永遠的季刊 不變的創新
—— 《英國皇家氣象學會季刊》創刊150周年評介

■ 李婧華 賈朋群

伴隨近現代氣象科學在19世紀走向成熟，氣象研究組織——氣象學會在歐洲多個國家成立。這些氣象學會最早開展并一直延續下來的工作之一，就是創辦氣象科技期刊。本文介紹的《英國皇家氣象學會季刊》（Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，本文簡稱QJ）是與WMO的前身IMO（國際氣象組織）成立在同一年，即1873年創刊。在某種意義上，QJ成為150年前試圖從物理學應用領域獨立出來的氣象科學，對IMO從事的全球性事業的宗旨和發展的學科呼應。

本文依據QJ為紀念創刊150周年，由歷任主編選出的該刊150年里21篇對氣象和大氣科學發展影響巨大的“虛擬”紀念文集、英國皇家氣象學會于2023年9月召開的紀念會議材料等，對這一具有全球影響力的優秀期刊所折射的氣象科學在過去一個半世紀里的蓬勃發展之路進行評介。

1 QJ選出21篇里程碑論文

QJ于1873年創刊時，被命名為《英國氣象學會季刊》（Quarterly Journal of the Meteorological Society），尚沒有所謂“皇家”頭銜。直到10年后的1883年，英國氣象學會被冠以“皇家”后，QJ才獲得現在的刊名。雖然創刊伊始，這本專業雜志就用刊名確定了出版周期，即每個季度1期，每年出版4期。但QJ在1988年之后提高了出刊頻率，從每年出版4期增加到6期。隨著氣象科研成果產出快速發展，出版需求旺盛，1995年之后，QJ在出版周期上調整為刊次上依然是每個季度出版1期，但每期通過出版A和B版，使得期刊實際出版量增加到了每年8本，這一出版范式一直延續至今。

在QJ的150年歷史中，恰逢近現代氣象學獲得巨大成功和發展，成為地球科學中在某種意義上具有引領意義的核心二級學科。QJ憑借幾代編輯長期耕耘，作為一扇窗口，見證了氣象科學從萌芽到成熟的全過程。在創刊150周年之際，QJ邀請各位前任和現任主編，從所有過刊中選取最具代表性的經典論文，形成一本虛擬的《紀念文集》（Classic paper special collection selected by QJ Chief Editors），以紀念期刊的這一歷史時刻。在表1中列出了各位主編選擇的21篇經典文章，并分析了這些文章能夠入選《紀念文集》的理由。應該說，主編們選出的論文是這本歷史悠久的氣象科學期刊為學科發展貢獻的具有里程碑意義的論文。盡管這些論文由主編提名，可能反映了主編們個人的興趣，但這些論文無疑在更大的范圍里，具有較為廣泛的共識，即這些文章描述了氣象科學的關鍵進步，涵蓋了學科的廣泛主題，包括理論發展、觀測突破和數值模擬研究等領域。這些論文或其結論和影響等，也被全球氣象學者所熟知，特別是在導致產生學科內和在地球科學更廣泛領域的認知方面。

表1 QJ創刊150周年《紀念文集》收錄的21篇經典論文信息

QJ主編選出的21篇文章主要覆蓋大氣成分、氣候變化、大氣動力學、全球環流、輻射傳輸和地球觀測等多個領域，整體上詮釋了氣象科學過去一個半世紀，特別是在20世紀走向成熟和具有獨特的學科特征的過程和個例。例如，最早計算人為排放CO2導致全球氣溫升高的卡倫德（1938年），是一位蒸汽工程師，研究氣候變化，僅僅是其愛好。這反映出20世紀初，氣象專業研究隊伍尚不成型，大量“業余”研究活動豐富和觸摸著學科內涵。而1940年羅斯貝發表關于行星波的重要論文，僅刊載在QJ增刊上，這本增刊目前在QJ官網文獻庫中甚至無法檢索。在成為“大師”之前所經歷的“平凡”，更表明羅斯貝所代表的發展了現代氣象科學的鼻祖，對QJ的高度認可。

2 QJ對學科發展的貢獻

為了紀念QJ出版150周年，2023年9月QJ舉辦了學術研討會，全面總結了期刊發展過程。目前，QJ在SCIE數據庫中，其影響力排在氣象和大氣科學學科的第6位，是最權威的期刊之一。QJ長期得到全球氣象學界的認可，期刊在不同主編之間傳遞，始終保持下來的一些特點，給期刊帶來了不可或缺的“靈魂”。

