卡爾—古斯塔夫·羅斯貝

卡爾— 古斯塔夫·羅斯貝(Carl-Gustaf Rossby)， 瑞典人， 以發現行星波(後來被稱為「羅斯貝波」)而聞名，他是20 世紀最有影響、最具創新能力的氣象學家。羅斯貝是一個十分活躍、精力充沛的氣象學家。在近40 年的職業生涯里，無論走到哪裡，他一直處於大氣與物理海洋研究前沿的中心位置。他培養了眾多學術界精英，並極大地推動了大氣與海洋科學的發展。

現代氣象學起源於挪威，正是在挪威學派的推動下，現代氣象學進入了一個新的紀元。羅斯貝是在氣象學家皮耶克尼斯的引導下進入了氣象學領域。羅斯貝很快形成了屬於他自己的學術風格。他為現代氣象學和物理海洋研究開創了一系列全新的觀測技術，並為高空風場和海洋流動的分析建立了非常美妙的動力理論。羅斯貝的研究得益於當時的飛機觀測、無線電探空、轉盤實驗和數值模擬等技術。與此同時，他也成功地推動了這些方面的發展。凡是羅斯貝工作過的地方，氣象學的研究都被顯著地推進。1956 年，羅斯貝作為封面人物登上美國《時代》周刊，報道中寫到「現代氣象學的發展毫無疑問是與羅斯貝緊密相連的…… 現代氣象學的大部分引領者都是羅斯貝博士的朋友或學生」。

教育經歷

羅斯貝於1898 年出生於瑞典的斯德哥爾摩。他從小接受過良好的文化教育，聰明，好問。他對很多事物都很感興趣，如音樂、地質、植物(尤其是蘭花)。羅斯貝在斯德哥爾摩大學念書時，學習非常優秀，也非常勤奮。他於1918 年獲得學士學位，主修的課程是數學、力學和天文學。

1919 年，羅斯貝在聆聽了一場皮耶克尼斯的報告「大氣中的運動不連續性」 之後，便決定申請做他的研究助理。之後，羅斯貝進入挪威卑爾根學院開始學習氣象學，他在很短的時間內就掌握了動力氣象和天氣預報的核心內容。在天氣預報討論中，他總能提出一些非常有建設性的意見。於是，他的個人魅力也開始凸顯出來，包括能夠快速抓住問題的本質，總能給出新的理論想法， 並激發周圍人的興趣。他善於組織管理，具有極強的說服力。他是很好的天氣預報員，也是天生的演講家和領導者。羅斯貝常常思考的問題是如何將物理理論和大氣觀測聯繫起來。1922 年秋，羅斯貝回到斯德哥爾摩大學繼續攻讀數學和物理學位，並於1925 年獲得數學碩士學位。

轉盤實驗和無線電探空

1926 年，在美國—斯堪的納維亞基金會的資助下，羅斯貝來到位於華盛頓特區的美國國家氣象局。他的任務之一就是將極鋒理論應用於美國的天氣預報，但是羅斯貝並不局限於遵從挪威學派的方法。像皮耶克尼斯一樣，羅斯貝有自己的風格。羅斯貝是一位擁有獨特想法的流體動力理論家，也是一位擁有極好物理直覺和創新思維的思考者。

羅斯貝在美國的第一項工作是在美國氣象局的地下室搭建一個模擬大氣運動的轉盤(rotating tank)。實驗想法源自亥姆霍茲的渦旋運動理論和埃克斯納1925 年所做的旋轉洗碟盤實驗。轉盤的直徑是2 m，裡面注入融化的石蠟，轉盤繞豎直軸旋轉。與地球大氣層類似， 轉盤的垂直尺度比水平尺度小，因此流體的運動趨於二維。待石蠟冷卻後，便可以記錄下流體的運行形態。

將複雜的大氣運動簡化，只關注最關鍵的特徵，是羅斯貝的研究風格。雖然當時羅斯貝並沒有在轉盤實驗中取得很好的成果，但是他一直堅持這一實驗的發展。20 多年後，這一實驗在揭示地球流體運動方面取得了豐碩的成果。

1928 年，羅斯貝來到了麻省理工學院，建立了美國第一個氣象系。長期以來，天氣預報都是根據複雜的地面氣象要素來製作的。羅斯貝試圖擺脫這種現狀，他開創性地嘗試根據5.5 km 高度氣象場來進行天氣預報。1936 年，一項新的技術——氣球攜帶的無線電探空儀(圖1)開始使用。他便利用這種儀器測量從地面到12 km高度的大氣溫度、氣壓和濕度。正是基於這一較高時空解析度的數據，羅斯貝才敏銳地意識到高空氣流中大尺度行星波(planetary waves)的存在。行星波的發現可能是羅斯貝最重要的科學貢獻，這種大氣波動現在也稱為羅斯貝波(Rossby waves)。

圖1 正要放飛的無線探空氣球(1940年)：探測儀器系在一個氣球上，測量數據通過無線電傳回地面

行星波

大氣中存在各種不同頻率和振幅的波動，其中波長最長的波動就是行星波。這種波對中緯度地區地面天氣過程具有非常重要的影響。1940 年，通過對無線電探空儀的數據分析，羅斯貝指出存在一個自由大氣層，在該大氣層內，大氣運動主要是由氣壓梯度力和科里奧利力之間的平衡來決定。行星波就是自由大氣層內大氣的波動，該波動的形成伴隨著向赤道方向運動的極地冷氣團和向極地方向運動的低緯度暖氣團。羅斯貝使用二維半球模型來描述這種波動，並且忽略大氣內部摩擦、非絕熱加熱、水汽和垂直運動。羅斯貝的標誌性方程是行星波的相速度(c)與平均氣流速度(U)之間的關係：

c =U- βL2/4π2，

其中β代表科里奧利力隨緯度的變化，L是波長。波長較短的波，相速度向東，與平均流方向相同。波長較長的波，相速度向西。在特定波長下，相速度可以等於零(即：駐波)。行星波的波長通常在5000 km左右，沿緯圈以4 到5 個脊和槽的形式存在(圖2)。

圖2 行星波動(1959 年)：極地俯視圖，黑色線條是高空溫度等值線，間隔為5℃，紅色線條是高空強風速中心

後記

1957 年夏天，羅斯貝因心臟病突發而逝世。他的突然去世是整個氣象學界的重大損失。他曾預言，當人造衛星可以從太空觀測地球時，氣象學將進入一個偉大的時代。很不幸，他沒能看到這個時代的到來。他曾說到：「現在的我們就像是在海底爬行的螃蟹，只能仰望地球，急需站在衛星的高度來俯視地球。只有通過衛星，我們才能親眼看到行星波動。」他的想法是完全正確的。

(北京大學物理學院大氣與海洋科學系 楊軍、胡永雲 編譯自 James R. Fleming. Physics Today，2017，(1)：51)

本文選自《物理》2017年第1期