谈实验气象学的诞生
——纪念大气物理学家束家鑫
•李正兴•
束家鑫先生于12月11日在上海逝世。噩耗传来，让上海科普界的同仁感到莫大的悲哀。束老是上海科普工作的前辈，1947年就发表了科普作品。他的离去是上海科普界的一大损失。他为科普的一生，值得人们永远的纪念。
束家鑫生于1920年3月。安徽无为人。1945年毕业于浙江大学地理系。1949年起，历任上海气象台台长，上海台风研究所所长，上海市气象局总工程师。1950年加入中国气象学会、上海市科技协会。曾任上海市科技协会常委、上海市气象学会理事长、上海市科普作家协会副理事长、名誉理事长。撰述的主要科普书籍有《灾害性天气》《农村气象化》《少年气象学家》等10多种；科普文章有《实验气象学的诞生》《大气科学的进展》《臭氧的追踪》等300多篇；科普演讲达300多场。《中国云天》分别获上海优秀图书一等奖、上海科技进步三等奖。1950年代起致力于气象科教电影《雨》的创作，以后历任《台风》《云天奇观》《寒潮》《气象卫星》《梅雨》等影片的科学顾问，其中彩色影片《台风》获墨西哥城举行的第37届国际电影节荣誉奖；《云天奇观》《寒潮》获我国优秀气象影片奖。1990年，被中国科普作家协会第三次全国会员代表大会表彰的科学家和科普作家，1992年，被上海科普作家协会第四次会员代表大会授予荣誉会员和表彰为优秀科普作家，2004年，首批荣获中国“科普编创学科带头人”称号。
束家鑫是我国著名的大气物理学家。他从事科普创作50多年，撰写的科普作品总离不开地球的冷暖和中国云天的变幻。他的处女作《中国天气综合评述》发表在 1947年的《科学》杂志上。他认为，把自己所掌握的气象知识结合中国的气候变化信息，及时通过科普作品传输给公众，是一个气象工作者义不容辞的责任。束家鑫一直关心着上海的科普工作和科普编创工作1970年代末至1980年代初，时任上海市科普创作协会副理事长的束家鑫曽多次与市科协秘书长高孝冲等同行们向市有关部门，提议筹建上海科学技术馆的设想。1995年身为上海市科普作家协会名誉理事长的束家鑫与上海市科普作家协会理事长陈念贻联名写信给时任上海市市委副书记的陈至立，要求关怀和支持上海科普创作和科普编辑工作。以至1995年6月16日，上海市科普作家协会在表彰一批“优秀科普编辑（记者）”会上，收到了陈至立的贺信。
这里介绍的是束老发表在1982年12期《自然杂志》上的一篇科普代表作品： 《谈实验气象学的诞生》，这是他科研、科普双丰收的见证。
谈实验气象学的诞生
•束家鑫•
现代科学技术的一个重要特征是：人们凭借科学实验来认识和检验自然规律。在科学实验中，人们可以定量或定性地对自然过程、生产过程中各种因素进行分析、比较和综合，或创造许多特殊的条件来认识自然现象及其变化过程。作为自然科学的气象学，就是从观云测天开始的。西汉的《史记》《相雨书》、元代的《田家五行》等著述中，都有丰富的观云测天记录。至于流传在民间的天气谚语就更多了。自17世纪中叶至20世纪50年代，使用仪器进行地面、高空气象观测，以及分析各类天气图等方式来探索天气变化规律，那只能从某些自然现象特征来了解天气系统概貌。比如人们无法看到台风、气旋等的图像。从这一点来讲，还不能说气象学完全的实验科学。近几十年来，气象学已逐渐正式地进入像物理学、化学、生物学那样的实验科学阶段。它具体表现在以下两方面：
第一，遥感技术在大气探测中的广泛应用。遥感技术是60年代蓬勃发展起来的一门综合性探测技术。气象卫星就是遥感技术在气象探测上的具体应用。它开辟了从宇宙空间监视天气变化的新途径。据统计，迄今为止已建立的气象台站仅占地球表面的20%，气象卫星就弥补了气象资料的不足。目前，卫星技术在大气科学上的应用与日俱增。世界上已有74个国家，800多个气象台站接收和使用气象卫星的资料。世界气象组织为此而制定了一项全球天气监视计划，用五颗地球静止卫星和一些极轨气象卫星组成一个世界天气监视网。现在，卫星技术正朝着更高、更精密的方向发展。根据卫星云图连续观测、监视、跟踪天气系统的发生、发展和消亡过程，已成为现实。比如，1977年8月21日上午距上海以东300~600公里的海面上有两块小云团，它们出现在当时7号台风北面1000公里处，以20公里/时的速度西移，在21日19时，这两块云团已逼近上海，使上海市出现了创历史记录的大暴雨，8小时降雨量达540毫米。这种台风外围的云团，目前只能用卫星云图来监视和追踪。另外，卫星云图图像的某些特征还可以用来预测天气系统的短期动向。像泰罗斯-N卫星系列，它是当前世界上最先进的气象卫星，它可测量气温、湿度、地表温度、云量和洋流，收集降雨、降雪资料以及日辐射数据等。与泰罗斯一起作为代表美国卫星系列的还有1974年5月发财的同步气象卫星，它可日夜观测，提供图像资料，监视空间环境，其可见光图像的分辨率高达0.9公里，详细地提供了天气系统的结构和探测资料。
