氣象學成就與諾貝爾獎

始頒于1901年的諾貝爾獎是瑞典人阿爾弗雷德 · 諾貝爾奉獻給全人類的寶貴財富，它早已成為瑞典的國寶級名片。一年一度諾獎的頒發持續惠及人類福祉，極大地推動了全球科學、文化和社會的進步，功德無量，功績卓著。氣象學（大氣科學）一度被諾獎排除在頒獎領域之外，直到1995年，荷蘭科學家保羅 · 克魯岑（Paul Crutzen）才成為首位榮膺諾獎的氣象學家。

氣象學與大氣科學

地球是人類賴以生存的家園，人類從未停止過對地球的研究和探索。地球科學（簡稱地學）是地質學、地理學、海洋學、地球物理學、氣象學（大氣科學）以及與之有關學科的總稱。氣象學因與人類的生產生活密切相關而源遠流長，它涉及地球大氣、海洋、生態、環境之間的多維度耦合及其復雜的演化過程，經幾代科學家的共同努力，在專題研究、模型建立及求解等方面已取得不俗成績，對氣象學復雜系統的認知已獲長足進步。

20世紀中葉，氣象學已發展成為以熱力學和動力學為基礎的較為完善的數理科學。20世紀60年代起，由于研究范圍的拓寬，氣象學的研究往往要涉及地球各圈層的相互作用以及大氣化學、環境科學等內容，一個涵蓋更為廣泛的名稱——大氣科學——便應運而生。大氣科學以地球大氣圈作為主要研究對象，同時還涉及與之相關聯的水圈（含冰雪圈）、陸圈（含巖石圈）、生物圈和智慧圈（即人類圈），研究大氣的成分、結構、現象以及大氣中各種動力過程、物理過程、化學過程和反饋機制等，其主要分支學科有大氣化學、大氣物理學（人工增雨雪屬于其研究范疇）、氣候學、天氣學、動力氣象學（數值天氣預報、大氣動力學、大氣熱力學、大氣環流和大氣湍流等屬于其分支學科）、應用氣象學、衛星氣象學和雷達氣象學等，其研究領域已遠超傳統氣象學的范疇。

在學術界，大氣科學和氣象學兩個名稱雖然同時并存，且有前者逐漸取代后者的趨勢，但當側重于天氣現象和天氣預報等傳統氣象學范疇時，學者們習慣上仍稱其為氣象學。

世界氣象組織（WMO）成立于1950年3月23日，總部設在瑞士日內瓦，其前身是1873年成立的國際氣象組織（IMO）。1951年12月20日，世界氣象組織成為聯合國專門機構之一。1960年6月，世界氣象組織執行理事會通過決議，把每年的3月23日定為“世界氣象日”。世界氣象組織負責頒發國際氣象組織獎，表彰全球在氣象學領域（1971年起新增作業水文學領域）作出卓越成就者，始頒于1956年，每年頒獎一次，通常每次只頒獎給1人。中國科學家葉篤正、秦大河和曾慶存先后榮膺2003年、2008年和2016年國際氣象組織獎。美國氣象學會（AMS）成立于1919年12月29日，總部設于波士頓。

數值天氣預報的問世

天氣預報與人們的生產生活息息相關。數值天氣預報（NWP）是人類20世紀最偉大的科學成就之一。英國數學家、物理學家和氣象學家路易斯 · 理查森（Lewis Richardson）發展了求解偏微分方程組的有限差分法，借此完成世界上首次“手工數值天氣預報”，進而撰寫出該領域首部學術專著《數值過程天氣預報》（Weather Prediction by Numerical Processes，1922）并催生了專用術語“數值天氣預報”。

1946年8月29—30日，美國籍匈牙利裔數學家、物理學家和計算科學家約翰 · 馮 · 諾伊曼（John von Neumann，1937年9月10日入籍美國）在普林斯頓高等研究院（IAS）主持召開了全球首次NWP學術會議，這次會議對現代氣象學的發展具有舉足輕重的作用。

