高學(xué)浩 陳正洪

（中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

大氣科學(xué)原始創(chuàng)新的學(xué)科背景視角

高學(xué)浩 陳正洪

（中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

基于氣象科技史的研究，探索大氣科學(xué)發(fā)展的某些創(chuàng)新規(guī)律，通過對比分析揭示出數(shù)學(xué)和物理等理科背景對于大氣科學(xué)的原始創(chuàng)新具有重要作用。這種規(guī)律與大氣科學(xué)自身發(fā)展有密切關(guān)系，也是大氣科學(xué)本質(zhì)決定的。分析表明學(xué)科背景規(guī)律對人才培養(yǎng)有重要借鑒和啟示。

氣象科技史，學(xué)科背景，原始創(chuàng)新，人才培養(yǎng)

1 引言

氣象學(xué)經(jīng)歷了漫長的積累后，在19—20世紀(jì)逐漸演變成為現(xiàn)代科學(xué)意義上的大氣科學(xué)。大氣科學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)知識體系中占有重要的地位，其學(xué)科發(fā)展歷史展現(xiàn)了這門學(xué)科積累和質(zhì)變的線索，從大氣科學(xué)技術(shù)史角度研究大氣科學(xué)，可以更好地理解原始創(chuàng)新，而且在通識教育和人文精神培養(yǎng)上具有重要作用。發(fā)達(dá)國家一些著名的研究機構(gòu)高度重視科學(xué)技術(shù)史對原始創(chuàng)新的重要作用。

根據(jù)氣象科技史的研究，發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律性的學(xué)術(shù)現(xiàn)象，就是在近現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展歷程中，很多重大創(chuàng)新成果來自原先從事其他學(xué)科領(lǐng)域科學(xué)研究的學(xué)者，這批學(xué)者轉(zhuǎn)入大氣科學(xué)領(lǐng)域后做出許多重大原始創(chuàng)新。分析表明這些重大創(chuàng)新與其原先學(xué)科背景有直接關(guān)系，分析氣象學(xué)家不同成長階段的學(xué)歷和學(xué)科背景，從科學(xué)史視角探索大氣科學(xué)的發(fā)展規(guī)律，這對于未來大氣科學(xué)發(fā)展有獨特的啟示價值。

2 現(xiàn)代著名氣象學(xué)家學(xué)科背景分析

大氣科學(xué)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段。第一階段古典大氣科學(xué)階段，以亞里士多德氣象學(xué)著作Meteorologica（氣象學(xué)通論）為代表，這一階段主要以哲學(xué)思辨和非常樸素的觀測方式看待空氣現(xiàn)象，得出的結(jié)論具有很多推測和假設(shè)。這一階段的學(xué)者普遍具有哲學(xué)和博物學(xué)知識背景。第二階段是近代大氣科學(xué)，以笛卡爾為代表，逐漸突破亞里士多德氣象學(xué)思辨思想的束縛，注重實際觀測和邏輯推理，氣象儀器處于蓬勃發(fā)展中，開始形成某些重要的大氣科學(xué)理論。第三階段是現(xiàn)代大氣科學(xué)，以挪威學(xué)派和芝加哥學(xué)派為代表，期間出現(xiàn)了許多重要人物和重大創(chuàng)新理論。

大氣科學(xué)發(fā)展的階段性證明，由于現(xiàn)代科學(xué)的高度分化，大氣科學(xué)的專業(yè)化發(fā)展需要從“鉛與蠟”的業(yè)余研究變成“數(shù)據(jù)和推理”的專業(yè)探索。因此在現(xiàn)代大氣科學(xué)的原始創(chuàng)新中，氣象學(xué)家們的原先知識背景和學(xué)科培訓(xùn)就顯得很重要?，F(xiàn)代著名氣象學(xué)家的學(xué)科背景和其大氣科學(xué)的成就必然存在一定關(guān)系，對其進行枚舉和統(tǒng)計分析可以發(fā)掘出某些規(guī)律。

