風暴守望者 天氣預報風雲史
前言
今天小編向大家推薦的這本書是西方著名科普作家John D. Cox所著的《StormWatcher：Theturbulent history of weather prediction from Franklin"s kite to El Ni?o》（中文譯名《風暴守望者 — 從富蘭克林的風箏到厄爾尼諾的天氣預報風雲史》）。本書所介紹的學者大致是二十世紀八十年代之前的，近三十年來大氣科學領域的學者還沒有涉及到。儘管如此，本書仍然是一本不可多得的科普讀物，讀者可以通過本書了解大氣科學的發展歷史、這些學者對大氣科學所做出的貢獻以及它們所展現出的科學精神。本書所涉及的更多的是為氣象學做出重要貢獻的學者，對大氣物理、化學以及氣候學的學者設計相對較少。
本期我們首先推薦本書中文版的序言和第一部分供讀者賞讀，餘下的部分將分期推薦，盡請期待。
作者序言
天氣預報已成為一門實用科學，融入了我們日常生活中，並無時無刻不 在幫助我們贏得生活的舒適和便利。今天冷不冷？明天呢？有多熱？我今天需不需要多穿一件外套？帶一把雨傘？需要戴帽子嗎？
在各種媒體上，天氣預報可以簡化為很多漂亮的符號、動畫、和可視效 果，甚至都不需要文字進行說明人們就能理解。但這些可視化信息背後的 科學知識，卻不像日常生活中所接受的信息那樣容易理解。那是關於未來 的科學，關於如何預測大氣運動、如何預測那些尚未發生的天氣的科學。
天氣預報是現代氣象學的重要成果，它處於人類已有的各種偉力的最 前沿，是人類在量化混沌的自然世界中的各種概率事件的結果。它通常要 用這個星球上最強大的計算機，經過特定的數值模型進行計算。整個系統 空前複雜，而且極難獲得。這個系統所需要的所有原始觀測記錄，類型多種 多樣，範圍覆蓋全球。對這些數據進行計算的成本是如此高昂，以至於只有各國政府才能負擔得起。
日復一日，天氣預報正在變得越來越準確，越來越實用，越來越客觀，越 來越科學，儘管這種緩慢的進步趨勢並不為大多數公眾所認知。今天，這種 對未來的預報已經足夠可靠，其準確性已為絕大多數人所認可，以至於它已 變成一種公共服務和社會基本保障。一旦某一天預報的不準，它就會招致 廣泛的指責，並在短時間內被人們牢牢記住。
現在每日的天氣預報，從某種意義上講，也是電子計算機發展的巨大成 就。我們要用一整套計算機程序，來完成從原始數據的同化、到最終的在屏 幕上以圖形方式顯示出預報結果的全部流程。我們要周期性地從各種各樣的複雜觀測網中獲取數據，比如衛星、自動氣象站、配有電報設備的探空氣 球、飛機航線上的儀器、海洋浮標、和商船上的儀器等。再把它們輸入進最 複雜、最準確的數值天氣預報系統中，就能做出符合要求的天氣預報了。要知道，若沒有超級計算機驚人的速度和存儲量，這一切都將變得不可能。
儘管今天的一切看似都依賴於計算機這種人造設備，但本質上，天氣預 報的科學其實是人類智慧的偉大成就，或者說是人類努力探索自然的偉大成就。儘管現代氣象學的體系已經蔚為大觀，但它在奠基時卻是如此的渺 小。這本書將講述一些氣象學家的故事，是他們發現了大氣運動的規律，以 及預測天氣的秘密。他們所搭建起來的氣象科學已經、並將繼續拯救無數 人的生命。人類古老的準確預報天氣的夢想已經達成，那些風暴的守望者們，理應被我們所銘記；他們中的很多人，都是我們心中的英雄。
John D. Cox
Part Ⅰ
