罗斯贝与地球系统科学

罗斯贝(1898—1957)在20世纪气象学的爆发性发展中起了关键作用，但很少有人提及他对地球系统科学建立的贡献。文章用翔实的文献资料说明，通过他本人的直接倡导和对他学生和朋友们的间接影响，罗斯贝应当被认为是地球系统科学建立的重要奠基人之一。关键词 罗斯贝，地球系统科学，气象学 背景和缘由2021年度的诺贝尔物理学奖授予了复杂物理系统的研究，其中两位获奖者真锅淑郎和哈塞尔曼是气候学家，另一位获奖的理论物理学家帕里西也曾做过气候方面的研究[1]。

虽然对很多大气和气候学家来说，这是一份迟来的荣誉，在国外访学时就已经听过议论，认为真锅淑郎对全球变暖的研究有资格获得诺贝尔物理学奖)，但对国内外的物理学家们更加关注地球系统科学的发展，并引起他们的兴趣，仍是极好的事情。

地球系统科学是把地球的各个圈层当成有机联系的统一整体来研究的一门科学。

这些圈层包括大气圈、陆地、海洋、冰冻圈、生物圈、固体地球，甚至包括人类活动(人类圈)在内，传统上由地球科学的各分支学科来研究。

但随着这些地球科学门类的发展，也随着卫星遥感观测等高新技术的进步，更由于人类越来越意识到，人类自身活动导致的地球气候和环境变化，正在威胁到人类自身的生存和发展，因此有必要把地球当成一个有机整体来认识。

唯有这样，才能避免过去一百多年工业化时代以来人类无序活动对地球资源和环境的肆意破坏，转而在地球系统科学认识基础上，采取有序人类活动，达到可持续发展的目标[2]。

正是在这样的背景下，地球系统科学于20世纪80年代应运而生[3]。

在地球系统科学的诞生和发展历史中，现代气象学和大气科学起了独特作用。

这一方面是因为催生地球系统科学的全球性气候变化和大气污染等问题首先是作为气象学和大气科学问题而受到关注的。

另一方面也是因为在地学各学科门类中，气象学是最早从传统的描述性学科转向为建立在现代数学和物理学基础上的定量学科的。

正如“两弹一星”元勋，同时也是我国气象学数理科学化先驱的赵九章先生(赵先生原来学习物理学，是叶企孙先生的学生)在《现代气象学问题论丛》总序中所说的那样，“从现代的科学发展看，气象学是一门边缘科学，它一方面联系着当地的具体地理条件，有它的地域特点，另一方面则遵循着物理变化法则，而与数理科学有共同性。

”[4]这也就决定了现代气象学和大气科学对多学科交叉的内在要求，正如赵九章先生紧接着指出的那样：“通过各学科之间的相交渗透，近代气象学把物理、数学、力学、控制论、天文等学科的成就运用到本学科之内，使其开花结果，这不但推进了气象学的发展，反过来也推进了其他学科。

”[4]气象学发展反过来推进其他学科的一个突出例子是，气象学家爱德华·洛伦兹提出的混沌理论对物理学、生物学、经济学、社会学等领域所产生的巨大影响[5]。

而数值天气预报试验的成功则在很大程度上促进了计算数学和计算物理学的发展[6]。

在促使地球系统科学的诞生和发展中的独特作用，可以视为气象学发展推进其他学科发展的另一个恰当例子。

这很好地体现在这样一个基本事实：地球系统科学这一概念的提出，是建立在前期一系列国际性大气科学实验的基础之上[3]，而像地球系统的布雷瑟顿图(Bretherton Diagram)[7]，地质年代的“人类世”概念[8]，也都是由气象学家主导提出。

图1 卡尔-古斯塔夫·罗斯贝(1898—1957)[11]近年来国内外有多篇较为全面回顾地球系统科学产生、发展和演变的文章[3，9，10]，对人们深入认识这一学科很有益处。

但所有这些文章都没有提到很早于1957年逝世的现代气象学之父罗斯贝(Carl-Gustaf Rossby，图1)[11]在地球系统科学形成中的独特地位和作用。

本文将用翔实的文献资料说明罗斯贝无论是从其本人的科学思想、对相关科学研究的倡导，还是通过对他的朋友和学生的直接和间接影响，都无可争议地可以被认为是地球系统科学的重要奠基人之一。

这里仅简单地先举三个例子。

在获得诺贝尔自然科学奖的气象学家中，于1995年获得诺贝尔化学奖并提出“人类世”概念的保罗·克罗岑是以罗斯贝在斯德哥尔摩大学建立的数值预报小组的程序员身份开始其研究生涯，并在罗斯贝的学生伯特·博林指导下获得大气化学方面的博士学位。

