气象学成就与诺贝尔奖

始颁于1901年的诺贝尔奖是瑞典人阿尔弗雷德 · 诺贝尔奉献给全人类的宝贵财富，它早已成为瑞典的国宝级名片。一年一度诺奖的颁发持续惠及人类福祉，极大地推动了全球科学、文化和社会的进步，功德无量，功绩卓著。气象学（大气科学）一度被诺奖排除在颁奖领域之外，直到1995年，荷兰科学家保罗 · 克鲁岑（Paul Crutzen）才成为首位荣膺诺奖的气象学家。

气象学与大气科学

地球是人类赖以生存的家园，人类从未停止过对地球的研究和探索。地球科学（简称地学）是地质学、地理学、海洋学、地球物理学、气象学（大气科学）以及与之有关学科的总称。气象学因与人类的生产生活密切相关而源远流长，它涉及地球大气、海洋、生态、环境之间的多维度耦合及其复杂的演化过程，经几代科学家的共同努力，在专题研究、模型建立及求解等方面已取得不俗成绩，对气象学复杂系统的认知已获长足进步。

20世纪中叶，气象学已发展成为以热力学和动力学为基础的较为完善的数理科学。20世纪60年代起，由于研究范围的拓宽，气象学的研究往往要涉及地球各圈层的相互作用以及大气化学、环境科学等内容，一个涵盖更为广泛的名称——大气科学——便应运而生。大气科学以地球大气圈作为主要研究对象，同时还涉及与之相关联的水圈（含冰雪圈）、陆圈（含岩石圈）、生物圈和智慧圈（即人类圈），研究大气的成分、结构、现象以及大气中各种动力过程、物理过程、化学过程和反馈机制等，其主要分支学科有大气化学、大气物理学（人工增雨雪属于其研究范畴）、气候学、天气学、动力气象学（数值天气预报、大气动力学、大气热力学、大气环流和大气湍流等属于其分支学科）、应用气象学、卫星气象学和雷达气象学等，其研究领域已远超传统气象学的范畴。

在学术界，大气科学和气象学两个名称虽然同时并存，且有前者逐渐取代后者的趋势，但当侧重于天氣现象和天气预报等传统气象学范畴时，学者们习惯上仍称其为气象学。

世界气象组织（WMO）成立于1950年3月23日，总部设在瑞士日内瓦，其前身是1873年成立的国际气象组织（IMO）。1951年12月20日，世界气象组织成为联合国专门机构之一。1960年6月，世界气象组织执行理事会通过决议，把每年的3月23日定为“世界气象日”。世界气象组织负责颁发国际气象组织奖，表彰全球在气象学领域（1971年起新增作业水文学领域）作出卓越成就者，始颁于1956年，每年颁奖一次，通常每次只颁奖给1人。中国科学家叶笃正、秦大河和曾庆存先后荣膺2003年、2008年和2016年国际气象组织奖。美国气象学会（AMS）成立于1919年12月29日，总部设于波士顿。

数值天气预报的问世

天气预报与人们的生产生活息息相关。数值天气预报（NWP）是人类20世纪最伟大的科学成就之一。英国数学家、物理学家和气象学家路易斯 · 理查森（Lewis Richardson）发展了求解偏微分方程组的有限差分法，借此完成世界上首次“手工数值天气预报”，进而撰写出该领域首部学术专著《数值过程天气预报》（Weather Prediction by Numerical Processes，1922）并催生了专用术语“数值天气预报”。

1946年8月29—30日，美国籍匈牙利裔数学家、物理学家和计算科学家约翰 · 冯 · 诺伊曼（John von Neumann，1937年9月10日入籍美国）在普林斯顿高等研究院（IAS）主持召开了全球首次NWP学术会议，这次会议对现代气象学的发展具有举足轻重的作用。

