中国现代气象学的伟大奠基人叶笃正：让风云不再“变幻莫测”

姓名:叶笃正

生卒年:1916年—2013年

籍贯:祖籍安徽省安庆市

身份:中国科学院大气物理研究所所长,中国科学院副院长,中国气象学会理事长

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主要成就:

叶笃正早期从事大气环流和长波动力学研究,提出长波能量频散理论;20世纪50年代,提出青藏高原在夏季是热源的见解,由此开拓了大地形热力作用研究和青藏高原气象学;提出北半球大气环流季节性突变并引发一系列研究;60年代对大气风场和气压场的适应理论作出重要贡献,还指导与建立中国气象业务系统,为中国气象局的“气象中心”、“气候中心”和“信息中心”的建立做出了实质性贡献。

院士语录:

★ 天之风云亦可测

望族好学生

1916年2月21日,叶笃正在天津出生。美国著名中国近代史研究学者周锡瑞在所著的关于叶氏家族故事的《叶——百年动荡中的一个中国家庭》中,记录了叶笃正的家族背景,和他的成长岁月——生于名门望族,父亲叶崇质弃官从商,有三房夫人、十一子五女,叶笃正排行老七。

童年时,叶笃正是和兄弟们一起在家里接受私塾教育的。“我小时候,对我影响最大的,就是家庭的概念。”叶笃正在生前接受采访时,回忆自己的童年岁月,“我只知道家里头是怎么回事,对国的概念是很少很少的,所有接触到的人,都是跟家联系在一起的。”

虽然生长在条件优渥的大家族里,但叶笃正从小就性格温和内向,执爱学习,他的九弟叶笃成曾透露,“念书的时候,他(叶笃正)就很用功,小时候比较内向,仆人们就给他取了个外号,叫蔫儿七。”

14岁时考入当时代表着先进教学理念的南开中学读书之后,让叶笃正逐渐树立起家国意识。1931年,“九·一八”事变爆发,这让15岁的叶笃正更深刻地感受到了作为一个中国人的责任。“海光寺是日本租界地的兵营,他们让中国人去给他们做炮台,之后就把中国人杀了,扔进海河。看着漂在河里的尸体,感受着这种侵略和压制,我的震惊和愤怒不能更大了。”叶笃正说过,南开中学给了他爱国的概念,也告诉他以后该做什么,“不只要有家,还要有国。”

在南开中学读书的时候,叶笃正就在全校名列前茅,1935年,他顺利考入清华物理系。关心国家命运的他,积极投身“一二·九”时期的一系列学生运动,后来还加入了共产党的外围组织——中华民族解放先锋队,并且在“七·七事变”后,和初恋女友一起辗转多地,参加抗日武装和战地服务团。

但是,初恋女友却在这个过程中与叶笃正分手了。《叶——百年动荡中的一个中国家庭》一书中记录了原因:身为积极革命者的初恋女友有了另外一个男朋友。“我哭了一夜。”耄耋之年的叶笃正在接受采访时回忆起这段感情,回忆称,“这对我的打击太大了。”

失去了充满了热血的初恋,也使叶笃正决定重新追寻科研。1938年,他回到了由北京大学、清华大学、南开大学在昆明组建的西南联合大学继续学业。在学校打乒乓球时,叶笃正认识了学长、后来的“两弹一星”元勋、中国原子弹之父钱三强,他建议叶笃正去学习对国家更有实际用途的气象学。叶笃正由此开始了与气象之间一生的关联。

1940年毕业后,他考入浙江大学史地研究所攻读研究生,并在3年后与在浙大相识的女友冯慧结婚,随后成为了中央研究院气象研究所的助理研究员。1944年,叶笃正考取了国民政府组织的第一批赴美留学,他在战火中几经周折后抵达美国,到当时气象研究世界水平最高的芝加哥大学攻读博士,师从气象系主任罗斯贝,而叶笃正是系里的首位中国留学生。

“放弃外国优厚条件回国”

1948年,叶笃正获得了芝加哥大学的博士学位,并且作为研究人员留校,年薪4300美元。上个世纪末的美国,一位大学教授的年薪是5000美元。妻子冯慧也在怀俄明大学化学系获得了硕士学位,来到芝加哥与他团聚。与此同时,叶笃正所从事的学术研究取得了重要成绩,博士论文《大气中的能量频散》被誉为动力气象学的三部经典著作之一,并且首次通过观测证实了哈得来气流的存在,受到国际气象界了关注与认可。

