百篇早年氣象文獻的梳理和回憶：螺旋式發展

■ 陶祖鈺

我和毛節泰老師都是于1956年進入北大物理系氣象專業學習的。1959年物理系氣象專業改為地球物理系。2019年是北京大學地球物理系成立60周年，為了回顧地球系這段歷史，毛老師收集了1935—1979年《氣象學報》和《北京大學學報》上刊登的從清華氣象系到北大地球系的115篇文章（見附錄），讓我讀后寫點什么。通覽目錄，瀏覽部分文獻后，鉤起逾半個世紀的回憶。正如古語所說的“溫故而知新”，感覺收獲頗多，確實有不少值得寫下來的東西。

1 螺旋式增加的論文數量

總計115篇文章中天動專業（天氣學和動力氣象學的簡稱）65篇，大氣專業（大氣物理學的簡稱）50篇，和兩個專業的教師數量比較匹配，發展比較均衡。

在時間上，1935—1949年只有4篇，可見在半殖民地半封建的社會環境中氣象科學是多么微弱。1951年激增至5篇，凸顯中華人民共和國成立初期活力的釋放。可惜僅是曇花一現，1952—1954只有2篇，側面反映院系調整、政治運動，包括戰爭（抗美援朝）等對學術活動的影響。

1955年轉入建設時期，在向科學進軍的口號下，論文數再次增至6篇，1957年達到高峰9篇。但1957年和1958年論文數又迅速降至2篇。1959年雖然短暫恢復至最高數量9篇，但1960和1961年又降到幾乎為零。雖然與1959—1961年三年困難時期（饑餓）有關，更可能和政治運動有關。1962年后學術研究再度活躍，1963年達到歷史的最高峰17篇。后面將提到的李其琛和謝義炳等兩篇領先世界的論文也都發表于這一年。我們56級是第一個6年制的年級，1962年上半年畢業論文時間充裕，人數又多，學生成為老師們科研的得力助手，對1963年的論文高峰也有重要貢獻。后來的很多論文中都能看到56級同學的名字。

1966—1977年國民經濟幾近崩潰，導致12年總共只有2篇論文。1978和1979年，論文數又迅速恢復到7篇和12篇。

總之，1935—1979年的45年間，論文數量呈現巨大的擺動和螺旋式變化。

2 黃廈千（1936，1937）：清華氣象臺首任臺長和氣象風箏

如果說北大氣象專業源于清華氣象臺，那么黃廈千很可能就是北大氣象專業的創始人。1929年黃廈千被派至北平接收北平氣象臺。該臺是氣象研究所的直轄臺，不同于現在的市氣象臺，并不承擔每天向公眾發布天氣預報的任務。同年應聘任清華大學氣象專業教員、清華氣象臺首任臺長，并同時兼任氣象研究所特邀研究員。清華氣象臺就是在他主持下建成的（1931年）。黃廈千1934年赴美國加州理工學院學習，回國后任“中央氣象局”首任局長（1941—1943年），后因違規被檢舉揭發而離職。

黃廈千的一個重要學術貢獻是1932—1934年在清華期間施放了不下90次的德制氣象風箏，開展高空觀測并從中歸納出華北上空全年氣團的基本類型，形成了《華北氣團之幾種范式》（1936）。為什么是風箏，而不是氣球？因為這些氣象風箏原屬于1927—1930年中國西北科學考察隊。施放氣球需要氫氣，不適合在西北荒漠地區使用。考察結束后剩余的氣象風箏都賣給了清華氣象臺。

3 李憲之（1935）：大氣環流的推薦

115篇論文的第一篇是李憲之的《大氣之週流》，即大氣環流。此文很短，主要介紹歐洲氣象學家的三圈環流模型。精彩之處是，在只有地面圖沒有高空圖的年代，李憲之將引起日常天氣變化的氣旋和反氣旋的垂直環流結構與三圈環流模型結合起來，繪出了一張大氣環流和天氣擾動相結合的立體模型圖（圖1）。其中既有緯向垂直剖面，又有經向垂直剖面；既有水平環流，又有垂直環流。李憲之的這篇開山之作，開創了北大氣象專業宏大的學術視野和三維空間思維的優秀學術傳統。沒有大氣環流視野的研究，有成為井底之蛙的危險；沒有三維空間的思維，有可能成為瞎子摸象。