1946年夏，美国气象学家、芝加哥学派重要成员朱尔 · 查尼（Jule Charney，1971年国际气象组织奖得主）以论文《斜压西风气流中的长波动力学》获加州大学洛杉矶分校（UCLA）物理学（流体力学）哲学博士学位，这是作者创建由温带气旋发展而来的斜压不稳定理论的肇始，斜压不稳定是气旋波（即锋面波动）产生的主因。罗斯贝是全球首次NWP学术会议的协助者，他慧眼识珠、爱才若渴，鼎力举荐刚刚获得博士学位的查尼与会。1948年9月，随着查尼正式入职IAS，普林斯顿高等研究院NWP研发小组便正式形成。

1950年4月4日，经过一年多的攻关，以查尼为首席技术官（CTO）的科学家们利用简化后的单层正压涡度方程二维模型，借助世界上首台电子计算机ENIAC（1946年2月14日正式交付使用）成功求解经过滤波近似后的非线性偏微分方程组，首次得到北美上空500百帕位势高度场的24小时数值天气预报形势图。因ENIAC在运行中出现故障而耽搁了时间，导致运行时间超出预期而成为事后模拟预报，但效果良好，这标志着NWP已研发成功。自此，气象学由定性迈入定量科学，这是一个划时代的里程碑式成就。

1950年11月，查尼、朗纳 · 弗约托夫特（Ragnar Fj?rtoft，1991年国际气象组织奖得主）和冯 · 诺伊曼联合署名，在斯德哥尔摩出版的著名地球物理学季刊《大地》（Tellus）上正式发表学术论文《正压涡度方程的数值积分》，这是NWP领域的开创性文献和经典之作。

威廉 · 皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）是NWP理论的真正创始人，被誉为“现代天气预报之父”。路易斯 · 理查森是NWP的首个实验者，冯 · 诺伊曼因组织领导完成NWP研发而被誉为“现代数值天气预报之父”，查尼则享有“现代动力气象学之父”的美誉。

1954年日本开始NWP研究，1959年6月1日以单层正压模式成功实现实时NWP，这是继瑞典（1954年12月1日）和美国（1955年5月6日）之后的第三个国家。

与诺奖失之交臂的气象学大师

气象学（大气科学）一度被诺奖排除在颁奖领域之外，从而导致诸多世界级气象学大师与诺奖失之交臂。

一、挪威地球物理学家、气象学家和海洋学家威廉 · 皮耶克尼斯：气象学著名学派卑尔根学派（又称挪威学派、北欧学派，1917年创立）创始人。1898年首创理想流体涡旋运动的环流定理。1904年率先提出天气预报的中心问题（即天气预报是描述大气运动的数学方程组的解），构建出大气运动的偏微分方程组，标志着数理气象学的问世，奠定了数值天气预报和大气数值模拟的理论基础。在12个年度内，终生共获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）诺贝尔物理学奖提名。

二、美国籍挪威裔气象学家雅各布 · 皮耶克尼斯（Jacob Bjerknes，1946年4月12日入籍美国）：威廉 · 皮耶克尼斯长子。卑尔根学派重要成员，对现代天气学和大气动力学的发展贡献良多。1919年2月，发表温带气旋结构及其动力学成因方面的经典论文《移动性气旋的结构》，率先描述了温带气旋各阶段的生命周期，在此基础上建立起锋面气旋模型并丰富发展为著名的极锋理论。雅各布 · 皮耶克尼斯是1959年国际气象组织奖得主，截至1970年，在5个年度内共获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）诺贝尔物理学奖提名。

卑尔根学派在20世纪大气科学发展中贡献卓著，对现代气象学影响深远。极锋理论即锋面气旋发展的波动学说是卑尔根学派创建的经典核心理论。该理论根据极地气团和热带气团的相互作用，以及分隔这些气团的不连续面（即锋面）的性质来解释温带气旋的生成和发展，为分析和预报1～2天后的天气变化奠定了理论基础。冷暖锋是卑尔根学派提出的标志性概念。1919年夏，罗贝斯提议采用红色标注“暖锋”，蓝色标注“冷锋”，与此前的标注颜色互换，这种标注方式沿用至今。

