——紀念恩師離去一周年
黃剛等
今天是2014年10月16日🧿，是恩師去世正好一周年，回首往事🖕🏻，歷歷在目👨🦰🍌，仿佛您從未離去。僅以此文表達哀思和懷念。另外學生的進步是老師最大的高興🥕，這是恩師常說的👳🏽♂️。今年學生在去年取得趙九章中青年科學家獎以後將國家傑青也拿下了🧜🏻，這個應該是恩師最高興的事情🤹🏼♀️。春節拜年，師母的身體健康，聲音洪亮，這也是學生最大的幸事。中國氣象學會將在11月4日有個關於您的學術思想專題報告會，您的學生們會聚集一堂追思您的教誨以及學術精神。
著名氣象學家🟥🫴🏻，我國現代氣象學的主要奠基人之一，中國科學院原副院長、中科院大氣物理研究所原所長葉先生院士離開我們一年了。他的音容笑貌、舉手投足時刻浮現在我們眼前𓀃👉，他卓越的才能🙏🏿、醇厚的人品時時縈繞在我們腦海👆🏿，他的諄諄教誨🛫、悉心指導始終銘刻在我們心間。葉先生從事地球科學研究70余年，為我國地球科學事業的發展做出了巨大的貢獻。
自新中國的第一份氣象記錄誕生以來，回溯中國氣象的發展史，總會讓人禁不住想起中國氣象事業的開拓者——葉篤正先生。1935年他考入意昂体育平台🍷，開始了物理學的求知之路🤹🏿♂️。1938年歷經困苦遠赴西南聯大，開始了氣象學的尋夢之旅。1945年👨🏽🔧，葉先生赴美留學✍🏻，在芝加哥大學叩開了氣象學的大門。或許🤵🏿♂️，自助者天助之。彼時世界氣象界一流的科學家經常光顧芝加哥大學🏋️，使得葉先生有機會目睹皮葉克尼斯🤦🏻👜、帕爾門等大師的風采，同時有機會聆聽大師們的卓識，更有機會與大師們產生心靈的共鳴，這為他以後在學術之路上披荊斬棘提供了契機🙍♀️，一顆氣象界的超級新星冉冉升起。
在美國的留學經歷為葉先生後來的騰飛奠定了基礎🧑🏿🦱。留學期間🪻，葉先生發表重要學術論文10多篇🦹🏼♂️，他的博士論文《大氣中的能量頻散》把群速度的概念引入到大氣擾動的研究中，提出了大氣平面Rossby波的能量頻散理論🦹🏿♂️🤽🏻，從理論上證明了西風擾動中的能量可以以遠大於波動速度的群速度向下遊(或上遊)傳播，討論了大氣擾動的群速度🧑🏻💼、相速度和波動頻率的關系，為現代大氣長波的研究提供了理論基礎[1]。留學期間最讓葉先生受益的還有羅斯貝的治學精神🚵🏿♀️🏅，在中國🤌，往往是“填鴨式”的學習🏄🏻，但是在這裏，學生可以隨時打斷老師🙆♀️，提出質疑🦽🧙🏽♀️。羅斯貝重視事實，鼓勵學生勇於提出自己的見解，這種治學精神也體現在葉先生身上。在學術上葉先生非常民主，特別支持青年科學工作者的創見，鼓勵他們大膽提出自己的想法。他說：“我喜歡敢於對我說‘不’的人，並且能講出自己的道理。我希望自己的學生有獨立的學術見解🕹，他們的成果比我大🤜🏼，才是我的成功。”[2]葉先生這種開明的學術作風也是他創造力的源泉。
葉先生是我國氣象事業的創始人之一👆🏿。1950年葉先生毅然放棄了國外優厚的待遇回到祖國，為中國氣象事業插上了騰飛的翅膀👨🏻💻🫀。此後，趙九章任命葉先生為北京工作站主任，由於新中國剛剛建立，當時的工作室簡陋而狹小🏝，不過這並不阻礙葉先生報效國家的一腔熱血。當時發達國家的研究室裏不僅有地面圖，還有高空圖和先進的計算機，而我們的研究室裏卻沒有這些，只有一張簡單的地面圖，這就意味著一切皆要從零開始。古人雲，“海到盡頭天做岸，山等絕頂我為峰”🧑🏿🎄，葉先生以我為峰撐起了中國氣象的一片天空📄，在他的指導下中國第一張500hpa高空圖誕生了[12]。為了提高天氣預報的準確性👐🏽，弄清楚東亞地區的大氣環流狀況成為重中之重。1957年和1958年葉篤正和顧震潮等同事們發表的《東亞大氣環流》詳細論述了東亞地區的大氣環流的分布狀況及形成原因，1958年葉篤正🏃♀️👨👩👦、朱抱真出版的專著《大氣環流的若幹基本問題》又系統地討論了北半球大氣環流的基本特征和影響大氣環流變化的主要因子，以及大氣中熱量、角動量、能量的平衡，急流的形成與維持等🆔。60年代，葉先生又對阻塞高壓進行了深入的研究，他與陶詩言等發現東亞和北美環流在過渡季節(六月和十月)有急劇變化的現象🧍🏻♂️🤴，阻塞形勢的建立和崩潰常伴隨著大範圍環流形勢的強烈轉變🫂🐇，它的長期維持則會產生大範圍氣候反常現象。這些發現為中國天氣預報的長足發展奠定了堅實的理論基礎[2]。