圖1 李憲之論文中給出的大氣環流圖

4 謝義炳（1951）：科學的懷疑

懷疑，是科學的生命力所在；沒有懷疑，科學就成為僵尸。1951年謝義炳回國后首次發表的兩篇論文（短論），《高空注流強度的變化》和《冬季西太平洋及東亞大陸北部上空的溫度場及流場》。文章都很短，但特色鮮明，即：大膽懷疑。文中的高空注流，現稱高空急流，是大氣環流的重要成員。謝義炳在文中懷疑高空急流強度不變的假設，更質疑高空急流是水平混合所致的結論。他指出急流的變化是大氣質量的分布、垂直運動以及與之相關聯的能量轉換的結果。

對急流機理的質疑實質上是運動學和動力學之爭。混合理論只是動能的再分布，沒有回答動能的來源（能量的轉換）。動力學，才是尋找急流變化和發展機理的出發點，也就是“力”。謝義炳的質疑在今天仍有現實意義，如氣象界流行的“合并”“動量下傳”等詞匯和理論都是流于表面現象的說法。謝義炳的質疑顯示了一個剛回國不久的年輕科學家（時年34歲）開創未來的雄心壯志。

謝義炳和陳文琦撰寫的1955年“北京大學五四科學討論會氣象分會討論會”紀要，詳細記錄了討論會上各種意見的爭鳴，也是一個很有代表性的事例。

謝義炳從動力學角度刨根問底的科學精神，源自芝加哥大學和他的導師羅斯貝。它是北大氣象專業“科學的懷疑”這一優良傳統的直接源頭。比如，1957年《氣象學報》刊登了嚴開偉的兩篇短文，對仇永炎在鋒生函數計算和根據等熵面坡度計算空氣垂直運動的計算提出了不同意見，并得到了仇永炎的正面回應。1979年陳家宜（53級，首屆5年制本科）《對“近地層大氣湍流混合的規律性”一文的意見》則反映了科學精神在新一代北大教師中得到傳承。

又如，濮培民《大氣邊界層物理》一文（1963），不僅相當全面地總結了這本蘇聯教科書在理論的系統性和實踐的應用性方面的優點，也實事求是地指出了該書的不足。這種實事求是的科學精神在當前的書籍推介中應該得到傳承。

5 仇永炎（1952）：最早得出北方暴雨與熱帶天氣系統有關的結論

某年8月1—3日，華北普降暴雨，清華氣象臺記錄到24 h雨量達163.9 mm的大暴雨。時值抗美援朝戰爭期間，氣象資料屬于保密范圍，故一律使用“某年”。論文《夏季西太平洋及東亞熱帶波動的運行及結構》（1952）是仇永炎對此例的研究，結論是熱帶波動北上造成了華北暴雨。后來發生的歷次北方特大暴雨，如1963年8月河北特大暴雨、1975年8月河南特大暴雨等，一再證明仇永炎論斷的正確。現在大家熟知的“七下八上”北方大暴雨是高低緯度系統相互作用的觀點，其源頭可追溯到仇永炎的這篇論文。這篇文章是仇永炎天天在氣象臺分析天氣圖的產物，更是他科學敏感性的體現。曾慶存在回憶錄中講了多個當年仇永炎老師在課堂上密切聯系中國天氣實際大膽思考的故事。

仇永炎1962年的《地轉渦度尺》一文也是一篇很有歷史特色的文章。在沒有計算機可使用的年代，計算尺是提高計算效率的常用辦法。仇永炎為了計算天氣圖上的地轉風渦度，自己動手設計專用計算尺。這種腳踏實地孜孜以求的精神貫串仇永炎的一生，到晚年還不畏艱難學會了在計算中心上機計算，在同齡人中絕無僅有，非常令人感動。