卫星气象学的发展导致大气物理学和天气分析预报技术的进步，并充实了新的内容。世界气象组织把静止气象卫星和极轨气象卫星巧妙地组合起来，除监视天气系统活动外，也对好些气象要素进行广泛的测量和揭露。
1.测风：如通过卫星云图连续追踪某一块云的位置、形状和云区范围大小变化，来分析云的运动。根据空气运动的方向和速度，估算风向、风速。
2.降水估计：现在，卫星云图已用于估计热带和副热带天气尺度系统的日平均雨量，其方法是确定所属范围内三种降雨云类（积雨云、雨层云和浓积云）中每一种云类的雨量，并对一种云类使用一个经验确定的系数，作出总雨量预报。人们分析增强显示的静止卫星云图发现：⑴活跃的对流云区内较高的云顶区常与较强的降水相对应；⑵迅速向上发展的云顶区与较强的降水相对应；⑶在风速垂直切变小的区域，这里的云顶最高，低空长时间气流流入，最强的降水区出现在对流系统中心附近。
第二，新型雷达的不断涌现。雷达是第二次世界大战中发展起来的，开始是对回波特征和天气过程描述的研究。50年代后期起进入了雷达的成熟期。这一时期主要是进行雷达回波的定量研究。60年代以来，雷达的最突出的发展是多普勒雷达在气象上的应用。多普勒雷达是利用物理学中的多普勒效应来测量散射降水云粒子相对于雷达的运动速度的一种雷达。它能提供常规测雨雷达没有利用的脉动信号中的气象信息，提供测雨雷达不能提供的有关粒子运动的情报，从而提供大气风场、气流上升速度、大气湍流、降水粒子谱分布等的情报。多普勒雷达的一些特殊应用是：监视龙卷风、冰雹等发生和发展的生命史；探测台风中心、台风移动路径及其强度变化；探测产生雷暴的对流云中的三维气流结构，从而清楚地看到雷暴发生、发展和消亡过程；探测暴雨中的中小尺度系统的活动；测量云中的水汽含量、气流升速，从而得知暴雨的结构及其短时内发生、发展过程。多普勒雷达还可以清晰地用图像传输，使气象人员直观地看出风暴活动的全物理过程以及测到目前无法用其他方法掌握的各种大气现象。
从以上两方面所取得的巨大成就，人们可以看到，大气探测工具、电子技术和遥感技术在不断进展，随着近年来相继建立的新学科（如高层大气物理学、大气化学、云雾物理学、无线电气象学、遥感科学、计算数学、激光技术等）的学术水平的不断提高，一门新兴的学科——实验气象学终于诞生了。所谓实验气象学，是指通过实验手段研究各种大气物理现象、过程的形成机制以及各类天气系统的产生及其活动规律的学科。从自然科学发展史看，近代自然科学是在大工业出现之后，随着科学实验的发展而发展起来的。由于创造了现代化的科学实验手段，大大扩展了人们的认识能力，从而导致了各种自然科学的发展。这就是说，现代科学技术发展的一个重要特征是：人们凭借科学实验来认识和检验自然规律，气象科学也绝不例外。
由于各种气象实验的大量进行，目前的实验气象学大致分成三个部分：实验室实验，数值模拟实验，野外或空间实验。
一、实验室实验
（一）回转水槽实验 把流体流进同轴双重圆筒容器中，使圆筒内外产生温度差，并使整个容器回转。这种回转实验50年代后期进行以来，迄今约有40多年历史，现在还在继续开展之中。近来在流体实验中又引入了多普勒激光技术，使这项实验更加精密化。
美国天文主教大学鲍咸平教授等曾经进行过台风路径的水槽实验，发现了台风受我国台湾省地形影响产生的许多不同气流特征：⑴当台风由东向西越过台湾省时会发生右偏现象，待台风移经台湾海峡时再向左折，也即台风路径呈S形移动。⑵当台风涡河旋接近台湾岛时，在岛的背侧会感应产生一个副低压中心，在台风越过台湾岛后，这个感应而生的低压环流也随之消失。天气预报实践表明，台风移经台湾岛时环流的变化以及移行的S形路径与实验室模拟的结果是非常相似的。
（二）转盘实验 我国近年来由中国科学院大气物理研究所展开一系列的室内转盘实验，主要采用红外线加热系统模拟自然界的天气系统结构等物理特性。
1.青藏高原对东亚大气环流影响的模拟实验
通过实验得到下述重要结论：
⑴青藏高原的分支和阻挡作用 在纯西风流场的实验中，发现青藏高原对西风有明显的分支作用，分支点在高原西侧，合流点在高原东侧。这种作用迅速向上减弱。实验还表明，大槽移近高原时减速，移过高原时加速。
⑵成功地对高原上对流活动的模拟 实验结果可知，夏季青藏高原的巨大热源，形成近地面层的热低压环流，导致高原大气较大的温度直减率，加以西南季风为高原提供了大量水汽，非常有利于气流上升运动。这就告成了高原上广泛的对流活动，出现活跃的雷暴天气。
