对于今天的地球科学学生来说，学习并不轻松，本以为进入大学可以远离数学物理，结果打开课表，猛然发现字里行间全是物理：大气物理、动力气象学、固体地球物理……为什么这样的学科也这么物理？对于中国来说，这与赵九章有着密不可分的关系。
赵九章（1907-1968）中国近代气象学奠基人之一、是地球物理学的开拓者、空间物理和空间探测的创始人。某种意义上，他的一生就是联系物理与地球科学的一生。
▲图1 赵九章画像
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风起清华
1929年，如同本系列其中几位物理学家一样，赵九章考入清华大学物理系，成为清华第五级学生。1925年时，物理系只有叶企孙一位教授，还好在赵九章入学前一年，吴有训与萨本栋前往清华任教，充实了物理系的教学力量。大一的普通物理是吴有训讲授的，吴有训上课虽有口音，但仍然能讲地非常清晰。除此之外，吴有训还特别重视实验教学，这让赵九章特别适用，他在实验上也特别认真与努力。毕业后，吴有训让赵九章成为物理实验的助教，对他进一步培养。
▲图2 1933，赵九章与同班同学傅承义（右）、王竹溪（左）在清华园
与其他物理系的同窗不同的是，赵九章最后进入了气象领域，这与叶企孙的思想密切相关。虽然当时清华并没有气象系，但叶企孙仍看到了气象学与物理学的密切关系，于1925年在清华学堂一间房中设立了气象台，王淦昌便在这里进行了大气放射性研究。1931年，清华大学在一座小山上建成了气象台，成为当时清华最高的建筑。
▲图3 清华天文台（原气象台）
从中国未来的学科建设与国防角度考虑，叶企孙建议让赵九章进入气象学领域，报考留美公费公费生，赵九章也欣然接受了这一建议。对于这一段，钱伟长记忆犹新：“他与叶先生商量，地球物理各方面都要有人去干，如气象、海洋地震等。那天晚上我印象非常深刻，以后几年经常在叶先生那里见到他。”1934年，赵九章考取清华庚款留学名额，按照当时的规定，要在国内导师指导下进修一年才能出国学习，在叶企孙的帮助下，赵九章前往南京师从竺可桢学习气象学.
竺可桢是当时中国气象学的领头人，自1918年回国后一直致力于国内气象学的建设。1928年，竺可桢成为“中央研究院”气象研究所所长，开始在全国建设气象台站，开拓气象研究。在综合了南京和北京的高空探测资料之后，赵九章很快就写出了《中国东部气团之分析》一文，这是他的第一篇气象学论文。
▲图4 北极阁气象台（原“中央研究院”气象研究所）
按照计划，赵九章应该在此之后赴美留学，但是叶企孙后来了解到德国柏林大学气象学的水平很高，认为赵九章应该前往德国留学，竺可桢也同意这一看法。1935年7月，赵九章赴德国柏林大学攻读气象学。
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将物理与数学注入中国气象学
赵九章的导师是著名的菲克（H.Von. Ficker）教授，这是当时德国奥地利学派的代表人物。对于菲克来说，天气预报是气象学整体科学的一个重要组成部分，这就需要对天气预报有着严格的数学与物理学的要求。从1910年开始，菲克进行了多次高空气球放飞，逐渐总结出一些天气预报的规则，并认识到平流层对天气变化的操纵作用。在赵九章到达德国时，柏林大学刚好建成了气象研究所，不远处还有高空气象台，这正是德国奥地利学派的鼎盛时期。
▲图5 Heinrich von Ficker（1881-1957）
赵九章在菲克的指导下学习动力气象学与高空气象学，并尝试通过自己以往的数理基础展开气象研究。1937年，他发表了《信风带主流间的热力学》，通过求解数理方程，定量地分析了信风带主流对水汽和热量的输送。这是他把数学和物理原理引入到气象研究中的初步尝试。竺可桢称其为：“新中国建国前理论气象研究方面最主要的收获。”经过几年的学习后，赵九章对于物理和气象的关系有了更深的理解，他认为理论气象学最后目的就是利用物理定理推测气象要素的未来变化，从而进行天气预报，而中国的气象学也要从描述为主的方法转向数理方法。
▲图6 1935年赵九章在德国