而真锅淑郎也正是在罗斯贝的再传弟子诺曼·菲利普斯(查尼数值天气预报小组成员)的两层大气环流试验成功以后，由查尼数值天气预报小组的另一成员斯马戈林斯基邀请于1958年到普林斯顿开始其气候模式方面的工作的。

另外提出了现代混沌理论的气象学家洛伦兹也是罗斯贝的再传弟子。

从《运动中的大气和海洋》说起1957年7月，罗斯贝的学生和朋友们被邀请撰写论文，其目的是为庆祝罗斯贝六十寿辰出版一本体现罗斯贝科学贡献的文集。

但在邀请发出仅仅一个月后，罗斯贝就因心脏病突发而去世，这本拟议中的文集于两年后出版时自然也就变成了罗斯贝的纪念文集，也就是因一本书而成立了一个出版社1)的《运动中的大气和海洋》[11]一书2)。

文集编者在前言中写道，罗斯贝的去世对于世界科学和他的朋友来说，是失去了一位“以他个性的魅力和影响、才智的力量、不屈不挠的精神和能量而成为过去三十年中气象学爆发性发展的中心人物(His death, at the age of 58, deprived the world of science and his many friends of a man who, by force and charm of personality, power of intellect, and indomitable spirit and energy was a central figure in the explosive development of meteorology that has taken place during the past three decades)。

”就罗斯贝对整个气象学发展的贡献而言，这样的评价是恰如其分而毫无夸张的。

我们先来看文集的作者组成。

除了罗斯贝本人(他生前用瑞典语写的“气象学的当前问题”一文被翻译成英文放在卷首)以外，全书45位作者都是当时和以后几十年中国际大气和海洋科学界的领袖级人物。

这其中包括了气象学家小贝叶克尼斯(J. Bjerknes)、霍尔维兹(B. Haurwitz)、查尼(J. Charney)，海洋学家斯托梅尔(H. Stommel)、蒙克(W. Munk)等人，也包括了当时正领导新中国气象学发展的主将叶笃正、顾震潮、陶诗言等(其中叶和顾分别是罗斯贝在芝加哥大学和斯德哥尔摩大学的学生)。

再来看文集收录的论文构成。

除了上述罗斯贝的文章以及罗斯贝好友贝吉隆和早期学生拜尔斯介绍罗斯贝生平的两篇介绍之外，全书共分成“运动中的海洋”、“海洋和大气中的物质分布”、“大气环流”、“大气运动的特征”、“天气预报”五个部分38篇文章，科学内容非常丰富。

书中后面三个部分所反映的正是罗斯贝从1930年代开始对大气动力学做出革命性贡献的几个方面。

当时以罗斯贝为领袖的芝加哥学派在大气环流、不同尺度大气运动特性和天气预报尤其是数值天气预报的成就对气象学爆发性发展的贡献已经为世界所公认，而且这些领域正处在一个蓬勃发展的阶段，在以后的几十年中一直是、至今还是非常活跃的研究领域。

这里也包括了中国科学家的重要原创贡献，比如书中由叶笃正、陶诗言和李麦村所提出的“北半球大气环流在六月和十月的季节突变”和顾震潮所提出的“天气预报作为初值问题和演变问题的等价性”都是领先时代的重要科学思想[12，13]。

简单地说，这三个部分很好地反映了由罗斯贝所引领的气象学数理科学化方面的成就。

书中前两部分则反映了罗斯贝从1950年代开始关注和倡导的研究领域。

比如书中第一部分“运动中的海洋”收录的是小贝叶克尼斯的“北大西洋最近的增暖”一文(文献[11]，第65—73页)和小阿伦尼乌斯(1903年诺贝尔化学奖获得者阿伦尼乌斯的孙子)关于“海底的气候记录”一文(文献[11]，第121—129页)，反映了当时罗斯贝对气候变化问题的关注和倡导。

而第二部分“海洋和大气中的物质分布”则反映了罗斯贝指导其学生在大气化学问题、由于化石燃料燃烧引起的大气和海洋二氧化碳的变化问题、痕量物质在海洋和大气中的循环等问题的最早探索。

这些在书中还只是刚刚起步的领域恰恰是1980年代全球变化研究和地球系统科学的核心研究内容，而且书中的作者如查尼、博林和叶笃正等人后来也成为引领了从1960年代开始的“全球大气试验项目(GARP)”、“世界气候研究计划(WCRP)”和“国际地圈—生物圈计划(IGBP)”等一系列标志地球系统科学成立的大科学研究计划的领导人物。

值得注意的是，上面提到的两个方面并不是相互独立的。

在本文的后面部分将表明，一方面，对气候问题、大气化学和生物地球化学问题等关于地球系统科学的研究建立在大气动力学和数值天气预报的定量化研究的成就基础上；另一方面，这样的发展并不能简单地被认为是对后者的一种自然延伸。

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