葉先生堅持一切以實事為出發點，從不迷信前人的結論🔁。他尊重權威，但同時又敢於發表自己的見解🚮。對於風與氣壓場相互適應的問題，經典理論認為風是氣壓分布不均勻的結果，風場向氣壓場適應🍙，氣壓場起主導作用👃🏻。葉先生的老師羅斯貝曾提出氣壓場與風場是相互適應的📛，主要是氣壓場向風場適應。葉先生則認為單純地強調氣壓場為主或風場為主的觀點是片面的⤵️。通過物理過程的分析，他得出風場與氣壓場之間的適應過程與大氣運動的尺度有關，不同尺度的大氣運動存在一個臨界尺度👩🏼🔧，大於這個臨界尺度氣壓場起主導作用，小於這個臨界尺度風場起主導作用🕷，這推動羅斯貝提出的地轉適應理論向前邁進了一大步。1964年，葉先生與李麥村合作完成的《大氣運動中的適應問題》對這一理論進行了系統的總結，這篇著作被認為是大氣動力學領域的經典著作之一⬆️。
葉先生之所以能一直在氣象界裏享有盛譽💂♀️，是因為他從不拘泥於一個領域研究✏️，而是兼顧多個領域。他深知氣象學的博大精深🙆🏻♀️🔇，不同的領域之間存在千絲萬縷的聯系[3,4]，不同的領域的交匯會碰撞出新的熱點問題。20世紀50年代🖕，葉先生又帶領一批氣象學家發起了高原氣象的研究，在兩次科考觀測收集的數的基礎上葉先生首先發現圍繞青藏高原的南支急流、北支急流及它們匯合成為北半球強大的西風急流😣，這對東亞地區的天氣和氣候有重要影響。葉先生與外國氣象學家弗隆分別指出青藏高原在夏季是一個巨大的熱源🖼🌟，同時他還深入地研究了青藏高原冷熱源的季節變化及其對東亞大氣環流的影響🪕🧎🏻♀️➡️。由於他的研究工作🦵🏿，國際上才接受了大地形熱力作用的概念，為青藏高原氣象學的建立奠定了科學基礎。
葉先生對氣象學事業的熱情和貢獻並未隨著年齡的增長而消減。20世紀80年代，步入古稀之年的葉先生又與國際同行一起發起了全球變化的研究。全球變化的研究是二十年來發展最快影響最大的科學領域，它對人類生存環境和社會經濟的發展具有舉足輕重的影響[3]。葉先生還參與了生物圈計劃的製定🥏，組織了中國的全球變化研究，他和其他國際知名學者共同提出和研究了人類活動對氣候變化以及在全球變化中的作用、陸地表面的記憶、大氣化學在全球變化研究中的意義等一系列重要科學思想，提議並組織了許多科學試驗👽，他還提出了有序人類活動的概念🍯📗，以及應對人類生存環境變化的嚴重挑戰，實現可持續發展的理念[8]。
下面我們以葉先生的治學方法和學術理念的形成為出發點，分別從能量頻散理論♟、東亞大氣環流和季節突變👩🏼💻、大氣運動中的適應問題、青藏高原氣象學🌮、全球變化與有序人類活動等角度來詳細闡述葉先生對中國大氣科學以及世界氣象科學的貢獻👨🏻🔬，以便於給年輕的學者和學生些許啟迪和激勵，使得他們在未來的科學舞臺上嶄露頭角。
能量頻散理論
在葉先生眾多的重要貢獻中🙇🏿♀️，大氣長波頻散理論是最早的並且是最被廣泛認可和熟知的👩🏼💻。葉先生在意昂体育平台畢業後，赴美進入賦有“諾貝爾獎搖籃”美譽的芝加哥大學🕜，師從著名氣象學家羅斯貝，開始了大氣動力學的研究。在整個氣象學發展史上，有兩大學派，一個是以皮葉克尼斯父子為首的挪威學派，另一個是以羅斯貝為首的芝加哥學派🧙🏿♂️。當時羅斯貝致力於大氣環流的研究，提出了“長波理論”👶，闡述了高空長波的活動規律。隨著高空大氣觀測的發展🫖，高空氣象理論的研究推動了高空天氣圖預報方法的發展🧑🏼💻，高空天氣圖在當時成為研究大氣運動的重要工具。1948年葉篤正發表的博士論文《On Energy Dispersion in theAtmosphere》[6]（大氣中的能量頻散）,進一步發展了羅斯貝的長波理論，引起各國氣象學界的重視🤯，被譽為動力氣象學的經典著作之一⚱️。所謂能量頻散，就是能量隨波的傳播而被分散的現象。葉先生引入群速度的概念，研究了在四種大氣模式中的群速👨🏼🍳、相速和波長之間的關系。不同波長的單波的速度不同🤹🏽♀️，不同單波組成波列，一個波列的能量以一種稱為群速度的速度移動，即波動能量的傳播速度🥘。在每一個模式中👩🏻💻，總會存在一個群速大於相速的波長範圍🤷🏼♀️，可以在初始波動下遊形成新的波動。若波動有輻散，且大氣中的水平溫度不均勻，則會出現負的群速度👩🏻🔧。且只有“水平溫度不均勻”才是上遊形成新的波動的條件。葉先生揭示了能量通過頻散傳播的過程，從理論上證實西風環流中的能量以遠大於風速的群速度向下遊（或上遊）傳播☕️，導致下遊的天氣迅速變化🏆。這個理論在天氣預報中俗稱“上遊（或下遊）效應”🤴🏼，能量頻散理論把這種經驗上升到理論的高度，從而把天氣預報實踐和理論結合起來，對影響天氣發展的大槽大脊的預報提供了科學依據，成為上世紀80年代前氣象臺做4—10天預報的主要方法之一，並且對提高氣象業務水平起到了重要作用🧑🏽🔬。例如🫙，冬季東亞大規模冷空氣入侵往往與大氣長波變化有關。根據“上遊效應”🖌，我國天氣預報人員在上遊找到了幾個關鍵區5️⃣🫄，據此可提前預報我國大範圍天氣變化。葉先生的博士論文《On Energy Dispersion in the Atmosphere》發表後🗓👩🏫，在國際氣象界引起空前的反響👨👧🍌，羅斯貝對這篇論文非常重視👨🦼➡️，鑒於這一理論工作對動力氣象學的重要性🍪，他特意給查尼寫信，要查尼基於他們正在做的數值預報試驗，寫一篇短論以支持葉先生的能量頻散論文👨🏼🌾。