2.1 國際著名氣象學(xué)家的數(shù)學(xué)和物理知識背景

20世紀(jì)大氣科學(xué)發(fā)展進程中出現(xiàn)了挪威學(xué)派和芝加哥學(xué)派，以極鋒理論和長波理論為代表的現(xiàn)代大氣

科學(xué)知識大廈不斷完善。著名氣象學(xué)家紛紛登場，對大氣科學(xué)發(fā)展做出各自的貢獻。國際上著名氣象學(xué)家的學(xué)歷背景和其大氣科學(xué)的重大創(chuàng)新工作存在邏輯關(guān)系，這里選擇對現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展做出重要貢獻的代表性學(xué)者進行展示和分析（表1）[1-5]。

對表1經(jīng)過簡單統(tǒng)計和計算，可以分析出表1中100%的氣象學(xué)家本科學(xué)習(xí)過數(shù)學(xué)或物理，數(shù)學(xué)是必不可少的；50%的氣象學(xué)家在博士階段轉(zhuǎn)入學(xué)習(xí)大氣科學(xué)。這里不難得出這樣一個結(jié)論：有物理和數(shù)學(xué)知識背景的學(xué)者轉(zhuǎn)入大氣科學(xué)領(lǐng)域，將會更快做出成就，也更容易從物理學(xué)的角度挖掘大氣運動的規(guī)律，并用數(shù)學(xué)物理方程式表示出來?，F(xiàn)代大氣科學(xué)的開拓者們基本上都符合這樣的學(xué)術(shù)成長規(guī)律。

每位著名學(xué)者的原先知識背景對其在大氣科學(xué)領(lǐng)域做出重大創(chuàng)新起到重要作用，特別是數(shù)學(xué)和物理的知識背景幾乎必不可少。一方面，數(shù)學(xué)和物理的理科思維有助于迅速從紛繁復(fù)雜的表面現(xiàn)象中概況出事物本質(zhì)；另一方面，易于利用數(shù)學(xué)和物理知識把概況的本質(zhì)簡潔表達(dá)出來。比如挪威學(xué)派的氣旋模型和鋒面理論提出與皮葉克尼斯父子的長期觀察和思考分不開，也得益于物理和數(shù)學(xué)功底。再如羅斯貝在大氣科學(xué)多方面做出眾多成就，以大氣長波理論為代表的每項成就的取得除了他天才的思維，還和他用明確的數(shù)學(xué)公式闡述物理過程的能力直接相關(guān)。

在一些學(xué)者使用數(shù)學(xué)和物理知識促進大氣科學(xué)發(fā)展的同時，這些重大成就反過來又促進了其他學(xué)科的發(fā)展，比如洛倫茲提出混沌理論促進了大氣科學(xué)飛躍，也促進了其他學(xué)科的發(fā)展，而且?guī)砣祟愓軐W(xué)觀念的又一次變革；馮?諾依曼促進了計算機在大氣科學(xué)中的應(yīng)用，反過來也促進了計算機學(xué)科自身的發(fā)展。

2.2 中國現(xiàn)代著名氣象學(xué)家的學(xué)科知識背景

中國現(xiàn)代大氣科學(xué)沒有很好改造中國古代傳統(tǒng)氣象學(xué)，多數(shù)現(xiàn)代大氣科學(xué)理論從歐美引進，特別是羅斯貝提出的許多大氣科學(xué)理論體系傳入中國，成為中國現(xiàn)代大氣科學(xué)的主要理論體系。中國現(xiàn)代氣象學(xué)家多數(shù)有留洋經(jīng)歷，也多數(shù)從理科，特別是數(shù)學(xué)和物理的知識背景中獲益。對中國著名代表性氣象學(xué)家的學(xué)歷背景分析也能看出這些規(guī)律（表2）[6-7]。