萌芽時期
本傑明·富蘭克林
追風行動
在氣象學史中，經典觀點認為，現代風暴研究始於一次失敗的天文觀測。
以前，由於天文學比氣象學更古老更受尊重，所以人們總用天文學的標 准來衡量氣象學研究，因此氣象學總是得到負面的評價。數千年來，天文學 家們擔當著為王室出謀劃策的角色，卻沒有一個氣象學家獲得皇家的頭銜。直到天文學發展得非常成熟的時候，天氣科學才剛剛引起人們的重視。18 世紀中葉，天文學已經如日中天，而氣象學甚至都不能算是一門科學。那時， 人們對自然世界的認知還很局限。
二百五十年前，天文學家已經能夠精確地預測月食發生的日期和時間， 並且能夠解釋其成因和影響：月球沿軌道運行時，周期性地離開太陽的照射 區而進入由地球遮擋形成的陰影區。通過這樣精確的預測，宇宙運轉的機理被完全確定下來。而另一方面，如果把天氣因素考慮進來，比如一場風暴 的來臨可能會擋住月食——這種突如其來的天氣變化，那麼就沒有人知道這種「上帝難以估計的行為」是否會發生、何時、何地、為何發生了。
1743 年秋，當月球進入地球的陰影區時，37 歲的出版商——本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin），正打算在美國殖民地賓夕法尼亞州費城的家 中觀看這次月食。雖然他是一個終日繁忙的成功人士，但他仍然非常渴望目睹這一天文盛景。這次月食預計在 10 月 21 日星期五晚上 8 點半開始。 但是正如富蘭克林幾年後在給他朋友賈里德·艾略特（Jared Eliot）的一封 信中回憶道：「入夜前，在東北部發生了一場風暴，這場強風暴持續了一天一夜。天空中烏雲密布，風雨交加，星星和月亮全都無跡可尋。」
儘管沒看到月食，敏銳的富蘭克林卻從月食的時間中得到了意想不到 的啟發——大風暴在那天晚上的位置以及移動路線。正如他給艾略特的信中寫道：
報紙上到處都是風暴對海岸沿線造成巨大損失的消息，從波士頓、紐波特、紐約、馬里蘭、到弗吉尼亞無一倖免。但是令我驚 訝的是，我從波士頓的報紙中發現一條關於那次月食觀測的報 道。因為我想，如果風暴來自東北方向，它肯定會先經過波士頓， 那麼這之後就不可能觀測到月食了。我寫信給我在波士頓的弟 弟詢問這件事，他告訴我月食在風暴來臨前一小時就結束了。
若是一個不太狂熱的觀測者發現了這些信息，也許這樣瑣碎的細節就 被忽略掉了。而富蘭克林卻由此萌生出了一個對於氣象學，尤其是天氣預報的非常關鍵的想法——風暴具有特定的結構和移動路徑。後來他繼續向艾略特描述這些從東北方向來的可能持續三四天的強風暴，並從中總結出 了一條風暴移動規律。他寫道：「這些年來，對於這些風暴，我有一個奇怪的想法，那就是：雖然風向是從東北方吹向西南方的，但是風暴的移動卻是從西南方到東北方的；風暴在弗吉尼亞州發展得比它移動到康涅狄格州後更強盛，在康涅狄格州比它之後到達沙角時更為強盛……」在 150 多年後的 1899 年，哈佛學者威廉·戴維斯（William Morris Davis）在《富蘭克林協會學報》中，建議把這作為一個意義重大的時刻，他寫道「這是天氣預報學的開始」。然而在富蘭克林的時代，天氣預報還不屬於科學的範疇。
