2024年4月26日下午，在中国科学院大学玉泉路校区教一2教室，中国科学院大学人文学院主办的2024年第5期“科学与人文”讲座成功举办。本次讲座题目为《气象科学的历史与哲学》，主讲人为中国气象局气象干部培训学院陈正洪教授，主持人为中国科学院大学人文学院苏湛副教授。在本次讲座中，陈老师为听众详细而深入地讲解了气象学的发展历史与哲学理论，并概括了当代气象学思想的科学价值和哲学意义。陈老师的报告格局宏阔、思路精微，引起了听众们的强烈兴趣与热烈欢迎。
讲座伊始，陈老师指出气象学史与气象学哲学是两个紧密相关的学科，并介绍了它们的学科现状与研究规模。接下来，陈老师从“气象学的历史”“数值天气预报的理论”“气象哲学的反思”三个方面进行了阐述。
一、气象学的历史
在本部分，陈老师依据古典、近代、现代、当代的分期，为听众勾勒了一幅生动鲜明的历史图景。
根据陈老师的讲解，气象学滥觞于古希腊。亚里士多德是古典气象学的集大成者，他广泛研究了雨、云、风、雷电等气象，并撰写了古希腊气象学研究的代表性成果《气象通典》。陈老师重点讲解了焚风效应这一种特殊气象，并表示亚里士多德早在《气象通典》中就记录了相关观察与思考。亚里士多德的学生奥弗拉斯托斯著有《论风》与《论天气之征兆》，也对后代学者有着深远的影响。在研究方法上，亚里士多德与奥弗拉斯托斯主要依赖于思辨而非实验。陈老师由此得出结论：古希腊学者凭借思辨的方式，在气象学领域取得了辉煌的科学成就。
在近代时期，气象学研究取得了长足的进步。不同于古典时期用肉眼直接观察气象，该时期的气象学研究者主要使用仪器进行观测。陈老师指出，14-19世纪气象观测仪器不断涌现。达芬奇的雏形温度计、伽利略的空气温度表、索绪尔的毛发湿度计、华伦海特的酒精温度计等精确仪器的使用与大规模气象观测的出现，导致近代气象学转向精确化、严格化、数量化的实证研究。此外，近代的气象观测也体现出了系统化与国际化的特征，探测范围不仅仅限于地面，而是扩展至高空。基于近代的大量观测与漫长探索，人们终于发现过去总结的气象学规律并非放之四海而皆准，各区域的气象都受到当地因素的复杂影响，而这些影响不能被单个命题所概括。由此，大量的气象学理论喷涌而出。这些理论为现代气象科学的诞生创造了前提。
气象学发展的第三个阶段是现代阶段。在数量上，现代气象学的研究成果远超古典与近代气象学的研究成果的总和。现代气象学的研究方式以定量分析为主，加强了对数理化方法的运用。这个转变的原因在于：（1）哲学、数学、物理学、测量学等学科的长足进步；（2）卫星探测技术的发明；（3）高速计算机的出现。在此背景下，现代气象观测取得了新发展，比如无线电探空仪和威尔逊云室的出现就推动了气球探测技术的进步。气象学由此从“感性、经验、局部、定性”的研究范式转向了“理性、理论、全面、定量”的研究范式。为了更具体地呈现这一转变，陈老师介绍了法国气象学家科里奥利斯的工作。科里奥利斯曾经在运动方程中引入一个假想的力，用以分析物体在旋转体系中做的直线运动，这一工作为气象学家分析气团运动做出了重要贡献。
从20世纪下半叶开始，气象科学进入了新的发展阶段，即当代阶段。该时期的气象学研究分为两大派别：挪威学派与芝加哥学派。挪威学派由挪威气象学家皮耶克尼斯父子创立，以极锋理论为核心理论；芝加哥学派由瑞典气象学家罗斯贝创立，其代表性成果包括长波动力学等。得益于这两个学派的工作，气象学理论得到了极大的丰富。此外，当代气象学在研究方式与规模上也有了重大变化。由于当代气象科学研究依赖于大型国际计划的支持，且使用大规模的气象观测仪器，如雷达与卫星等，因而可以说当代气象科学具有“大科学”的特征。
二、数值天气预报
在本部分，陈老师围绕数值天气预报进行了详细介绍。这既深化了听众对气象学历史的理解，也为后面即将展开的哲学探讨做了铺垫。
19世纪中叶的气象预测方法以观测和制图为基础，但当时的观测数据十分贫乏。尤其在高空观测和海洋观测方面，相关数据几乎是空白。预报员的主观性常常过度地影响实际预报结果。这表现出气象预测的发展跟不上物理学的步伐。