從表2簡單統(tǒng)計結(jié)果可以看出，100%的中國氣象學(xué)家本科階段有理科背景，其中物理、數(shù)學(xué)是必修課程，經(jīng)過嚴(yán)格的理科訓(xùn)練。近三分之二的氣象學(xué)家在碩士階段轉(zhuǎn)入氣象學(xué)領(lǐng)域，同樣比例的學(xué)者在博士階段繼續(xù)學(xué)習(xí)氣象學(xué)。其中陶詩言是特殊情況，雖然沒有碩士和博士學(xué)歷，但從中國天氣預(yù)報實踐中逐漸成長為一代宗師，其本科的理學(xué)背景對其學(xué)術(shù)成長起到

重要作用。

表1 20世紀(jì)國際上代表性氣象學(xué)家學(xué)科背景

表2 20世紀(jì)中國著名氣象學(xué)家學(xué)科背景

中國近代著名氣象學(xué)家，一般從數(shù)學(xué)、物理、理學(xué)還有地學(xué)轉(zhuǎn)入大氣科學(xué)的較多，這與早年我國一些著名高校重視理學(xué)（包括地學(xué)）教育有關(guān)。良好的物理和數(shù)學(xué)等理科功底訓(xùn)練使得這些學(xué)者在大氣科學(xué)領(lǐng)域很容易取得突破。

2.3 數(shù)學(xué)物理背景與大氣科學(xué)創(chuàng)新的基本規(guī)律

考慮到20世紀(jì)以前，多數(shù)國家的高校和研究機構(gòu)還沒有大氣科學(xué)的正式學(xué)制和專業(yè)，而20世紀(jì)70年代后，大氣科學(xué)成為非常普遍的專業(yè)。所以選取19世紀(jì)末到20世紀(jì)區(qū)間的著名科學(xué)家進行統(tǒng)計分析是合適的，可以考察這個建制化歷史過程中，他們的學(xué)科背景變化和其大氣科學(xué)學(xué)術(shù)成就的關(guān)系。

根據(jù)可以不用全樣本就能得出基本結(jié)論的統(tǒng)計規(guī)律，沒有窮舉這一歷史時期所有氣象學(xué)家的情況。同時從反面來驗證這種現(xiàn)象，試圖尋找非理科背景在大氣科學(xué)領(lǐng)域做出重大原始創(chuàng)新的學(xué)者，但經(jīng)典性的代表人物比較缺乏。有少數(shù)非理科背景學(xué)者在大氣科學(xué)某些領(lǐng)域做出成就，但是要么偏向于綜合性研究，要么重新進行理科訓(xùn)練獲得理科學(xué)位，這也就說明“存在決定意識”，理科背景對于大氣科學(xué)“硬研究”的不可或缺。

根據(jù)對國內(nèi)外著名氣象學(xué)家學(xué)歷背景的統(tǒng)計分析，結(jié)合擁有理科背景的人物背景考察，論證了如下一個大氣科學(xué)原始創(chuàng)新的基本規(guī)律：在現(xiàn)代大氣科學(xué)領(lǐng)域取得重大原始創(chuàng)新的學(xué)者，其背景知識結(jié)構(gòu)一般包括數(shù)學(xué)、物理學(xué)和其他理學(xué)學(xué)科。這樣學(xué)科背景轉(zhuǎn)入大氣科學(xué)比較容易，進入大氣科學(xué)后更容易做出重大的原始創(chuàng)新。尤其數(shù)學(xué)和物理學(xué)是必備知識，這點有較大的可信度。可以把這種創(chuàng)新類型概括為“數(shù)理型的創(chuàng)新模式”。

極少數(shù)學(xué)者情況特殊，比如馮?諾依曼和陶詩言，其中馮?諾依曼雖然沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)大氣科學(xué)，但是具有深厚的數(shù)學(xué)功底，所以從計算機角度為大氣科學(xué)的發(fā)展做出重大創(chuàng)新。陶詩言是當(dāng)代中國氣象學(xué)的一代宗師，雖然沒有碩士和博士學(xué)歷，但是本科擁有扎實的數(shù)學(xué)和物理功底。陶詩言學(xué)術(shù)成長建立在長期的中國天氣業(yè)務(wù)的實踐中，經(jīng)過大量的氣象學(xué)實踐，其實踐經(jīng)驗積累大大超出一般氣象工作者，他從實踐中提出許多重大創(chuàng)新理論。此外，美國“龍卷先生”（T. T. Fujita，1920—1998年）的著作中很少用到數(shù)學(xué)公式，而使用大量精美的概念性示意圖，卻能夠很清楚地解釋風(fēng)暴原理，他對數(shù)學(xué)的悟性為后人稱道。這三位著名氣象學(xué)家說明除了“數(shù)理型創(chuàng)新模式”之外，還存在“發(fā)現(xiàn)型的創(chuàng)新模式”，如同DNA的發(fā)現(xiàn)一樣，同樣是重要的原始創(chuàng)新方法。

