閱讀、思考、編程：現(xiàn)代氣象大師的范式
——記美國氣象學(xué)家諾曼·菲利普斯

■ 賈朋群

2019年3月15日，美國氣象學(xué)家諾曼·菲利普斯（Norman Alton Phillips，1923—2019年，圖1）去世，享年95歲。美國氣象學(xué)會(huì)發(fā)表的一篇紀(jì)念文章中，稱菲利普斯為現(xiàn)代氣象學(xué)的“巨人”，而他曾長期工作過的MIT，在相關(guān)新聞里稱其為“理論氣象先行者，展示了數(shù)值模式可以預(yù)報(bào)天氣并開發(fā)了首個(gè)地球氣候大氣環(huán)流模式”。隨著菲利普斯及其所代表的在20世紀(jì)中期創(chuàng)造性地開辟了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）方法的一代學(xué)者的相繼辭世，這些與最初的NWP理念建立和實(shí)踐緊密聯(lián)系在一起的氣象大師，將永駐全球氣象人的心中。菲利普斯的學(xué)術(shù)生涯中，圍繞氣象事業(yè)的幾次轉(zhuǎn)折，既留下了20世紀(jì)中后期的時(shí)代烙印，更有氣象大師的個(gè)人努力和時(shí)代機(jī)遇相結(jié)合的相得益彰的學(xué)術(shù)發(fā)展鮮明特征。

圖1 Norman Alton Phillips（1923—2019年）

1 第一次轉(zhuǎn)折：戰(zhàn)爭讓菲利普斯選擇了氣象

菲利普斯1923年7月9日出生在美國芝加哥，他的四位祖父母都是19世紀(jì)后期從瑞典移民到的美國，這讓他從小生活在多國氛圍下。菲利普斯在中學(xué)時(shí)，加入了學(xué)校的樂隊(duì)，他主吹法國號(hào)，也成為他一生的愛好。1940年高中畢業(yè)的菲利普斯進(jìn)入芝加哥大學(xué)，主修化學(xué)。然而一年后美國加入二戰(zhàn)中止了他的學(xué)業(yè)，也讓他第一次聽說了與戰(zhàn)爭相關(guān)的培訓(xùn)中，包含一門叫做“氣象”的課程，這一全新的概念立刻吸引了青年菲利普斯。他在加入美國空軍之前，先在空軍基地進(jìn)行了幾個(gè)月的軍事培訓(xùn)，又在密歇根大學(xué)進(jìn)行了6個(gè)月的物理和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，隨后在伊利諾伊空軍基地接受了9個(gè)月的氣象培訓(xùn)。

在完成這些培訓(xùn)后，本應(yīng)在大學(xué)校園里學(xué)習(xí)化學(xué)課程的菲利普斯，從1944年6月到1946年9月戰(zhàn)爭結(jié)束一直在美軍的幾個(gè)基地?fù)?dān)任氣象預(yù)報(bào)員，為盟軍的軍事行動(dòng)開展氣象服務(wù)。期間他為美國跨越大西洋的航線提供氣象支持，為此需要監(jiān)測大洋天氣的變化。他多次隨偵察飛機(jī)飛行，在實(shí)際大氣中領(lǐng)悟培訓(xùn)課程里在天氣圖上中標(biāo)識(shí)的冷暖氣團(tuán)、鋒面和低壓中心等系統(tǒng)，尤其是當(dāng)飛機(jī)以250 km的時(shí)速穿越鋒區(qū)時(shí)，他真切地感受到了大氣中的不連續(xù)。戰(zhàn)爭后期，他被調(diào)到通信部門，因此學(xué)習(xí)了編碼和通信線路等知識(shí)，這一看似有些偶然的崗位調(diào)整，卻為他后期專注于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)埋下伏筆。戰(zhàn)爭中氣象相關(guān)工作的經(jīng)歷雖然僅持續(xù)2年多一點(diǎn)，但二戰(zhàn)這個(gè)大熔爐足以讓菲利普斯感覺到氣象預(yù)報(bào)是吸引人的科學(xué)問題，如果成功解決這個(gè)問題，對社會(huì)的潛在影響會(huì)是巨大的。