三、瑞典气象学家托尔 · 伯杰龙（Tor Bergeron）：卑尔根学派重要成员。在1919年11月18日的天气图上首次发现锢囚现象并描绘出锢囚锋（此说学术界尚存争议），提出气旋锢囚理论，使锋面气旋的生命周期更加完整，充实和完善了天气学分析方法。1933年9月17—26日，第五届国际大地测量学和地球物理学联合会（IUGG）在里斯本召开，伯杰龙在大会上首先提出冷云降水机制（即冰晶效应），刊载其论文《云和降水物理学》的会议论文集迟至1935年才正式出版，后发展为著名的魏格纳-伯杰龙-芬德森（Wegener，1911 ；Bergeron，1935 ； Findeisen，1938）過程，即WBF过程，为人工降雨雪和人工消散冷云提供了理论依据。因伯杰龙对冷云降水理论的贡献最大，故WBF过程又简称伯杰龙过程。伯杰龙是1966年国际气象组织奖得主，截至1970年，在4个年度内共获9人次（1928年1人次，1937年和1938年各3人次，1939年2人次）诺贝尔物理学奖提名。

科学地进行人工影响天气实验始于1946年，由通用电气公司（GE）美国化学家和物理学家朗缪尔（1932年诺贝尔化学奖得主）及其助手文森特 · 谢弗（Vincent Schaefer）等人实施完成。1946年7月12日，谢弗向用作云室的冰箱内放入一大块干冰试图降温，意外发现冰箱中的冷云瞬间就变成了数量极多的微小冰晶。同年11月13日，朗缪尔团队通过野外实验证实了WBF过程的可行性，这是人工影响天气（降雪）实验的首次成功。这项基于WBF过程的技术被称作“播云”，即利用飞机或高射炮在浓而厚的积雨云（由积云发展而来）中播撒干冰或碘化银。1947年2月28日，通用电气公司和美国军方签订了一份为期5年的合同——卷云计划（Project Cirrus）。该计划以人工影响天气为核心内容，主要包括削弱飓风、增加降水和减少森林火灾等，共进行过约250项实验。卷云计划仍由朗缪尔团队组织实施，1947年最重要的工作是通过播云进行人工影响飓风实验，因10月13日的飓风在播云6小时后突然调转方向而造成灾难性后果。1948年10月，朗缪尔团队在新墨西哥州进行了两次播云实验，10月14日的第2次实验取得显著成效，通过播云引起自我传播风暴，在10多万平方千米（约相当于新墨西哥州面积的1/3）的地区产生了降雨，故1948年通常被认为是真正以科学方法成功实现人工降雨的年份。卷云计划在1952年写出报告后结束，包括人工增雨雪在内的人工影响天气实验，总体效果不尽如人意。

四、挪威气象学家哈尔沃 · 索尔伯格（Halvor Solberg）：卑尔根学派重要成员。早年致力于理论气象学研究，主要关注气流摩擦。流体内部惯性波研究先驱，极锋气象学理论体系的主要创建者之一。1922年9月，雅各布 · 皮耶克尼斯和索尔伯格联名发文《气旋的生命周期和大气环流的极锋理论》指出，极地空气与热带空气之间存在极锋，近极地气流和相邻热带气流之间的边界上存在气旋族。所获诺贝尔物理学奖提名情况与伯杰龙完全相同。