無論是“數(shù)理型”的創(chuàng)新還是“發(fā)現(xiàn)型”的創(chuàng)新，都有一個共同特點，就是其知識背景中必然有以數(shù)學(xué)和物理為主的理科學(xué)術(shù)訓(xùn)練，而且理論與實踐緊密結(jié)合。經(jīng)過物理、數(shù)學(xué)的訓(xùn)練，分析氣象現(xiàn)象的抽象能力和公式構(gòu)建能力大為提升，更加容易做出重要發(fā)現(xiàn)和重要創(chuàng)新。

3 數(shù)學(xué)和物理促進大氣科學(xué)創(chuàng)新的邏輯關(guān)系

近代大氣科學(xué)的發(fā)展有其自身的規(guī)律和特性，之所以物理和數(shù)學(xué)背景的學(xué)者更容易在大氣科學(xué)領(lǐng)域做出創(chuàng)新，與近代大氣科學(xué)建制化歷程和發(fā)展特點有關(guān)，這種客觀規(guī)律使得數(shù)學(xué)和物理背景更容易發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

3.1 現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展依賴于自然科學(xué)和技術(shù)的最新成果

現(xiàn)代大氣科學(xué)是科學(xué)叢林群體突破的一個分支，從別的學(xué)科和技術(shù)發(fā)展中獲得養(yǎng)料。由于英國、法國、德國和美國相繼完成了工業(yè)革命，資本主義在19世紀(jì)達(dá)到一個高峰，促進了生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)飛速進步，對整個社會產(chǎn)生了巨大的影響。大氣科學(xué)的發(fā)展離不開科學(xué)繁榮的19世紀(jì)數(shù)學(xué)、物理學(xué)、測量學(xué)等多學(xué)科的成果，借助于19—20世紀(jì)初自然學(xué)科的巨大發(fā)展，并結(jié)合自身的特點，大氣科學(xué)的發(fā)展逐漸從經(jīng)驗、局部、平面、定性、感性轉(zhuǎn)向理論、全局、立體、定量、理性[10]。

除了科學(xué)，技術(shù)的發(fā)明對于現(xiàn)代大氣科學(xué)的促進作用同樣非常重要。比如技術(shù)發(fā)展為大氣高空探空儀提供了強有力的技術(shù)，20世紀(jì)初以衛(wèi)星探測為代表的探測技術(shù)加快了氣象觀測向全局和立體化的發(fā)展。再如高速計算機、氣象衛(wèi)星和氣象雷達(dá)的出現(xiàn)為數(shù)值天氣預(yù)報、氣候模式以及預(yù)報技術(shù)的高速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展一個突出特點就是數(shù)學(xué)化，越來越多的自然科學(xué)分支學(xué)科依托最新數(shù)學(xué)知識得以發(fā)展。當(dāng)代技術(shù)的發(fā)展走向高、精、尖，更加需要最新物理理論和數(shù)學(xué)計算的知識。整個當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢必然影響到大氣科學(xué)的發(fā)展，要想做出重大科學(xué)創(chuàng)新，擁有扎實的自然科學(xué)知識是必不可少的，特別是物理和數(shù)學(xué)背景。所以前文論述的20世紀(jì)國外和國內(nèi)著名氣象學(xué)家的學(xué)歷背景分析完全印證了這個規(guī)律。

