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上文书我们讲到了在菲茨罗伊去世以后，他生前的成就遭到别人的质疑，天气预报的发布也就停止了。从废除天气预报，到重新恢复，中间经历了13年的时间。法国人倒是一直没有中断，从1856年就开始了，法国的勒维耶一直坚持下来了。美国的先驱报在1876年开始发布天气图，也开始对公众发布天气预报。英国起步早，但是起个大早赶个晚集，白白耽误了那么多年。
徐家汇观测台 1872年，上海的徐家汇设立了一个观测台，这个观测机构是法国人主持的。一开始是在徐家汇教堂，后来在南边建造了专用的观测台。一开始只测量地磁，后来测量的项目就多起来了。这个观测台就是现在上海气象台和天文台的前身。所以上海的气象台和天文台是邻居，都集中在巴掌大的一块地方。天文台对面就是徐光启墓。气象台旁边就是观测台旧址，现在都是文物保护单位。也就是说，我国的气象事业起步也不算晚。扯远啦，我们还是扯回来。菲茨罗伊的天气预报之所以受到攻击，就是因为他搞天气预报主要还是凭借个人的经验。他并没有一个非常扎实的理论基础。当时大家都知道。天气过程总是自西向东移动的，如果你在天气图上看到形成了几个闭合的低压中心，那就说明要发生风暴了。天气预报员关心的就是如何追踪低压中心的移动路径和速度。预报员们可以大概估算出这个低压中心会奔着那边去，也就差不多齐活了。当时的天气预报主要是为航海服务的，能躲开大西洋上的飓风就行。
爱德蒙·哈雷 当时大家对于整个地球的大气环流大致上有一个认识。最早对整个地球大气运动规律进行总结的人是哈雷，也就是发现哈雷彗星的那个哈雷。他曾经坐船去了南大西洋的圣赫勒拿岛观测水星凌日，所以他对海上的风有一定的了解。哈雷提出，信风和季风都是由太阳的光和热造成的。他认为太阳的辐射是大气运动的根本原因，他认为是太阳的光照使得大气，陆地，海洋获得热量，热能最终变成了空气的动能，由此引起了大气的运动。你不得不承认哈雷这个搞天文的人判断相当准确。所以哈雷也被人尊称为动力气象学之父。在帆船时代，不管是欧洲人也好，东方人也好，还是中间的阿拉伯人也好，他们经常要乘船远航出去做买卖。因为他们当时驾驶的都是帆船，对风就非常的敏感。他们发现在低纬度的洋面风向总是很有规律。北半球常年吹东北风。越过了赤道以后，就开始吹东南风，风力也不大，反正是很有规律。因为咱们中国南方的渔民和水手发现，这股风总是如约而至，很守信用，所以就叫做信风。在英语里，信风也被称为“贸易风”。从字面上看的确是这个意思，但是深究中古英语的话，你就会发现这个词是有规律的风的意思，并不是指贸易。
哈雷试图解释信风的起源。他认为是太阳对地球不同纬度的照射是不均匀的。这种不均匀性为大气环流提供了动力，赤道地区的空气吸收光照最多，而且还很稳定，长年累月温度都差不多。空气受热上升，周围的空气需要填补过来，于是形成了均匀稳定的信风。从赤道上升的空气，肯定会上升到高空，变冷以后落到高纬度地区。哈雷建立起了一种大气环流的概念。但是哈雷的理论也是有问题的。他没法解释为什么信风不是正南正北方向，而是东南东北方向。到了1735年，英国的天文学家叫哈德利他打了一个补丁，他认为要考虑地球的自转，实际上就是要考虑科里奥利力的作用。但是科里奥利力要到1835年才会被提出，哈德利那个时代这个概念还不存在。哈德利哈德利虽然明白偏转的原理，但是他手头并没有现成的公式可用。他只好自己计算推导，结果他还算错了。
哈德利环流 不管怎么说，哈德利知道空气在由低纬度流向高纬度的时候，必然会发生偏转，近地面附近肯定是向东偏的。赤道附近的空气吸收了大量的太阳光的能量，受热膨胀，密度变小，开始向上升腾，然后向高纬度地区扩散变冷，最后在高纬度地区落下来。所以地面和高空的气流方向是相反的，偏转方向也是相反的。在高空会形成一个西风带，和地面上的恰好相反。最后变成一个完整的环流，这种环流被称为哈德利环流。尽管哈德利计算错的偏转的程度，但是对于气象学来讲，不需要那么精确，地球的大气的活动极其复杂，即便是用对了公式，计算正确，和实际情况依然相差很远。哈德利的理论在当时逐渐成了业界的主流理论。这个理论的确是可以解释信风这种现象，对风向也有一定的解释力。