1946年夏，美國氣象學家、芝加哥學派重要成員朱爾 · 查尼（Jule Charney，1971年國際氣象組織獎得主）以論文《斜壓西風氣流中的長波動力學》獲加州大學洛杉磯分校（UCLA）物理學（流體力學）哲學博士學位，這是作者創建由溫帶氣旋發展而來的斜壓不穩定理論的肇始，斜壓不穩定是氣旋波（即鋒面波動）產生的主因。羅斯貝是全球首次NWP學術會議的協助者，他慧眼識珠、愛才若渴，鼎力舉薦剛剛獲得博士學位的查尼與會。1948年9月，隨著查尼正式入職IAS，普林斯頓高等研究院NWP研發小組便正式形成。

1950年4月4日，經過一年多的攻關，以查尼為首席技術官（CTO）的科學家們利用簡化后的單層正壓渦度方程二維模型，借助世界上首臺電子計算機ENIAC（1946年2月14日正式交付使用）成功求解經過濾波近似后的非線性偏微分方程組，首次得到北美上空500百帕位勢高度場的24小時數值天氣預報形勢圖。因ENIAC在運行中出現故障而耽擱了時間，導致運行時間超出預期而成為事后模擬預報，但效果良好，這標志著NWP已研發成功。自此，氣象學由定性邁入定量科學，這是一個劃時代的里程碑式成就。

1950年11月，查尼、朗納 · 弗約托夫特（Ragnar Fj?rtoft，1991年國際氣象組織獎得主）和馮 · 諾伊曼聯合署名，在斯德哥爾摩出版的著名地球物理學季刊《大地》（Tellus）上正式發表學術論文《正壓渦度方程的數值積分》，這是NWP領域的開創性文獻和經典之作。

威廉 · 皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）是NWP理論的真正創始人，被譽為“現代天氣預報之父”。路易斯 · 理查森是NWP的首個實驗者，馮 · 諾伊曼因組織領導完成NWP研發而被譽為“現代數值天氣預報之父”，查尼則享有“現代動力氣象學之父”的美譽。

1954年日本開始NWP研究，1959年6月1日以單層正壓模式成功實現實時NWP，這是繼瑞典（1954年12月1日）和美國（1955年5月6日）之后的第三個國家。

與諾獎失之交臂的氣象學大師

氣象學（大氣科學）一度被諾獎排除在頒獎領域之外，從而導致諸多世界級氣象學大師與諾獎失之交臂。

一、挪威地球物理學家、氣象學家和海洋學家威廉 · 皮耶克尼斯：氣象學著名學派卑爾根學派（又稱挪威學派、北歐學派，1917年創立）創始人。1898年首創理想流體渦旋運動的環流定理。1904年率先提出天氣預報的中心問題（即天氣預報是描述大氣運動的數學方程組的解），構建出大氣運動的偏微分方程組，標志著數理氣象學的問世，奠定了數值天氣預報和大氣數值模擬的理論基礎。在12個年度內，終生共獲26人次（1923年和1924年各1人次，1926年2人次，1929年1人次，1936年2人次，1937年3人次，1938年4人次，1939年2人次，1940年4人次，1942年2人次，1944年3人次，1945年1人次）諾貝爾物理學獎提名。

二、美國籍挪威裔氣象學家雅各布 · 皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes，1946年4月12日入籍美國）：威廉 · 皮耶克尼斯長子。卑爾根學派重要成員，對現代天氣學和大氣動力學的發展貢獻良多。1919年2月，發表溫帶氣旋結構及其動力學成因方面的經典論文《移動性氣旋的結構》，率先描述了溫帶氣旋各階段的生命周期，在此基礎上建立起鋒面氣旋模型并豐富發展為著名的極鋒理論。雅各布 · 皮耶克尼斯是1959年國際氣象組織獎得主，截至1970年，在5個年度內共獲10人次（1928年和1936年各1人次，1937年和1938年各3人次，1939年2人次）諾貝爾物理學獎提名。

卑爾根學派在20世紀大氣科學發展中貢獻卓著，對現代氣象學影響深遠。極鋒理論即鋒面氣旋發展的波動學說是卑爾根學派創建的經典核心理論。該理論根據極地氣團和熱帶氣團的相互作用，以及分隔這些氣團的不連續面（即鋒面）的性質來解釋溫帶氣旋的生成和發展，為分析和預報1～2天后的天氣變化奠定了理論基礎。冷暖鋒是卑爾根學派提出的標志性概念。1919年夏，羅貝斯提議采用紅色標注“暖鋒”，藍色標注“冷鋒”，與此前的標注顏色互換，這種標注方式沿用至今。