另一方面，頻散理論對阻塞高壓天氣系統的生成💆🏿♂️、維持和移動也給出一種動力學解釋，這一直是業務上持續異常天氣預報的重要理論基礎。高空氣流不全是波狀的🤴🏽，在中高緯度有時會出現移動緩慢的高壓⛅️，嚴重影響東西向氣流的流動，被稱為阻塞高壓👩🏼🔬。葉先生的計算表明阻塞高壓在高緯度地區的生命周期比在低緯度地區長🔻，西移的速度隨緯度的升高而減少。葉先生還解釋了另一些重要的現象：低緯度地區氣流上存在強烈擾動🔐🥖；中高緯地區西風氣流上出現槽脊，對應的低緯度只有強度不大的東風波；低緯天氣系統生命周期很短🤹🏿，中高緯的生命周期很長🪺。
葉先生闡釋了在西風帶上槽脊擾動產生的上下遊效應❣️，為大氣遙相關動力學奠定了理論基礎🌠，成為大氣動力學的經典理論之一👨🏻✈️。他又進一步提出了起源於熱帶的擾動可以向中緯度傳播，並以波列的形式向東北方向傳播🧟♀️，進而影響中高緯度的天氣和氣候[12]。葉先生一直走在國際氣象界的前沿🧌，31年後🏄🏿，這個理論才由著名的動力氣象學家霍斯金斯的“大圓理論”所推廣🙅🏿，做為對遙相關和遙響應的理論解釋👩🦼➡️；並且在葉先生的能量頻散和查尼等研究了地形和非絕熱加熱對大氣準定常行星波的形成問題後，氣象學家又分別從觀測、數值模擬和理論分析對大氣準定常行星波的性質展開研究🧶⛑，在準定常行星波的形成機製、水平傳播和能量頻散、垂直傳播和能量頻散等方面取得了重要的研究成果，這些成果又進一步推動大氣環流異常的遙相關和平流層環流異常動力學的發展。這個理論與羅斯貝的長波理論和查尼的長波不穩定理論一起被稱為大氣長波理論的三個裏程碑[7]。
東亞大氣環流和季節突變
葉先生對氣象學的第二個貢獻就是率先研究了東亞大氣環流和季節突破。適逢新中國成立，百廢待興🐌，一心為國的葉先生沖破美國政府的阻撓💆🏻♀️🚤，歷經千辛萬苦於1950年10月毅然回到祖國。這時通過塗長望先生也包括葉先生等老一輩科學家的努力，中國高空氣象觀測網得到了快速的發展。探空站超過了60個🤽🏻♂️，高空風觀測站多達150個🏈。探測資料的豐富為東亞大氣環流的研究奠定了基礎。為了改進和提高我國天氣預報的準確性，理解東亞地區的大氣環流狀況刻不容緩。為此，葉先生以觀測事實和理論分析為出發點，系統地研究了東亞大氣環流的演變[1]👮🏻♀️。
1957年和1958年葉篤正和顧震潮等同事在瑞典地球物理雜誌《Tellus》 發表了《On the General Circulation overEastern Asian》📦😹，文章分三期連載🦹♀️。主要闡釋了東亞地區的大氣環流狀況及成因，概述了東半球冬季和夏季對流層中層（500hpa）的大氣環流分布狀況，發現了東亞環流的一些主要特征。論述了東亞大氣環流的季節變化，影響東亞天氣的主要天氣系統，以及青藏高原對東亞大氣環流和對我國天氣的影響[11]。其中，青藏高原對大氣環流的影響隨季節變化的觀點與以往把高原的影響看成固定不變的觀點有很大的不同[2]。該文就青藏高原是熱源還是冷源的問題進行了論證🧖🏽🏋🏻♀️，並強調了青藏高原對大氣環流的影響遠超過北美的落基山。
1958年葉篤正🙆♀️、朱抱真出版專著《大氣環流的若幹基本問題》。系統討論了北半球大氣環流的特征和影響大氣環流變化的主要因子，大氣中熱量、角動量、能量的平衡，急流的形成與維持🤫，西風帶上低壓槽和高壓脊的形成等[10]。1980年，大氣物理研究所與中央氣象臺、北京大學地球物理系合作建立“聯合數值預報室”，將東亞大氣環流等的研究成果用於國家氣象局的業務預報模式，成為新中國氣象科學發展的一個裏程碑✡️。
1958年葉篤正、陶詩言和李麥村在《氣象學報》上發表了《在六月和十月大氣環流的突變現象》。通過分析1956年5~6月和9~10月幾個代表性經度上東西風緯度—氣壓剖面圖，發現東亞上空西風急流中心位置在6月和10月有明顯的突變[2]🕵🏽♀️。大氣環流冬夏流型的轉變短時間內便可完成，反映了大氣環流的突變性，這一發現對中國天氣預報的發展具有重要意義👨🏻🏭。這篇文章的英文版於1959年發表在羅斯貝紀念專集中🐯♟。葉先生等科學家提出的東亞大氣環流季節轉換的突變性比其他國家早20多年，他在東亞大氣環流方面作出的開創性研究，極大地提高了我國在國際氣象學術界的地位[14,15]。