尽管叶笃正可以在美国过上衣食无忧且精神自由的学者生活,但作为一个在美国生活的中国人,他的感受是复杂的。他在生前接受的一次采访中回忆,“有一次一个同学到芝加哥办事,让我帮他找个旅馆,在旅馆柜台,一个人对我说了一句话:‘我们没有中国人的房间。’我没法形容我当时的感觉,这种打击太厉害了。”

爱国责任感强烈冲击着叶笃正,让他产生了回国的想法。时值新中国刚刚成立,百废待兴,此时,新中国第一任气象局局长、叶笃正在浙江大学就读时的老师涂长望致信叶笃正,希望他回国一同开创中国气象事业,这进一步坚定了他回到祖国的决定。

当时,美国气象局的一位知名的研究人员力邀叶笃正留在美国工作,且开出了年薪5000美元以上的优厚待遇,导师罗斯贝也反复劝说他留在美国,但叶笃正归国之心十分坚决,“我是中国人,我要为中国做事。”

尽管归心似箭,但由于中美当时还没有建立外交关系,且美方对希望回国的学习科学技术的中国留学生进行了百般限制和阻挠。这使叶笃正的回国之路充满了坎坷,多次提出回国申请都被美国拒绝。但幸运的是,他和100多名中国学者一起搭上了“威尔逊总统号”邮轮,终于回到了祖国。

1950年,中国科学院成立地球物理研究所,刚从美国归来的叶笃正被任命为副研究员,并担任天气组组长,所参加的首要工作,就是建立中国的天气预报系统。就在当年,他参与组建了“联合天气预报中心”和“联合天气资料中心”,随后又带领仅10多人的气象研究小组开展与天气预报相关的研究工作。“有几个工作原则我们要做,第一,做中国最需要的;第二,不能只一般的做,要与世界潮流接轨,要做就要高起点;第三,一定要把人员培养好。”叶笃正如此描述当时的工作。

在随后的一个时期里,叶笃正在大气环流、青藏高原气象学、天气动力学理论、大气运动适应理论、现代中国气象业务体系等领域都取得了令人瞩目的成绩。1958年8月,叶笃正、朱抱真出版的《大气环流的若干基本问题》,是大气环流动力学方面最早的著作,也是大气环流演变过程和维持机制的经典著作之一。1959年,他与他人合作出版的《西藏高原气象学》一书,是当时国内外唯一的西藏高原气象学专著。50年代中期,叶先生与人合作发表论文《东亚大气环流》,奠定了我国天气预报的基础。

“即使受些苦,我也不后悔”

1966年,叶笃正正处于事业的巅峰时期,“文革”开始了,他被扣上了“资产阶级反动学术权威”“美国特务”等莫须有的帽子,遭遇批斗与折磨。

气象出版社编写的《叶茂根深学笃风正》一书中写到,改革开放后,叶笃正率团访问美国时,此前曾劝说他留在美国的好友卡普兰教授问他,经历了那么多的磨难,有没有后悔当初回国,叶笃正的回答是:“我一点都不后悔,我为祖国做了不少事,即使受些苦,我也不后悔。”

“‘文革’的时候,父亲从没抱怨过,也没有丝毫的怀疑。”叶维江告诉澎湃新闻记者,关于对祖国的情感,叶笃正始终是坚定而纯粹的,就算那段时间每天都被折磨,仍然坚持他的研究,争取把毕生所学教给身边的人。“他争取一切机会去看报纸,了解国家正在发生的事,看到好的事,整天都很欣慰,看到发生了不好的,就会很忧虑。”叶维江说,关于爱国,叶笃正很少会对子女说什么,“我们在潜移默化间,懂得他的爱国情怀,也通过他的一言一行,懂得如何去热爱自己的祖国。这种沉默的力量,更深刻。”

1966年1月,叶笃正参与创建了由天气气候研究室从地球物理研究所分出而成的中国科学院大气物理研究所,这是中国现代史上第一个研究气象科学的最高学术机构。他也进一步发展了他在青藏高原气象学、天气动力学、大气运动适应学方面的理论,推进了现代中国气象业务体系,在他的努力下,国家气象局于1969年正式发布了短期天气预报。除此之外,他还为中国第一颗原子弹爆炸成功做出过贡献,参加了这项实验工作的天气保障工作,荣获个人二等功。

中美建交后,美国科学团访华,其中包括叶笃正当初的老同事,因此,叶笃正参与了接待工作,随后与美籍华人科学家共同开展课题研究。这敲开了中美科技交流的大门,也给叶笃正的工作与生活带来了转机。