3.2 大氣科學(xué)問題本質(zhì)上就是數(shù)學(xué)和物理問題

現(xiàn)代大氣科學(xué)的特性和發(fā)展規(guī)律就是需要把大氣現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可以定量求解的物理和數(shù)學(xué)方程?，F(xiàn)代大氣科學(xué)的開拓者們把握住了本質(zhì)問題。挪威學(xué)派的創(chuàng)始人V.皮葉克尼斯在20世紀(jì)初期“大氣科學(xué)還處于藝術(shù)階段”時，就大膽地將大氣科學(xué)問題歸結(jié)為物理

和數(shù)學(xué)問題，并創(chuàng)造性地將數(shù)學(xué)物理方法引入研究大氣運動。1904年，V.皮葉克尼斯發(fā)表了《一種天氣預(yù)報的理性方法》的演講，把數(shù)學(xué)方程式應(yīng)用到原始大氣數(shù)據(jù)信息中，提出開展數(shù)值天氣預(yù)報的計劃。1907年，V.皮葉克尼斯開發(fā)了把物理力學(xué)應(yīng)用到大氣和海洋環(huán)流中的新方法。

科學(xué)技術(shù)史上的杰出人物都善于從戰(zhàn)略角度出發(fā)把握未來學(xué)科發(fā)展的主流方向[8]。作為挪威學(xué)派開創(chuàng)人V.皮葉克尼斯就是一個極具戰(zhàn)略思維的科學(xué)家，無論是在具體的理論研究方面，還是在對整體學(xué)科的發(fā)展方向上都是如此。V.皮葉克尼斯作為氣象學(xué)大家的高明之處就在于，把大氣科學(xué)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)和物理問題，從解方程出發(fā)，求得特定解，從而做出預(yù)報。數(shù)值天氣預(yù)報的出現(xiàn)和成功應(yīng)用更是把物理和數(shù)學(xué)嵌進了大氣科學(xué)大廈的根基中。

3.3 物理和數(shù)學(xué)最新發(fā)展對大氣科學(xué)有直接的促進作用

現(xiàn)代大氣科學(xué)建立之初，遍地黃金，杰出的氣象學(xué)家們非常重視物理、數(shù)學(xué)、計算機最新成果的應(yīng)用。物理和數(shù)學(xué)最新發(fā)展對大氣科學(xué)起到了直接支撐作用。

芝加哥學(xué)派創(chuàng)始人羅斯貝，非常注重數(shù)學(xué)和物理對于研究氣象科學(xué)的重要性，例如他曾經(jīng)鼓勵著名氣象學(xué)家威利特到普林斯頓大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理最新知識，學(xué)成后安排他去Bergen學(xué)校學(xué)習(xí)新的預(yù)報理論。羅斯貝本人非常重視物理和數(shù)學(xué)知識對大氣科學(xué)的促進作用，在研究高空大氣運動時他抓中了長波這一重要特征，取得了理論上的突破。羅斯貝向查尼強調(diào)數(shù)值天氣預(yù)報的重要性，并推薦查尼與馮?諾依曼合作，推動了數(shù)值天氣預(yù)報取得成功，這是物理、數(shù)學(xué)、大氣科學(xué)、計算機等學(xué)科綜合取得原始創(chuàng)新的經(jīng)典案例，也顯示了羅斯貝不同尋常的戰(zhàn)略眼光[9]。

從科學(xué)技術(shù)史角度來看，物理和數(shù)學(xué)的發(fā)展有力促進了大氣科學(xué)的繁榮。比如流體力學(xué)方程成為大氣動力學(xué)的基礎(chǔ)，偏微分方程理論用于建立大氣運動和變化的數(shù)學(xué)語言描述，非線性系統(tǒng)理論使人們認(rèn)識到隨機性背后隱藏的有序性，場論為氣象學(xué)中的位勢理論提供理論工具，概率論為氣象的統(tǒng)計預(yù)報打下基礎(chǔ)，計算數(shù)學(xué)支撐了氣象數(shù)值模擬預(yù)報技術(shù)的實現(xiàn)等。