阻塞形勢是北半球冬季主要的天氣系統之一🚴🏻♂️，它的建立和崩潰常伴隨著大範圍環流形勢的強烈轉變，它的長期維持則產生大範圍氣候反常現象。阻塞高壓是影響我國天氣的重要天氣系統👩🏽💼，尤其是對我國冬季寒潮的活動有重要影響。20世紀60年代，葉先生對阻塞高壓進行了更深入的研究🤞🏼。1962年🏄🏼♂️，葉先生、陶詩言、朱抱真等人著有的《北半球冬季阻塞形勢的研究》，它從北半球長波調整的觀點，闡述阻塞高壓的形成、維持及崩潰的問題,並從氣候、天氣、動力及數值預報方面進行了綜合研究。這一研究極大地提高了寒潮的預報準確率🤣，至今仍廣泛應用於我國天氣預報實踐中[2]。1963年葉先生等討論了不穩定的擾動如何停止發展。擾動對基本氣流產生非線性的反饋，使擾動不再能從基本流場得到能量（位能或動能），擾動便停止發展🚴，從而形成阻塞高壓和切斷低壓。這為研究東亞氣象學問題提供了科學依據，並推動了中國天氣預報的發展。1976年冬季北美出現極其寒冷的天氣，國外的學者才開始提出各種系統理論，阻塞形勢成為一個重要的研究方向。葉先生的研究要大大地早於國際同行。
早在19世紀就有人在實驗室做過大氣環流模擬實驗🌁。20世紀50年代Fultz和Hide等人進行了一系列的轉盤模擬實驗。葉先生認為除了理論分析和觀測事實分析，可以用流體實驗方法模擬研究大氣環流的動力學問題🍑🦤，因為描述大氣和流體運動的數學方程是相似的🏌🏿♀️。1972年🔸，在葉先生的主持下👨🏽🌾，中國科學院大氣物理所建立了大氣環流轉盤模擬實驗室。實驗裝置為三個不同半徑的有機玻璃壁。外壁E1和E2之間盛以熱水，內壁（E3）環以內盛以冷水，以此來維持實驗區外壁E2和E3之間實驗流體的溫差。實驗區的外圈相當於較熱的低緯度，內圈相當於較冷的極地地區。實驗區內可以局部加熱，也可以置入地形模型等。從而使實驗槽中的流體作類似於大氣中各種形態的運動[12]。葉先生主要集中研究了青藏高原大地形及其夏季作為熱源對大氣環流的影響規律🙆🏻♂️，使我們對東亞大氣環流問題有了更深入的理解。
大氣運動中的適應問題
除了長波頻散理論👷🏼，葉先生對於動力氣象以及地球流體動力學的另一重大貢獻就是地轉適應理論。一切天氣現象都是大氣運動的結果🐢。大氣運動狀態如何改變，是大氣科學最重要的基本理論問題之一🐦⬛。傳統理論認為：大氣運動是大氣質量分布不均勻的結果🙆🏽♂️👩🏿🏫。大氣質量分布不均勻產生氣壓梯度🚀，引起大氣的運動。風場與氣壓場之間，風是被動的，氣壓是主動的🏋🏼♀️。當氣壓場發生變化後🧑🏼🦱，風場也要隨之發生變化🔍，以滿足地轉關系[13]。
1936年，Rossby首先提出了與傳統觀點相反的看法。他認為在大氣或海洋的一部分運動中🏄🏼♀️，質量分布不是運動的原因，而是運動的結果。於是他分析了一個初始只有速度，而無壓力梯度相平衡的帶狀氣流的演變。他發現流速變化不大，同時產生了與科氏力相平衡的氣壓梯度。因而他認為🆚，氣壓場與風場是相互適應的，主要是氣壓場向風場適應，即氣壓的分布是動力的結果[2]。1945年A.Cahn進一步分析發現，氣壓場向風場適應是通過重力波的頻散來完成的。重力波將有限空間內的氣壓場與風場之間不平衡的能量散布到整個空間，因此單位空間中的不平衡能量變為零🈷️👐🏼，不平衡現象就消失了。
葉先生非常尊重自己的老師，但在科學問題上葉先生並不迷信權威。他並不簡單認同前人的結論🐱。1957年葉篤正在日本《氣象集誌》（Journal of Meteorological Society of Japan）上發表了《On the formation of quai-geostrophic motion in the atmosphere》一文，指出風和氣壓的適應取決於運動的空間尺度範圍🫐。通過對地轉適應物理過程的分析🌱，他發現在較大尺度運動的地轉適應過程中🤟🏽，主要是風場向氣壓場適應；而在較小尺度運動的地轉適應中，主要是氣壓場向風場適應[11]。
