯特·塞拉芬（Robert J. Serafin） 。 第一个主要突破是在 1978 年 5 月 29 日， 那天藤田和威尔逊在伊利诺 伊州约克维尔附近用多普勒雷达示波器观测到他们的第一个微下击暴流。 三台多普勒雷达在芝加哥附近摆成三角形。不久后， 他们就得到了他们需 要的证据： 1978 年夏， 这个雷达网一共探测到 50 个微下击暴流。由于他们 原本认为微下击暴流是偶然事件， 科学家们把三角形的边长安排得太大， 网 络分辨率太粗， 而他们所寻找的细节却尺度很小。尽管有了这个证据， 在联 邦航空部门内部仍然对微下击暴流的威胁存在怀疑。决定性的证据来自 1982 年夏， 藤田和 NCAR 的科学家们做了另一个实验， 在丹佛的斯台普顿 国际机场周围布置了更稠密的多普勒网络， 这样科学家们就能直接观察到

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风切变对飞机的影响。在这个项目期间， 共观测到微下击暴流 186 个， 证明 这个现象不仅真实存在， 还比任何人想象的都更为常见。 塞拉芬说， 在斯台普顿联合机场的天气研究项目激发了一场研究热潮， 第一次出现关于微下击暴流的结构， 发展和起因的描述。通过 20 世纪 80 年代中叶的发展， 研究表明关于雷暴的几十年调查都没能检测出这些转瞬 即逝的事件， 因为他们对于传统监测系统太快太小。另外， 拜尔斯向藤田指 出， 在 20 世纪 40 年代的那些配置了飞机、 气球和雷达的大型昂贵的雷暴 工程中， 却没有找到这种东西。 蒸发冷却和凝结增温是一个成熟雷暴中上升流和下沉流的主要过程， 一个微下击暴流的产生是由于一股干冷气流流窜到一个正在发展中的云的 中层。干空气吸收了一些云中的水汽， 迅速冷却， 密度增大， 沉降到地面在降 落过程中获得动量。 “当一柱垂直向下运动的气流撞到地面时气流发生爆 炸的情景， 和把一个软水管指向硬的表面时所看到的一样， ”塞拉芬在一个 最近对微下击暴流的描述中提到。风击打到地面像一个冲击波从中心向各 个方向爆炸开去。 微下击暴流可以产生高于 150 英里每小时（241 千米每小时）的风速， 并集中于一个只有四分之一英里（402 米）直径的狭小区域， 虽然更常见的 是他们处在一个 2.5 英里宽（4 千米）的范围内。他们可以在国家的任意一 个地方发生。在美国东部三分之二的地区， 夏天常常湿度很高， 一股干气流 上升到雷阵雨中就能形成微下击暴流。在干燥的西部地区， 干的微下击暴 流可以在“弱对流”的高层云中发展， 并不能形成风暴但可以产生幡状云， 就是雨还没落到地面就已经蒸发而形成的云。威尔逊说， 藤田在斯台普顿 实验中的记录文件“科罗拉多州上空隐藏在高基云中的强烈微下击暴流” 震惊了科学界。 即使微下击暴流能监测到了， 它们发生的速度和转瞬即逝的本质在 20 世纪 80 年代对机场航班调度员和飞行员的反应速度提出严峻的考验。 NCAR 的科学家威尔逊和约翰·麦卡锡（John McCarthy）研究发现， 一个产 生微下击暴流的典型过程从开始到结束仅用 15 至 20 分钟， 气流到达地面 的 5 分钟内风切变达到极值。 “这些数字清楚的表明需要有非常迅速的方 法监测微下击暴流并向飞行员发送警报。 ”塞拉芬评论道。

259 不管天气条件是湿还是干， 与微下击暴流相比， 几乎不存在对靠近跑道 和起飞的喷气客机更大更隐秘的威胁。只有在最技术的层面上， 航空学词 汇风切变才能描述一个飞行员在驾驶飞机下落时遭遇的情景。在几秒钟内 会遇到三种致命的撞击。第一是强大的逆风在飞机前猛烈撞击， 在还没飞 到预设滑翔路径时就把机头抬起。紧接着， 当飞行员努力把机头沉下去时， 整个下击暴流的力量把飞机推向地面。最后， 一股强大的顺风迫使机头向 下， 进一步让飞机减速。此时飞机离地面距离低得危险， 飞行速度也很靠近 极限值， 飞行员努力让飞机重新获得举力和推力， 但突然飞机就开始倾斜旋 转， 无法控制。 掌握了对威胁的新认识后， 在 20 世纪 80 年代中叶研究员开始提倡对 机场和飞行培训程序做改进， 并要求引进新的监控设备在检测到微下击暴 流时警示飞行员。他们最严重最悲惨的实例发生在 1985 年 8 月 2 日下 午的达拉斯/沃斯堡国际机场。来自佛罗里达州劳德代尔堡的三角洲航空 公司 191 航班， 洛克希勒 L-1011 型飞机在降落时遇到微下击暴流而坠毁， 167 名乘客和机组人员中 137 名遇难身亡。 美国联邦航空管理局（FAA）采取了不寻常的分派， 从基础科学转移到 航空产业， 发展新的微下击暴流探测器和飞行员培训项目。麻省理工学院 林肯实验室的科学家和工程家们发展了一套自动化的专业系统， 称为多普 勒天气雷达终端系统， 现在已经在美国和其他地方的大部分主要机场安装。 由于这种事件的本质特点， 它们只能提前几分钟预测到， 但是几分钟对于飞 机离开危险道路已经足够了。新的机场雷达提供威尔逊所谓的“对危险的 风切变和微下击暴流即时而清楚的预警”。同时， 科学家们迅速组织了 FAA 授权的对商业航线飞行员的特别培训项目， 教飞行员们认识和应对微下击 暴流的危险。 在各地机场， 改变很明显， 这是个激动人心的救人转折点。在 1985 年 之前， 微下击暴流每 18 个月造成一起航空事故。在 1985 年之后， 下一个跟 微下击暴流有关的事故直到 1994 年才出现。就在藤田 1976 年第一次发 现微下击暴流的十年后， 实用的救生方案就到位了。看着事情的发展， 威尔 逊说： “气象学以前还没有能与之相提并论的事情。 ” 正如藤田的典型风格， 一旦他认为自己的假说是充分的， 他就把发展微 下击暴流的完整科学任务交给了其他人， 特别是威尔逊和 NCAR 的科学家

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们， 还有他在芝加哥大学的学生罗杰·脇本（Roger M. Wakimoto） 。龙卷风 先生还有其他关于风的秘密要去研究。但是他在救生史上扮演的就是那种 实现科学家救人梦想的角色。而且他有争议的靠直觉的科学风格很可能让 这个发现来得更早一些。 “藤田是第一次提出并最终证实下击暴流的存在的关键人物， ”威尔逊 写道， “毫无疑问没有他的贡献， 下击暴流也迟早会被发现， 但要以多大的代 价呢？” 龙卷风先生患有糖尿病， 还常常忍受腿部的剧痛， 尽管他从没抱怨过， 几乎除了他的家人没人发现他有慢性病。他 70 岁从芝加哥大学退休， 但仍 继续研究。甚至病痛使他无法下床时， 他仍在研究助理的帮助下继续工作 直到去世。他于 1998 年 11 月 19 日在芝加哥的家中逝世， 享年 78 岁。

Storm Watcher 28 安茨·利特马 孤掌难鸣 1997 年 6 月 17 日上午 10 点， 对于美国国家气候预测中心（Climate Prediction Center）主任安茨·利特马（Ants Leetmaa）而言， 这是一个决定性 的时刻。聚光灯打在身上， 他快步走上华盛顿国家出版局（National Press Club）的莫罗会议厅（Murrow Room）的讲台。正如他在准备报告时就已料 想到的那样， 炙热的探照灯仿佛刺穿了他的头皮， 令他感到一阵阵发麻。