作為一個實際問題，在 18 世紀，儘管風暴的移動速度沒有如富蘭克林 估計的那樣高達 100 英里每小時，但它還是沒有給預警傳遞留出足夠的時間。富蘭克林在數學上並不十分在行。無論如何，科學天氣預報的困難不論 在舊世界還是新大陸都不斷地加深。尤其在歐洲，未來的天氣和未來的其他事情一樣，被當做是占星師神秘預言的一部分。這些占星師通過出版巧 言雕琢的預報全年天氣的年鑒來獲得豐厚的利潤。富蘭克林他自己也通過 25 年來出版《可憐理查德的年鑒》得到了一筆可觀的收入，儘管他對天氣的 預測總是帶著特有的幽默風趣。為了讚揚富蘭克林對大氣科學的貢獻，美 國氣象科學的先驅、科學家克利夫蘭·阿比（Cleveland Abbe）曾詳細地看過 富蘭克林 1906 年的年鑒，並且發現絕非占星術。在一次向美國費城哲學學會的報告中，阿比說：「雖然富蘭克林當年確實發表了天氣預測，但我們不認為他是一個行星氣象學家。事實上，他否認自己的一切觀點與氣象學和占 星術有關，他還嘲笑自己的預測是完全荒謬無用的。」
中世紀期間，對天氣成因的解釋仍然停留在教會學說的傳統理論上。 從 12 世紀亞里士多德（Aristotle）的《氣象學》被重新研究起，它就已經被納 入基督教的教義。亞里士多德關於地球的有機呼吸的推測和近 700 年歷史 的神學氣象學也非常地契合。（作為一個氣象學家，亞里士多德是一個非常 擅長說服別人的人。即使皇室的泰奧弗拉斯托斯（Theophrastus）都能夠相 信他的老師的關於風不能使空氣運動的荒唐的斷言。）在美國殖民地，清教 的牧師堅信在新世界的狂風暴雨中除了上帝的力量和話語，沒有第二種自 然的力量，即使是在最惡劣的環境中也沒有。
1735 年 8 月 31 日，康涅狄格州的新倫敦，正當伊利法萊特·亞當斯教 士（Reverend Eliphalet Adams）要開始他下午的禮拜時，一場大風暴降臨了。 一道閃電——「上帝之火」，擊中了他的教堂。巨大的木頭砸向人群，空氣中 瀰漫著煙塵，雷聲震耳欲聾。被損毀的房屋裡到處都是他的被燒傷或者砸 傷的會眾。到處都是因為驚嚇或痛苦而發出的尖叫。在他的腳邊，聖壇的一 角，躺著一個瀕死的名叫埃德溫·伯奇（Edwin Burch）的年輕人。
在接下來的安息日，那些受傷不太嚴重的會眾們回到臨時搭建起來的 禮拜堂時，聽說了上帝在信徒們祈禱的時候擊倒他們的事情。亞當斯，這個自詡為上帝的子孫的人，正在自豪地看著他印的佈道辭「上帝有時會用可 怕的事情公正地回復他的人民——這是 1735 年 8 月 31 日新倫敦這次可 怕的閃電擊中禮拜堂所給我們的啟示。」亞當斯認為，這強大的力量體現了上帝正義的一面，而災難沒有進一步惡化則體現了上帝仁慈的一面：「若不是上帝仁慈，我們可能已經死了幾百人了，對，所有的會眾可能在一瞬間已 經被派往來世了。」
圖 1.1: 本傑明·富蘭克林的肖像
對這次災難和伯奇的死，這些清教的信徒只會責備自己的無能。亞當斯佈道說:
上帝的做法完美無暇，這點毋庸置疑，另外，應該說，我們已經 有足夠足夠多的錯誤足以讓上帝用最嚴厲的方式懲罰我們了。 所以，我們必須保持平靜不要張口抱怨，不要覺得心裡不舒服或 者不願意，無論我們受到多大的打擊，無論造物者給我們多少智 慧，我們必須依舊把它看成是我們的造物主，我們的審判者的公 正的裁決。