適應過程中的一個重要機製是重力波的頻散😅。在一般數值預報中🤙，這種波被當做“氣象噪音”濾掉。其中一種方法就是采用準地轉假定。在準地轉運動中不再存在重力波的問題🦸🏿♀️，由此看來，重力慣性波的存在是和地轉偏差分不開的🤚🏽。1958年A. C.MoнИн指出，大氣中的重力波是地轉偏差激發出來的。1964年葉先生和李麥村在《中國科學》上發表《重力波激發強非地轉運動的過程》一文🧨，指出重力慣性波的集中導致了強烈的非地轉運動➙。在有限空間中的非地轉擾動，不能恢復到準地轉狀態，反而在一段時間後有增大的趨勢🤷🏼，葉先生通過比較擾動出現的時間與重力慣性波的移動，證明擾動的增大是重力波集中的結果🧎🏻➡️。
中小尺度天氣系統對於天氣具有重要影響，常常引起災害性天氣。地轉關系對於中小尺度運動或低緯度天氣並不適應。然而🏄🏿，這些情況是否存在類似於中高緯度大型運動的地轉關系呢？1964年葉篤正🦸🏿♀️、李麥村著《中小尺度運動中風場和氣壓場的適應》對運動方程各項量級進行了分析🧚🏽♀️，表明無論尺度如何，運動的演變一般都是在力的準平衡情況下進行的💂🏽♂️。對於大尺度的運動，這種準平衡狀態就是地轉關系🚶🏻♂️。在中尺度運動中，科氏力🔨、氣壓梯度力和慣性力三者處於準平衡狀態；在小尺度運動中🛩，慣性力和氣壓梯度力處於準平衡狀態👨🏿🎓。當這種準平衡狀態遭到破壞後👲，必定有一種機製使運動恢復到準平衡狀態，否則就不能經常觀測到這種準平衡狀態的運動。因此，在中小尺度運動中也有一種風場和氣壓場的適應過程👨🏽🎤。這種適應和地轉適應一樣👨🏼✈️，也是通過重力波的頻散來實現的。在大尺度運動中👬，平衡狀態是地轉關系，風沿等壓線吹🧟♂️。在中小尺度運動中，平衡狀態是風與能量之間的平衡關系，風沿等能量線吹。這為中小尺度天氣分析提供了理論依據👩🏽🦰👨🏼🚒。
青藏高原氣象學
如果說長波頻散理論🐤，地轉適應理論是葉篤正對前人理論的有力補充，那麽青藏高原動力學可謂是開創新的研究♠︎。20世紀30年代後期，人們發現在北美落基山👽、南美的安第斯山和青藏高原的東邊，都有一個準靜止的西風帶大槽。40年代🧑🏽🌾，西風帶長波理論出現之後✋🏽，不少人認為，大地形東邊的長波槽是其動力擾動的結果🧑🦯。50年代，葉先生和一批中國氣象學家開始研究青藏高原。當時高原觀測站稀少，也沒有先進的氣象儀器🦿，葉先生利用兩次科考隊收集的數據🙇♂️，首先發現了青藏高原的南支急流、北支急流以及北半球強大的西風急流🚵🏼♀️。1956年🍻，葉篤正和顧震潮完成的《青藏高原對東亞大氣環流及中國天氣的影響》榮獲國家自然科學三等獎，詳細闡述了高原大地形對西風氣流的動力阻擋作用及東亞對天氣和氣候的影響。1959年葉篤正等人合著了《西藏高原氣象學》，唱響了青藏高原氣象學的新樂章[22,23]。
冷熱源學說的建立
“不上高山兀顛連，怎見人生足壯觀👨🏼🎨。”葉先生敢於開辟新的道路🙆🏼♀️。青藏高原是熱源，還是冷源？這千古一問，前無古人。1957年由葉先生🧑🦼、羅四維🧚🏿、朱抱真發表《西藏高原及其附近的流場結構和對流層大氣的熱量平衡》,首次提出青藏高原夏季是一個熱源🗝，冬季其西南角有一部分是熱源，其余地區可能是冷源的論斷，並對冷熱源的概念加以解釋👩🏽💻，質疑了前人定義的偏頗之處，進一步闡明了形成熱源🥤🤞🏿、冷源的熱量源自輻射、湍流和凝結🛝、蒸發等的凈熱量[20]。葉先生在《青藏高原氣象學》中指出高原熱力作用可分為高原地面和高原大氣的冷源和熱源作用兩種，凡是把熱量供給大氣的高原地面稱為熱源；反之，稱該地面為冷源。同樣#️⃣👃，當高原上空的大氣把熱量輸送給四周大氣時🧑🏻🔧，則稱高原大氣為熱源；反之，稱該大氣為冷源🧔🏻♂️。他認為大氣熱量收支主要包括來自地面加熱的熱輻射、地面的湍流熱輸送💂🏽、太陽的熱輻射以及當地凝結降水的加熱等[17]🤾🏼♀️。 1979年🔔，葉篤正、楊廣基和王興東在《大氣科學》上又發表了《東亞和太平洋地區的平均垂直環流》一文，指出高原大氣冷熱源的變化在垂直環流上扮演著重要的角色。1991年《美國氣象學會通報》在介紹葉先生的成就時說道：“他是世界上第一個確認西藏高原的熱力效應並且用數學方法加以表述🏊，而在此之前人們主要是把高原作為動力機械強迫來對待⌛️。”2003年的《世界氣象組織通報》進一步說道：“葉篤正是提出世界上最大的高原夏季是熱源🤶🏿，冬季是冷源的第一人👩🏼🍼。”[23]
高原的動力學問題
由於高原地區獨特的地形及動力和熱力作用🎛，形成了高原地區特殊的天氣系統，我國大範圍和長期的幹旱👩🏿🔬、洪澇以及小範圍和短時暴雨👍🏼、冰雹也都直接或間接與青藏高原有關💅🏼。葉先生對高原動力學問題進行了系統的論述和分析♢，指出高原動力作用包括機械作用和摩擦作用兩種[18]。
