永遠(yuǎn)的季刊 不變的創(chuàng)新
—— 《英國皇家氣象學(xué)會季刊》創(chuàng)刊150周年評介

■ 李婧華 賈朋群

伴隨近現(xiàn)代氣象科學(xué)在19世紀(jì)走向成熟，氣象研究組織——?dú)庀髮W(xué)會在歐洲多個國家成立。這些氣象學(xué)會最早開展并一直延續(xù)下來的工作之一，就是創(chuàng)辦氣象科技期刊。本文介紹的《英國皇家氣象學(xué)會季刊》（Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，本文簡稱QJ）是與WMO的前身IMO（國際氣象組織）成立在同一年，即1873年創(chuàng)刊。在某種意義上，QJ成為150年前試圖從物理學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域獨(dú)立出來的氣象科學(xué)，對IMO從事的全球性事業(yè)的宗旨和發(fā)展的學(xué)科呼應(yīng)。

本文依據(jù)QJ為紀(jì)念創(chuàng)刊150周年，由歷任主編選出的該刊150年里21篇對氣象和大氣科學(xué)發(fā)展影響巨大的“虛擬”紀(jì)念文集、英國皇家氣象學(xué)會于2023年9月召開的紀(jì)念會議材料等，對這一具有全球影響力的優(yōu)秀期刊所折射的氣象科學(xué)在過去一個半世紀(jì)里的蓬勃發(fā)展之路進(jìn)行評介。

1 QJ選出21篇里程碑論文

QJ于1873年創(chuàng)刊時，被命名為《英國氣象學(xué)會季刊》（Quarterly Journal of the Meteorological Society），尚沒有所謂“皇家”頭銜。直到10年后的1883年，英國氣象學(xué)會被冠以“皇家”后，QJ才獲得現(xiàn)在的刊名。雖然創(chuàng)刊伊始，這本專業(yè)雜志就用刊名確定了出版周期，即每個季度1期，每年出版4期。但QJ在1988年之后提高了出刊頻率，從每年出版4期增加到6期。隨著氣象科研成果產(chǎn)出快速發(fā)展，出版需求旺盛，1995年之后，QJ在出版周期上調(diào)整為刊次上依然是每個季度出版1期，但每期通過出版A和B版，使得期刊實(shí)際出版量增加到了每年8本，這一出版范式一直延續(xù)至今。

在QJ的150年歷史中，恰逢近現(xiàn)代氣象學(xué)獲得巨大成功和發(fā)展，成為地球科學(xué)中在某種意義上具有引領(lǐng)意義的核心二級學(xué)科。QJ憑借幾代編輯長期耕耘，作為一扇窗口，見證了氣象科學(xué)從萌芽到成熟的全過程。在創(chuàng)刊150周年之際，QJ邀請各位前任和現(xiàn)任主編，從所有過刊中選取最具代表性的經(jīng)典論文，形成一本虛擬的《紀(jì)念文集》（Classic paper special collection selected by QJ Chief Editors），以紀(jì)念期刊的這一歷史時刻。在表1中列出了各位主編選擇的21篇經(jīng)典文章，并分析了這些文章能夠入選《紀(jì)念文集》的理由。應(yīng)該說，主編們選出的論文是這本歷史悠久的氣象科學(xué)期刊為學(xué)科發(fā)展貢獻(xiàn)的具有里程碑意義的論文。盡管這些論文由主編提名，可能反映了主編們個人的興趣，但這些論文無疑在更大的范圍里，具有較為廣泛的共識，即這些文章描述了氣象科學(xué)的關(guān)鍵進(jìn)步，涵蓋了學(xué)科的廣泛主題，包括理論發(fā)展、觀測突破和數(shù)值模擬研究等領(lǐng)域。這些論文或其結(jié)論和影響等，也被全球氣象學(xué)者所熟知，特別是在導(dǎo)致產(chǎn)生學(xué)科內(nèi)和在地球科學(xué)更廣泛領(lǐng)域的認(rèn)知方面。