这样一名科学政治家， 曾经的海洋学家， 正在冒着极大的风险， 去给一 群不愿意冒任何风险的人做报告。他要讲一讲他最新的研究成果： 一种过 去从未做过的预报。尽管不十分精准， 但却是美国人盼望已久的对未来更 长时间范围的天气预报。他知道， 不论自己如何小心措辞， 都有可能被打上 愚蠢、 甚至异想天开的标签。因为和其他气候学家一样， 他非常清楚美国媒 体的传统： 他今天所做的预报， 第二天必会登上各大报刊的头条。 从政府工作保守的传统来看， 他所选择的时点是完全错误的。因为即 使他在新闻出版局的言论和预报全部应验， 人们也要等到几个月后才能予 以确认。在这么长的等待过程中， 其他科学家同行有可能接受采访， 他们也 许会抛出反对他的言论。最糟糕的结局是， 如果最终他预报错误， 利特马将 像很多科学政客的下场一样， 如口香糖般被美国政府咀嚼一番然后吐掉。 261

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因此无论如何， 这都不是一件轻易就能说清楚的事。他就像魔术师一 样， 努力想把未来的时间和空间巧妙地缝合在一起并展示给人们看， 而人们 却并不适应这一切。通过对几千英里（1 英里约为 1.6 千米）之外的热带太 平洋 5 月海温的测量， 利特马选择勇敢地站在全国各大电视台的摄像机前， 他要告诉这个国家， 在接下来的冬天， 美国的天气将会变得怎样？他要仔细 地谈一谈人们最关心的温度和降水问题， 并警告这个国家西部和南部的人 民， 即将到来的冬天天气可能会很糟糕。 在此之前， 利特马还邀请了他的上司和其他美国国家海洋大气管理局 （NOAA）的同事一起参加这次演讲。能得到邀请， 分享镁光灯下的荣耀， 当 然是件好事。特别是对于搞政治的人来说， 这是在联邦政府体系中的必要 的生存之道。但是， 在报告当天， 却没有一个人接受邀请， 与他一同出席这 “辉煌”的场合。1997 年 6 月 17 日， 距离冬天还有 27 周之遥， NOAA 的当 权者们却选择让这位长期预报学者独自面对会议室的一切。他们的内心独 白竟是： “不去了， 非常感谢你的邀请。 ” 新闻局官员史蒂芬尼·肯尼茨（Stephanie Kenitzer）清点了一下摄像机 的数量和观众的人数， 就意识到利特马的报告会有多么大的影响力。美联 社（Associated Press）通过无线电公开报道了肯尼茨签发的新闻稿： “热带太平洋有一次很强的 El Niño 正在发展， ”新闻稿中如是说， “这 次海洋暖异常事件， 将给美国南部带来湿、 冷的冬天， 时间会从今年 11 月持 续到明年 3 月； 同时， 美国北方， 从华盛顿州东部到大湖区以西的地方， 将经 历偏暖的冬天。预报来自美国国家海洋大气管理气候预测中心（NOAA's Climate Prediction Center） 。 ” 由于对专业名词不熟悉， 美联社几乎照搬了官方新闻稿中对 El Niño 的描述： “这是一种热带太平洋地区海洋－大气系统的反常状态， 对全球天 气都有重要影响。比如： 美国南部和秘鲁的降水会增加， 甚至有时会引起洪 涝； 而巴西东北部、 非洲西南部和西太平洋诸多国家， 却会经历干旱。 ” 事实上 1997 年 6 月， 利特马通过华盛顿的出版局， 对全体国民进行了 一次科普教育： “这些是通过对典型 El Niño 年世界天气平均状况的合成研 究所得到的结果。当前的 El Niño 事件， 与 1957 年、 1972 年和 1982-1983 年发生的强 El Niño 事件非常相似。在那些年中， 美国南部的很多地方， 如

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图 28.1: 安茨·利特马工作时的照片

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加州， 都经历了一段强降水时期， 从当年 9 月到次年 5 月。 ” 利特马拒绝用专业词汇来传递他的观点， 他希望用普通人能听的懂的 话来说出他对气候的预测。本来他可以轻松地用那些专业词汇来掩盖预 测结果的不确定性， 比如： 海温距平； 南美沿岸的涌升流； 距平风场； 季节内变 率； 开尔文波； 向外出射长波辐射； 位势高度距平等等。华盛顿方面的气象学 家和专业听众， 可能更希望利特马用这样的语言来做报告， 以减少面对公众 的压力。但那些新闻记者和通讯员却并不了解那么多气候学的知识， 因此 也很难完全理解他。除非他能够得到公众的普遍谅解， 或者干脆他就是想 哗众取宠， 否则他为什么要提前半年就对公众发布冬季的天气预报呢？利 特马用通俗的语言， 清楚地这样回答道。 “我们十分担心， ”他说。 “这绝不是一次普通的 El Niño！” “这是有史以来第一次， 我们在初夏时节就观测到如此强度的特殊事 件。 ” “看起来非常像一次极强的 El Niño 事件， 不可能是弱的。 ” “它正在形成和发展， 将会对全球产生广泛而重大的影响。 ” “加州会降水偏多， 西南地区也会有较多的降水， 东南地区也是如此。 ” 《洛杉矶时报》的记者詹姆斯·格斯坦赞（James Gerstenzang）询问有关 El Niño 对圣塔安娜风（Santa Ana Wind， 冬季从南加州沙漠吹向太平洋沿 岸地区的风， 是一股热而干燥的风， 常导致南加州冬季森林大火的蔓延）的 影响。利特马说， 圣塔安娜风会受到抑制， 而且“也会变得湿润一些， 但不严 重。 ” 这种通俗的表达所带来的连锁反应却波及甚广。许多气候学家都对利 特马对 El Niño 及其对全球天气影响的预测持怀疑态度。他们都说利特马 走得太远， 报得太超前了， 他高估了现在的海温和未来天气之间的联系。格 斯坦赞观察到在场的很多海洋学家和气象学家甚至有这样的观点： “... 只 看到当前的状态， 就敢信誓旦旦把未来的某种可能性当作预报， 这是很不负 责任的。 ”

265 《今日美国》报的记者克里斯·卡佩拉（Chris Cappella） ， 就利特马所预 言的 El Niño 会抑制 1997 年大西洋沿岸飓风活动的言论， 采访了科罗拉多 州立大学的威廉·格雷（William Gray） ， 这名飓风专家回答道： “我不认为 El Niño 会对今年飓风的活动起任何主导作用。 ”后来的事实证明， 这是他一生 中最“差”的一次预报。 “我们有很多人都不信。 ”肯尼茨回忆道。在会议厅的观众中， 还坐着 美国气象学会的执行主席理查德·霍格恩（Richard Hallgren） ， 他很早就公 开指责过那些研究 El Niño 的学者： “搞 El Niño 的专家都是一群见风使舵 的人。我是说， 他们总是过于机会主义地冒进。 ”利特马后来提及过， 他一直 记得霍格恩站在他面前看他的那一眼： “他摇摇头， 对我所说的观点全然不 信。 ” 最终， 灯光熄灭， 报告结束。利特马走到肯尼茨身边轻声说： “上帝啊， 在 这里我真是孤掌难鸣。 ” 就这样， 他违背了气象学的传统思维； 拒绝了其他同事善意的劝告； 也 颠覆了科学界与政府间对话的保守传统。究竟他为什么要这样做？只因利 特马向来视风险为工作中最重要的一部分。这是第一次， 科学家们如此清 楚地探测到了热带太平洋上的特殊状况， 并意识到这有可能改变即将到来 的冬天整个世界的天气格局。不是一点点， 而是很大的改变！甚至很多人的 生命都要为此承担风险， 还有更多的财产需要保护。当利特马开始为这一 切担心时， 他领导的美国国家气候预测中心便果断采取了行动， 开启了新科 学的尝试。 在此之前的几个月， 利特马刚好喜欢上一本经济学家彼得·伯恩斯坦 （Peter L. Bernstein）写的书《颠覆上帝的旨意： 关于冒险的伟大故事（Against the Gods: The Remarkable Story of Risk） 》 。在报告中他也引用了这本书前 言中的一句话： “革命性的想法才是命运的主宰， 有没有这种想法就构成了 现代与传统相区别的边界。未来绝不是上帝的旨意； 男人和女人都不应该 在自然面前被动地接受。 ” “我们曾经以为， 自然中的一切都是随机的事件， 亦或是上帝的安排。 ” 利特马说道， 全新的气候科学， 已不完全是 El Niño 的问题， 甚至完全不是 El Niño 的问题， 而是关乎到“现代”与“传统”分野的问题！季节预报的科学，