五、美国籍瑞典裔气象学家卡尔-古斯塔夫 · 罗斯贝（Carl-GustafRossby，1938年入籍美国）：卑尔根学派重要成员，气象学著名学派芝加哥学派（1941年创立）创始人。20世纪最具影响力和最具创新力的气象学家。现代气象学和海洋学的开拓者，被誉为“现代气象学之父”。1939年提出大气长波理论并于翌年导出以长波位势涡度（简称位涡）守恒定律为主的位涡理论，尤以发现行星波（临界波长约为5000千米）而闻名，后被命名为“罗斯贝波”。在大气动力学等方面作出过许多开创性贡献，特别是引进大气波动和大气涡动等概念，把大尺度长波运动和复杂的锋面气旋分离开来，为全面认知大气运动和解决天气预报中的某些关键技术铺平了道路。1956年12月17日，罗斯贝的画像——作者是插画大师鲍里斯 · 阿茨巴舍夫（Boris Artzybasheff）——登上了美国《时代》周刊封面，风光一时。罗斯贝荣获美国气象学会颁发的1953年“杰出科学成就奖”（后被追溯为第2届罗斯贝研究奖章），是1957年国际气象组织奖得主。终生仅获1957年1次诺贝尔物理学奖提名。

地形和热源被认为是激发和维持准静止行星波（定常波）的最主要原因。准地转理论是长波理论的重要基础，利用它可证明大气高空的长波是涡旋波。

六、美国数学家和气象学家爱德华 · 洛伦兹（Edward Lorenz）：1955年提出有效位能概念并指出它是维持大气环流的主要能量，解决了当时困惑国际气象学界的重大技术难题。1956年4月，美国理论气象学家诺曼 · 菲利普斯（Norman Phillips）采用两层模式首次模拟了大气环流。1963年3月，爱德华 · 洛伦兹发表混沌理论的开山之作《确定性的非周期流》（Deterministic Nonperiodic Flow），提出著名的洛伦兹方程，标志着非线性科学的诞生，被誉为“混沌理论之父”。1969年在混沌理论的基础上发现蝴蝶效应，同年明确逐日短期天气预报存在可预报性上限（2周左右）。洛伦兹是1983年克拉福德奖地球科学奖、1991年京都奖基础科学奖和2000年国际气象组织奖得主。

非线性科学是一门研究各种非线性现象共性的新兴交叉学科。混沌理论（1963）、孤立子理论（1965）和分形理论（1975）构成非线性科学的三大前沿理论。

七、中国气象学家叶笃正：中国现代气象学奠基人，中国大气物理学创始人和全球气候变化研究的开拓者。开创青藏高原气象学，创立大气平面罗斯贝长波能量频散理论（1949）。创建东亚大气环流的季节突变理论并借此成就荣膺1987年国家自然科学奖一等奖。叶笃正是2003年国际气象组织奖和2005年国家最高科学技术奖得主。

值得一提的是，地球科学重要分支地球物理学也一度被诺奖排除在颁奖领域之外，故大陆漂移学说之父，德国地球物理学家、气象学家和探险家阿尔弗雷德 · 魏格纳（Alfred Wegener）亦与诺奖无缘。

经查询诺奖官网提名数据库，魏格纳（1930年50岁时在格陵兰岛考察冰原的归途中，因遭遇暴风雪袭击不幸遇难）和冯 · 诺伊曼（1957年54岁时因胰腺癌和骨癌英年早逝）终生未获诺奖提名。截至1970年，查尼、爱德华 · 洛伦兹和叶笃正亦未获诺奖提名。

气象学（大气科学）成就与诺奖

因大气中CO2浓度增加而引起的温室效应是导致全球变暖的罪魁祸首。1824年，法国数学家和物理学家约瑟夫 · 傅立叶（Joseph Fourier）首先从理论上提出“温室效应”的存在。1859年，爱尔兰物理学家约翰 · 廷德尔（John Tyndall）将温室效应与大气中的特定气体联系起来，他利用实验数据验证了水蒸气和CO2是吸收太阳辐射的主要成分。事实上，三年前的1856年，美国科学爱好者尤妮斯 · 富特（Eunice Foote）女士已得出与廷德尔类似的结论，只因性别歧视而被长期埋没。1896年，瑞典物理化学家阿伦尼乌斯（1903年诺贝尔化学奖得主）发表2篇经典论文，创建大气CO2对地表温度影响的首个温室效应模型，对温室效应的研究作出重大贡献。1975年8月8日，美国地球化学家华莱士 · 布勒克（Wallace Broecker，气候科学教父或鼻祖）在《科学》杂志发表论文《气候变化：我们是否正处于全球变暖的边缘？》，这是“全球变暖”一词首次出现在科学文献中（该词1957年曾最早出现在报纸的新闻报道中），随即这一专业术语便迅速得以普及并变得家喻户晓。布勒克与中国地球环境科学家刘东生分享2002年泰勒环境成就奖。2014年《自然-气候变化》杂志曾发文指出：在全球变暖的大背景下，超强厄尔尼诺事件的发生频率将显著增加。