6 嚴開偉（1955）：對垂直速度的嚴謹推斷

大氣的垂直運動決定天氣的好壞，但垂直速度非常小，直接測量幾乎不可能。嚴開偉利用氣球實際升速和理論升速之差推斷大氣垂直速度的論文《根據廣州上空氣球升速與大氣層結構之關系推斷大氣垂直運動》（1955）詳盡給出了“推斷”的科學依據，特別是對氣球升速的觀測誤差的來源所做的詳盡分析，其嚴謹性堪稱典范。由此推斷出來的垂直速度令人不得不信服。

我們這些曾經聽過他講課的年輕學生，對嚴開偉老師的嚴謹性一點印象也沒有。相反，廣為流傳的笑話大家卻都記得，嚴開偉老師寫錯別字，“烏”“鳥”不分。今讀此文，對年輕時的愚鈍深感愧疚。這件事或許從側面反映了嚴開偉老師樸實無華的個性。

這篇論文還為我找到了一個重要問題的答案，即以英國氣象學家Dines命名的達因大氣質量補償原理為什么是在20世紀初的氣球觀測中獲得的。

類似的論文還有1956年李其琛發表的《對蘇聯札依齊柯夫用梳齒式無線電探空儀測量自由大氣垂直運動方法的改進意見》。李其琛是1954年畢業留校的氣象專修科學生。這篇由剛畢業兩年的助教撰寫的論文所展現的嚴謹性，可以推斷是從嚴開偉老師那里得到的。當時的氣象專業，謝義炳是天氣動力學方面的帶頭人，嚴開偉是大氣物理學方面的帶頭人。嚴開偉和李其琛的嚴謹性很可能不僅僅體現在科學研究上，或許也是他們倆對待生活的態度。

7 李其琛（1962）：天才的雷達氣象方程

關于開創性的雷達氣象方程的國際影響力的故事早已聽說，今天一睹原文，深被李其琛的天才折服。從1952年考入北大到1962年發表這篇論文，李其琛當時大致相當于現在博士剛剛畢業的狀態。《云和雨的相干散射與雷達氣象方程》，無論是在提出問題的立意、物理模型的設計，還是數學推導的嚴密都可稱典范，值得全系每位師生閱讀。要在學術界不是跟隨而是領跑，就須向李其琛學習。

李其琛在致謝中特別感謝趙柏林對他的指導和幫助。后者是留學蘇聯的博士，文中引用的參考文獻也有一半是俄文。蘇聯的科學研究以嚴謹和深刻著稱。20世紀50年代初，中國全面學習蘇聯，加上從歐美回國的科學家，使李其琛等中國自己培養的第一代青年科學家能博采歐美和蘇聯的眾長。記得我們這批20世紀60年代留校的助教，在已經學過第一、第二外語（英語和俄語）的基礎上，自學或進修日語、德語、法語的積極性都很高。可見當時的國際視野之廣闊。

李其琛（1963）的《大氣折射率起伏對雷達波的散射》也與吸收蘇聯科學傳統有關。現在普遍應用的風廓線雷達原理也是這篇文章奠定的。文中對晴空回波機理的系統性分析對今天仍有指導意義。文中對“仙波”（也稱“鬼波”）機理所做的分析，遠比現在流行的源自美國學者的昆蟲回波假設更科學。

據李其琛的同學、室友和同事陳受鈞講，李其琛自己最欣賞的文章卻是《雷暴活動所引起的地球大氣電場分布問題》（1966），這篇文章的發表曾經有過周折，但文章中的確有天才火花的閃耀，值得今天細讀。

8 謝義炳和陳受鈞（1963）：臺風和低頻震蕩——半個世紀后的發光

與李其琛類似的開創性工作是謝義炳和陳受鈞于1963年發表的《東南亞基本氣流與臺風發生的一些事實的統計與分析》。最近美國氣象學會會刊刊登了一篇名為《1963年中文期刊刊登的一篇論熱帶季節內振蕩的論文》（2018）的論文。此文的作者都是華人學者，第一作者是夏威夷大學的李天明，其他6位來自美國海軍研究院、NOAA太平洋環境實驗室、馬里蘭大學以及臺灣大學。文章指出，謝義炳和陳受鈞研究報告中揭示的亞洲季風區40～50 d振蕩，比Madden和Julian（1971）的發現早了8年，而后者被命名為Madden-Julian Oscilation（MJO）。

