閱讀、思考、編程：現(xiàn)代氣象大師的范式
——記美國氣象學家諾曼·菲利普斯

■ 賈朋群

2019年3月15日，美國氣象學家諾曼·菲利普斯（Norman Alton Phillips，1923—2019年，圖1）去世，享年95歲。美國氣象學會發(fā)表的一篇紀念文章中，稱菲利普斯為現(xiàn)代氣象學的“巨人”，而他曾長期工作過的MIT，在相關新聞里稱其為“理論氣象先行者，展示了數(shù)值模式可以預報天氣并開發(fā)了首個地球氣候大氣環(huán)流模式”。隨著菲利普斯及其所代表的在20世紀中期創(chuàng)造性地開辟了數(shù)值天氣預報（NWP）方法的一代學者的相繼辭世，這些與最初的NWP理念建立和實踐緊密聯(lián)系在一起的氣象大師，將永駐全球氣象人的心中。菲利普斯的學術生涯中，圍繞氣象事業(yè)的幾次轉折，既留下了20世紀中后期的時代烙印，更有氣象大師的個人努力和時代機遇相結合的相得益彰的學術發(fā)展鮮明特征。

圖1 Norman Alton Phillips（1923—2019年）

1 第一次轉折：戰(zhàn)爭讓菲利普斯選擇了氣象

菲利普斯1923年7月9日出生在美國芝加哥，他的四位祖父母都是19世紀后期從瑞典移民到的美國，這讓他從小生活在多國氛圍下。菲利普斯在中學時，加入了學校的樂隊，他主吹法國號，也成為他一生的愛好。1940年高中畢業(yè)的菲利普斯進入芝加哥大學，主修化學。然而一年后美國加入二戰(zhàn)中止了他的學業(yè)，也讓他第一次聽說了與戰(zhàn)爭相關的培訓中，包含一門叫做“氣象”的課程，這一全新的概念立刻吸引了青年菲利普斯。他在加入美國空軍之前，先在空軍基地進行了幾個月的軍事培訓，又在密歇根大學進行了6個月的物理和數(shù)學學習，隨后在伊利諾伊空軍基地接受了9個月的氣象培訓。

在完成這些培訓后，本應在大學校園里學習化學課程的菲利普斯，從1944年6月到1946年9月戰(zhàn)爭結束一直在美軍的幾個基地擔任氣象預報員，為盟軍的軍事行動開展氣象服務。期間他為美國跨越大西洋的航線提供氣象支持，為此需要監(jiān)測大洋天氣的變化。他多次隨偵察飛機飛行，在實際大氣中領悟培訓課程里在天氣圖上中標識的冷暖氣團、鋒面和低壓中心等系統(tǒng)，尤其是當飛機以250 km的時速穿越鋒區(qū)時，他真切地感受到了大氣中的不連續(xù)。戰(zhàn)爭后期，他被調(diào)到通信部門，因此學習了編碼和通信線路等知識，這一看似有些偶然的崗位調(diào)整，卻為他后期專注于數(shù)值天氣預報埋下伏筆。戰(zhàn)爭中氣象相關工作的經(jīng)歷雖然僅持續(xù)2年多一點，但二戰(zhàn)這個大熔爐足以讓菲利普斯感覺到氣象預報是吸引人的科學問題，如果成功解決這個問題，對社會的潛在影響會是巨大的。

1946年，戰(zhàn)后被授予第一中尉軍銜的菲利普斯返回芝加哥大學。早在戰(zhàn)爭結束前，菲利普斯就在思考如何改進天氣預報的問題。那時的他認為，通過統(tǒng)計方法改進預報是一條明顯的途徑。再次回到校園，菲利普斯選擇了統(tǒng)計課程，同時選修多個氣象課程。他分別在1947年、1948年和1951年獲得了氣象科學的學士、碩士和博士學位。

芝加哥大學有當時美國最強的氣象系之一，它是由羅斯貝于1939年創(chuàng)建的。菲利普斯在這里遇見了多位有名的氣象學者，包括：Horace Byers和Victor Starr等，以及當時還年輕，后來成為著名學者的George Platzman、Dave Fultz、Herbert Riehl和Verner Suomi等。菲利普斯的碩士導師是Erik Palmén，在開始學位相關的氣象研究初期，他還深受挪威學派的影響，研究了冷空氣下沉與風暴形成之間的聯(lián)系。