僅僅10 年以後，在這附近的費城，富蘭克林準備開始一系列研究電的 本質的實驗，正是這些實驗讓他日後出名。不久後，1749 年，他在他的筆記 本中提到關於電和閃電的相似性的猜測：「電流被尖物吸引，我們不知道是 否在閃電中也有相似的性質；但是既然他們在所有我們可以比較的細節中 都表現出了相同的性質，是否有可能在這一點上他們也是一致的呢？讓我 們來做個實驗吧。」在1752 年 6月，他做了著名的風箏實驗，看到了掛在麻 線上的鑰匙和鉸鏈之間所產生的電火花。這和他設計的其他實驗一起證明 了大氣中的閃電是一種電現象。這個發現後來掀起了安裝絕緣並且接地的 鐵制「尖物」——避雷針的風潮，它們能夠把「上帝之火」安全地從脆弱的教 堂頂吸引到旁邊的地面上去。
富蘭克林對電的本質研究了七年，這是他全心全意投入到科學事業的 七年，使他成為了一名具有國際影響力的科學家。在隨後的幾年中，因為領 導美國殖民地進行革命並創建國家，他再沒有時間進行科學研究。但在他 的一生中，他始終保持了對自然的敏銳觀察力。不管是關於天氣，還是其他事情的有趣的方面，都逃不過他的好奇心。對於天氣，他思考了 60 年，也記 錄了 60 年。在 1726 年從倫敦返回費城的旅途中，他在每天例行的天氣觀 測中看到了一次非同尋常的「月光彩虹」。1786 年，他甚至為他的家人提供 長期天氣預報。
1755 年的春天，當他和一夥兒朋友騎著馬走到馬里蘭州的本傑明·塔 斯克將軍（Colonel Benjamin Tasker）的莊園的時候，他們看到一陣旋風在山上向他們逼近，並且隨著逼近逐漸發展起來。富蘭克林在一封8月份寫給他朋友彼得·科林森（Peter Collinson）的信中描述了這次探險。
其他人都站在那裡看著它；但是我的好奇心更強烈些，我騎 著馬追它，靠近到它旁邊，看到它把它沿途的沙塵都捲起來。我 聯想到讓子彈打穿水柱，水柱會破裂的現象，於是我試著用鞭子 來回地抽打它的方法想把它破壞掉，但是一點用都沒有。過了 一會兒，它離開道路進入到樹林中，並且持續變大變強，這回是 把覆蓋在地面上的厚厚一層乾落葉都卷了起來，弄得這些落葉 和樹枝嘩啦啦地響，還把一些高大的樹木弄彎並且迅速地來回 轉圈，但是奇怪的是，旋風移動的速度並不是很快，一個人徒步 走就可以跟得上它，轉圈的速度卻快得驚人。通過它裡面當時 充滿的葉子，我可以清楚地觀察到氣流呈螺旋線上升；當我看到 旋風經過的地方那些樹榦樹枝依舊保持完整的時候，我才知道 怪不得我的鞭子在它較弱的時候沒什麼作用呢。
富蘭克林重新回到隊伍中，當他們繼續走了大概 3 英里後，他發現仍然 有剛才被旋風捲起的樹葉從天上落下來。他寫信給科林森說：「緊接著，我 問塔斯克將軍這樣的旋風在馬里蘭州是否常見，他愉快的回答：『不，非常罕 見；但是我們專門用這個來招待您。』那確實是一個非常高規格的款待。」
古代的史書上有著許多關於旋風、龍捲和水龍捲的記錄，雖然在其他地 方不像在北美那樣常見。自從殖民地建立以來，它們就成為了研究的焦點。 18 世紀中葉，富蘭克林也深深地陷了進去，他給出了對流過程的早期描述。 在 1753 年的一封信中，他提出這種風的形成需要兩個條件：
較低的地區，空氣往往被過分地加熱，所以它們比高層的空氣更稀一 些；這樣，就會特別輕。高空很冷，有許多冰晶，那些冰晶會經常在比較 熱的天降下來。
被加熱的空氣可能非常潮濕，但是潮濕的空氣又特別容易因擴散而變稀薄，所以直到冷空氣和它混合使它凝結的時候才能看得見。這樣，我們的呼吸在夏天看不見而在冬天就可以被看見了。
圖 1.2: 美元上的富蘭克林頭像. 2003 年版 100 美元（上）; 2009 年版 100 美 元（下）.