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或曰气候预测的科学， 是关于如何看未来看得更远的问题， 要比过去任何时 代都要远！这将为人类的生活带来全新的视野， 比如起码可以了解即将到 来的冬季天气如何。这是让我们自己掌握命运、 而不再被动接受自然的安 排的伟大工作！ 仿佛公海游船上的一场赌博， 利特马已把一份新科学的信用押在了公 众的视线内， 而周围各色赌徒， 都虎视眈眈地盯着他手中的骰子， 等着看结 果。他非常清楚骰钟已经摇定， 就像很多长期预报的前辈一样， 此时此刻骰 钟的任何一点倾斜， 都有可能改变最后的胜率。利特马的困难就在于， 他只 有这一次摇骰子的机会。在接下来的几个月中， 季节预报或者应验为现实， 或者被当成痴人说梦、 彻底抛弃。 这就是利特马所说的“只有一次机会的预报”， 只有在所有条件都具备 的情况下才能祭出这种预报。气候预测的科学， 或曰“对季节的预言”， 首先 是由吉尔伯特·沃克（Gilbert Walker）爵士在 20 世纪早期通过统计方法建 立的。从沃克到雅可比·皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes） ， 再到杰拉姆·纳迈阿 斯（Jerome Namias） ， 这条主线的思考都集中在海洋与大气如何密切联系、 相互影响上： 当赤道太平洋海表的温度和气压明显远离平衡态时， 会导致几 个月后全球范围内一系列的天气异常。 这并不是这门新科学的全部， 在此之前和之后， 有更多关于大尺度海－ 气系统距平耦合的周期性规律， 被用于进一步提高气候预测的准确性上。 它们共同构成了“气候预测（climate prediction） ”这门新科学： 地球上不同 时间尺度上的异常现象， 也会发生彼此间的因果联系。在“周”的时间尺度 上， 大气波动每 45-60 天绕赤道传播一圈， 并激发出热带风暴， 影响西北太 平洋地区； 在“月”时间尺度上， 平流层西风强度， 也被华盛顿大学约翰·华莱 士（John M. Wallace）定义为北极涛动（Arctic Oscillation） ， 影响了北半球 中纬度不同纬带间的风暴路径； 在“年”时间尺度上， 有斯克里普斯海洋研究 所（Scripps Institution of Oceanography）定义的太平洋年代际涛动（Pacific Decadal Oscillation） ， 影响着美国西岸冬季的天气； 在 3-7 年的时间尺度上， 平均来讲， 就是厄尔尼诺与南方涛动（El Niño/Southern Oscillation）主导的 时段， 它们可影响全球范围内的季节性天气。 1997 年初夏， 利特马查看了太平洋海表温度， 发现它正在快速上升， 速 度前所未有。他感觉到有必要向全国公共灾难预警部门发布一条警告。但

267 是， 这并非气候预测中心的主任， 或任何气候部门的职员， 甚至海洋和大气 管理局（NOAA）试图发布全新预报产品的借口。因为到 1990 年代时， 人们 对赤道太平洋影响世界天气这个问题仍了解有限， 那些非确定性结论似的 温度变化图， 只会给数值模式和理论学家带来烦恼， 并且， 在几年之内都会 让人摸不着头绪。事实上， 那些使用计算机数值模式的预报员， 根本没有抓 1 住这次大机遇 。然而 1997 年， 这个星球确实为科学家们提供了这样一次 机遇。 当时利特马的预报依赖于两项重要的科学进展。1995 年末， 长达 10 年的《热带海洋与全球大气（Tropical Ocean and Global Atmosphere， 简称 TOGA） 》研究计划刚刚结束， 科学家们通过这项计划， 对太平洋的物理状况 建立了前所未有的清晰的图景。当赤道海温发生变化时， 大气快速响应， 科 学家们已经可以在第一时间掌握它们对全球天气的影响。这项出色的国际 合作研究计划还留下了重要的科学遗产： 一套强大的监测系统， 即足以覆盖 全球海洋近 1/3 面积的海洋浮标观测网。赤道太平洋因此就像被安装上了 心电仪一样。1997 年春， 这套浮标监测网发回了准确无误的信号： 一次明显 的“心脏病”过程正在发展中。 1996 年 12 月以来， 西太平洋发生了三次很强的西风爆发2 ， 在此作用 下信风已反转， 进一步激发海洋次表层开尔文波沿赤道太平洋东传， 改变了 直到南美沿岸地区的海水混合层热力结构。一大团暖水已准备就绪， 以步 行的速度向东传播。从 3 月、 4 月到 5 月， 暖水逐渐东移， 东太平洋的海表温 度也开始像着了火似的逐渐升高。这样的情况前所未有， 气象学家们既没 见到过海温升高这么快， 也没见过在一年中海温升高得这么早。到了 5 月， 虽然空前的早， 但利特马就已经对发生一次强 El Niño 事件很有把握了。

在利特马心中， 赢得这场赌博的法宝， 其实是数值模式强力支持但现实 还未充分验证过的一个结论： 每一次强 El Niño 事件的后果都高度相似， 至 少在那些全球范围内最主要的影响区域， 都是一样的。如果他是对的， 那么 当前正在发展的 El Niño 事件会造成和 1982-1983 年一样的结果， 而那一 1

1997 年当年对冬季天气的数值模式预报几乎全部失败， 因为没有模式计算出这么大的 El Niño 事件来。 2 在日界线附件的赤道太平洋上， 由 MJO 东传导致的强西风爆发事件， 通常被认为是 ENSO 的导火索。很强的西风爆发处， 南北可形成对偶状的热带风暴。