表1 QJ創(chuàng)刊150周年《紀(jì)念文集》收錄的21篇經(jīng)典論文信息

QJ主編選出的21篇文章主要覆蓋大氣成分、氣候變化、大氣動力學(xué)、全球環(huán)流、輻射傳輸和地球觀測等多個領(lǐng)域，整體上詮釋了氣象科學(xué)過去一個半世紀(jì)，特別是在20世紀(jì)走向成熟和具有獨(dú)特的學(xué)科特征的過程和個例。例如，最早計算人為排放CO2導(dǎo)致全球氣溫升高的卡倫德（1938年），是一位蒸汽工程師，研究氣候變化，僅僅是其愛好。這反映出20世紀(jì)初，氣象專業(yè)研究隊(duì)伍尚不成型，大量“業(yè)余”研究活動豐富和觸摸著學(xué)科內(nèi)涵。而1940年羅斯貝發(fā)表關(guān)于行星波的重要論文，僅刊載在QJ增刊上，這本增刊目前在QJ官網(wǎng)文獻(xiàn)庫中甚至無法檢索。在成為“大師”之前所經(jīng)歷的“平凡”，更表明羅斯貝所代表的發(fā)展了現(xiàn)代氣象科學(xué)的鼻祖，對QJ的高度認(rèn)可。

2 QJ對學(xué)科發(fā)展的貢獻(xiàn)

為了紀(jì)念QJ出版150周年，2023年9月QJ舉辦了學(xué)術(shù)研討會，全面總結(jié)了期刊發(fā)展過程。目前，QJ在SCIE數(shù)據(jù)庫中，其影響力排在氣象和大氣科學(xué)學(xué)科的第6位，是最權(quán)威的期刊之一。QJ長期得到全球氣象學(xué)界的認(rèn)可，期刊在不同主編之間傳遞，始終保持下來的一些特點(diǎn)，給期刊帶來了不可或缺的“靈魂”。

2.1 長期關(guān)注主題：氣候科學(xué)和羅斯貝波

在QJ 150周年虛擬紀(jì)念刊中，最早的論文是哈里森和多布森對高層大氣進(jìn)行的早期研究（序號1，見表1，下同）。論文作者之一的名字，后來成為表述大氣臭氧含量的單位“Dobson”，突出了該論文針對大氣中臭氧濃度的最早光譜測量。尤其是，這項(xiàng)研究將主要存在于高空的大氣臭氧與地面氣壓聯(lián)系在一起，為我們理解臭氧層及其對地球氣候的影響奠定了基礎(chǔ)。

第二篇文章（序號2）的作者卡倫德在開篇第一句話就指出：“那些熟悉大氣自然熱交換的人中，很少有人愿意承認(rèn)人類活動會對如此大規(guī)模的現(xiàn)象產(chǎn)生任何影響。在下面的論文中，我希望表明這種影響不僅是可能的，而且實(shí)際上正在發(fā)生?！闭鞘加谶@篇論文，氣候科學(xué)，尤其是氣候與人類活動關(guān)系的科學(xué)研究，開始受到重視并用科學(xué)的方法被逐漸量化表達(dá)（圖1）。

圖1 Callendar（序號2，1938）給出的全球和不同緯度帶的溫度變化（a）以及Hawkins and Jones（QJ, 2013）對比全球?qū)嶋H溫度變化與Callendar早年研究的預(yù)測（b）

1956年，QJ發(fā)表了美國學(xué)者菲爾普斯關(guān)于大氣環(huán)流數(shù)值試驗(yàn)的論文（序號6），全面引入了氣候研究的數(shù)值模擬方法。這篇論文給出的兩層準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模型半球模式，主要從能量守恒角度，通過量化計算摩擦、輻射加熱和垂直穩(wěn)定等全球大氣環(huán)流最重要的控制機(jī)制探索地球大氣運(yùn)動，成為后來不斷更新?lián)Q代的氣候模式的一個重要起點(diǎn)。

羅斯貝在1940年發(fā)表行星波的重要論文（序號3）之前，一直試圖將皮耶克尼斯的循環(huán)理論具體化，他先是在1939年與合作者發(fā)表了針對被認(rèn)為應(yīng)該是均勻的西風(fēng)氣流受到正壓波衍生傳播影響的研究成果，之后在這篇文章中通過引入“潛渦”（現(xiàn)代“位渦”的最簡單版本）這個新變量，更進(jìn)一步揭示了西風(fēng)氣流厚度的變化，而新變量在淺水假設(shè)時守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)：更是給出了用巧妙的數(shù)學(xué)工具獲得強(qiáng)大的簡化能力的“范本”，啟發(fā)了后來更多的診斷工具和量化表達(dá)。