雖然富蘭克林是一個非常細緻的觀察者，但是在他內心深處仍然是一個天生的哲學家，他不想用大量的數據或數學來擾亂他的思路。當他看到一個東西的時候，他會很好地了解它的機理，他知道什麼時候他自己的思維越過事實而進入「幻想的世界」。但是這個只接受了兩年正規教育的人卻 一直蔑視數學這個現代大氣研究的通用語言。在他描述對旋風的觀點的信 中總結道：「如果我的假設不是事實本身，那它至少是赤裸裸地展示在大家 眼前的：因為我還沒有像許多有學問的『現代人』一樣，用希臘字母偽裝我的 錯誤，用代數去掩蓋它，或者用導數裝飾它。你所見到的它就是最真實自然 的。」
富蘭克林還對氣候，這種長期的天氣狀態很感興趣。自從 16 世紀殖民 地居民和他們的歐洲贊助者定居新大陸以來，氣候問題就一直給他們帶來很多困擾。除了大氣環流和中緯度西風氣流，人們對這片新世界尤其是大 陸上的氣候一無所知。曾經沉浸在溫和的被灣流加熱的溫帶海洋性氣候中 的那些歐洲人，在來到殖民地後為這裡的季節性天氣苦惱。然而到了富蘭 克林的時代，人們已經發現了一個非常明顯的增暖趨勢。1763 年，富蘭克林 與一群殖民地的學者討論氣候的變化問題。他們達成共識，認為砍伐森林 很可能是造成這種氣候變化的原因，「沒有樹木的地面吸收更多的熱量，能夠使積雪更快地融化，」但富蘭克林認為，如果想要證明這個結論，還需要多年的觀測。
富蘭克林在這一時期的另一項研究使人們對灣流有了更進一步的理 解，灣流是從熱帶沿著美國海岸向北穿過北大西洋的暖洋流。作為殖民地 的代理郵政局長，富蘭克林經常聽到這樣的抱怨，郵輪從法爾茅斯到紐約所 花的時間，經常要比距離更遠的從倫敦到羅德島所花的時間還要長几天。 對此，一個富蘭克林的熟人，提姆·福爾傑（Tim Folger）——楠塔基特島上的 捕鯨人，有一個非常成熟的解釋。他為富蘭克林畫出灣流，富蘭克林則把它 印刷出版在一些地圖上，這些地圖因其重要的航海意義而得到幾乎所有人的廣泛關注，除了那些英國的船長，因為在那個年代，英國的船長不屑於從 美國漁民那裡聽取任何意見。這項工作驅使富蘭克林在他的穿越大西洋的 旅途中為海表溫度做了定時記錄，這標誌著溫度計第一次被用做航海設備。
在富蘭克林70 多歲的時候，他作為駐法大使生活在巴黎附近，他發現在 1783 年夏天太陽光的強度奇怪地減少了。他把這一現象和隨後的歐洲 寒冬聯繫了起來。他在發表於《曼徹斯特學會會刊》的回憶錄中描述了他的 想法：「1783 年夏天的幾個月中，」他寫道，「本來太陽輻射加熱北部地區的效果應該是一年中最強的，然而這個時間卻在整個歐洲和大部分美國地區 出現了持續性的霧。這次霧的持續時間很長，並且水汽含量少，不像一般的 從水中升起的那種潮濕的霧，太陽輻射似乎對它的消散沒有什麼作用。」這個冷卻作用使得地面吸收了比常年偏少的輻射能量，他推理指出。「這樣地面過早地結冰了。因而初雪留在地表不能夠融化，並一直在增多。因此也許 1783 年到 1784 年的那個冬天會是許多年來最寒冷的一次。」
「引起這次全球大霧的原因還沒有確定，」他寫道。他猜測也許是一個 彗星或者小行星燃燒後的殘骸，或者更特殊些，可能是冰島附近的火山「在 夏天持續排放大量的煙塵」。
「然而值得探究的是，是否歷史上其他有記錄的寒冬之前的那些夏天， 也存在類似的持續時間很長範圍很廣的霧？」富蘭克林寫道。「因為，如果真 是這樣，人們可能就可以從這種霧中預測出接下來是寒冬的可能性……採取這種方法是可行而實用的，可以保護我們自己，也控制了最後到來的災害 的影響範圍。」
按照富蘭克林的思路，現代的地球和天氣方面的科學家經過尋找歷史 記錄和氣候證據後，確實發現了由於大的火山噴發後大氣持續兩年偏冷的 案例。
1790 年 4 月 17 日，富蘭克林在費城的家中去世，享年 84 歲。1906 年 在費城，美國哲學學會，這個由富蘭克林 1743 年建立的學術團體為他慶祝 了二百周年誕辰。克里夫蘭神父，美國最聰明的科學家之一，美國天氣預報 的先驅，利用這個機會說明了富蘭克林對氣象學的貢獻。「在他榮耀的桂冠 上，」神父為他添加了另一枝：「他是理性的長期天氣預報人的先驅，也是將 來必定會為發展這門複雜學科而奮鬥的物理氣象學家們的先驅。」
Part Ⅰ完結
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