1890年，美国气象学家Cleveland Abbe提出：“气象学本质上是应用流体力学和热力学规律的科学。”1904年，皮耶克尼斯阐述了数值天气预报的基本设想：大气的未来状态完全是由其初始状态、已知边界条件和一系列方程所决定的，所以，人类可以通过方程求解来推断空气运动。然而，他的想法在当时过于超前，招来了反对意见。如奥地利气象学家马古利斯便认为这种方法会遇到计算不准确的问题，所以推广数值天气预报只会损害气象学家的声誉。在皮耶克尼斯的基础上，英国气象学家理查森进一步完善了数值天气预报的理论，并进行了实验。在理论上，理查森已经具备了简化方程的思想，并较好地解决了动力方程的转化问题，这是对数值天气预报技术的重要贡献。然而，理查森的实验结果失败了，失败的具体原因包括：计算量巨大、计算方法有缺陷、缺少滤波、数据缺乏等。此后，随着CFL判据、罗斯贝长波理论、准地转模式、过滤预报模式和计算机方法等要素的具备，数值天气预报曾具有的问题被一一改进。直到20世纪50年代，数值天气预报学科才真正建立起来（尽量少用被动句）。此后，“非线性计算不稳定”现象被发现，即在积分所取时间与空间步长满足线性CFL判据的情况下，模式长期积分仍然会遇到不稳定。对此，中国气象学家曾庆存指出能量守恒的计算格式可以避免相关问题。
在20世纪60年代，确定性非周期流的发现为数值天气预报学科带来了有史以来最严重的危机。美国气象学家洛伦兹曾用三个简化的确定论方程来模拟天气变化，发现在一定条件下，接近的初始值会得到毫不相干的积分值，参数的微小改变将导致周期性的变化失去周期性。这种状况是由于大气具有混沌性，具体表现在气体运动轨迹虽被限制却不可完全预测。洛伦兹本人将天气预报对于初始值的极端敏感性形象地比喻为：巴西一只蝴蝶扇动翅膀，在得克萨斯州掀起一场龙卷风。为了克服大气混沌特性的影响，气象学家们采取了诸多努力。因为一个预报模式总有某个范围内的不确定性，所以大量气象学家们采取了多个模式集合再取平均值的方法。由此，集合预报应运而生。
三、气象哲学
在细致回顾了气象学与数值天气预报的历史之后，陈老师深入讲解了气象哲学的含义与问题。
气象学哲学或者说气象哲学，是一门对气象学的本质、价值与目标进行哲学思考的理论学科。陈老师将气象哲学的特征概括为：从可知的到不可知的，是逻辑的而非实证的。“从可知的到不可知的”意味着气象哲学将气象的不可预测性当作重要思考对象，而“是逻辑的而非实证的”则意味着气象哲学的研究更倚重逻辑而非实证。
为了让听众更直观地感受到气象哲学的独特性，陈老师将气象与海水运动、社会现象相比较：虽然海洋也是复杂性系统，但海水运动受热胀冷缩影响较小，洋流预报不具有气象预报的许多特征；社会现象也是不确定和难以预测的，学界也有专门运用自然科学方法研究社会性质的“社会物理学”，但社会科学哲学与气象学哲学的议题并不相同。
之后，陈老师从“气象学与人类认知”与“气象学的社会性质”两方面讲解了气象哲学的问题格局与理论内容。
在“气象学与人类认知”方面，陈老师着重解释了数值天气预报为什么具有不确定性，以及这种不确定性的哲学意义。数值天气预报的误差来自于多方面的原因，其中包括“对温压风湿的测量只能得到瞬间值而非平均值”“数学模型的误差”“离散化误差”“观察渗透的不可避免”“卫星运动轨迹的影响”等。对于数值天气预报的不确定性，陈老师表示其具有不可忽视的哲学意义：一方面，预报极限的存在挑战了可知论，也提示人类注意自己的认知边界；另一方面，气象实验的不可重复性挑战了科学家们的可重复性要求，具有深刻的哲学意义。
在“气象学的社会性质”方面，陈老师认为气候正义与气象知识的复杂关系表明了气象学不是书斋里的活动，而是与社会事业紧密相关的。气象知识具有社会性，它应该作为公共决策中的参照信息，服务于公众利益。但是，无数的气候争论导致气象知识的发现与传播是极为复杂的。气候变化也不是与人无关的自然现象，它们牵扯到一系列社会政治议题，与环境正义息息相关。在气象具有不确定性的前提下，如何思考气象知识与气候正义之间的关系？如何看待气象学的社会性质？陈老师表示这些都是深刻的哲学问题，气象哲学的世界依然有待学者们进一步探究。
最后，在一片热烈的掌声中，2024年第5期科学与人文讲座顺利结束。
【图文/李卓群】
【主讲人简介】
陈正洪，中国气象局气象干部培训学院教授、“优秀人才”，科技史与文化遗产研究室主任，司局级科研教学团队带头人。国际气象史委员会副主席、民盟中央生态环境委员会委员、民盟北京市委科技委副主任、中国自然辩证法研究会第七届理事、中国科技史学会气象科技史委员会理事秘书长、中国气象学会气象史志委员会委员等。出版中英文著作十部(含文集)，发表中外学术论文百余篇;担任数份国际期刊编委，承担国家级、省部级等各类项目近20项;组织多次全国性学术会议，十多家国家主流媒体报道转载上亿次;获得各类学术奖励、荣誉十多项。