三、瑞典氣象學家托爾 · 伯杰龍（Tor Bergeron）：卑爾根學派重要成員。在1919年11月18日的天氣圖上首次發現錮囚現象并描繪出錮囚鋒（此說學術界尚存爭議），提出氣旋錮囚理論，使鋒面氣旋的生命周期更加完整，充實和完善了天氣學分析方法。1933年9月17—26日，第五屆國際大地測量學和地球物理學聯合會（IUGG）在里斯本召開，伯杰龍在大會上首先提出冷云降水機制（即冰晶效應），刊載其論文《云和降水物理學》的會議論文集遲至1935年才正式出版，后發展為著名的魏格納-伯杰龍-芬德森（Wegener，1911 ；Bergeron，1935 ； Findeisen，1938）過程，即WBF過程，為人工降雨雪和人工消散冷云提供了理論依據。因伯杰龍對冷云降水理論的貢獻最大，故WBF過程又簡稱伯杰龍過程。伯杰龍是1966年國際氣象組織獎得主，截至1970年，在4個年度內共獲9人次（1928年1人次，1937年和1938年各3人次，1939年2人次）諾貝爾物理學獎提名。

科學地進行人工影響天氣實驗始于1946年，由通用電氣公司（GE）美國化學家和物理學家朗繆爾（1932年諾貝爾化學獎得主）及其助手文森特 · 謝弗（Vincent Schaefer）等人實施完成。1946年7月12日，謝弗向用作云室的冰箱內放入一大塊干冰試圖降溫，意外發現冰箱中的冷云瞬間就變成了數量極多的微小冰晶。同年11月13日，朗繆爾團隊通過野外實驗證實了WBF過程的可行性，這是人工影響天氣（降雪）實驗的首次成功。這項基于WBF過程的技術被稱作“播云”，即利用飛機或高射炮在濃而厚的積雨云（由積云發展而來）中播撒干冰或碘化銀。1947年2月28日，通用電氣公司和美國軍方簽訂了一份為期5年的合同——卷云計劃（Project Cirrus）。該計劃以人工影響天氣為核心內容，主要包括削弱颶風、增加降水和減少森林火災等，共進行過約250項實驗。卷云計劃仍由朗繆爾團隊組織實施，1947年最重要的工作是通過播云進行人工影響颶風實驗，因10月13日的颶風在播云6小時后突然調轉方向而造成災難性后果。1948年10月，朗繆爾團隊在新墨西哥州進行了兩次播云實驗，10月14日的第2次實驗取得顯著成效，通過播云引起自我傳播風暴，在10多萬平方千米（約相當于新墨西哥州面積的1/3）的地區產生了降雨，故1948年通常被認為是真正以科學方法成功實現人工降雨的年份。卷云計劃在1952年寫出報告后結束，包括人工增雨雪在內的人工影響天氣實驗，總體效果不盡如人意。

四、挪威氣象學家哈爾沃 · 索爾伯格（Halvor Solberg）：卑爾根學派重要成員。早年致力于理論氣象學研究，主要關注氣流摩擦。流體內部慣性波研究先驅，極鋒氣象學理論體系的主要創建者之一。1922年9月，雅各布 · 皮耶克尼斯和索爾伯格聯名發文《氣旋的生命周期和大氣環流的極鋒理論》指出，極地空氣與熱帶空氣之間存在極鋒，近極地氣流和相鄰熱帶氣流之間的邊界上存在氣旋族。所獲諾貝爾物理學獎提名情況與伯杰龍完全相同。