菲利普斯開始博士課題研究時，與同為博士生的郭曉嵐在一起，執(zhí)行羅斯貝的一項海軍課題。他們分別就診斷和模式分析方法以及正壓不穩(wěn)定展開研究。也正是在這一時期，菲利普斯注意到了成功實現(xiàn)NWP的主要貢獻者查尼的工作。那時，查尼已經(jīng)首次用正壓模式完成了大尺度空氣運動預報。雖然很多學者理解查尼的研究主題，但知曉其中所利用的數(shù)學方法的人卻很少。具有很好的數(shù)學基礎的菲利普斯這時問自己：是否可以用簡單的斜壓模式進行數(shù)值預報？隨后在受到了羅斯貝所做學術報告的啟發(fā)，并在1952年夏天與查尼當面交流后，菲利普斯最終完成了斜壓二層模式。

2 第二次轉折：追隨大師并最終成為大師

在菲利普斯即將完成博士論文時，已經(jīng)通過多渠道了解了他的學識和能力的查尼，就邀請其完成學業(yè)后，加入當時剛剛完成世界上第一次成功的NWP試驗的高級研究院（IAS）。1951年9月菲利普斯來到位于普林斯頓的IAS，加入查尼領導的NWP研究團隊（圖2）。當時該團隊面臨人員緊張的困境，模式試驗成功后，后續(xù)工作拓展并向業(yè)務化方向發(fā)展的重要任務需盡快得到階段性成果。菲利普斯加入后，全身心投入大氣環(huán)流模擬工作，讓NWP初期包含各種簡化的模式，能在天氣尺度上揭示出更多的全球環(huán)流特點，為其后續(xù)發(fā)展不僅提供了試驗結果，更建立了模式作為研究和預報最有效工具最初的信心。期間，他與查尼合作發(fā)表了闡述正壓和簡單斜壓模式數(shù)值積分的重要論文，成為全球大氣環(huán)流數(shù)值模擬研究的一個重要起點，菲利普斯也因此成為大氣環(huán)流數(shù)值模擬研究的重要發(fā)起人。

圖2 Platzman(左1，菲利普斯的博導)、菲利普斯（右2）和查尼（右1）1952年在IAS計算機房

菲利普斯在IAS期間，與查尼擰成一股繩維系創(chuàng)造了NWP輝煌歷史的ENIAC項目的后續(xù)工作。初期，計算機的極度不穩(wěn)定是影響效率的主要問題，同時針對模式運行問題，需要在氣象和數(shù)學兩個方面進行判斷和分析，才可能找到最好的解決方案。而查尼和菲利普斯優(yōu)勢互補，相互信任和高效合作讓項目組在NWP試驗成功后，模式和研究內(nèi)容有了進一步拓展。而實施這項工作的氣象組當時僅僅有4個人：查尼、菲利普斯以及一位氣象學者和一位程序員。正是在這一時期，菲利普斯分別完成了兩篇重要論文，在查尼等人引入斜壓不穩(wěn)定突破性概念后，建立和完善了兩層準地轉模式，可用于具體天氣形勢的分析。菲利普斯的這項工作，被學術界認為是世界上第一個大氣環(huán)流模式，一舉確立了其重要的學術地位。

5年后，美國第一臺電子計算機ENIAC項目中的氣象小組的工作隨著以NWP成功并取得階段性成果而宣告結束，菲利普斯又與查尼一起于1956年來到MIT氣象系。MIT的氣象系由羅斯貝于1929年建立，是當時具有最濃厚氣象底蘊的美國大學氣象系。1957年菲利普斯成為副教授，1966年43歲時晉升教授，并在1970年到1974年擔任氣象系主任。

在MIT，他和查尼共同建立了氣象專業(yè)圖書館，大量氣象專業(yè)文獻一直是師生們能在研究領域保持領先的基礎。即使菲利普斯后來離開了MIT，他還不時回來造訪圖書館，學校也一直友好地為菲利普斯保留辦公室，方便他隨時使用圖書館資源。查尼于1981年去世，美國科學院邀請菲利普斯撰寫的查尼生平，菲利普斯也大多在圖書館完成，該生平收錄于美國科學院1990年出版的科學家生平著作中。

3 最后一次轉折：來到NWS是不忘初心使然

1974年，50歲的菲利普斯來到美國國家氣象局（NWS），在他應邀在NWS做完一個學術報告，聽眾報以熱烈掌聲時，主持人宣布這位MIT的知名教授將加入NWS。人們露出的驚奇實際是在問：在校園里順風順水的菲利普斯為什么要來趟業(yè)務預報的水？實際上，與前兩次轉折是因為戰(zhàn)爭和項目結束而多少有些被動不同，這時作為美國國家氣象中心（NWS的業(yè)務機構，是NCEP的前身）首席科學家的菲利普斯，是在人生走過半個世紀后，在事業(yè)上的主動選擇：即讓自己的學識真正能提升氣象預報能力。在NWS，直到1988年64歲時退休，菲利普斯都是在懷揣二戰(zhàn)期間讓天氣預報完美的“初心”，全身心地改進天氣預報的手段。