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次的 El Niño 被称为“厄尔尼诺怪兽（El Niño Monster） ”， 也被称为“世纪最 强厄尔尼诺（the El Niño of the Century） ”。如果他错了， 他将会输得体无完 肤， 比如： 若 El Niño 对天气的影响模态发生改变， 毫无疑问那些能源公司 定会打上门来， 连同很多无处避寒的老百姓， 声讨究竟是谁？究竟是什么地 方？出了问题！？ 随着预报新闻在全国上下的广泛传播， 各地气象台的气象学家渐渐发 现， 他们被追问最多的问题， 竟是他们从未准备过的。El Niño 如何影响沙加 缅度（Sacramento） ？如何影响布法罗（Buffalo） ？如何影响佩里亚（Peoria） ？ 为了减少冲突， 这些训练有素的气象学家纷纷很自然地选择对利特马的预 报表示怀疑。诚然， 大气确实能对边界条件有所反应， 海洋、 冰雪或土壤确实 能影响吹过它们表面的大气温度。但从经典气象学的角度来看， 每天的天 气预报仍然只是大气内部的调整问题， 任何风暴都不太可能是遥远的海洋 带来的结果。 利特马是在麻省理工学院完成的学业， 主修海洋学。那里有全美国最 好的气象学系， 由国际著名理论海洋学家亨利·斯托梅尔（Henry Stommel） 执掌。麻省理工学院的数值模式方向是由朱尔·查尼（Jule Charney）奠定的 理论基础， 并且诺曼·菲利普斯（Norman Phillips）也在那里写过一本相关的 名著。查尼、 斯托梅尔和菲利普斯， 这些伟大的科学前辈并没有想过热带海 洋是否能对全球天气产生决定性的影响。 “他们三人都不曾预料到你能预 报 El Niño， ”利特马这样说， “甚至全国所有的气象预报员， 都不曾在学校里 学过， 海洋和大气是密切耦合的系统。这是绝对全新的东西！” 6 月以后， 无论是利特马还是其他同行， 都没意识到科学界所传递的这 个信息， 会以多么快的速度向多么广的范围爆炸性传播。El Niño 很快成为 了人们流行文化中的一个常用词。以前， 气候科学与社会的运行井水不犯 河水。但时过境迁， 此时热带太平洋的海温正在持续升高， 大众媒体也因此 日渐关注气候学这一迷人的学科。利特马甚至发现， 他上的电视节目里， 有 时会出现各种官僚和政客与他同台讨论。到了初秋， 暖冬的迹象并不明显， 人们的关注点似乎转向了 12 月即将在日本召开的有关全球变暖的《联合 以及在加州进行的 1998 年选举。气候 国气候变化框架公约》缔约方会议3 ， 3

1997 年底， 在日本京都召开的此次缔约方会议， 达成了重要的有约束力的行动纲领《京 都议定书》 ， 该文本规定了发达国家在 2008-2012 年间承担定量减排温室气体的义务。

269 学家似乎一时被挤出了热闹的舞台中央。为了赢得政治的需要， 媒体广泛 宣传在加州召开的政府峰会与 El Niño 有关。为了迎合日本峰会的需要， 副 总统阿尔·戈尔（Al Gore）甚至甘冒政治风险， 将即将到来的 El Niño 说成 是全球不加节制的温室气体排放的典型后果。通过他的介绍， 政治评论员 们似乎都“明白”了 El Niño 的成因。 到处都充斥着愚蠢的争论， 有的很大声， 有的富有党派色彩， 有的则离 题万里。这让那些老兵都感到， 这仿佛是一场媒体无处立足的战争。也许这 将成为“本世纪最重大的气候事件（Climate Event of the Century） ”？也许 这将成为全球变暖的先兆？抑或这只是一场打着自由的旗号、 实为政府部 门间互相斗嘴的闹剧？纵观全国的媒体， El Niño 早已变成了电视台的热门 话题， 甚至变成了电台的一个节目， 而不再是气候科学的一个分支， 不再是 引领人们了解全球天气是如何运转的一个知识点。遗憾的是， 在一片喧哗 声中， 真正 El Niño 所能带来的灾难， 如印尼的森林大火； 如巴布亚新几内亚 的惨绝人寰的干旱和饥馑， 却都被美国的主流媒体抛到了脑后。 在媒体的喧嚣之外， 也有一些学者， 试图将围绕 El Niño 的话题带回到 更基础的科学和社会层面。其中典型的人物是华盛顿大学的知名气象学 家爱德华·萨拉奇克（Edward S. Sarachik） ， 他在西雅图对一个新闻简报的记 者说： “我不希望公众仅是知道这是本世纪以来最大的一次气候事件而已。 它确实是， 但， 我们更应该从中学习到如何利用气候信息和如何产生气候信 息。我想这才是我们为了面对 El Niño 以外的各种突发性气候事件所急需 学习的。 ” 在全国范围内， 还有一些学者持类似的观点。曾是查尼的研究生， 现为 乔治梅森大学的气候学家雅格迪·舒克拉（Jagdish Shukla）也说道： “真正在 这场媒体混战中被遗忘的最重要的东西， 其实是我们见证了一门新科学的 诞生。这门新科学就是气候预测。 ” 秋去冬来， 大雨如期而至， 冬季大大小小的风暴开始光顾美国加州、 美 国西南地区和美国东南地区， 正如利特马所预言的那样。美国北方整体经 历了一个异常干燥、 温暖的冬天， 气候预测中心曾预测说， 这样的情况也许 会一直延续到第二年 6 月。 不知道人们是否记得， 尽管媒体在此之前对这次预报极尽嘲讽戏谑之

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能事， 但事实证明， 美国政府发布的对 1997-1998 年冬天的这次气候预测， 是这个国家历史上最为成功、 最为准确的一次预测。当冬天过去时， 那些曾 经持怀疑态度的 El Niño 专家， 那些季节预报专家， 无不开始了热烈的讨论， 对专业内、 专业外的人开始大肆讲述这次预报的前前后后。 “我想这可能是一次革命， 一次对全国各地天气预报员、 甚至整个气 象学界的革命。 ”利特马后来在旧金山召开的美国地球物理联合会年会上 讲到。他很清楚眼下的万众瞩目都是浮云， 他对同行给予的赞许也毫不感 激。 “现在， 如果我预报得完全错误的话， 他们也许又会有另一番说辞： ‘瞧， 我们早就说过， 那些搞 El Niño 的人， 根本不知道他们自己在说什么。’ ”

附 录

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282 16. Henry Arnold , 亨利·阿诺德, 美国, 1886-1950 17. Svante Arrhenius , 斯凡特·阿伦纽斯, 瑞典, 1859-1927 18. Jacques Babinet , 雅克·巴比涅, 法国, 1794-1872 19. Alexander Bache , 亚历山大·贝奇, 美国, 1806-1867 20. Christophorus Ballot , 克里斯托弗·巴劳特, 荷兰, 1817-1890 21. Janet Basu , 珍妮特·巴素, 美国 22. William Belknap , 威廉·贝克纳普, 美国, 1829-1890 23. Alexander Bell , 亚历山大·贝尔, 美国, 1847-1922 24. Hiram Berdan , 希拉姆·贝丹, 美国, 1824-1893 25. Tor Bergeron , 托尔·贝吉龙, 瑞典, 1891-1977 , 见第21章 26. Armand Bergeron , 阿曼德·贝吉龙 27. Peter Bernstein , 彼得·伯恩斯坦, 美国, 1919-2009 28. Jean-Baptiste Biot , 让－巴蒂斯特·毕奥, 法国, 1774-1862 29. Vilhelm Bjerknes , 威廉·皮耶克尼斯, 挪威, 1862-1951 , 见第18章 30. Jacob Bjerknes , 雅可比·皮耶克尼斯, 美国, 1897-1975 , 见第20章 31. Erik Bjorkdal , 埃里克·比约克达尔 32. Joseph Black , 约瑟夫·布拉克, 英国, 1728-1799 33. Henry Blanford , 亨利·布兰弗德, 英国, 1834-1893 34. Louis-Napoléon Bonaparte , 路易－拿破仑·波拿巴, 法国, 18081873 35. Hedvig Borthen , 赫德韦格·博尔滕, 挪威 36. Edward Bowie , 爱德华·伯维, 美国