五、美國籍瑞典裔氣象學家卡爾-古斯塔夫 · 羅斯貝（Carl-GustafRossby，1938年入籍美國）：卑爾根學派重要成員，氣象學著名學派芝加哥學派（1941年創立）創始人。20世紀最具影響力和最具創新力的氣象學家?，F代氣象學和海洋學的開拓者，被譽為“現代氣象學之父”。1939年提出大氣長波理論并于翌年導出以長波位勢渦度（簡稱位渦）守恒定律為主的位渦理論，尤以發現行星波（臨界波長約為5000千米）而聞名，后被命名為“羅斯貝波”。在大氣動力學等方面作出過許多開創性貢獻，特別是引進大氣波動和大氣渦動等概念，把大尺度長波運動和復雜的鋒面氣旋分離開來，為全面認知大氣運動和解決天氣預報中的某些關鍵技術鋪平了道路。1956年12月17日，羅斯貝的畫像——作者是插畫大師鮑里斯 · 阿茨巴舍夫（Boris Artzybasheff）——登上了美國《時代》周刊封面，風光一時。羅斯貝榮獲美國氣象學會頒發的1953年“杰出科學成就獎”（后被追溯為第2屆羅斯貝研究獎章），是1957年國際氣象組織獎得主。終生僅獲1957年1次諾貝爾物理學獎提名。

地形和熱源被認為是激發和維持準靜止行星波（定常波）的最主要原因。準地轉理論是長波理論的重要基礎，利用它可證明大氣高空的長波是渦旋波。

六、美國數學家和氣象學家愛德華 · 洛倫茲（Edward Lorenz）：1955年提出有效位能概念并指出它是維持大氣環流的主要能量，解決了當時困惑國際氣象學界的重大技術難題。1956年4月，美國理論氣象學家諾曼 · 菲利普斯（Norman Phillips）采用兩層模式首次模擬了大氣環流。1963年3月，愛德華 · 洛倫茲發表混沌理論的開山之作《確定性的非周期流》（Deterministic Nonperiodic Flow），提出著名的洛倫茲方程，標志著非線性科學的誕生，被譽為“混沌理論之父”。1969年在混沌理論的基礎上發現蝴蝶效應，同年明確逐日短期天氣預報存在可預報性上限（2周左右）。洛倫茲是1983年克拉福德獎地球科學獎、1991年京都獎基礎科學獎和2000年國際氣象組織獎得主。

非線性科學是一門研究各種非線性現象共性的新興交叉學科?；煦缋碚摚?963）、孤立子理論（1965）和分形理論（1975）構成非線性科學的三大前沿理論。

七、中國氣象學家葉篤正：中國現代氣象學奠基人，中國大氣物理學創始人和全球氣候變化研究的開拓者。開創青藏高原氣象學，創立大氣平面羅斯貝長波能量頻散理論（1949）。創建東亞大氣環流的季節突變理論并借此成就榮膺1987年國家自然科學獎一等獎。葉篤正是2003年國際氣象組織獎和2005年國家最高科學技術獎得主。

值得一提的是，地球科學重要分支地球物理學也一度被諾獎排除在頒獎領域之外，故大陸漂移學說之父，德國地球物理學家、氣象學家和探險家阿爾弗雷德 · 魏格納（Alfred Wegener）亦與諾獎無緣。

經查詢諾獎官網提名數據庫，魏格納（1930年50歲時在格陵蘭島考察冰原的歸途中，因遭遇暴風雪襲擊不幸遇難）和馮 · 諾伊曼（1957年54歲時因胰腺癌和骨癌英年早逝）終生未獲諾獎提名。截至1970年，查尼、愛德華 · 洛倫茲和葉篤正亦未獲諾獎提名。

氣象學（大氣科學）成就與諾獎

因大氣中CO2濃度增加而引起的溫室效應是導致全球變暖的罪魁禍首。1824年，法國數學家和物理學家約瑟夫 · 傅立葉（Joseph Fourier）首先從理論上提出“溫室效應”的存在。1859年，愛爾蘭物理學家約翰 · 廷德爾（John Tyndall）將溫室效應與大氣中的特定氣體聯系起來，他利用實驗數據驗證了水蒸氣和CO2是吸收太陽輻射的主要成分。事實上，三年前的1856年，美國科學愛好者尤妮斯 · 富特（Eunice Foote）女士已得出與廷德爾類似的結論，只因性別歧視而被長期埋沒。1896年，瑞典物理化學家阿倫尼烏斯（1903年諾貝爾化學獎得主）發表2篇經典論文，創建大氣CO2對地表溫度影響的首個溫室效應模型，對溫室效應的研究作出重大貢獻。1975年8月8日，美國地球化學家華萊士 · 布勒克（Wallace Broecker，氣候科學教父或鼻祖）在《科學》雜志發表論文《氣候變化：我們是否正處于全球變暖的邊緣？》，這是“全球變暖”一詞首次出現在科學文獻中（該詞1957年曾最早出現在報紙的新聞報道中），隨即這一專業術語便迅速得以普及并變得家喻戶曉。布勒克與中國地球環境科學家劉東生分享2002年泰勒環境成就獎。2014年《自然-氣候變化》雜志曾發文指出：在全球變暖的大背景下，超強厄爾尼諾事件的發生頻率將顯著增加。