⑶高原南部低涡的形成 模拟表明，在高原特定地形影响下，在其南部常形成低压涡旋。这和日常天气分析预报经验是相符合的。
2.台风模拟实验
台风的发展常以螺旋云带为其主要特征，这可通过实验逼真地模拟出来。在天气实践中，我们经常遇到双台风间的相互作用或打转等复杂现象，在实验室里可以模拟出两个相互接近风暴在相互作用中沿反时针方向旋转的情景。
二、数值模拟实验
任何天气变化都具有一定的过程和演变规律，它们都能用相应的数学方法加以描述，因此人们可以充分利用电子计算机存储信息以及快速处理信息的特长。所谓天气数值模拟，就是应用电子计算机，对模仿各种天气现象和大气过程的不同数学模型（包括方程式、初始条件、边界条件、各种参数等）进行试验，以提示各种大气运动的发生、发展的客观规律。
模拟实验就是在数值模拟条件下，控制影响大气运动的主要因素，研究运动的发生、发展规律，以帮助人们了解发生在实际大气中气象现象的一种重要手段。它可以起到以下几方面的作用：⑴发现新事实；⑵验证理论；⑶进行单因子的、条件可控制和重复的实验和理论研究；⑷解释新出现的天气事实，为提高天气预报准确率提供理论依据。
气象数值模拟是从60年代初开始的，现正在发展中。如模拟台风的移动路径及其形成和发展等等。为进一步提高数值天气预报准确率，并建立中期数值预报业务，就需要设计具有较高准确度而又能作很长计算时效的动力学模式，就要进行大量的数值实验。数值实验也广泛应用在研究大气环流变化、寒潮暴发，以及气候形成原因等问题。
三、野外或空间实验
野外实验或大规模空间实验有各种不同的规模，从个人的小型观测几天、几个星期，到大范围国际间的更长时间的观测。实验的内容也非常广泛，如人工影响天气、人工防雹与人工消雾等等，大型的如季风实验、气团变性实验、台风实验等。
近年来，世界上大规模的空间大气科学实验正在蓬勃地开展。举例来说，国际上开展的夏季风实验（MONEX），从1979年5月1日到8月31日已进行到第三次。实验的目的，在于搞清楚亚洲季风随地区和季节的变化及其对于全球大气环流的影响，从而提高季风来临迟早和强度预报的准确性。
美国于1977年春开始进行强风暴与中尺度天气系统实验（SESAME）。实验的目的在于加深对强风暴在中尺度环境中如何生存发展的认识；进行区域性实验，研制中小尺度天气系统的仪器、设备，包括各种性能的雷达、光学、声学遥感探测器，微波探测仪、微压计，及专用的观测飞机。上述实验从1977年春开始，预计将进行到1983年，之后重点转入分析研究工作。
命名为TOPEX的台风业务实验是近年来国际上大型合作项目之一，系从台风委员会成员国利益出发而组织的。实验中心设在东京，我国北京是分中心之一。实验的目的是通过国际合作，在收集和交换观测情报的同时，进行各种业务实验，以提高台风分析预报和报警能力，减少由于台风的强风、洪水和风暴潮的灾害。试验的内容有：⑴台风风场的分析，包括台风定位及其强度的识别；⑵台风移动和强度的预报，包括应用卫星云图的分析和根据三维台风模式试验作路径预报；⑶研究台风的形成、发展、衰减机制等。试验时间从1981年至1984年，其中1981年为预备试验期。1982年和1983年正式试验，1984年对收集的资料作出学术评价，最后作出业务实验的最终报告。1981年的预备实验期为7月9日~10月15日。在8月7~8日开展了为期两天的国际实验。这次命名为“洛伊（Roy）”的11号（国外编号是8113）台风，于8月5日在我国南海中沙群岛附近海面形成，强度较弱，但路径曲折，有两个明显的转折点：第一次是7日晨由原来朝东北转向西北；第二次发生在7日夜间，移向由西北向西南。对于路径第一次转折，台风路径由东北折向西北是受其东北侧强高气压的东南流引导的结果，比较容易预报；第二次折向西南，从卫星云图分析看来，是因为台风西侧出现强对流云团，而台风向外围对流云发展最旺盛的方向移动。第二次折向西南移动的现象，是当前台风预报上的难点。各种预报方法尚难以奏效，加强卫星云图分析，有助于疑难路径的短期预报。
总之，大气科学是实验性科学，要认识了解大气的规律，必须掌握大量的大气运动的信息、数据和资料。因此，大气科学发展实验性的研究是势所必然的。50年代的大气研究工作把学科愈分愈细，而现在出现另一种趋势，即把大气动力学、热力学、声学、光学、电学和云雾物理学综合起来研究，开展模拟实验，进行大规模空间实验，把模拟所得的各种物理现象和自然界出现的大气现象相对照印证，以揭示大气活动规律，这就是当前大气科学的特点之一，也是实验气象学的主要研究方向。