1951年4月，李政道（1957年诺贝尔物理学奖得主）在《二维和三维流体中湍流的差异》一文中阐明了湍流学中的一条重要定理：二维空间中没有湍流，湍流只能发生在三维空间中。因必须有与地面相垂直的第三维气流才会产生飓风，故李政道的这一研究成果为准确预报飓风提供了重要的理论依据。李政道的这一重要成果当时就吸引了冯 · 诺伊曼的注意和推崇。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）以及美国第45任副总统、环境学家和环保主义者艾伯特 · 戈尔（Albert Arnold Core，Jr.）“因在构建和传播人为气候变化知识方面所付出的努力，并为应对这种变化采取所需措施奠定基础”而分享2007年诺贝尔和平奖。IPCC成立于1988年11月，总部设在日内瓦。1988—1997年，瑞典气象学家伯特 · 博林（Bert Bolin，1981年国际气象组织奖得主，独享1988年泰勒环境成就奖）出任IPCC创始主席。迄今，IPCC已先后6次（1990年、1995年、2001年、2007年、2014年和2022年）发布评估报告，这些报告是国际社会认识和了解全球气候变化的主要科学依据。1992年5月9日（同年6月4日开放签署），联合国政府间谈判委员会在巴西里约热内卢达成《联合国气候变化框架公约》，1994年3月21日起生效。1997年12月11日，联合国气候变化大会（始于1995年的年度大会，2020年因新冠疫情而停办1次）缔约方会议COP3达成《京都议定书》，建立起减排温室气体的三个灵活合作机制：排放贸易机制（ET）、联合履行机制（JI）和清洁发展机制（CDM），2005年2月16日起生效。2007年12月15日，缔约方会议COP13通过“巴厘路线图”。2009年12月19日，缔约方会议COP15试图通过《哥本哈根协议》，但遭遇失败。2015年12月12日，缔约方会议COP21终于达成《巴黎协定》，2016年11月4日起生效，以取代2012年12月31日起已失效的《京都议定书》。戈尔是环保纪录片《难以忽视的真想》的编剧兼主演，该片荣获第79届奥斯卡金像奖最佳纪录片奖，唤起了民众对全球变暖问题的关切和重视。

美国经济学家诺德豪斯（William Nordhaus）“因将气候变化纳入长期宏观经济分析”而荣获2018年诺贝尔经济学奖。诺德豪斯的获奖极大地振奋了气候变化经济学领域的学者以及与地理空间研究有关的空间经济学、地理学和空间分析等相关领域的学者。颁奖机构瑞典皇家科学院高度评价诺德豪斯揭示气候与经济长期相互作用的综合评估模型（IAM）、气候-经济动态综合评估模型（DICE）及其区域版——区域气候-经济综合评估模型（RICE）。诺德豪斯将气候变化纳入经济增长模式研究中且将空间作为气候变化经济研究的重要因素，从而开创了气候变化经济学和空间经济学，并首倡以碳税为代表的价格调节机制，碳排放权交易市场应运而生。

随着诺奖颁奖领域逐渐拓宽，1995年荷兰大气化学家和气象学家保罗 · 克鲁岑以大气化学成就（有关臭氧的形成和分解机制的开创性研究）荣幸成为首位赢得诺奖的气象学家。迟至2021年，直接以气候学和气象学成就赢得诺奖的科学家（真锅淑郎和哈塞尔曼）才终于出炉。