1978年,科学迎来了春天,叶笃正以更大的激情投入气象科研工作,荣获先进工作者奖,同时担任中国气象学会第18届理事会理事长,成为了中国气象学会的掌舵人。之后,他又连续出任中国气象学会第19、20届理事会理事长,第21届理事会名誉理事长。在他主持学会工作期间,中国气象学会全方位开展活动,取得了令人瞩目的成就。1981年5月,叶笃正担任中科院副院长,直至1984年3月。

“我是中国人,就要给中国做事,虽然有坎坷的事,但是这不只是针对我一个人,所以我觉得这都不重要。我对科学有兴趣,我就要把它做大。”叶笃正说。20世纪70年代末至80年代初,全球变化的问题刚被提出,叶笃正便意识到这一问题的重要性,立即亲自参与并组织人力全面投入研究。作为国际全球变化研究最早的发起和组织者之一,他在我国设立了全球变化与研究项目和我国第一批自然科学基金重大项目,围绕世界气候研究计划和国际地圈生物圈计划开展了一系列工作,带领中国团队成为这方面研究的引领者。

至90年代初,全球变化与地球系统研究逐渐成为一门涉及多时空尺度、多学科交叉融合的复杂科学,同时也渗透着国际政治力量之间的竞争。通过担任国际组织的职务,叶笃正也肩负起了一系列的组织领导职务,这使中国科学家在全球气候变化研究中有了更多的话语权,在国际气候研究与谈判的讲台上,发出了更多的来自中国的声音。

“2001年时,我回国工作了一段时间,和父亲时常探讨如何应对全球变化的问题,他提出,人类应该有序地进行自我约束,但这不是一个国家做到了就能解决的,需要全球各国共同努力,因此需要国际组织的推动。”叶维江说,他回到美国后,叶笃正多次给他打电话,要求他致信联合国,提出这一诉求。

2003年5月,世界气象组织向叶笃正授予世界气象组织的最高奖——第48届国际气象组织奖,它被誉为气象界的诺贝尔奖,是国际气象界的最高荣誉,这是中国科学家第一次获此殊荣。2006年1月,叶笃正获2005年度国家最高科学技术奖;2006年,年逾90的叶先生获得“感动中国2006年度人物”荣誉称号。

“总要后继有人”

每周三天去大气物理所上班,是叶笃正最快乐的时间。“就算是在家里,他也经常会邀请学生和其他科研人员一起研究工作,或者聊天。”叶维江说,步入晚年之后的叶笃正,依然从早到晚都沉浸在学术研究里,“这已经是他的习惯。”

而叶笃正的另一个习惯,是留在中国。20世纪90年代前后,他的三个子女都赴国外留学深造,并且留在国外工作,但叶笃正与冯慧很少专程前去与子女们共处,少有的几次在国外团聚,也是因为他过去参加会议,就顺便探望,“为祖国奉献一生,是他的心愿。就算去世的时候,他也是留在中国。”

叶笃正生前常说,任何大事都不是一个人能做成的,需要很多很多人齐心协力,所以,科研工作最重要的,就是要把人才培养好,“总要后继有人。”

中国科学院大气物理研究所研究员黄刚博士,是叶笃正最亲近的学生之一,“我父亲也是叶先生的学生,我从小是在给叶先生拜年之中长大的,他经常对我开玩笑说,长大了要当他的学生,一起搞气象工作。”结果,黄刚真的成为了叶笃正的学生,从1994年开始硕博连读,之后留在大气物理研究所工作至今。

“他在日常的工作和生活里,都是非常温和幽默的,但是对于科研学术,严格到可以说是有些厉害。”黄刚还记得他第一篇论文发表时的“坎坷”经历,“叶先生亲手改了五遍,提出五次修改意见,最后那一遍,我已经觉得改无可改了,自己去找杂志社投稿,结果真的发表了,但是他看到之后很不认可,觉得应该做得更好。他的要求已经超过了学术杂志的论文刊发要求。”而且,叶笃正拒绝在学生的论文作者上署他的名字,“他总是说,署了他名字的论文,杂志不会不发表,甚至不敢提出修改意见,不能反映出学生们的真正水准,只有独立去完成,才能经得住高标准的考验。”