作為業(yè)務部門的首席科學家，菲利普斯在二戰(zhàn)期間的預報經(jīng)歷和在高校長期從事模式研發(fā)工作的經(jīng)驗，深知氣象業(yè)務能力的提升需要保持對新知識的不斷吸納。在“講座”時上任的菲利普斯，到任就在氣象業(yè)務部門定時開展學術講座。這個現(xiàn)在被稱為“棕色公文袋”的系列講座，從開始時的美國國家氣象中心，傳承到現(xiàn)在的NCEP并一直持續(xù)。例如，2016年NCEP就舉辦了17場講座①見賈朋群, 李婧華. NCEP講座：美國預報員的“加餐”. 科技信息快遞, 2016,(8).，平均每個月有3次左右。17次講座的主講人，分別來自NOAA、美國高校和NCAR，日本、英國、韓國、西班牙氣象部門，以及西班牙超級計算中心等機構。17次講座，主講人來自美國國內(nèi)9人次，美國以外8人次，充分顯示了這個內(nèi)部機構講座的國際化。17次講座中，針對模式和業(yè)務系統(tǒng)分別達到5次和3次，占主要部分；其他主題包括診斷（3次）、資料同化及驗證（各2次）等。這些主題都和業(yè)務密切相關，特別是業(yè)務系統(tǒng)的講座，幾乎都是圍繞當時正在開發(fā)的下一代模式系統(tǒng)展開。

在電子化和網(wǎng)絡化時代，菲利普斯的這項學術遺產(chǎn)被精細化設計以取得更好效果。例如，講座一般安排在中午時間舉辦，這樣有助于業(yè)務人員在不影響業(yè)務工作的前提下保證定時“充電”，了解部門內(nèi)外最新的相關進展。講座提前一段時間通過專門的網(wǎng)頁提示下次講座的題目、報告人以及類似學術論文的報告摘要。報告結束后，在報告人許可的情況下，一般還能在網(wǎng)上共享報告人所做報告的課件，可以回味或摘引報告內(nèi)容。

在NWS，他將之前在大學課堂上講授的數(shù)值天氣預報課程轉化為氣象局嵌入格點模式（NGM），這個區(qū)域模式是美國最早的區(qū)域分析和預報系統(tǒng)，于1985年3月27日投入業(yè)務運行，直到2009年3月3日退出業(yè)務，是NWS少有的業(yè)務運行時間達到24年的長壽命系統(tǒng)。因為系統(tǒng)好用和菲利普斯個人對該模式的巨大貢獻，美國的天氣預報員早就在圈子里將NGM解讀為了“Norm’s Good Model（菲利普斯的好模式）”。

菲利普斯在MIT培養(yǎng)出來的第一位氣象女博士Eugenia Kalnay回憶起她獲得學位后繼續(xù)講授菲利普斯開創(chuàng)的NWP課程，后來轉到NASA工作并最終又與菲利普斯在NWS成為同事。1987年，Kalnay擔任菲利普斯所在開發(fā)部的主任，這時她從學生轉變?yōu)榉评账沟念I導，在與菲利普斯討論他的年度工作計劃時充滿忐忑。菲利普斯則在該年的工作計劃中用3個詞化解了她的擔憂，他寫到：1）閱讀；2）思考；3）編程。這個計劃不僅讓Kalnay充滿敬意，實際上也是先生一生氣象事業(yè)，特別是得到了“NGM”口碑原因的寫照：簡單中保持深度。

菲利普斯一生獲得很多學術榮譽，例如，1956年獲得英國皇家氣象學會第一個內(nèi)皮爾·肖獎，1971年獲得美國氣象學會最高獎羅斯貝獎，1976年成為美國科學院院士，1987年在第十屆WMO大會上獲得出色講師獎，1981年獲得NOAA局長獎等。菲利普斯退休后依然勤于思考，最后一篇文章發(fā)表在他90歲高齡時。

會吹法國號的菲利普斯，在長達70年的氣象生涯里，為后人演奏了一曲動人的大氣環(huán)流之歌。他的“閱讀、思考、編程”工作范式，簡單中透露了過去百年以來氣象學科發(fā)展的主旋律（數(shù)值模擬和預報技術）為什么從無到有、從失敗一步步按照物理學和多學科應用相結合的路走向巨大成功的奧秘。