283 37. William Bowling , 威廉·鲍林 38. David Brewster , 大卫·布鲁斯特, 英国, 1781-1868 39. Marcel-Louis Brillouin , 马赛尔－路易斯·布里渊, 法国, 1854-1948 40. Charles Brooks , 查尔斯·布鲁克斯, 美国 41. Edwin Burch , 埃德温·伯奇 42. Jim Burton , 吉姆·贝顿, 英国, 43. Horace Byers , 赫拉斯·拜尔斯, 美国, 1906-1998 44. Richard Byrd , 理查德·比尔德, 美国, 1888-1957 45. Henry Cameron , 亨利·卡梅伦, 美国 46. Frances Capen , 弗朗西斯·卡彭, 美国 47. Chris Cappella , 克里斯·卡佩拉, 美国 48. James Capper , 詹姆斯·凯伯, 英国 49. Lord Castlereagh , 洛德·卡斯特勒利夫, 英国 50. Jacques Charles , 雅克·查尔斯, 法国, 1746-1823 51. Jule Charney , 朱尔·查尼, 美国, 1917-1981 , 见第24章 52. Stella Charney , 斯特拉·查尼 53. Ely Charney , 伊利·查尼 54. Frederick Church , 弗雷德里克·丘奇, 美国, 1826-1900 55. Phil Clapp , 菲尔·克莱普, 美国 56. Henry Clayton , 亨利·克雷顿, 美国, 1861-1946 57. Grover Cleveland , 格罗弗·克利夫兰, 美国, 1837-1908

284 58. Isaac Cline , 艾萨克·克莱恩, 美国, 1861-1955 , 见第15章 59. Cora Cline , 科拉·克莱恩, 美国 60. James Coffin , 詹姆斯·科芬 61. Thomas Cole , 托马斯·科尔, 美国, 1801-1848 62. Peter Collinson , 彼得·科林森, 英国, 1694-1768 63. John Constable , 约翰·康斯特勃, 英国, 1776-1837 64. Henry Coxwell , 亨利·葛士维, 英国, 1819-1900 65. George Cressman , 乔治·克里斯曼, 美国 66. John Dalton , 约翰·道尔顿, 英国, 1766-1844 67. William Dampier , 威廉·丹皮尔, 英国 68. John Daniell , 约翰·丹尼尔, 英国, 1790-1845 69. Charles Darwin , 查尔斯·达尔文, 英国, 1809-1882 70. William Davis , 威廉·戴维斯, 美国, 1850-1934 71. Léon-Philippe de Bort , 莱昂－菲利普·的波尔特, 法国, 1855-1913 72. Gaspard-Gustave de Coriolis , 贾斯帕 -古斯塔夫·科里奥利, 法国, 1792-1843 73. Charles Delaunay , 查尔斯·德劳奈 74. William Dines , 威廉·戴恩斯, 英国, 1855-1927 75. C. Douglas , C ·道格拉斯 76. Heinrich Dove , 海因里希·达夫, 普鲁士, 1803-1879 77. H. Dunwoody , H ·邓伍迪, 美国 78. Dwight Eisenhower , 德怀特·艾森豪威尔, 美国, 1890-1969

285 79. Nils Ekholm , 尼尔斯·埃科赫姆, 瑞典, 1848-1923 80. Vagn Ekman , 瓦格·埃克曼, 瑞典, 1874-1954 81. Arnt Eliassen , 昂特·埃利艾森, 挪威 82. Jared Eliot , 贾里德·艾略特, 美国, 1685-1763 83. John Eliot , 约翰·艾略特, 英国 84. James Espy , 詹姆斯·埃斯比, 美国, 1785-1860 , 见第5章 85. Michael Faraday , 迈克尔·法拉第, 英国, 1791-1867 86. William Ferrel , 威廉·费雷尔, 美国, 1817-1891 , 见第9章 87. John Finley , 约翰·芬利, 美国, 1854-1943 , 见第13章 88. Florus Finley , 弗罗斯·芬利, 美国 89. Robert FitzRoy , 罗伯特·费茨罗伊, 英国, 1805-1865 , 见第10章 90. Camille Flammarion , 卡米尔·弗莱马里恩, 法国, 1842-1925 91. Tim Folger , 提姆·福尔杰 92. Benjamin Franklin , 本杰明·富兰克林, 美国, 1706-1790 , 见第1章 93. Caspar Friedrich , 卡斯帕·佛莱里奇, 德国, 1774-1840 94. Catherine Fry , 凯瑟琳·弗莱, 英国 95. Elinor Frye , 埃莉诺·弗莱 96. Tetsuya Fujita , 哲也·藤田, 日本、 美国, 1920-1998 , 见第27章 97. Sumiko Fujita , 纯子·藤田 98. Robert Fulton , 罗伯特·富尔顿, 美国, 1765-1815 99. Dave Fultz , 大卫·福茨, 美国

286 100. Johann Galle , 约翰·加勒, 德国, 1812-1910 101. Dorothy Garnett , 杜若兮·嘉奈特, 英国 102. Joseph-Louis Gay-Lussac , 约瑟夫－路易·盖－吕萨克, 法国, 17781850 103. Stanley Gedzelman , 斯坦利·盖则尔曼 104. James Gerstenzang , 詹姆斯·格斯坦赞, 美国 105. James Glaisher , 詹姆斯·格雷舍尔, 英国, 1809-1903 , 见第3章 106. Johann Goethe , 约翰·歌德, 美国, 1749-1832 107. Al Gore , 阿尔·戈尔, 美国, 1948108. Ulysses Grant , 尤利西斯·格兰特, 美国, 1822-1885 109. William Gray , 威廉·格雷, 美国 110. Willis Gregg , 威利斯·格雷格, 美国 111. Harry Guggenheim , 哈利·古根海姆, 美国, 1890-1971 112. Beno Gutenberg , 本诺·古登堡, 德国、 美国, 1889 － 1960 113. George Hadley , 乔治·哈德利, 英国, 1685-1768 114. Edmond Halley , 埃德蒙多·哈雷, 英国, 1656-1742 115. Richard Hallgren , 理查德·霍格恩, 美国 116. Armauer Hansen , 阿莫尔·汉森, 挪威, 1841-1912 117. Robert Hare , 罗伯特·黑尔, 美国, 1781-1858 118. Mark Harrington , 马克·哈灵顿, 美国, 1848-1926 , 见第14章 119. Rose Harrington , 罗斯·哈灵顿, 美国 120. Benjamin Harrison , 本杰明·哈里森, 美国, 1833-1901

287 121. William Hazen , 威廉·哈森, 美国, 1830-1887 122. Alan Hecht , 阿兰·海奇特, 美国 123. Joseph Henry , 约瑟夫·亨利, 美国, 1793-1878 , 见第7章 124. John Herschel , 约翰·赫歇尔, 英国, 1792-1871 125. Helen Hilton , 海伦·希尔顿, 美国 126. Adolph Hitler , 阿道夫·希特勒, 德国, 1889-1945 127. Lawrence Hogben , 劳伦斯·霍格本, 英国 128. Jorgen Holmboe , 约尔根·霍尔姆波, 挪威、 美国, 1902-1979 129. Ben Holzman , 本·霍兹曼, 美国 130. John Hopkinson , 约翰·霍普金森, 英国 131. Henry Houghton , 亨利·霍顿 132. Luke Howard , 鲁克·霍华德, 英国, 1772-1864 , 见第2章 133. Elizabeth Howard , 伊丽莎白·霍华德, 英国 134. Robert Howard , 罗伯特·霍华德, 英国 135. Gardiner Hubbard , 加德纳·哈伯德, 美国, 1882-1897 136. William Humphreys , 威廉·汉弗莱, 美国, 1862-1949 137. Julian Hunt , 朱利安·亨特 138. Cecilia Hunt , 塞西莉亚·亨特 139. Frederick Hunt , 弗雷德里克·亨特 140. Thomas Huxley , 托马斯·赫胥黎, 英国, 1825-1895 141. George Inness , 乔治·英尼斯, 美国, 1825-1894