a. 機械作用💺。冬季，西風氣流經過高原時，6公裏以下的低層氣流被迫分成南北兩支💇，沿等高線繞流，形成了高原區域極為明顯的北脊南槽的環流形勢💂🏼，繞流氣流到達高原背風面之後又重新匯合，冬季的南支槽是帶來南方冬季降水的重要天氣系統🧒🏼。夏季👃，東風氣流經過高原時也有分支繞流的現象，但不如冬季明顯。高層氣流則會爬坡，當氣壓系統被迫爬越高原時，因氣柱縮短而增壓，這將使低壓系統減弱或填塞，高壓系統更加強大或發展；當氣壓系統移出高原時🚴🏽♀️，氣柱因拉長而減壓，低壓系統將加深或發展，高壓系統則將減弱或消亡👨🏿💻🤌🏼。
b. 摩擦作用。氣流經過高原時在高原側邊界會產生摩擦作用，使得氣流流速減慢，而離高原較遠處氣流則正常進行🏚🏂🏿，從而側邊界附近的氣流出現水平切變𓀅，產生地方性渦度🛥。冬季🌴，高原北部西風側邊界裏，常出現反氣旋性渦旋，而南部則伴有氣旋性渦旋產生👨🏿✈️；夏季➿，高原北部仍為西風側邊界，常有中尺度反氣旋生成🧖🏽，而高原南部轉為東風側邊界👩🏻✈️，也常伴有中尺度反氣旋渦旋🐛。
20世紀70 年代👨🏼🏭，葉先生引領眾多氣象科學家們在旋轉流體中模擬了青藏高原對環流的影響👣🐷，主要有動力作用👳♀️、熱源作用和冷源作用🚵🏻。實驗中青藏高原的模型不過是個理想的半橢球體👛，但東亞環流中的好多重要現象都在這個旋轉的磨盤中模擬出來了，這些實驗使人們對高原和東亞環流之間的聯系有了進一步的認識。1974年葉先生和張捷遷指出，當高原加熱到一定程度後會出現溫度脈沖現象，隨著加熱的增強脈沖的幅度和次數都增多，這說明高原上有對流活動👬🏼，而青藏高原在夏季強的南亞高壓覆蓋下對流活動非常旺盛，實驗還證明，對流雲是夏季高原向上輸送熱量的有效載體[21]🧑🏽。80年代以後基於各種地形坐標系和參數化方案的高原數值預報模式逐漸發展起來🪜，更多的學者開始投入到高原數值模式的研究中，高原數值模式逐漸成為國際上的一個研究熱點🧑🎤。通過葉先生的辛勤耕耘，譜寫了青藏高原氣象學的新篇章6️⃣，同時使其成為國際氣象界的熱點問題🏝💆♂️，也進一步使青藏高原作為世界第三極的地位得到提升；由於青藏高原的研究具有舉足輕重的影響👩💼，國家近期正在組織青藏高原重大研究計劃👨🦼⛹🏼♀️。另外🧎🏻♂️➡️，中科院青藏高原所以及蘭州寒旱所等都是在研究青藏高原的基礎上發展起來的，關於青藏高原的科考以及重大國際試驗和國內試驗一直在高原上開展，引起了世界各國科學家的關註[19]。青藏高原氣象學的誕生，葉先生居功至偉🎑。
全球變化與有序人類活動
葉先生的創造力一直延續到了晚年。全球變化與有序人類活動在他輝煌的科研成果又添加了光輝的一筆🚰🦯。在1984年第一次全球變化大會上，葉篤正做了題為《Climate Change——a global and multidisciplinary theme》[8]（全球變化——一個全球性的多學科科學問題）的報告👸。第一次指出10-100年應當是全球變化研究集中關註的時間尺度，討論了氣候變化和全球變化的聯系和區別。1986年，國際科聯正式批準建立國際地圈——生物圈計劃（簡稱IGBP），標誌著全球氣候變化科學新領域的誕生。自從全球變化研究的伊始，葉先生就殫精竭慮參與其中🧑🧑🧒🧒，並參與了國際地圈生物圈計劃的製定👨🏿🏭。另外，他又進一步提出了中國全球變化研究的指導思想。一方面是全球變化對東亞和我國生存環境變化和可持續發展的影響，其中包括全球增暖對東亞季風的影響、對水資源和氣候災害出現頻率和強度的影響、對農業的影響以及對海平面高度變化的影響等。另一個方面，是具有全球意義的區域性生存環境問題，其中包括季風氣候🎤、生態系統相互作用🦸🏼🏃➡️、人類活動🤽♀️、生存環境的敏感帶和變化的突變性等🦵🏻。
葉先生對於全球變化學科提出了綱領性的問題📏。1989年，葉先生和符淙斌在《Climate Change》（氣候變化）上發表了《A Discussion on the Predictability of Global Change》[9]（全球變化可預報性的研究）🙆。主要探討了三個問題：（一）我們需要預報什麽？葉先生針對這一問題提出把地球作為一個系統作出預報，而不是只對其個別成分（如大氣、海洋等）做出預報🙍🏻。但是🤵，我們應該怎樣定義地球系統呢🐘？我們需要預報的最重要元素是什麽？葉先生建議全球變化預報問題分兩步走：第一步↙️，分別製作全球變化某些主要分量的預報，如可再生的地球資源的預報或者地面狀態的預報𓀌；第二步，製作全球變化的集成預報，即把地球系統作為一個整體來預報➜。（二）可預報性問題。