2.1 長期關注主題：氣候科學和羅斯貝波

在QJ 150周年虛擬紀念刊中，最早的論文是哈里森和多布森對高層大氣進行的早期研究（序號1，見表1，下同）。論文作者之一的名字，后來成為表述大氣臭氧含量的單位“Dobson”，突出了該論文針對大氣中臭氧濃度的最早光譜測量。尤其是，這項研究將主要存在于高空的大氣臭氧與地面氣壓聯系在一起，為我們理解臭氧層及其對地球氣候的影響奠定了基礎。

第二篇文章（序號2）的作者卡倫德在開篇第一句話就指出：“那些熟悉大氣自然熱交換的人中，很少有人愿意承認人類活動會對如此大規模的現象產生任何影響。在下面的論文中，我希望表明這種影響不僅是可能的，而且實際上正在發生?！闭鞘加谶@篇論文，氣候科學，尤其是氣候與人類活動關系的科學研究，開始受到重視并用科學的方法被逐漸量化表達（圖1）。

圖1 Callendar（序號2，1938）給出的全球和不同緯度帶的溫度變化（a）以及Hawkins and Jones（QJ, 2013）對比全球實際溫度變化與Callendar早年研究的預測（b）

1956年，QJ發表了美國學者菲爾普斯關于大氣環流數值試驗的論文（序號6），全面引入了氣候研究的數值模擬方法。這篇論文給出的兩層準地轉模型半球模式，主要從能量守恒角度，通過量化計算摩擦、輻射加熱和垂直穩定等全球大氣環流最重要的控制機制探索地球大氣運動，成為后來不斷更新換代的氣候模式的一個重要起點。

羅斯貝在1940年發表行星波的重要論文（序號3）之前，一直試圖將皮耶克尼斯的循環理論具體化，他先是在1939年與合作者發表了針對被認為應該是均勻的西風氣流受到正壓波衍生傳播影響的研究成果，之后在這篇文章中通過引入“潛渦”（現代“位渦”的最簡單版本）這個新變量，更進一步揭示了西風氣流厚度的變化，而新變量在淺水假設時守恒的數學表達：更是給出了用巧妙的數學工具獲得強大的簡化能力的“范本”，啟發了后來更多的診斷工具和量化表達。

實際上，無論是氣候研究還是羅斯貝波，QJ都是最全和最持久創新研究的文獻來源。氣候研究方面，早在1901年QJ就在慶祝英國皇家氣象學會成立50周年學術會上，發表了Nils Gustaf Ekholm探討地質和歷史時期氣候變化及其原因的文章。1938年發表卡倫德論文（序號2）之后，QJ又發表多篇相關文章，例如：水汽吸收帶研究（1941年）、水汽吸收統計模型（1952年）、CO2的15 μm吸收通量計算（1956年）、行星大氣紅外冷卻率計算（1966年）、針對英格蘭中部溫度變化（后來持續更新成為HadCRU數據庫）（1974年）、云和氣候反饋（1980年和2007年）、輻射計算（1996年）、人類世氣候敏感性評述（2013年）等。在圖2中，給出針對羅斯貝波理論，從理論提出的1940年延續至今QJ刊載的10余篇主要研究論文。

圖2 QJ刊發的羅斯貝波相關研究論文（來源：Woollings，2023）

2.2 學科和業務發展的核心：NWP和數據同化

英國氣象局（UKMO）學者將對QJ的貢獻融入氣象科學發展的主旋律——NWP的發展之中（圖3），充分展示了以1950年NWP取得成功為“中點”的發展長河中，“上半場”以數據推動和N-S方程等理論應用為特征，QJ在1950年以來的“下半場”中，以發表菲利普斯全球環流模式（GCM）為發端，對NWP多項關鍵技術的貢獻包括：原始方程鋒面降水、中尺度雷暴、4D-變分同化、集合預報、UKMO統一模式、對流允許模式、耦合等。

圖3 NWP發展的歷史節點（來源：Golding, 2023）

其中，2000年QJ發表介紹ECMWF 4D-變分同化的文章（序號18），是最早介紹該主題的研究論文，尤其意義重大。這時因為模式給出了大氣狀態的完整描述，但誤差會隨著時間的推移迅速增大；觀測提供了對大氣狀態的不完整描述，但確實給出了更加準確的最新信息。數據同化技術，通過算法的不斷改進，將這兩種信息源結合起來，產生大氣狀態的最佳估計。