1946年，戰(zhàn)后被授予第一中尉軍銜的菲利普斯返回芝加哥大學(xué)。早在戰(zhàn)爭結(jié)束前，菲利普斯就在思考如何改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)的問題。那時(shí)的他認(rèn)為，通過統(tǒng)計(jì)方法改進(jìn)預(yù)報(bào)是一條明顯的途徑。再次回到校園，菲利普斯選擇了統(tǒng)計(jì)課程，同時(shí)選修多個(gè)氣象課程。他分別在1947年、1948年和1951年獲得了氣象科學(xué)的學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。

芝加哥大學(xué)有當(dāng)時(shí)美國最強(qiáng)的氣象系之一，它是由羅斯貝于1939年創(chuàng)建的。菲利普斯在這里遇見了多位有名的氣象學(xué)者，包括：Horace Byers和Victor Starr等，以及當(dāng)時(shí)還年輕，后來成為著名學(xué)者的George Platzman、Dave Fultz、Herbert Riehl和Verner Suomi等。菲利普斯的碩士導(dǎo)師是Erik Palmén，在開始學(xué)位相關(guān)的氣象研究初期，他還深受挪威學(xué)派的影響，研究了冷空氣下沉與風(fēng)暴形成之間的聯(lián)系。

菲利普斯開始博士課題研究時(shí)，與同為博士生的郭曉嵐在一起，執(zhí)行羅斯貝的一項(xiàng)海軍課題。他們分別就診斷和模式分析方法以及正壓不穩(wěn)定展開研究。也正是在這一時(shí)期，菲利普斯注意到了成功實(shí)現(xiàn)NWP的主要貢獻(xiàn)者查尼的工作。那時(shí)，查尼已經(jīng)首次用正壓模式完成了大尺度空氣運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)。雖然很多學(xué)者理解查尼的研究主題，但知曉其中所利用的數(shù)學(xué)方法的人卻很少。具有很好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的菲利普斯這時(shí)問自己：是否可以用簡單的斜壓模式進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)？隨后在受到了羅斯貝所做學(xué)術(shù)報(bào)告的啟發(fā)，并在1952年夏天與查尼當(dāng)面交流后，菲利普斯最終完成了斜壓二層模式。

2 第二次轉(zhuǎn)折：追隨大師并最終成為大師

在菲利普斯即將完成博士論文時(shí)，已經(jīng)通過多渠道了解了他的學(xué)識(shí)和能力的查尼，就邀請其完成學(xué)業(yè)后，加入當(dāng)時(shí)剛剛完成世界上第一次成功的NWP試驗(yàn)的高級(jí)研究院（IAS）。1951年9月菲利普斯來到位于普林斯頓的IAS，加入查尼領(lǐng)導(dǎo)的NWP研究團(tuán)隊(duì)（圖2）。當(dāng)時(shí)該團(tuán)隊(duì)面臨人員緊張的困境，模式試驗(yàn)成功后，后續(xù)工作拓展并向業(yè)務(wù)化方向發(fā)展的重要任務(wù)需盡快得到階段性成果。菲利普斯加入后，全身心投入大氣環(huán)流模擬工作，讓NWP初期包含各種簡化的模式，能在天氣尺度上揭示出更多的全球環(huán)流特點(diǎn)，為其后續(xù)發(fā)展不僅提供了試驗(yàn)結(jié)果，更建立了模式作為研究和預(yù)報(bào)最有效工具最初的信心。期間，他與查尼合作發(fā)表了闡述正壓和簡單斜壓模式數(shù)值積分的重要論文，成為全球大氣環(huán)流數(shù)值模擬研究的一個(gè)重要起點(diǎn)，菲利普斯也因此成為大氣環(huán)流數(shù)值模擬研究的重要發(fā)起人。