同時，李天明等還指出寫此文的目的是要證明謝義炳和陳受鈞發現的季內振蕩與臺風的關系，比國外發現的MJO相態和臺風發生之間的相關性早了30多年。該文用50多年后更完整的數據和更客觀定量的分析方法，用科學事實證明1963年謝義炳和陳受鈞工作的開創性。

謝義炳和陳受鈞的開創性工作直到半個世紀后的2018年才被重新確認。歷史再次證明，是金子總會發光的真理。陳受鈞和李其琛是1952年因國家急需氣象人才而開設的二年制專修科同班同學。謝義炳曾回憶他是如何動員一部分新生放棄本科改讀專科，并親任班主任。很多專科班的畢業生都談到謝義炳一生關注、關懷專科班學生的感人事跡。歷史也再次證明，國家和社會的需求是學科和人才成長的根本動力。

9 陳秋士（1963）：解答地轉適應理論從二維到三維的難題

陳秋士和李其琛、陳受鈞同為52級，但陳秋士是四年制的本科。地球在不停地自轉，高空大氣西風帶的準地轉平衡特征及波與渦旋的形態，都與地球自轉密切相關。地轉適應理論是羅斯貝提出的基本理論問題。其本質是大氣質量場（即氣壓場）和運動場（即風場）之間的適應。大尺度系統，是風場向氣壓場適應；中小尺度，是氣壓場向風場適應。一般的適應理論都只能討論二維的地轉風平衡的實現或維持。但地轉風隨高度改變，如何解釋不同高度的風會同時地轉適應，是一個理論難題。

陳秋士（1963）的《簡單斜壓大氣中熱成風的建立和破壞》一文就是對三維適應問題的回答，因為熱成風就是地轉風隨高度的變化。陳秋士的熱成風適應理論與以ω方程為核心的準地轉適應理論（今天常稱為QG理論）在本質上是相同的。后者在Holton于1972年出版的《動力氣象學引論》中第一次對斜壓擾動高低空相配合的準地轉變化做了系統闡述。

陳秋士是謝義炳的研究生。重視基礎理論問題，也是北大的學術傳統之一。

10 淡出視野的中長期預報

在天氣預報水平普遍不高的年代，中長期天氣預報的研究反而比現在更受重視。在115篇論文中有不少大氣環流變化規律的研究，如西風指數循環、北半球波譜分析和周期分析、季節變化和季節突變等。目的都是為了尋找中長期天氣變化的規律和中長期預報的方法，特別是梅雨、寒潮、旱澇等與國計民生密切相關的重大氣象災害的預報問題。最具代表性的是王紹武發表于《氣象學報》的《北半球500毫巴月平均環流特征及演變規律的研究——西風指數》（1963）、《北半球500毫巴月平均環流特征及演變規律的研究——超長波》（1964）及《近90年大氣環流的振動》（1964）。謝義炳1959年的《關于長期天氣預報的一些意見》一文對長期預報做了系統的分析。陳受鈞1962年的《大型天氣轉變過程中北半球波譜的分析》一文也是這方面工作的一個代表。

但是，實際上大氣中的振動、周期、波、循環等都很不嚴格。例如西風指數循環最短只有15 d，最長可到七八十天。根據如此變化不定的周期來做預報當然是不可能的。人們最關心的梅雨也是如此，平均是6月下旬到7月上旬，但年年不同。最早在5月下旬入梅。出梅也同樣年際變化巨大，以致被稱為二度梅。更有甚者，有的年份沒有梅雨被稱為空梅。梅雨期預報，過去是中長期預報會商的重點，但預報效果卻難以確定。所以梅雨預報現在已很少提及。當然，梅雨作為一個氣候概念還是有其科學價值的。

剛留校時給我安排的科研方向是中期天氣過程，也叫作大型環流過程，以示與一般“槽來脊去”的天氣過程相區別。最初兩年曾經花了很多時間設計和計算各式各樣的西風指數。最后也沒找到一種可用來做預報的指數循環規律。