數據同化有很多方法，例如，最優插值、變分、集合卡爾曼濾波、局部系綜變換KF、簡化擴展卡爾曼濾波器等，以及上述方法的任何組合。這些方法在理論上是等價的，關鍵是如何實現并真正能夠推動NWP能力的提高。序號18論文的核心是一個物理模型，即該方法的分析是物理的。該方法的引入，極大地加速了衛星輻射觀測在NWP中的應用，展示了數據融合帶來的巨大力量。ECMWF數據同化技術的發展，代表了世界先進數值預報中心發展的核心關鍵技術。這篇論文是詳細描述ECMWF業務實施4D-變分同化的系列論文之一，業務化后4D-變分同化系統持續不斷的升級改進，之后變分與集合結合的混合數據同化技術走向業務，實現了同化框架技術的二次飛躍。

2.3 跟進最新發展：平流層研究和“風神”衛星

QJ高度重視對氣象探索和研究新進展的跟蹤。例如，平流層直到1902年才借助200個作業無人氣球探測被發現，1913年又發現臭氧層。1949年，QJ發表了解釋平流層環流的Brewer-Dobson環流研究成果（序號4），之后又在1985年發表了該環流主要機制——位渦的研究（序號15，圖4）。這些研究，與平流層臭氧洞、平流層突然增暖、準兩年振蕩等平流層相關現象及其物理機制研究一道，構成了目前人類對平流層較為全面的科學認知。

圖4 對平流層環流最早認識（a，序號4）和目前的描述（b）（來源：Baldwin, 2023）

風神衛星是歐空局地球探索項目系列衛星之一，其攜帶探測風場的激光雷達探測器，能夠給出全球風場廓線分布。這一最新探索性的衛星數據，在2018年8月衛星發射后得到較好的評價，被快速業務化或準業務化。QJ從2005年以來，刊發了17篇與風神密切相關的論文，包括其在ECMWF（2021，2022）、法國氣象局（2022）、德國氣象局（2023）、加拿大氣象局（2022）、NOAA（2023）等氣象部門業務或準業務應用研究成果。圖5為法國氣象局數據同化系統中，2020年4—5月風神數據在減少全球24 h預報誤差方面是第三有效的觀測系統。從2021年4月開始，QJ編輯“風神”主題專輯（https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)1477-870X.aeolus），持續收集相關論文便于讀者閱讀。

圖5 風神衛星風廓線數據對NWP影響評估（來源：Pourret et al, 2022）

3 結果與討論

QJ走過的150年，成為全球學者高度認可的反映氣象和大氣科學及相關領域最新進展的權威窗口。2021年以后，QJ的影響因子快速提升，從之前的不到5達到接近10，凸顯了這份歷史悠久的期刊，始終保持的學術活力。

QJ是典型的國際化期刊，其刊載的大量具有轉折點意義的論文，得到了全球學術界的高度認可。表2給出最近5年（2019—2023年）QJ主要投稿來源按照國家和地區的分布。雖然來自期刊主辦國英國的投稿數量最多，但與排在2～4位（占比均超過10%）的中國、美國和印度相比，差距并不大。即使按照大洲分布來看，由于亞洲的中國、日本、韓國學者投稿踴躍，美國、澳大利亞和加拿大等氣象強國學者對其也很重視，QJ的“歐洲”特征被模糊。尤其是，來自伊朗、阿根廷和巴西等國家的投稿占據一定比例，是很難得的。

表2 QJ投稿按照主要來源國家和地區的分布

QJ鼓勵世界各地學者投稿高質量的文章，作者無需支付任何出版費用，這對于發展中國家學者和依然主要靠興趣的研究者尤其重要。QJ還受到中國學者的高度重視，近年來不僅投稿和發表論文數量增加（見本期封三文章），還是中國學者引用國際成果最多的來源期刊之一。

深入閱讀

Baldwin M P, 2023.The stratosphere.RMetS Quarterly Journal:Celebrating 150 Years, London, 13 September 2023.

Golding B, 2023.Numerical weather prediction: the quest for accurate rainfall forecasts.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.

Haigh J D, 2023.Advances in climate science through the pages of the QJ.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.

Pourret V, ?avli M, Mahfouf J F, et al, 2022.Operational assimilation of Aeolus winds in the Météo-France global NWP model ARPEGE.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 148(747): 2652-2671.

Ross A N, Methven J, 2023.Introduction to the QJ@150 Anniversary Collection.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 149(754): 1541-1545.

Woollings T, 2023.Rossby waves in the Quarterly Journal.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.