288 142. Andrew Jackson , 安德鲁·杰克逊, 美国, 1767-1845 143. Vincent Jakl , 文森特·亚克尔, 美国 144. John Jeffries , 约翰·杰弗里斯, 美国, 1744-1819 145. David Jordan , 大卫·乔丹, 美国, 1851-1931 146. Theodor Kármán , 特奥多·卡曼, 匈牙利、 美国, 1881-1963 147. Richard Katz , 理查德·卡茨, 美国 148. Franklin Kelsey , 富兰克林·凯尔西, 美国 149. Stephanie Kenitzer , 史蒂芬尼·肯尼茨, 美国 150. Irving Krick , 欧文·里克, 美国, 1906-1996 151. Gisela Kutzbach , 吉斯拉·库兹巴赫, 美国 152. Marquis Lafayette , 马奎斯·拉法耶特, 法国, 1757-1834 153. Jean-Baptiste Lamarck , 让－巴蒂斯特·拉马克, 法国, 1744-1829 154. Increase Lapham , 英克里斯·拉帕姆, 美国, 1811-1875 155. Pierre-Simon Laplace , 皮埃尔－西蒙·拉普拉斯, 法国, 1749-1827 156. Julia Larkin , 朱莉娅·拉尔金, 美国 157. Urbain Le Verrier , 厄本·雷维利尔, 法国, 1811-1877 , 见第11章 158. Ants Leetmaa , 安茨·利特马, 美国, 见第28章 159. John Leighly , 约翰·莱利, 美国 160. John Lewis , 约翰·刘易斯, 美国 161. Emmanuel Liais , 伊曼纽尔·李艾丝, 法国, 1826-1900 162. Charles Lindbergh , 查尔斯·林德伯, 美国, 1902-1974

289 163. Carl Linnaeus , 卡尔·林奈, 瑞典, 1707-1778 164. Elias Loomis , 埃利阿斯·卢米斯, 美国, 1811-1889 , 见第6章 165. Edward Lorenz , 爱德华·洛仑兹, 美国, 1917-2008 , 见第26章 166. George Lovejoy , 乔治·洛夫乔伊, 美国 167. Joseph Lovell , 约瑟夫·拉维尔, 美国, 1788-1836 168. David Ludlum , 大卫·勒德伦, 美国 169. Peter Lynch , 彼得·林奇, 爱尔兰 170. Charles Lynell , 查尔斯·莱尔, 英国, 1797-1875 171. Pierre Maille , 皮埃尔·迈尔 172. Edme Marié-Davy , 埃德姆·玛丽－大卫, 法国, 1820-1893 173. Charles Marvin , 查尔斯·马文, 美国, 1858-1943 174. John Mason , 约翰·梅森, 美国, 1799-1859 175. Matthew Maury , 马修·莫里, 美国, 1806-1873 , 见第8章 176. Thompson Maury , 汤普森·莫里, 美国 177. Alexander McAdie , 亚历山大·麦卡笛, 美国, 1863-1943 178. John McCarthy , 约翰·麦卡锡 179. LeRoy Meisinger , 雷罗伊·梅森格尔, 美国, 1895-1925 , 见第17章 180. Thomas Mendenhall , 托马斯·门登霍尔, 美国, 1841-1924 181. Knowles Middleton , 诺尔斯·米德尔顿, 法国 182. Eric Miller , 埃里克·米勒 183. Willis Moore , 威利斯·穆尔, 美国

290 184. Charles Moore , 查尔斯·穆尔, 美国 185. Samuel Morse , 萨谬·莫尔斯, 美国, 1791-1872 186. Julius Morton , 朱利叶斯·莫顿, 美国, 1832-1902 187. Walter Munk , 沃尔特·芒克, 美国, 1917188. Roderick Murchison , 罗德里克·莫奇森, 英国, 1792-1871 189. Albert Myer , 阿尔伯特·迈尔, 美国, 1828-1880 190. Jerome Namias , 杰罗姆·纳迈阿斯, 美国, 1910-1997 , 见第25章 191. Foster Namias , 福斯特·纳迈阿斯, 美国 192. Fridtjof Nansen , 弗里乔夫·南森, 挪威, 1861-1930 193. James Neely , 詹姆斯·尼利, 美国 194. Morris Neiberger , 莫里斯·纽伯格 195. Hubert Newton , 休伯特·牛顿, 美国, 1830-1896 196. Isaac Newton , 艾萨克·牛顿, 英国, 1642-1727 197. Florence Nightingale , 弗罗伦斯·南丁格尔, 英国, 1820-1910 198. Charles Normand , 查尔斯·诺曼德, 英国, 1889-1982 199. Denison Olmsted , 丹尼森·奥姆斯特德, 美国, 1791-1859 200. Halbert Paine , 哈尔伯特·佩恩, 美国, 1826-1905 201. Erik Palmen , 埃里克·帕尔曼, 美国, 1898-1985 202. Benjamin Peirce , 本杰明·皮尔士, 美国, 1809-1880 203. Matthew Perry , 马修·佩里, 英国 204. Sverre Petterssen , 斯维尔·皮特森, 挪威, 1898-1974 , 见第23章

291 205. Herbert Petzold , 赫伯特·佩措尔徳 206. Norman Phillips , 诺曼·菲利普斯 207. Henry Piddington , 亨利·皮丁顿, 英国, 1797-1858 208. George Platzman , 乔治·普拉兹曼 209. Siméon-Denis Poisson , 西蒙－丹尼斯·泊松, 法国, 1781-1840 210. Margaret Pollard , 玛格丽特·波拉德, 美国 211. Walter Powell , 沃尔特·鲍威尔, 英国, 1842-1881 212. Adolphe Quételet , 阿道夫·凯特莱, 比利时, 1796-1874 213. Eugene Rasmusson , 尤金·拉斯穆森, 美国 214. Ronald Reagan , 罗纳德·里根, 美国, 1911-2004 215. William Redfield , 威廉·瑞德菲尔德, 美国, 1789-1857 , 见第4章 216. Peleg Redfield , 皮莱格·瑞德菲尔德, 美国 217. Elizabeth Redfield , 伊丽莎白·瑞德菲尔德, 美国 218. Henri-Victor Regnault , 亨利－维克托·勒尼奥, 法国, 1810-1878 219. Francis Reichelderfer , 弗朗西斯·里奇德弗, 美国, 1895-1983 220. William Reid , 威廉·里德, 英国 221. Lewis Richardson , 刘易斯·理查森, 英国, 1881-1953 , 见第19章 222. David Richardson , 大卫·理查森, 英国 223. Vera Romanovskaya , 维拉·罗曼诺夫斯卡亚 224. Franklin Roosevelt , 富兰克林·罗斯福, 美国, 1882-1945 225. Carl-Gustaf Rossby , 卡尔－古斯塔夫·罗斯贝, 瑞典、 美国, 18981957 , 见第22章

292 226. Arvid Rossby , 阿维德·罗斯贝, 瑞典 227. Alma Rossby , 奥玛·罗斯贝, 瑞典 228. Jeremiah Rusk , 耶利米·鲁斯克, 美国, 1830-1893 229. Johann Sandstrom , 约翰·桑德斯卓姆 230. Edward Sarachik , 爱德华·萨拉奇克, 美国 231. Robert Serafin , 罗伯特·塞拉芬 232. Napier Shaw , 纳皮尔·肖, 英国, 1854-1945 233. Jagdish Shukla , 雅格迪·舒克拉, 印度、 美国, 1944234. James Smithson , 詹姆斯·史密斯森, 英国, 1765-1829 235. Charles Smyth , 查尔斯·米斯, 英国, 1819-1900 236. Halvor Solberg , 哈尔沃·索伯格, 瑞典, 1895-1974 237. Carl Spaatz , 卡尔·斯班茨, 美国, 1891-1974 238. James Stagg , 詹姆斯·斯塔格, 英国, 1900-1975 239. Edwin Stanton , 埃德温·斯坦顿, 美国, 1814-1869 240. Hilda Stawe , 希尔达·斯塔韦 241. Henry Stimson , 亨利·斯廷森, 美国, 1867-1950 242. Pringle Stokes , 普林格·斯托克斯, 英国, 1793-1828 243. Henry Stommel , 亨利·斯托梅尔, 美国, 1920-1992 244. Otto Struve , 奥托·斯特鲁维, 俄国, 1897-1963 245. Harald Sverdrup , 哈罗德·斯维尔卓普, 挪威, 1888-1957 246. Ivan Tannehill , 伊凡·坦尼希尔, 美国, 1890-1959