預報能力與三個因子有關👎🏽：系統的記憶能力、外源狀況和學科發展水平。他認為全球氣候模式的成功可以歸結為非線性記憶⛳️。太陽輻射才是地球系統真正的外源🥦，其它地球系統內部的源可看做內源🙆♂️。對於十年到百年的變化，內源主要為人類活動。（三）適應問題。地球系統的不同成分變化的速度各不相同🧛🏽♀️。“牽一發而動全身”，一個成分發生變化🤞，其它也會發生變化。如果適應過程很快，最先改變的成分會受到其它成分的影響🚣🏼♂️。這就產生一個相互適應的過程，從而使地球發生連續的變化👨👩👧👦。而不同組分之間的非線性相互適應過程也會使地球系統發生突變。這三個問題是回答全球變化問題的關鍵。
在國際全球變化研究領域，葉先生引領風騷，開辟了全球變化科學發展的新天地⛺️。他創造性地提出應該把“適應氣候變化”和“可持續發展”有機結合起來。就氣候變化而言🧚🏼♂️，適應指自然系統或人類社會系統對預期的變化或其影響做出適當的響應🌕，以趨利避害。葉篤正和呂建華在2000年發表《對未來全球變化影響的適應和可持續發展》[28]🔏，強調了對未來全球變化影響的適應和可持續發展的聯系，闡述了兩點應對全球變化影響的措施。首先是減少溫室氣體和破壞臭氧層物質的排放，以緩和、減輕全球變化的壓力；其次盡管人類采取緩和措施，但由於後效作用🧛🏽♂️，全球變化的大趨勢在未來100年中仍將不可逆轉地持續下去💇🏼♂️，這就迫使人類社會必須適應這樣的全球變化趨勢。而全球變化的適應問題，就是全球變化對於世界各地的不同影響，我們應采取什麽措施減輕其不利影響🧑🏽🚀，充分利用其有利的作用。對於可持續發展而言，就是建立在社會、經濟🥶🗡、人口、資源🧡🙆🏿♂️、環境相互協調和共同發展的基礎上的一種發展🏊🏻，其宗旨是既能相對滿足當代人的需求，又不能對後代人的發展構成危害👋🏼。以前這兩個問題的研究互不相幹，部分原因是由於以前全球變化更側重於地球科學的基礎研究，而可持續發展則側重於社會經濟以及具體實踐的應用。因而他強調了全球變化和可持續發展的重要聯系🎏。一方面全球變化的適應必須以改變肆意破壞環境的生產、生活方式為前提👨🏻💻。對於已發生並且不可逆轉的全球變化趨勢🏊🏿♀️，應有不同的適應方式，但必須遵循可持續發展原則。另一方面，可持續發展的概念是以過去和現在的氣候背景、環境狀況為依據提出的，似乎較少考慮未來幾十年到一百年全球變化的趨勢🤗，這具有很大的局限性[25,29]。如果脫離了對未來全球變化趨勢的估計🥔，也就不能適應變化了的氣候和環境背景🕍，可持續發展就如刻舟求劍。對於未來不確定的氣候變化®️🧍🏻♂️，人類活動對氣候的適應本身也在影響氣候，葉篤正據此在《我們應該如何應對氣候變化》[27]中提出了幾條對策⛴。比如𓀎，鑒於人類活動本身的適應變化及氣候變化的不斷相互作用，應每隔3—5年重新開展對未來最有可能發生的氣候變化的研究👰🏼♂️🫸；應著重關註區域異常或極端天氣現象的氣候變化；強調相關領域的協作研究等等🤾🏽♂️🚵🏿♂️。
在全球變化學科的很多方面🙎🏽♂️，葉先生都表現出了他對科學前沿問題的卓識與遠見。為了應對全球變暖、土地退化等全球變化的負面影響📦，為了實現可持續發展這一戰略目標🤦🏽♀️，以葉先生為代表的科學家提出了“有序的人類活動”和“有序人類適應”的概念🤦🏼♀️，並進一步強調人類活動對環境的能動作用。在2003年氣候變化國際討論會開幕的當天，葉篤正作了題為《有序人類活動》[24]的報告😆👩🚀。他認為🐅，人類活動已經給環境帶來了不可逆轉的影響，尤其是近100年🍖🧛🏼♂️，人類工業的發展是以破壞生存環境為代價的。而以往的人類活動多是無序的🌩，今後人類應當約束自己，從事有序的活動🕜🦍。他所推崇的“有序人類活動”就是以可持續發展為目標和判斷指標的，同時也提供可持續發展的方法理論和實際措施[31]。若從保護人類生存環境的角度出發，什麽樣的人類活動才算有序的呢🏝🏞？葉先生等認為通過合理安排和組織人類活動👩🏻，使自然環境在長時間、大範圍內不發生明顯變化，甚至能持續好轉，同時又能滿足當時社會經濟發展對自然資源和環境的需求🕵🏿🧛🏼。這個概念為可持續發展指出了一條明確的道路，提出後引起許多科學家共鳴[30]。
對於開展有序人類活動的研究，葉先生等提出了三個研究方法[29]☞🪩。首先是將社會科學和自然科學相結合。其次是建立人類活動——生存環境模式系統。最後是建立示範區，進行長期的監測研究。同時🪄，應用衛星遙感監測結果進行數學模擬研究，並應用觀測資料監測模式結果的可靠性作為改進模式的依據之一。