實(shí)際上，無論是氣候研究還是羅斯貝波，QJ都是最全和最持久創(chuàng)新研究的文獻(xiàn)來源。氣候研究方面，早在1901年QJ就在慶祝英國皇家氣象學(xué)會成立50周年學(xué)術(shù)會上，發(fā)表了Nils Gustaf Ekholm探討地質(zhì)和歷史時期氣候變化及其原因的文章。1938年發(fā)表卡倫德論文（序號2）之后，QJ又發(fā)表多篇相關(guān)文章，例如：水汽吸收帶研究（1941年）、水汽吸收統(tǒng)計模型（1952年）、CO2的15 μm吸收通量計算（1956年）、行星大氣紅外冷卻率計算（1966年）、針對英格蘭中部溫度變化（后來持續(xù)更新成為HadCRU數(shù)據(jù)庫）（1974年）、云和氣候反饋（1980年和2007年）、輻射計算（1996年）、人類世氣候敏感性評述（2013年）等。在圖2中，給出針對羅斯貝波理論，從理論提出的1940年延續(xù)至今QJ刊載的10余篇主要研究論文。

圖2 QJ刊發(fā)的羅斯貝波相關(guān)研究論文（來源：Woollings，2023）

2.2 學(xué)科和業(yè)務(wù)發(fā)展的核心：NWP和數(shù)據(jù)同化

英國氣象局（UKMO）學(xué)者將對QJ的貢獻(xiàn)融入氣象科學(xué)發(fā)展的主旋律——NWP的發(fā)展之中（圖3），充分展示了以1950年NWP取得成功為“中點(diǎn)”的發(fā)展長河中，“上半場”以數(shù)據(jù)推動和N-S方程等理論應(yīng)用為特征，QJ在1950年以來的“下半場”中，以發(fā)表菲利普斯全球環(huán)流模式（GCM）為發(fā)端，對NWP多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的貢獻(xiàn)包括：原始方程鋒面降水、中尺度雷暴、4D-變分同化、集合預(yù)報、UKMO統(tǒng)一模式、對流允許模式、耦合等。

圖3 NWP發(fā)展的歷史節(jié)點(diǎn)（來源：Golding, 2023）

其中，2000年QJ發(fā)表介紹ECMWF 4D-變分同化的文章（序號18），是最早介紹該主題的研究論文，尤其意義重大。這時因?yàn)槟Ｊ浇o出了大氣狀態(tài)的完整描述，但誤差會隨著時間的推移迅速增大；觀測提供了對大氣狀態(tài)的不完整描述，但確實(shí)給出了更加準(zhǔn)確的最新信息。數(shù)據(jù)同化技術(shù)，通過算法的不斷改進(jìn)，將這兩種信息源結(jié)合起來，產(chǎn)生大氣狀態(tài)的最佳估計。

數(shù)據(jù)同化有很多方法，例如，最優(yōu)插值、變分、集合卡爾曼濾波、局部系綜變換KF、簡化擴(kuò)展卡爾曼濾波器等，以及上述方法的任何組合。這些方法在理論上是等價的，關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)并真正能夠推動NWP能力的提高。序號18論文的核心是一個物理模型，即該方法的分析是物理的。該方法的引入，極大地加速了衛(wèi)星輻射觀測在NWP中的應(yīng)用，展示了數(shù)據(jù)融合帶來的巨大力量。ECMWF數(shù)據(jù)同化技術(shù)的發(fā)展，代表了世界先進(jìn)數(shù)值預(yù)報中心發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。這篇論文是詳細(xì)描述ECMWF業(yè)務(wù)實(shí)施4D-變分同化的系列論文之一，業(yè)務(wù)化后4D-變分同化系統(tǒng)持續(xù)不斷的升級改進(jìn)，之后變分與集合結(jié)合的混合數(shù)據(jù)同化技術(shù)走向業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了同化框架技術(shù)的二次飛躍。