费雷尔和他的论文
不过，到了1856年，美国科学家费雷尔提出了自己的大气环流理论。他认为不管是哈雷也好，是哈德利也好，他们对地球大气环流的描述都太简单了。他们描述的只有一个环，而费雷尔描述了三个环，这三个环还是环环相扣。
哈德利认为赤道上的空气受热。体积膨胀，密度变小，会变成上升气流。上升气流。会向高纬度地区扩散变冷变成下降气流，落回到地面。但是费雷尔认为，根本不会跑到高纬度地区那么远，这些空气就会在中纬度地区落下来，形成了所谓的“副热带高压”。落下来的空气，一部分流向低纬度地区，流向赤道，这也就是所谓的信风。另一部分会贴着地面向高纬度地区流动，受到科里奥利力的影响，风向会偏西，最终形成了中纬度地区的西风带。南北半球各有一个西风带。
费雷尔的描述 我们可以说靠近赤道附近的大气环流就是哈德利环流。西风带的大气环流和哈德利环流恰好方向相反，这种环流被称为费雷尔环流，再往北就是极地环流。我们可以把这三个环流想象成互相靠在一起的三个齿轮。第一个齿轮哈德利环流是正转，第二个齿轮费雷尔环流就是反转，第三个齿轮极地环流就又是正转的了。以上内容差不多等于把中学地理课上学过的那点知识又复习了一遍。只是中学地理课只告诉你一个结果，没给你讲述大气环流是怎么发现的？费雷尔提倡用数学公式研究气象学问题。他在这方面的贡献还是比较多的，到了1859年他把自己的这套理论做了修正。到了1861年，他第1次提出了大气运动的方程组，而且获得了一个近似解。到1889年，费雷尔再次对他的理论进行修正。他认为要考虑地球温度场的分布情况，而不是仅仅考虑太阳热量的分布。毕竟地球上的地形是不规则的，有的地方是海洋，升温比较慢，有的地方是陆地，升温比较快。海水和陆地的热容量也不一样。就算纬度相同，吸收了同样多的太阳光照，温度也不一样。不管怎么说，费雷尔为日后的气象学奠定了一个物理学的基础。
我们的地球毫无疑问是遵循物理学规律的，大气层也一样。大气层肯定会遵守牛顿运动定律，肯定会遵守能量守恒定律，会遵循动量守恒定律，也会遵循角动量守恒定律，也会遵守大气状态方程和热力学定律。19世纪末到20世纪初是一个理性的时代。当时的科学家认为，依靠强大的数学和物理学工具，他们可以算出一切，那么未来的天气能不能算出来呢？这就是科学家们需要努力的方向。这条路走得可一点儿都不轻松。
威廉·皮耶克尼斯
我们不得不提到一个人，这个人叫威廉·皮耶克尼斯，他和一些合作伙伴建立了一个卑尔根学派。他们对于现代天气预报的贡献是巨大的。有趣的是他的儿子也是一个著名的气象学家，可以说是打虎亲兄弟，上阵父子兵。
卡尔·皮耶克尼斯 当然啦，这事儿其实还得从威廉的父亲卡尔·皮耶克尼斯讲起，他是挪威人，也是一位著名的物理学家。当时麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程组，电磁学很热门。这位老卡尔对流体力学非常熟悉，他总是想把电磁学类比成流体力学。在流体力学里面，其实也是有场的概念的。这种类比思维在物理学里面很常见。哈密顿就是依靠最小作用量原理，从光学来类比，推出了一个哈密顿力学。但是老卡尔折腾了一辈子，也没能折腾出结果来。这涉及到电磁波的本质，和狭义相对论是相关的。受到父亲的影响，威廉从小也喜欢物理学，对流体力学也很熟。曾经进入奥斯陆大学学习，而且担任过父亲的助手。1888年，威廉去了法国，有幸听到了庞加莱的讲座，对他启发很深。后来去了德国的波恩。在波恩他成了赫兹的助手。正是赫兹用实验证明了无线电波的存在。赫兹不仅动手做实验的能力很强，他的理论功底也非常好，正是他把麦克斯韦方程组整理成了4个偏微分方程。威廉在赫兹的指导下，对电磁学进行了深入的研究。1893年，威廉成了斯德哥尔摩矿业学院的力学讲师。1895年，威廉成了斯德哥尔摩大学的物理学教授。威廉受父亲影响很深，他仍然在研究电磁场和流体力学之间的类比关系。这带给他很多启发，使得他能够流体力学和热力学融合在一起，提出了自己的一套理论。而且他把自己的这套理论应用在了世界上最庞大的流体系统，也就是海洋和大气之中。在海洋里温度和盐度会影响海水的流动。在大气中温度和湿度也会影响大气的流动。1904年，他在斯德哥尔摩的物理学会进行了一次演讲。演讲的题目就是一种天气预报的理性方法。他把数学方程式应用到了原始大气数据信息之中，提出了一个开展数值天气预报的计划。他把热力学知识和流体力学原理结合起来，将使得天气预报变得更加准确。这样就脱离了依靠经验判断的时代。
