■ 賈朋群

2019年3月15日，美國氣象學(xué)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(xué)會發(fā)表的一篇紀念文章中，稱菲利普斯為現(xiàn)代氣象學(xué)的“巨人”，而他曾長期工作過的MIT，在相關(guān)新聞里稱其為“理論氣象先行者，展示了數(shù)值模式可以預(yù)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(yù)報（NWP）方法的一代學(xué)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(xué)術(shù)生涯中，圍繞氣象事業(yè)的幾次轉(zhuǎn)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(jié)合的相得益彰的學(xué)術(shù)發(fā)展鮮明特征。

圖1 Norman Alton Phillips（1923—2019年）

1 第一次轉(zhuǎn)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(xué)時，加入了學(xué)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(xué)，主修化學(xué)。然而一年后美國加入二戰(zhàn)中止了他的學(xué)業(yè)，也讓他第一次聽說了與戰(zhàn)爭相關(guān)的培訓(xùn)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(xùn)，又在密歇根大學(xué)進行了6個月的物理和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，隨后在伊利諾伊空軍基地接受了9個月的氣象培訓(xùn)。

在完成這些培訓(xùn)后，本應(yīng)在大學(xué)校園里學(xué)習(xí)化學(xué)課程的菲利普斯，從1944年6月到1946年9月戰(zhàn)爭結(jié)束一直在美軍的幾個基地擔任氣象預(yù)報員，為盟軍的軍事行動開展氣象服務(wù)。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(lǐng)悟培訓(xùn)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(xué)習(xí)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(yù)報埋下伏筆。戰(zhàn)爭中氣象相關(guān)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(yù)報是吸引人的科學(xué)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(xué)。早在戰(zhàn)爭結(jié)束前，菲利普斯就在思考如何改進天氣預(yù)報的問題。那時的他認為，通過統(tǒng)計方法改進預(yù)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(xué)的學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。

芝加哥大學(xué)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(xué)者，包括：Horace Byers和Victor Starr等，以及當時還年輕，后來成為著名學(xué)者的George Platzman、Dave Fultz、Herbert Riehl和Verner Suomi等。菲利普斯的碩士導(dǎo)師是Erik Palmén，在開始學(xué)位相關(guān)的氣象研究初期，他還深受挪威學(xué)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(yù)報。雖然很多學(xué)者理解查尼的研究主題，但知曉其中所利用的數(shù)學(xué)方法的人卻很少。具有很好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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(yù)報？隨后在受到了羅斯貝所做學(xué)術(shù)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(zhuǎn)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(xué)識和能力的查尼，就邀請其完成學(xué)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(lǐng)導(dǎo)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(wù)化方向發(fā)展的重要任務(wù)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(jié)果，更建立了模式作為研究和預(yù)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(dǎo))、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(xué)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(xué)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(zhuǎn)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(xué)術(shù)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(xué)術(shù)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(jié)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(xué)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(lǐng)域保持領(lǐng)先的基礎(chǔ)。即使菲利普斯后來離開了MIT，他還不時回來造訪圖書館，學(xué)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(xué)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(xué)院1990年出版的科學(xué)家生平著作中。

3 最后一次轉(zhuǎn)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(yīng)邀在NWS做完一個學(xué)術(shù)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(wù)預(yù)報的水？實際上，與前兩次轉(zhuǎn)折是因為戰(zhàn)爭和項目結(jié)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(wù)機構(gòu)，是NCEP的前身）首席科學(xué)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(xué)識真正能提升氣象預(yù)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(yù)報完美的“初心”，全身心地改進天氣預(yù)報的手段。

作為業(yè)務(wù)部門的首席科學(xué)家，菲利普斯在二戰(zhàn)期間的預(yù)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(wù)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(wù)部門定時開展學(xué)術(shù)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(yù)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(gòu)。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(gòu)講座的國際化。17次講座中，針對模式和業(yè)務(wù)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(wù)密切相關(guān)，特別是業(yè)務(wù)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(luò)化時代，菲利普斯的這項學(xué)術(shù)遺產(chǎn)被精細化設(shè)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(wù)人員在不影響業(yè)務(wù)工作的前提下保證定時“充電”，了解部門內(nèi)外最新的相關(guān)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(xué)術(shù)論文的報告摘要。報告結(jié)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(xué)課堂上講授的數(shù)值天氣預(yù)報課程轉(zhuǎn)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(yù)報系統(tǒng)，于1985年3月27日投入業(yè)務(wù)運行，直到2009年3月3日退出業(yè)務(wù)，是NWS少有的業(yè)務(wù)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(yù)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(xué)位后繼續(xù)講授菲利普斯開創(chuàng)的NWP課程，后來轉(zhuǎn)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(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)榉评账沟念I(lǐng)導(dǎo)，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(xué)術(shù)榮譽，例如，1956年獲得英國皇家氣象學(xué)會第一個內(nèi)皮爾·肖獎，1971年獲得美國氣象學(xué)會最高獎羅斯貝獎，1976年成為美國科學(xué)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(xué)科發(fā)展的主旋律（數(shù)值模擬和預(yù)報技術(shù)）為什么從無到有、從失敗一步步按照物理學(xué)和多學(xué)科應(yīng)用相結(jié)合的路走向巨大成功的奧秘。