圖2 Platzman(左1，菲利普斯的博導(dǎo))、菲利普斯（右2）和查尼（右1）1952年在IAS計(jì)算機(jī)房

菲利普斯在IAS期間，與查尼擰成一股繩維系創(chuàng)造了NWP輝煌歷史的ENIAC項(xiàng)目的后續(xù)工作。初期，計(jì)算機(jī)的極度不穩(wěn)定是影響效率的主要問題，同時(shí)針對模式運(yùn)行問題，需要在氣象和數(shù)學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行判斷和分析，才可能找到最好的解決方案。而查尼和菲利普斯優(yōu)勢互補(bǔ)，相互信任和高效合作讓項(xiàng)目組在NWP試驗(yàn)成功后，模式和研究內(nèi)容有了進(jìn)一步拓展。而實(shí)施這項(xiàng)工作的氣象組當(dāng)時(shí)僅僅有4個(gè)人：查尼、菲利普斯以及一位氣象學(xué)者和一位程序員。正是在這一時(shí)期，菲利普斯分別完成了兩篇重要論文，在查尼等人引入斜壓不穩(wěn)定突破性概念后，建立和完善了兩層準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式，可用于具體天氣形勢的分析。菲利普斯的這項(xiàng)工作，被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是世界上第一個(gè)大氣環(huán)流模式，一舉確立了其重要的學(xué)術(shù)地位。

5年后，美國第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC項(xiàng)目中的氣象小組的工作隨著以NWP成功并取得階段性成果而宣告結(jié)束，菲利普斯又與查尼一起于1956年來到MIT氣象系。MIT的氣象系由羅斯貝于1929年建立，是當(dāng)時(shí)具有最濃厚氣象底蘊(yùn)的美國大學(xué)氣象系。1957年菲利普斯成為副教授，1966年43歲時(shí)晉升教授，并在1970年到1974年擔(dān)任氣象系主任。

在MIT，他和查尼共同建立了氣象專業(yè)圖書館，大量氣象專業(yè)文獻(xiàn)一直是師生們能在研究領(lǐng)域保持領(lǐng)先的基礎(chǔ)。即使菲利普斯后來離開了MIT，他還不時(shí)回來造訪圖書館，學(xué)校也一直友好地為菲利普斯保留辦公室，方便他隨時(shí)使用圖書館資源。查尼于1981年去世，美國科學(xué)院邀請菲利普斯撰寫的查尼生平，菲利普斯也大多在圖書館完成，該生平收錄于美國科學(xué)院1990年出版的科學(xué)家生平著作中。

3 最后一次轉(zhuǎn)折：來到NWS是不忘初心使然

1974年，50歲的菲利普斯來到美國國家氣象局（NWS），在他應(yīng)邀在NWS做完一個(gè)學(xué)術(shù)報(bào)告，聽眾報(bào)以熱烈掌聲時(shí)，主持人宣布這位MIT的知名教授將加入NWS。人們露出的驚奇實(shí)際是在問：在校園里順風(fēng)順?biāo)姆评账篂槭裁匆獊硖藰I(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的水？實(shí)際上，與前兩次轉(zhuǎn)折是因?yàn)閼?zhàn)爭和項(xiàng)目結(jié)束而多少有些被動(dòng)不同，這時(shí)作為美國國家氣象中心（NWS的業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)，是NCEP的前身）首席科學(xué)家的菲利普斯，是在人生走過半個(gè)世紀(jì)后，在事業(yè)上的主動(dòng)選擇：即讓自己的學(xué)識(shí)真正能提升氣象預(yù)報(bào)能力。在NWS，直到1988年64歲時(shí)退休，菲利普斯都是在懷揣二戰(zhàn)期間讓天氣預(yù)報(bào)完美的“初心”，全身心地改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)的手段。

作為業(yè)務(wù)部門的首席科學(xué)家，菲利普斯在二戰(zhàn)期間的預(yù)報(bào)經(jīng)歷和在高校長期從事模式研發(fā)工作的經(jīng)驗(yàn)，深知?dú)庀髽I(yè)務(wù)能力的提升需要保持對新知識(shí)的不斷吸納。在“講座”時(shí)上任的菲利普斯，到任就在氣象業(yè)務(wù)部門定時(shí)開展學(xué)術(shù)講座。這個(gè)現(xiàn)在被稱為“棕色公文袋”的系列講座，從開始時(shí)的美國國家氣象中心，傳承到現(xiàn)在的NCEP并一直持續(xù)。例如，2016年NCEP就舉辦了17場講座①見賈朋群, 李婧華. NCEP講座：美國預(yù)報(bào)員的“加餐”. 科技信息快遞, 2016,(8).，平均每個(gè)月有3次左右。17次講座的主講人，分別來自NOAA、美國高校和NCAR，日本、英國、韓國、西班牙氣象部門，以及西班牙超級(jí)計(jì)算中心等機(jī)構(gòu)。17次講座，主講人來自美國國內(nèi)9人次，美國以外8人次，充分顯示了這個(gè)內(nèi)部機(jī)構(gòu)講座的國際化。17次講座中，針對模式和業(yè)務(wù)系統(tǒng)分別達(dá)到5次和3次，占主要部分；其他主題包括診斷（3次）、資料同化及驗(yàn)證（各2次）等。這些主題都和業(yè)務(wù)密切相關(guān)，特別是業(yè)務(wù)系統(tǒng)的講座，幾乎都是圍繞當(dāng)時(shí)正在開發(fā)的下一代模式系統(tǒng)展開。