293 247. Benjamin Tasker , 本杰明·塔斯克, 美国, 1690-1768 248. Geoffrey Taylor , 杰弗里·泰勒, 英国, 1886-1975 249. Alfred Tennyson , 阿尔弗雷德·坦尼森, 英国, 1809-1892 250. Theophrastus , 泰奥弗拉斯托斯, 希腊, 371BC-287BC 251. Philip Thompson , 菲利普·汤普森 252. Alexander Tilloch , 亚历山大·蒂洛赫, 英国, 1759-1825 253. Joseph Turner , 约瑟夫·透纳, 英国, 1775-1851 254. Mark Twain , 马克·吐温, 美国, 1835-1910 255. Benito Vines , 贝尼托·瓦因斯, 古巴, 1870-1893 256. John von Neumann , 约翰·冯诺伊曼, 匈牙利、 美国, 1903-1957 257. Bernard Voto , 伯纳德·渥托, 美国, 1897-1955 258. Roger Wakimoto , 罗杰·脇本, 美国, 1953259. Frank Waldo , 弗兰克·沃尔多 260. Sears Walker , 西尔斯·沃克, 美国, 1805-1853 261. Gilbert Walker , 吉尔伯特·沃克, 英国, 1868-1958 , 见第16章 262. John Wallace , 约翰·华莱士, 美国 263. Jane Wallace , 简·华莱士, 美国 264. Alfred Wegener , 阿尔弗雷德·魏格纳, 德国, 1880-1930 265. Richard Weightman , 理查德·魏特曼, 美国 266. Norbert Weiner , 诺伯特·维纳, 美国, 1894-1964 267. John Welsh , 约翰·威尔士

294 268. Harry Wexler , 哈利·韦克斯勒, 美国, 1911-1962 269. Charles Wheatstone , 查尔斯·惠特斯登, 英国, 1802-1875 270. Samuel Wilberforce , 萨谬·威尔伯福斯, 英国, 1805-1873 271. Abigail Wilcox , 阿比盖·威尔考克斯, 美国 272. Lucy Wilcox , 露茜·威尔考克斯, 美国 273. Hurd Willett , 赫德·威利特, 美国, 1903-1992 274. James Wilson , 詹姆斯·威尔逊 275. Geoffrey Wolfe , 杰弗里·乌尔夫, 英国 276. Robert Woodward , 罗伯特·伍德沃德, 美国, 1849-1924 277. Morton Wurtele , 莫顿·瓦泰勒 278. Don Yates , 唐·耶茨, 英国 279. Thomas Young , 托马斯·杨 280. Vladimir Zworykin , 弗拉基米尔·佐里金, 俄国、 美国, 1888-1982

机构列表 1. Académie des Sciences 法国科学院 2. Albany Academy 阿尔巴尼学院 3. American Academy of Science 美国科学院 4. American Association for the Advancement of Science 美国科学促进会 5. American Meteorological Society 美国气象学会 6. American Philosophical Society 美国哲学学会 7. American-Scandinavian Foundation 美国－斯堪的纳维亚基金会 8. Army Medical Department 美国陆军医疗部 9. Army's Ballistic Research Laboratory 美国陆军弹道研究实验室

295

296 10. Associated Press 美联社 11. Benson Observatory 本森观象台 12. Bergen Forecasting Service 卑尔根天气预报服务 13. Bethany College 贝森尼学院 14. Board of Trade 英国海外贸易部 15. British Association for the Advancement of Science 英国科学促进会 16. British Meteorological Office 英国气象局 17. British Weather Service 英国气象局 18. Carneigie Institute 卡内基学院 19. Christiania University 克里斯蒂安大学 20. Cincinnati Chamber of Commerce 辛辛那提商会 21. Climate Prediction Center 美国国家气候预测中心 22. Connecticut Academy of Arts and Sciences 康乃狄克州艺术与科学学院

297 23. Daniel Guggenheim Fund for the Promotion of Aeronautics 丹尼尔－古根海姆航空促进基金会 24. Department of Agriculture 美国农业部 25. Durham College of Science in Newcastle 德姆理工学院 26. Eskdalemuir Observatory 埃斯科达勒姆观象台 27. Extended Forecast Division 延伸预报部 28. Federal Aviation Administration 美国联邦航空管理局 29. Franklin Institute 富兰克林学院 30. Friendly Association 友好协会 31. Friends Ambulance Unit 教友会救护小组 32. Geophysical Institute of Bergen 卑尔根地球物理研究所 33. Geophysics Institute 地球物理学院 34. Indian Famine Commission 印度饥荒委员会 35. Institute for Advanced Study 普林斯顿高等研究院

298 36. Interdepartmental Committee on Aeronautical Meteorology 跨部门航空气象学委员会 37. International Meteorological Commission 国际气象委员会 38. Johns Hopkins University 约翰－霍普金斯大学 39. King's College 国王学院 40. London Meteorological Society 伦敦气象学会 41. Meteorological Depatrment 气象厅 42. Meteorology Office 英国气象局 43. Michigan State Agricultural and Mechanical College 密歇根州立农机学院 44. Michigan State Normal College 密歇根州立师范学院 45. National Center for Atmospheric Research 美国国家大气研究中心 46. National Oceanic and Atmospheric Administration 美国国家海洋大气管理局 47. National Press Club 美国国家出版局 48. National Research Council 美国国家研究委员会

299 49. National Science Foundation 美国国家科学基金会 50. National Transportation Safety Board 美国国家运输安全委员会 51. National Weather Service 美国国家气象局 52. New York Free Academy 纽约自由学院 53. Radio Corporation of America 美国无线电公司 54. Scripps Institution of Oceanography 斯克里普斯海洋研究所 55. Signal Corps 陆军通信兵团 56. Smithsonian Institution 史密森尼学会（另译作史密森学会） 57. Society of Friends 公谊会 58. Swedish Royal Academy of Sciences 瑞典皇家科学研究院 59. U.S. Agricultural Society 美国农业协会 60. U.S. Coast and Geodetic Survey 美国海岸与大地测量局 61. U.S. Weather Bureau 美国国家气象局

300 62. University of Leipzig 莱比锡大学 63. University of Michigan 密歇根大学 64. University of Oslo 奥斯陆大学 65. University of Stockholm 斯德哥尔摩大学 66. Wesleyan University 卫斯理大学 67. Western Reserve College 西储大学 68. Woods Hole Oceanographic Institution 伍兹霍尔海洋研究所

出版物列表 1. About the Weather 《关于天气》, 书籍 2. Against the Gods: The Remarkable Story of Risk 《颠覆上帝的旨意： 关于冒险的伟大故事》, 书籍 3. American Ephemeris and Nautical Almanac 《美国星历表和航海年鉴》, 年鉴 4. American Journal of Science and Arts 《美国科学与艺术学报》, 学报 5. American Meteorological Journal 《美国气象学报》, 学报 6. Boston Transcript 《波士顿笔录》, 报纸 7. Bulletin of the American Meteorological Society 《美国气象协会公告》, 期刊 8. Charge of the light brigade 《轻骑兵冲锋》, 诗集 9. Charts of the Winds and Currents 《风和洋流图集》, 书籍