2.3 跟進(jìn)最新發(fā)展：平流層研究和“風(fēng)神”衛(wèi)星

QJ高度重視對氣象探索和研究新進(jìn)展的跟蹤。例如，平流層直到1902年才借助200個作業(yè)無人氣球探測被發(fā)現(xiàn)，1913年又發(fā)現(xiàn)臭氧層。1949年，QJ發(fā)表了解釋平流層環(huán)流的Brewer-Dobson環(huán)流研究成果（序號4），之后又在1985年發(fā)表了該環(huán)流主要機(jī)制——位渦的研究（序號15，圖4）。這些研究，與平流層臭氧洞、平流層突然增暖、準(zhǔn)兩年振蕩等平流層相關(guān)現(xiàn)象及其物理機(jī)制研究一道，構(gòu)成了目前人類對平流層較為全面的科學(xué)認(rèn)知。

圖4 對平流層環(huán)流最早認(rèn)識（a，序號4）和目前的描述（b）（來源：Baldwin, 2023）

風(fēng)神衛(wèi)星是歐空局地球探索項(xiàng)目系列衛(wèi)星之一，其攜帶探測風(fēng)場的激光雷達(dá)探測器，能夠給出全球風(fēng)場廓線分布。這一最新探索性的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在2018年8月衛(wèi)星發(fā)射后得到較好的評價，被快速業(yè)務(wù)化或準(zhǔn)業(yè)務(wù)化。QJ從2005年以來，刊發(fā)了17篇與風(fēng)神密切相關(guān)的論文，包括其在ECMWF（2021，2022）、法國氣象局（2022）、德國氣象局（2023）、加拿大氣象局（2022）、NOAA（2023）等氣象部門業(yè)務(wù)或準(zhǔn)業(yè)務(wù)應(yīng)用研究成果。圖5為法國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)中，2020年4—5月風(fēng)神數(shù)據(jù)在減少全球24 h預(yù)報誤差方面是第三有效的觀測系統(tǒng)。從2021年4月開始，QJ編輯“風(fēng)神”主題專輯（https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)1477-870X.aeolus），持續(xù)收集相關(guān)論文便于讀者閱讀。

圖5 風(fēng)神衛(wèi)星風(fēng)廓線數(shù)據(jù)對NWP影響評估（來源：Pourret et al, 2022）

3 結(jié)果與討論

QJ走過的150年，成為全球?qū)W者高度認(rèn)可的反映氣象和大氣科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域最新進(jìn)展的權(quán)威窗口。2021年以后，QJ的影響因子快速提升，從之前的不到5達(dá)到接近10，凸顯了這份歷史悠久的期刊，始終保持的學(xué)術(shù)活力。

QJ是典型的國際化期刊，其刊載的大量具有轉(zhuǎn)折點(diǎn)意義的論文，得到了全球?qū)W術(shù)界的高度認(rèn)可。表2給出最近5年（2019—2023年）QJ主要投稿來源按照國家和地區(qū)的分布。雖然來自期刊主辦國英國的投稿數(shù)量最多，但與排在2～4位（占比均超過10%）的中國、美國和印度相比，差距并不大。即使按照大洲分布來看，由于亞洲的中國、日本、韓國學(xué)者投稿踴躍，美國、澳大利亞和加拿大等氣象強(qiáng)國學(xué)者對其也很重視，QJ的“歐洲”特征被模糊。尤其是，來自伊朗、阿根廷和巴西等國家的投稿占據(jù)一定比例，是很難得的。

表2 QJ投稿按照主要來源國家和地區(qū)的分布

QJ鼓勵世界各地學(xué)者投稿高質(zhì)量的文章，作者無需支付任何出版費(fèi)用，這對于發(fā)展中國家學(xué)者和依然主要靠興趣的研究者尤其重要。QJ還受到中國學(xué)者的高度重視，近年來不僅投稿和發(fā)表論文數(shù)量增加（見本期封三文章），還是中國學(xué)者引用國際成果最多的來源期刊之一。

深入閱讀

Baldwin M P, 2023.The stratosphere.RMetS Quarterly Journal:Celebrating 150 Years, London, 13 September 2023.

Golding B, 2023.Numerical weather prediction: the quest for accurate rainfall forecasts.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.

Haigh J D, 2023.Advances in climate science through the pages of the QJ.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.

Pourret V, ?avli M, Mahfouf J F, et al, 2022.Operational assimilation of Aeolus winds in the Météo-France global NWP model ARPEGE.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 148(747): 2652-2671.

Ross A N, Methven J, 2023.Introduction to the QJ@150 Anniversary Collection.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 149(754): 1541-1545.

Woollings T, 2023.Rossby waves in the Quarterly Journal.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.