卡内基科学研究院 到了1905年他去美国做学术交流。他去了纽约的哥伦比亚大学和华盛顿的卡内基科学研究院作特邀报告。他介绍了他自己的理论，他希望把热力学和流体力学都带入到天气预报工作中。他认为，气象学将作为一门科学彻底站立起来。一个学科是不是科学就看它能不能准确预报下一时刻的变化。物理学为什么受人信任，就是因为物理学推算得很准。威廉·皮耶克尼斯慷慨激昂的演讲还是挺有感染力的。让院长罗伯特·伍德沃德感动得不行。当即拍板聘请他为卡内基高级研究员，有一份不错的资金支持，足够他在全世界招聘任何他喜欢的年轻人作为科研助手。而且这份资金支持持续了足足36年，即便是在战争期间也没有停止过。所以威廉就有机会用这笔钱组建自己的班底。要不然他怎么能在气象学界开宗立派呢？他手下的很多年轻人日后也都成了著名的地球物理学家。
莱比锡大学 1912年威廉接受德国莱比锡大学的邀请，到那儿去工作。莱比锡大学组建了一个全新的地球物理学院。威廉很快就发现，德国军方对他的理论很感兴趣。一方面天气预报对军事行动有着无比重要的价值，另一方面。不管是制造齐柏林飞艇的工程师，还是研究飞机的冒险家，他们都对高层大气的研究很感兴趣。德国人是很有紧迫感的。因为他们的研究动机都是为军事服务。在莱比锡的几年，除了一大堆德国助手以外，还有两个挪威人跟着威廉。反正他们的工资都是卡内基学院支付的，其中一个就是他儿子，雅科比·皮耶克尼斯。整个团队的条件相当好，可以说是人才济济。但是好景不长，1914年第1次世界大战爆发了。德国年轻人都得参军入伍。助手们也就越来越少，他们大多数都死在了战场上。莱比锡的工作和生活也就越来越艰难。好在老家挪威是中立国，应该比较安全，所以在1917年，威廉带着两个挪威助手就回到了挪威，在卑尔根建立了研究所。从这里，他们培养出很多人才，形成了一个卑尔根学派。
卑尔根气象学派
但是因为气象信息实际上是敏感信息，在战争期间哪个国家也不会随随便便把这些消息透露出去。所以威廉的研究团队就没有了数据来源。挪威有庞大的渔业船队，如果没有准确的天气预报，他们就没法出海。过去天气预报都是英国人通过无线电发送的，现在英国人也不发了，挪威人就傻了眼。由于正常的贸易被中断了，挪威就开始面临食品短缺，如果你再不下海打渔，挪威人就没得吃了。所以威廉就向国家提出申请需要建立自己的气象观测团队。当地渔民当然是积极支持啊，所以欧洲其他国家打得热闹，挪威在家搞建设，他们开始建立自己的气象观测网络，而且他们的气象观测网络比全世界哪个国家都要稠密。通过这个非常稠密的气象观测网。皮耶克尼斯父子俩就提出了“气团”和“锋”的概念，这个理论就是说在大气中存在着冷和暖两种性质不同，水平范围很大的空气团，也就是冷气团和暖气团。冷暖气团的交界面被称为锋面。你别忘了当时正在打仗，锋面这个词实际上是来自于战场。这个词是雅克比·皮耶克尼斯提出来的，当时他才22岁。
全球气团 当暖气团比较强大的时候，暖气团向冷气团方向移动，封面就称为暖风，反过来，冷气团比较强，向暖气团进攻，那么这个封面就被称为冷锋。如果是冷暖气团势均力敌，谁都打不过谁呢，那这时候的封面就叫静止锋。这些词儿听起来都耳熟吧，即便到了现在，我们在天气预报里面还是可以听到什么“冷空气前锋已经进入华北北部，未来它将向东南方向移动”这些内容。这些理论其实在100年前就已经被提出来了。到了1926年，威廉的岁数大了，他接受奥斯陆大学的一个教授职位，回去继续钻研他的流体力学和热力学了。卑尔根的研究所就留给了他的儿子雅克比，日后就是皮耶克尼斯家的第二代大显身手的时候了。日后雅克比也成为了气象学界的一代宗师。其实依照威廉列出的那些大气运动方程是可以对天气进行计算的。但是他们发展出来的这套计算方法实在是太慢了。计算过程比天气本身的发展还要慢。这意味着什么呢？这意味着等你算完了，时间早过了，黄花菜都凉了。所以这样的方法在当时没有多少实用性。
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