301

302 10. Chicago Tribune 《芝加哥论坛报》, 报纸 11. Crusade in Europe 《远征欧洲大陆》, 回忆录 12. Forecast for Overlord 《为帝王预报》, 书籍 13. Galveston Daily 《高维斯顿每日新闻》, 报纸 14. Gould's Astronomical Journal 《古尔德天文学报》, 学报 15. Journal of Atmospheric Science 《大气科学学报》, 学报 16. Journal of Meteorology 《气象学报》, 学报 17. Journal of the Franklin Institute 《富兰克林协会学报》, 学报 18. Journal of the History of Science 《科学史学报》, 学报 19. Los Angeles Times 《洛杉矶时报》, 报纸 20. Manchester Society 《曼彻斯特协会会刊》, 学报 21. Mecanique Céleste 《天体力学》, 书籍 22. Meteorologische Zeitschrift 《德国气象学家杂志》, 学报

303 23. Milwaukee Sentinel 《密尔沃基哨兵报》, 报纸 24. Monthly Weather Review 《每月天气评论》, 学报 25. Nashville Journal of Medicine and Surgery 《纳什维尔医学和外科学报》, 学报 26. National Geographic Magazine 《国家地理杂志》, 杂志 27. New York Herald 《纽约先驱报》, 报纸 28. New York Tribune 《纽约论坛报》, 期刊 29. North American Review 《北美回顾》, 书籍 30. Norwegian Academy of Science and Letters 《挪威科学院学报》, 学报 31. Of Me 《我的故事》, 回忆录 32. Philadelphia Inquirer 《费城调查者》, 报纸 33. Philosophical Magazine 《哲学杂志》, 学报 34. Playfair's Geometry 《普莱费尔几何学》, 书籍 35. Poor Richard's Almanack 《可怜理查德的年鉴》, 年鉴

304 36. Principia (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) 《自然哲学的数学原理》, 书籍 37. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 《英国皇家天文学会季刊》, 学报 38. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 《英国皇家气象学会季刊》, 学报 39. Review of Reviews 《评论的评论》, 期刊 40. Runkle's Mathematical Weekly 《朗克尔数学周报》, 学报 41. Science 《科学》, 周刊 42. The Atmosphere and The Sea in Motion 《大气与海洋的运动》, 书籍 43. The Atmosphere——A Challenge 《大气——一个挑战》, 回忆录 44. The Law of Storms 《风暴理论》, 书籍 45. The Origin of Species 《物种起源》, 书籍 46. The physical Geography of the Sea 《海洋地理学》, 教科书 47. The Weather Book 《天气手册》, 手册 48. Times 《泰晤士报》, 报纸

305 49. Times 《泰晤士报》, 报纸 50. Tropical Cyclones 《热带气旋》, 书籍 51. United States Magazine and Democratic Review 《美国国家杂志和民主评议》, 期刊 52. USA Today 《今日美国》, 报纸 53. Washington Evening Star 《华盛顿晚星报》, 报纸 54. Washington Star 《华盛顿星报》, 报纸 55. Weather Forecasting in the United States 《美国天气预报》, 期刊 56. Weather Prediction by Numerical Process 《数值过程的天气预报》, 书籍 57. Weathering the Storm 《经历风暴》, 回忆录 58. World Weather Records 《世界天气记录》, 书籍 59. Zadkiel's Almanac 《扎吉尔占星术》, 书籍

306

插图来源 1. 图 1.1 第6页 Wikipedia http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Franklin-Benjamin-LOC. jpg

2. 图 1.2 第9页 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/File:Usdollar100front.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:New100front.jpg

3. 图 2.1 第15页 Royal Meteorological Society http://www.rmets.org/weather-and-climate/image-gallery/search? page=3

4. 图 2.2 第17页 Wikipedia http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luke_Howard_blue_plaque. jpg

5. 图 3.1 第25页 Wikimedia http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/James_Whitbread_ Lee_Glaisher.jpg

307

308 6. 图 4.1 第34页 Wikipedia http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e2/PSM_V49_D524_ William_C_Redfield.jpg

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10. 图 8.1 第67页 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lt._Matthew_Maury.jpg

11. 图 9.1 第76页 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/William_Ferrel

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15. 图 11.2 第100页 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/File:Leverrier_grave.jpg

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34. 图 28.1 NOAA

第263页

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312

后 记 我们翻译这本书的初衷， 是想为所有踏进大气科学大门的年轻学生， 提 供一本有关气象学史的参考书。 长久以来， 由于大气科学本身的学科属性， 气象学史都是一个被人遗忘 的角落。即使从事大气科学工作的人， 也很难找到一个通畅的管道去了解 气象前辈的人生历程。那些伟大的前辈们， 他们的努力， 他们的思想， 他们的 挫折， 对今天的我们都是一笔难能可贵的财富。因此， 我们一直希望找到一 本有关气象学史的书， 既可以为我们自身补上这一课， 也可以供今后学习大 气科学的年轻人参考， 让他们在学习专业知识的同时， 作为课外书以提高学 习兴趣。 大气科学的历史通常可从三个线索展开： 气象观测仪器和设备的进步； 气象理论的演进； 以及气象学家人物史。本书从第三个线索切入， 向我们介 绍了 28 位著名气象学家的生平， 展示了这些科学巨人背后鲜为人知的生 活故事， 是一本以介绍西方气象学史为目的的科普人物传记。原著作者考 克斯（John D. Cox）是一名专业的科普作家， 他曾在美国麻省理工学院气象 系学习， 因此在书中能对专业内、 外的知识融会贯通， 向我们展示一幅全景 式的气象学英雄谱。2012 年初， 我们在看到这本书的第一时间， 就感觉这是 一份很难得的有关气象学史的资料。于是我们从 2012 年 3 月开始利用业 余时间翻译此书， 希望能让更多的朋友和同行， 特别是对大气科学感兴趣的 年轻人， 得以了解这些科学前辈身上的闪光点， 获得和我们一样的乐趣与感 动。这些伟大前辈的身影犹如海面上的灯塔， 在我们迷茫的时候能坚定我 们的意志， 引领我们的方向， 使我们不再感觉孤独和倦怠。

313

314 本书的翻译工作由我们三人合作完成。具体分工如下： 闻新宇翻译英 文版序言， 和第 4、 7、 10、 13、 16、 18、 19、 22、 25、 28 章； 贾喆翻译第 1、 2、 5、 8、 11、 14、 15、 17、 20、 23、 26 章； 朱清照翻译第 3、 6、 9、 12、 21、 24、 27 章， 并负责 全文审校和润色。此外， 吴书强尝试性地翻译了部分章节， 徐粼澄也给了我 们很大的鼓励。在此向四位同学的鼎力相助表示衷心的感谢！除了翻译原 著内容外， 我们为书中每个人至少配了一张肖像（格雷舍尔除外， 由于他英 年早逝， 我们找不到一张关于他的照片） ， 并在附录中给出了人名、 机构名、 和出版物的清单， 希望给读者提供更多的便利。 2013 年 3 月， 春寒料峭， 我们兴奋地完成了全部书稿的翻译工作。虽 然翻译过程中难免枯燥， 但我们常常感动于前辈科学家的高大背影而倍感 温暖， 那是无法用言语尽述的幸福。

闻新宇 2013 年 4 月

本书资助项目： 自然科学基金青年项目（41005035） 科技部“973”国家重点基础研究项目（2010CB428606） 自然科学基金重点项目（41130962） 中国科学院战略先导专项（XD2323223）

风暴守望者: 天气预报风云史 我们会将本书版税积累起来， 设立基金以做慈善之用； 同时， 我们更愿意向广大无收入群体 免费提供本书的 PDF 文档。本文档适合在 B5（250mm x 176mm）或 A5（210mm x 148mm） 幅面的纸上用“双面模式”打印成书， 黑白打印（以 ¥0.1/页计算）成本约 ¥30。