4 數(shù)學(xué)、物理背景對人才培養(yǎng)的啟示

數(shù)學(xué)、物理背景對于大氣科學(xué)原始創(chuàng)新的重要作用，表明對大氣科學(xué)人才培養(yǎng)需要高度重視物理和數(shù)學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練。同時也說明從科學(xué)技術(shù)史角度分析創(chuàng)新規(guī)律，對于學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略有獨特價值[11]。

（1）對優(yōu)秀大氣科學(xué)人才的選拔，其知識結(jié)構(gòu)非常重要。對于從事大氣科學(xué)前沿研究領(lǐng)域來說，比如組建數(shù)值天氣預(yù)報創(chuàng)新隊伍時，應(yīng)該更多考慮數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機等學(xué)科人才的加入，對數(shù)學(xué)和物理學(xué)的悟性尤為關(guān)鍵。大科學(xué)時代，面臨大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，合理的背景知識結(jié)構(gòu)是推動創(chuàng)新的重要前提。

（2）從氣象學(xué)一代宗師陶詩言院士的學(xué)術(shù)成長來看，沒有碩士、博士等高學(xué)歷，沒有國外留學(xué)或訪學(xué)背景，同樣可以做出重要成就。氣象業(yè)務(wù)的實踐可以在某種程度彌補學(xué)歷上的一些不足，有助于“發(fā)現(xiàn)型”創(chuàng)新型人才的成長；這對于“整天坐辦公室”的人員來說，到業(yè)務(wù)部門接觸并積累氣象實踐非常重要，在實踐基礎(chǔ)上加強數(shù)理功底或許也可以產(chǎn)生一些重要的原始創(chuàng)新。因為理科思維和工作方式的培養(yǎng)會在實踐中得到加強。

（3）隨著氣象事業(yè)發(fā)展，未來非氣象專業(yè)和文科人才將會不斷加入氣象部門，帶來新的創(chuàng)新源泉。對于非氣象專業(yè)的人才加入氣象部門，對其業(yè)務(wù)培訓(xùn)非常重要，包括預(yù)報員培訓(xùn)、氣象基礎(chǔ)知識培訓(xùn)等。培訓(xùn)內(nèi)容中，數(shù)學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ)知識培訓(xùn)和大氣科學(xué)其他知識培訓(xùn)同等重要。如果基本數(shù)學(xué)和物理學(xué)知識占到接近一半課程，對于大氣科學(xué)的理解將會更加深入穩(wěn)固，發(fā)掘創(chuàng)新的潛質(zhì)會更多。

5 小結(jié)與展望

從人才培養(yǎng)的綜合素質(zhì)來看，文理交融有助于促進領(lǐng)軍人才的成長，數(shù)學(xué)和物理的理科背景，結(jié)合人文精神往往使學(xué)者擁有更加寬廣的學(xué)科視野和洞察能力，容易做出重大的原始創(chuàng)新。學(xué)科背景對于不同類型的人才成長有重要作用，對于大氣科學(xué)新領(lǐng)域的開拓和分支學(xué)科的延伸也將會產(chǎn)生重要促進作用。這方面的深入研究有待從氣象科技史的學(xué)科角度進一步探索。

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Original Innovation of Atmospheric Science Based on Discipline Background

Gao Xuehao, Chen Zhenghong
(CMA Training Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081)

On the basis of the historical analysis of meteorological science and technology, this paper is characterized by the innovation derived from atmospheric science. It would further promote the original innovation of atmospheric science by the aid of comparative analysis of science background including mathematics, physics, and so on. This characteristic is closely related to the development of atmospheric science and is primarily determined by the nature of atmospheric science. Our results indicate that attention to the discipline background is of signif i cance in talent cultivation.

meteorological science and technology history, discipline background, original innovation, talent cultivation

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.005

2014年2月26日；

2014年11月10日

高學(xué)浩（1958—），Email: gaoxuehao@yahoo.com.cn

資助信息：國家自然科學(xué)基金（41220001）；中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院“氣象科技史研究”項目