1951年4月，李政道（1957年諾貝爾物理學獎得主）在《二維和三維流體中湍流的差異》一文中闡明了湍流學中的一條重要定理：二維空間中沒有湍流，湍流只能發生在三維空間中。因必須有與地面相垂直的第三維氣流才會產生颶風，故李政道的這一研究成果為準確預報颶風提供了重要的理論依據。李政道的這一重要成果當時就吸引了馮 · 諾伊曼的注意和推崇。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）以及美國第45任副總統、環境學家和環保主義者艾伯特 · 戈爾（Albert Arnold Core，Jr.）“因在構建和傳播人為氣候變化知識方面所付出的努力，并為應對這種變化采取所需措施奠定基礎”而分享2007年諾貝爾和平獎。IPCC成立于1988年11月，總部設在日內瓦。1988—1997年，瑞典氣象學家伯特 · 博林（Bert Bolin，1981年國際氣象組織獎得主，獨享1988年泰勒環境成就獎）出任IPCC創始主席。迄今，IPCC已先后6次（1990年、1995年、2001年、2007年、2014年和2022年）發布評估報告，這些報告是國際社會認識和了解全球氣候變化的主要科學依據。1992年5月9日（同年6月4日開放簽署），聯合國政府間談判委員會在巴西里約熱內盧達成《聯合國氣候變化框架公約》，1994年3月21日起生效。1997年12月11日，聯合國氣候變化大會（始于1995年的年度大會，2020年因新冠疫情而停辦1次）締約方會議COP3達成《京都議定書》，建立起減排溫室氣體的三個靈活合作機制：排放貿易機制（ET）、聯合履行機制（JI）和清潔發展機制（CDM），2005年2月16日起生效。2007年12月15日，締約方會議COP13通過“巴厘路線圖”。2009年12月19日，締約方會議COP15試圖通過《哥本哈根協議》，但遭遇失敗。2015年12月12日，締約方會議COP21終于達成《巴黎協定》，2016年11月4日起生效，以取代2012年12月31日起已失效的《京都議定書》。戈爾是環保紀錄片《難以忽視的真想》的編劇兼主演，該片榮獲第79屆奧斯卡金像獎最佳紀錄片獎，喚起了民眾對全球變暖問題的關切和重視。

美國經濟學家諾德豪斯（William Nordhaus）“因將氣候變化納入長期宏觀經濟分析”而榮獲2018年諾貝爾經濟學獎。諾德豪斯的獲獎極大地振奮了氣候變化經濟學領域的學者以及與地理空間研究有關的空間經濟學、地理學和空間分析等相關領域的學者。頒獎機構瑞典皇家科學院高度評價諾德豪斯揭示氣候與經濟長期相互作用的綜合評估模型（IAM）、氣候-經濟動態綜合評估模型（DICE）及其區域版——區域氣候-經濟綜合評估模型（RICE）。諾德豪斯將氣候變化納入經濟增長模式研究中且將空間作為氣候變化經濟研究的重要因素，從而開創了氣候變化經濟學和空間經濟學，并首倡以碳稅為代表的價格調節機制，碳排放權交易市場應運而生。

隨著諾獎頒獎領域逐漸拓寬，1995年荷蘭大氣化學家和氣象學家保羅 · 克魯岑以大氣化學成就（有關臭氧的形成和分解機制的開創性研究）榮幸成為首位贏得諾獎的氣象學家。遲至2021年，直接以氣候學和氣象學成就贏得諾獎的科學家（真鍋淑郎和哈塞爾曼）才終于出爐。