2021年10月5日（周二），瑞典皇家科学院宣布将当年诺贝尔物理学奖授予美国籍日本裔普林斯頓大学气象学家和气候学家真锅淑郎（1975年9月15日入籍）、德国马普学会气象研究所 （汉堡）海洋学家和气候建模师哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）、意大利罗马大学理论物理学家帕里西（Giorgio Parisi），前两位均享当年1000万瑞典克朗诺奖奖金的一半，表彰他俩“因对地球气候进行物理建模，量化其可变性，并可靠地预测了全球变暖”。帕里西也曾做过气候学方面的研究。

1967年5月，真锅淑郎和美国气候模拟学者理查德 · 韦瑟尔德（Richard Wetherald，1936—2011）合作发表气候学经典论文《给定相对湿度分布的大气热平衡》，基于简化模式的CO2浓度增倍实验，研发出可根據物理定律在计算机上模拟和预测全球气候变化的气候数值模型，首次阐明大气中CO2浓度对气候变化的敏感性，基本终结了关于CO2是否导致全球变暖的持久争论，这项工作衍生出的现代气候变化机制对温室效应理论的发展起到了承前启后的关键作用并促成IPCC诞生。气候变化研究离不开海洋，1969年真锅淑郎等人发表了首个耦合海洋和大气的地球气候数值模拟结果，1975年采用新的耦合海气模式完善并验证了CO2增倍实验。20世纪60—70年代，真锅淑郎领导了地球气候物理模型的研发，从一维辐射对流模型升级到三维大气动力模型，三维模型又从“平板海洋”气候模式拓展到“动力海洋”耦合海气模式，这些数值气候模型是IPCC评估气候变化和未来气候预估的重要工具。自2002年起，真锅淑郎参与日本的地球模拟器项目，通过超级计算机模拟气候变化。

真锅淑郎从1967年36岁时首次发表获奖关键论文到90岁高龄时才得以荣获诺奖，授奖时滞（时间间隔）长达54年5个月，仅略短于罗杰 · 彭罗斯（2020年诺贝尔物理学奖得主）创纪录的55年9个月和佩顿 · 劳斯（1966年诺贝尔生理学或医学奖得主）的55年6个月。

哈塞尔曼早年主要从事流体动力学研究，致力于开发海浪和洋流的观测和理论模型。1976年开发出描述气候变化的随机气候模型（后被命名为哈塞尔曼模型），把长时间尺度的气候变化解释为短时间尺度的天气过程的“累积”，可完美地解释自然气候变率，从而在混沌随机的天气过程和稳定的气候变化之间架起了桥梁。哈塞尔曼机制和洛伦兹机制现并称为可解释气候系统自然变率的两大机制，后者认为混沌性的短期天气变率自身就可以产生气候事件尺度的变率。1979年，哈塞尔曼以创造性的方法提出包括温室气体在内的影响因子会在气候变化序列中留下特定印迹的“指纹”信号，通过分离出这种“指纹”，可检测出人类活动对气候变化的影响，这是科学家们开展气候变化检测归因研究的理论基础，这种最优指纹法已被用来证实大气温度升高是由人类排放CO2造成的。哈塞尔曼的上述两项重大原创性研究成果对定量估算人类活动在气候变化中的贡献十分关键。鉴于社会公众的需求，哈塞尔曼甚至开发出耦合气候经济模型来确定减缓气候变化的排放路径。

真锅淑郎和哈塞尔曼作出的最重大的原创性贡献就是奠定了地球气候模型的基础，并因此而双双荣膺诺奖。

纵观上述，由于大气科学家群体的持续努力，不断取得重大研究成果，终得到诺奖颁奖机构的青睐。诺奖颁发给大气科学（气象学）领域，对促进大气科学的发展和拓展其影响力无疑会起到积极作用。

本文作者朱安远是北京金自天正智能控制股份有限公司高级工程师，诺奖研究者