顯而易見🫷🏿☕️，葉先生的研究對於中國大氣科學的發展舉足輕重。他是我輩的領路人，敢為天下先，更勇於做第一個吃螃蟹的人。同時👩🏻🦲💁🏼，他勇於急流勇退的魄力更是無與倫比，當後來者已認識到該領域的重要性並且挖掘到空白時，他敢做種樹人——前人栽樹👐🏿，後人乘涼，同時又開始新的征程。科學的發展需要像螺絲釘那樣的人才，即在某個領域非常深入且刻苦鉆研的尋夢人😶，更需要像葉先生這樣大智大勇的開拓者，正是由於葉先生的嘔心瀝血才使得中國的大氣科學事業一日千裏。50年前中國的大氣科學還處在搖籃之中，舉步維艱，步履蹣跚，而如今儼然已成為中國科學界一道亮麗的風景👨🏼🎨。
作為一名偉大的科學家🛀，葉先生具有引領風騷的氣魄。同時他的治學和研學態度無不讓後輩人敬仰。在研究中🦿，他遊刃有余♧⛴，時常占領交叉領域的處女地，年近古稀之時🐭🩸，指導學生向氣象經濟學，水價值，氣候風險、天氣氣候預報服務體系等挺進💂♀️，提出了開天辟地的想法😬🧏🏿♀️。作為後輩，我們需要繼承葉先生長久不衰的興趣與好奇心🧑🏽💻，並要有“不破樓蘭逝不還”的雄心壯誌。
從動力氣象學到氣候系統🛼、全球變化、人類有序活動🧑🦼➡️，葉先生奏響了氣象學一個又一個“交響曲”。他的高瞻遠矚，不僅使他問鼎大氣科學的巔峰⛔，還使他成為中國大氣科學等學科發展掌舵人。他被世界氣象組織評價為“全球氣候變化研究的開創者”👷🏼♂️。正如魯迅先生所言🕯：“世上本沒有路，走的人多了🍴，也就成了路。”葉先生🔦，不僅是第一個鋪路的人，也是第一個探路的人🌟。
葉先生是世界氣象學界屈指可數的學術巨匠之一，也是我國大氣科學及全球變化研究領域的一代宗師🛟，為全球變化⁉️、大氣環流和氣候變化研究做出了不朽的功勛。作為中國大氣物理研究奠基人、中國近代動力氣象學創始人之一的葉先生因其對氣象學的傑出貢獻，獲得了國際氣象學界的最高榮譽-羅斯貝獎👨🏿🍳。這是國際氣象界對葉先生卓越貢獻的最高肯定💂🏽♀️。
葉先生不僅在學術領域成為佼佼者Ⓜ️，還培養了一批又一批的氣象學家📟🫢。現在的中國科學院院士曾慶存⟹🚴🏽、周秀驥🏇🏽、巢紀平、黃榮輝、吳國雄、李崇銀等都是他的學生或者接受過他的指導🏓。“文革”前，他培養了7名研究生，1978年以來🪹，他又培養了20多名博士🟰，十多名名碩士，葉先生還曾在北京大學🤷🏻♂️、南京大學和中國科技大學任教。葉先生不僅勇於創新🫵🏿，善於嘗試，而且善於堅持自己正確的觀點。他說，一種新的思想開頭總會不被人接受，應當堅持並進一步完善.他對後輩的影響是潛移默化的，他要求科研人員要不怕權威，並敢於挑戰權威👨🏫。他學風嚴謹🦹🏿💆🏽♀️，同時提倡理論聯系實際，勇於探索🧑🦼、敢於從理論上突破和創新等思想，這已成為中國氣象界的優良傳統。他的弟子們也正是因為遵循了他的教導🤵🏽♀️，才鑄就了新中國氣象事業的輝煌。
葉先生從不為某一領域的學術成就而止步不前🍓。他總是敢於嘗試和開創新的領域🎎，總是走在國際科學前沿🆎。上世紀50-60年代🛫，他致力於大氣運動基本規律的研究，例如大氣長波理論、大氣運動的適應理論和大氣環流的突變理論等🫶🏿。這些都是當時國際大氣科學的前沿科學問題🏄🏻♂️。60-70年代，他致力於氣候系統基本特征的研究，例如青藏高原氣象學、陸面過程等也都是當時國際氣候研究的前沿。從80年代開始👨🏽🏭🏋🏽♀️，葉先生又帶領他的學生們投身到全球變化科學領域的開創性工作，成為國際上這一領域的開拓者之一🌦。他的同事符淙斌院士在他2005年度國家最高科技獎報獎答辯過程對他的成就做出總結：“他在國際前沿的工作, 不是跟在外國人後面同國際接軌，而是做出了系統的原始創新成果，在國際同行中間也得到了認同, 從而成為這些前沿領域科學成就的重要組成部分🐯。”
用2006年度感動中國對葉先生的頒獎詞來總結他的氣象人生：風華正茂時已經是奠基人🐖，古稀之年仍然是開拓者。讓外國人同我們接軌🕊🧜🏽♂️，這是一個年過九旬的大學者的大氣象。笑攬風雲動，睥睨大國輕。斯人已逝，風範長存👨🏻🦲。我們一定牢記他的教誨囑托，學風嚴謹👷🏿♂️，勇於探索、敢於從理論上突破和創新，為推動我國氣象事業的發展做出更大的貢獻。
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轉自 科學網博客：http://blog.sciencenet.cn/blog-576036-836082.html
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