現在有了數值模式，上述這類工作已基本上很少再有人注意。究其原因，季節變化、循環周期等都是統計意義上的現象，而中長期預報要求的是確定性預報。二者無法調和。當然，如果把中長期預報理解為概率預報，這個矛盾就不存在了。記得20世紀80年代末曾經請王紹武把他根據氣候變暖趨勢制作的一張未來10～20年中國旱澇長期趨勢的預報曲線張貼在預報臺。他對我解釋說，雖然曲線是逐年的預報，但它表示未來10年內澇年偏多，或某年澇的概率偏大。幾十年過去了，90年代發生了多次大范圍的嚴重洪澇，如1991年、1996年和1998年等，的確概率偏大，證明王紹武的氣候趨勢預測是正確的。

11 圓盤實驗

被地球引力吸附在地球表面的大氣層無法在實驗室里復制。用中間冷卻四周加熱的旋轉圓盤中的液體代表大氣是一種近似的實驗方法。圓盤實驗雖然沒有β效應，但照樣可以復制出與西風帶長波類似的波狀流型，所以曾經紅極一時。北大和中科院大氣物理研究所都仿效芝加哥大學建立了圓盤實驗室。圓盤實驗的成果——《軸對稱加熱條件下圓盤實驗中波的轉變過程的初步分析》（付克莊，1979）——直到“文化大革命”結束后才刊出。由于實驗中模擬出了流型的轉變（3波和4波之間的轉變），所以被認為實驗獲得了重大的成果。在實際大氣中，北半球西風帶波數的變化常和劇烈的天氣變化相聯系，如寒潮。無須多言，圓盤實驗也已成為消失的過去。重提此事，目的是為說明在歷史的長河中，有很多東西會消失，無論它當時看起來是多么高大、先進。

當年的圓盤實驗室位于物理樓北樓一層。我在五年級寫學年論文《大氣環流問題的讀書報告》時，曾經在實驗室待過一學期。當時正值三年困難時期，為了減少能量的消耗，許多活動都停止了，十分冷清。一個人在實驗室看書，寫了很多筆記，可惜現在全不記得了。

12 趙柏林（1978）：援越抗美的無球探空

“文化大革命”期間，趙柏林主持研究的無球探空，是指用地基微波遙感代替氣球探測大氣溫度層結。任務來源于越戰期間，為避免隱藏在叢林中的中國空軍機場因施放探空氣球而被美軍發現，空軍提出能不能發明一種不需施放氣球的探空方法。

這項研究成果——《遙感大氣溫度層結的微波輻射計之特點》——也是到“文化大革命”結束后的1978年，才在《北京大學學報》上發表。參與研制的還有大華儀器廠和上海氣象儀器廠，具有產學研結合特點。軍事需求，使無球探空成為“文革”中能夠進行的極少數科研項目之一。

同年發表的《微波遙感云天大氣層結》，是對多波段微波遙感可行性的理論分析，預見了微波遙感應用的廣闊前景。現在，多波段微波遙感，已成為衛星探測中最重要的手段，并在數值天氣預報、氣候模擬和大氣環境監測中都有舉足輕重的作用。科學史上，戰爭是科學的巨大推動力的例子舉不勝舉。這種狀態至今未變。這既是科學的悲哀，也是人類的悲哀。

13 謝義炳（1978）：北方暴雨——一個新階段的開始

旱澇災害是中華民族幾千年歷史上最關心的自然災害。謝義炳從碩士研究論文《清代水旱災之周期研究》（1943，導師涂長望）開始就關注中國降水問題。涂長望是九三學社創始人之一，中華人民共和國的第一任氣象局局長。留英時是留學生組織“反帝救亡大同盟”成員，曾在英國參加第三國際領導的秘密活動。涂長望關心國家和民生的傳統傳給了謝義炳。1954年長江和淮河特大暴雨洪澇災害后，降水問題更成為謝義炳研究的重點，如《中國夏半年幾種降水天氣系統的分析研究》（1956）、《十年來我國降水問題的研究工作》（1959）。