气象这一学科,与很多领域都有所交叉,尽管年过耄耋,叶笃正的视野仍然十分超前,阅读量依然巨大,还在继续坚持和科研人员到一线去参与调研考察。“比如全球变暖影响轮作制度,灰霾预报数字化,天气预报多元化,气象变化与经济的关系,等等,这些涉及多个领域的课题,都是叶先生生前一直提出并且研究的。”黄刚还记得叶笃正的那个记事本,“信息量非常大,上面记录着他在生活和工作中看到的很多大事小事,每件事他都争取去做,自己完成不了的,就会拿出来和我们分享,大家一起商量。”

2010年1月30日,国际小行星中心发布第68447号公报通知国际社会,第27895号小行星永久命名为“叶笃正星”。这颗承载着叶笃正的学术成就和崇高精神的小行星,至此在茫茫宇宙中遨游。2013年10月16日,叶笃正先生安然离世,享年98岁。

离世前的那两年,叶笃正的眼睛已经很难看清字迹,但仍然坚持把自己的科研经验与毕生智慧传授给学生。“他看不见了,就让我把论文念给他听,有想法的时候,就会让我停下来,然后提出他的意见,声音一如既往的温和,但是有力量。”这是叶笃正留给黄刚最后的记忆。

主要成就

开创青藏高原气象学

叶笃正首先发现围绕青藏高原的南支急流、北支急流及它们汇合成为北半球最强大的急流,严重地影响着东亚天气和气候;他与中国之外的气候学家Flohn各自指出了青藏高原在夏季是大气的一个巨大热源,叶笃正还首先指出青藏高原冬季是冷源;他同时还深入地研究了夏季青藏高原热源及其对东亚大气环流的影响。由于他的研究工作,国际上才接受了大地形热力作用的概念,为青藏高原气象学的建立奠定了科学基础。

创立大气长波能量频散理论

叶笃正提出了大气平面Rossby波的能量频散理论,从理论上证明了西风环流中的能量可按远大于风速的群速度向下游(或上游)传播,为现代大气长波的预报提供了理论基础;同时,也对阻塞高压天气系统的生成、维持和移动给出一种动力学解释。这个理论31年后才由B.Hoskins的“大圆理论”所推广,成为对遥相关和遥响应的理论解释。

创立东亚大气环流和季节突变理论

叶笃正与陶诗言等发现东亚和北美环流在过渡季节(六月和十月)有急剧变化的现象,这一发现对中国天气预报有重要意义。他们还发现阻塞形势的建立和崩溃常伴随着大范围环流形势的强烈转变,它的长期维持则带来大范围气候反常现象,从而证明了阻塞高压在持续异常天气预报中的重要性。这些发现和理论成为研究东亚气象学问题的重要文献,奠定了中国天气预报的重要基础。中国之外的学者在10多年后,由于1976年冬季北美出现极其寒冷的天气,才开始提出各种系统理论,并形成了一个重要的研究方向。

创立大气运动的适应尺度理论

大气环流中究竟是气压场还是风场为主导是学术界长期争论的问题,也是天气预报的关键之一。 叶笃正等通过一系列工作建立了大气运动适应尺度理论:对不同空间尺度的运动都存在着特征尺度,当实际运动的空间尺度大于这个特征尺度时,气压场起主导作用;当运动的空间尺度小于特征尺度时,风场起主导作用;对中小尺度的大气运动,同样存在适应问题。这个独创的理论完善了大气运动各分量的相互作用过程的物理解释,在天气预报业务上有重要的应用。

开拓全球变化科学新领域

20世纪70年代末至80年代,叶笃正积极组织并领导中国开始气候变化的研究。他积极参加全球变化科学组织(IGBP)的创立,并发挥了重要作用,并贡献了一系列科学思想,如:气候和植被过渡带的敏感性、全球变化中大气化学的作用和“有序人类活动”适应全球变化等。他通过模拟计算后指出,大范围的灌溉对气候和水文的影响时间可长达3-6个月,从而证明了人类活动对气候的影响的可能性(被称为“陆面记忆”)。

对中国现代气象业务事业发展的卓越贡献

叶笃正的理论研究成果对提高气象业务水平起到重要作用,有些至今仍在发挥作用,如大气长波能量频散理论在业务天气预报中俗称为“上游效应”;阻塞高压形成和维持的理论,一直是业务上对持续异常天气预报的重要理论基础;青藏高原气象学理论,在中国气象业务中不仅是天气预报的重要基础之一,更是气候预报的主要基础;大气运动的风场和气压场的适应的尺度理论至今仍是天气分析和预报的主要理论基础之一。此外,他积极参与和指导建立中国气象业务系统,为中国气象局的“气象中心”、“气候中心”和“信息中心”的建立做出了实质性贡献。

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