在電子化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，菲利普斯的這項(xiàng)學(xué)術(shù)遺產(chǎn)被精細(xì)化設(shè)計(jì)以取得更好效果。例如，講座一般安排在中午時(shí)間舉辦，這樣有助于業(yè)務(wù)人員在不影響業(yè)務(wù)工作的前提下保證定時(shí)“充電”，了解部門內(nèi)外最新的相關(guān)進(jìn)展。講座提前一段時(shí)間通過專門的網(wǎng)頁提示下次講座的題目、報(bào)告人以及類似學(xué)術(shù)論文的報(bào)告摘要。報(bào)告結(jié)束后，在報(bào)告人許可的情況下，一般還能在網(wǎng)上共享報(bào)告人所做報(bào)告的課件，可以回味或摘引報(bào)告內(nèi)容。

在NWS，他將之前在大學(xué)課堂上講授的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)課程轉(zhuǎn)化為氣象局嵌入格點(diǎn)模式（NGM），這個(gè)區(qū)域模式是美國最早的區(qū)域分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，于1985年3月27日投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，直到2009年3月3日退出業(yè)務(wù)，是NWS少有的業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到24年的長壽命系統(tǒng)。因?yàn)橄到y(tǒng)好用和菲利普斯個(gè)人對該模式的巨大貢獻(xiàn)，美國的天氣預(yù)報(bào)員早就在圈子里將NGM解讀為了“Norm’s Good Model（菲利普斯的好模式）”。

菲利普斯在MIT培養(yǎng)出來的第一位氣象女博士Eugenia Kalnay回憶起她獲得學(xué)位后繼續(xù)講授菲利普斯開創(chuàng)的NWP課程，后來轉(zhuǎn)到NASA工作并最終又與菲利普斯在NWS成為同事。1987年，Kalnay擔(dān)任菲利普斯所在開發(fā)部的主任，這時(shí)她從學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)榉评账沟念I(lǐng)導(dǎo)，在與菲利普斯討論他的年度工作計(jì)劃時(shí)充滿忐忑。菲利普斯則在該年的工作計(jì)劃中用3個(gè)詞化解了她的擔(dān)憂，他寫到：1）閱讀；2）思考；3）編程。這個(gè)計(jì)劃不僅讓Kalnay充滿敬意，實(shí)際上也是先生一生氣象事業(yè)，特別是得到了“NGM”口碑原因的寫照：簡單中保持深度。

菲利普斯一生獲得很多學(xué)術(shù)榮譽(yù)，例如，1956年獲得英國皇家氣象學(xué)會(huì)第一個(gè)內(nèi)皮爾·肖獎(jiǎng)，1971年獲得美國氣象學(xué)會(huì)最高獎(jiǎng)羅斯貝獎(jiǎng)，1976年成為美國科學(xué)院院士，1987年在第十屆WMO大會(huì)上獲得出色講師獎(jiǎng)，1981年獲得NOAA局長獎(jiǎng)等。菲利普斯退休后依然勤于思考，最后一篇文章發(fā)表在他90歲高齡時(shí)。

會(huì)吹法國號(hào)的菲利普斯，在長達(dá)70年的氣象生涯里，為后人演奏了一曲動(dòng)人的大氣環(huán)流之歌。他的“閱讀、思考、編程”工作范式，簡單中透露了過去百年以來氣象學(xué)科發(fā)展的主旋律（數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)技術(shù)）為什么從無到有、從失敗一步步按照物理學(xué)和多學(xué)科應(yīng)用相結(jié)合的路走向巨大成功的奧秘。