在《中國東部地區夏季水汽輸送個例計算》（1959）中，謝義炳對降水預報研究做了系統性思考，其中水汽的內循環和外循環觀點至今仍有非常重要的指導意義。謝義炳的預報思路和目前廣泛流行的思路“孟加拉灣水汽”有很大不同。在實習臺討論天氣時，謝義炳經常強調華南和長江流域濕熱的稻田農耕區是北方暴雨的水汽源地。

1978年，謝義炳的一篇論文《動力分析及其在天氣預報中的應用》（《北京大學學報》）重點介紹1976年3月受“華北、東北、西北氣象科學研究合作會議”委托，成立“75·8”暴雨北京會戰組，對河南特大暴雨的動力學分析。文中系統闡述了動力學診斷分析的意義、起源和它的正確含意。強調通過計算機數值求解ω方程的各個強迫項以獲得各天氣成因貢獻大小的確定性結論的重要性。

1976年開始的一波北方暴雨研究高潮，直到1992年《北方暴雨叢書》出版才告結束，前后持續了近17年。謝義炳突出強調潛熱反饋作用的濕斜壓天氣動力學理論就產生在這個階段。謝義炳曾經提到，斜壓理論是運動場和質量場之間的地轉平衡理論，而濕斜壓理論是在溫度之外再增加一個變量——濕度場。它是包括水汽潛熱在內的濕能量平衡理論。所以，這是一個新階段的開始。當代非靜力數值模式的應用，無不顯示出潛熱反饋在濕對流過程中的重要性。早在1959年，謝義炳在《天氣學基礎》一書中關于平衡的一段話是理解濕斜壓理論的關鍵。他說，平衡不是絕對的，是動態的平衡。天氣過程的本質就是由一種準平衡狀態過渡到另一種準平衡狀態。

回想起來，1985年謝義炳派我去英國雷丁大學氣象系做訪問學者可能是希望我跟隨系主任Pearce教授做診斷分析研究，因為Pearce教授任英國氣象學會主席的就職報告主題就是倡導診斷分析。可惜當時我還沒有學習計算機編程，不能從事診斷計算，沒有實現謝義炳老師的希望。

14 結束語

辯證法認為，一切事物都是螺旋式發展，不可能是直線前進的，總有曲折，需要不斷調整。就像大氣中的適應過程一樣，平衡不斷被破壞，又不斷重建。人能做的，僅限于不要讓曲折太大，更要避免崩潰。

歷史長河，大浪淘沙。百篇早年氣象文獻只是時間長河中很短的一段。最后借用陶淵明詩作為結束：

縱浪大化中，

不喜亦不懼。

應盡便須盡，

無復獨多慮。

深入閱讀

陳學溶, 2012. 我所知道的黃廈千博士. 中國科技史雜志, 33(3):366-370.

Lewis J M. 2014. 卡爾·古斯塔夫·羅斯貝：對其導師制的研究. 尹仔鋒,譯. 氣象科技進展, 4(6): 95-105

S.佩特森,1958. 天氣分析和預報. 陳成樞, 譯. 北京: 科學出版社.

曾慶存, 2011. 仇永炎教授的治學和教育風范與對學生的關懷//北京大學物理學院大氣與海洋科學系. 勤勤懇懇教書育人——紀念著名氣象學家仇永炎教授. 北京:氣象出版社.

Li T, Wang L, Peng M, et al, 2018. A Paper on the Tropical Intraseasonal Oscillation Published in 1963 in a Chinese Journal. Bulletin of the American Meteorological Society:BAMS-D-17-0216.1.

Liebmann B, Hendeon H H, Glick J D, 1994. The relationship between tropical cyclones of the western Pacific and the Indian Oceans and the Madden-Julian Oscillation. J Meteor Soc Japan,72(3): 401-411.

Madden R A, Julian P R, 1971. Detection of a 40-50 day oscillation in the zonal wind in the tropical Pacific, J Atmos Sci, 28: 702-708.

附錄：毛節泰老師收集的115篇論文的主要作者、發表年和題目