2021年10月5日（周二），瑞典皇家科學院宣布將當年諾貝爾物理學獎授予美國籍日本裔普林斯頓大學氣象學家和氣候學家真鍋淑郎（1975年9月15日入籍）、德國馬普學會氣象研究所 （漢堡）海洋學家和氣候建模師哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）、意大利羅馬大學理論物理學家帕里西（Giorgio Parisi），前兩位均享當年1000萬瑞典克朗諾獎獎金的一半，表彰他倆“因對地球氣候進行物理建模，量化其可變性，并可靠地預測了全球變暖”。帕里西也曾做過氣候學方面的研究。

1967年5月，真鍋淑郎和美國氣候模擬學者理查德 · 韋瑟爾德（Richard Wetherald，1936—2011）合作發表氣候學經典論文《給定相對濕度分布的大氣熱平衡》，基于簡化模式的CO2濃度增倍實驗，研發出可根據物理定律在計算機上模擬和預測全球氣候變化的氣候數值模型，首次闡明大氣中CO2濃度對氣候變化的敏感性，基本終結了關于CO2是否導致全球變暖的持久爭論，這項工作衍生出的現代氣候變化機制對溫室效應理論的發展起到了承前啟后的關鍵作用并促成IPCC誕生。氣候變化研究離不開海洋，1969年真鍋淑郎等人發表了首個耦合海洋和大氣的地球氣候數值模擬結果，1975年采用新的耦合海氣模式完善并驗證了CO2增倍實驗。20世紀60—70年代，真鍋淑郎領導了地球氣候物理模型的研發，從一維輻射對流模型升級到三維大氣動力模型，三維模型又從“平板海洋”氣候模式拓展到“動力海洋”耦合海氣模式，這些數值氣候模型是IPCC評估氣候變化和未來氣候預估的重要工具。自2002年起，真鍋淑郎參與日本的地球模擬器項目，通過超級計算機模擬氣候變化。

真鍋淑郎從1967年36歲時首次發表獲獎關鍵論文到90歲高齡時才得以榮獲諾獎，授獎時滯（時間間隔）長達54年5個月，僅略短于羅杰 · 彭羅斯（2020年諾貝爾物理學獎得主）創紀錄的55年9個月和佩頓 · 勞斯（1966年諾貝爾生理學或醫學獎得主）的55年6個月。

哈塞爾曼早年主要從事流體動力學研究，致力于開發海浪和洋流的觀測和理論模型。1976年開發出描述氣候變化的隨機氣候模型（后被命名為哈塞爾曼模型），把長時間尺度的氣候變化解釋為短時間尺度的天氣過程的“累積”，可完美地解釋自然氣候變率，從而在混沌隨機的天氣過程和穩定的氣候變化之間架起了橋梁。哈塞爾曼機制和洛倫茲機制現并稱為可解釋氣候系統自然變率的兩大機制，后者認為混沌性的短期天氣變率自身就可以產生氣候事件尺度的變率。1979年，哈塞爾曼以創造性的方法提出包括溫室氣體在內的影響因子會在氣候變化序列中留下特定印跡的“指紋”信號，通過分離出這種“指紋”，可檢測出人類活動對氣候變化的影響，這是科學家們開展氣候變化檢測歸因研究的理論基礎，這種最優指紋法已被用來證實大氣溫度升高是由人類排放CO2造成的。哈塞爾曼的上述兩項重大原創性研究成果對定量估算人類活動在氣候變化中的貢獻十分關鍵。鑒于社會公眾的需求，哈塞爾曼甚至開發出耦合氣候經濟模型來確定減緩氣候變化的排放路徑。

真鍋淑郎和哈塞爾曼作出的最重大的原創性貢獻就是奠定了地球氣候模型的基礎，并因此而雙雙榮膺諾獎。

縱觀上述，由于大氣科學家群體的持續努力，不斷取得重大研究成果，終得到諾獎頒獎機構的青睞。諾獎頒發給大氣科學（氣象學）領域，對促進大氣科學的發展和拓展其影響力無疑會起到積極作用。

本文作者朱安遠是北京金自天正智能控制股份有限公司高級工程師，諾獎研究者