1938年，回到清华的赵九章先后开设了理论气象学、大气物理学等课程，并编写了我国第一部《动力气象学》。受到导师的影响，赵九章也特别重视高空气象观测，即使条件困难，他也通过放风筝的形式观测高空天气。在他的影响下，顾震潮、朱岗昆等人都在40年代开展大气物理学研究。顾震潮后来成为中国数值天气预报的开创者，朱岗昆成为我国干旱和农业气象研究的创始人之一。
从1940年代到1960年代，赵九章最重要的工作就是继续把物理和数学方法引入到气象学中。1939年，罗斯贝提出了大气长波理论，对西风带上长波扰动的形成与移动进行了合理解释，这一理论成功奠定了数值天气预报的理论基础，某种程度上让气象学成为一门真正的科学。在此基础上，赵九章立即跟进研究，并提出了长波在斜压大气中不稳定这一概念，但是由于忽略了斜压能量转换的本质，并未能推出正确的斜压不稳定理论。
▲图7 罗斯贝与他的波的杂志封面
1944年，赵九章执掌气象所，并在其中发展地球物理研究，此所在新中国成立后成为地球物理所的主体。对于赵九章的气象数理化道路，竺可桢给予高度赞赏：“物理为气象之基本训练，日后进步非从物理着手不行，故赵代所长主持，将来希望自无限量。”气象学的未来真如竺可桢希望的那样蓬勃发展。解放后，赵九章组织人员绘制我国第一张北半球天气图，从此我国正真正开始高空气象学研究。当时计算机的出现让传统天气预报让位于数值天气预报，虽然当时没有计算机，但他能让顾震潮预先开展这方面的研究，中国的数值预报由此起步。总体来看，包括云雾物理、人工影响天气、雷电研究等各项大气物理观测实验都先后在20世纪50年代开展起来。
▲图8 原中国科学院地球物理研究所，后拆分为四个研究所
1956年在制定十二年远景规划时，赵九章认为：从现代科学的发展来看，气象学是一门边缘科学，它一方面联系着当地的地理环境，有其地域特点，另一方面，则遵循着物理变化的法则，而与数理科学有共同性。因此，他提出气象学要数理化、工程化和新技术化，并在地球物理研究所内将这一方针确定下来。到这个时候，赵九章所要求的，就不仅仅是气象学的数理化，而是整个地球科学的数理化。
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仰望高空
1957年，超过60个国家的物理学家参与到国际地球物理年的行动当中，这是一场对地球物理现象的联合观测活动。中国也积极地参与其中 （后因美国制造“两个中国”局面退出，但中国各种观测活动仍照常进行），并建设了一批地磁台、电离层台、宇宙射线台等中高层大气观测台站。1957年10月4日，苏联发射第一颗人造卫星，这让人类可以从太空中观察地球的运行。赵九章意识到这会为地球物理学赋予全新的发展机遇，决心开创空间物理这一领域。实际上，这是赵九章将地球物理从大气转向更为宽广的领域。
▲图9 地球大气分层
1959年，他在地球物理所内部组建了以开展空间物理研究为目的的磁暴研究组，之前的地磁与高空观测设备此时排上了用场。之所以进军磁暴领域，也是因为美苏两国的卫星探测证实了空间辐射带的存在，让磁暴领域进入了一个新的发展阶段。考虑到磁暴现象是空间电测现象一个综合过程，这最终成为空间物理的突破口。
在此之前，中国已经进行了几十年的地磁研究，但是与之前的气象学一样，仍在描述阶段。因此，赵九章又将物理数学的研究方法引入地磁学研究，利用数理方法解释由观测资料发现的磁暴及其他扰动现象。1959年，赵九章将一个自行车车棚改造成等离子模拟实验室，利用气体放电方法，开展探测扰动期地球辐射带变化的模拟实验，这在当时属于前沿研究。
▲图10 1964年赵九章 (后排右四) 、王淦昌 (后排右三) 与科大学生在一起
从1960年到1964年，在这几年时间中，赵九章完成了建立研究队伍与实验室的挑战，并取得了可喜的成果，在国际会议上的报告多次得到同行赞赏。这说明数理学的方法对于地磁学与空间物理同样有效。
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俯瞰地球
俯瞰地球
当然，对于空间物理来说，最好的办法并非是在地面进行模拟实验，而是在高空进行真正的观测。人造卫星发射后，赵九章不仅意识到其对于空间物理的重要性，也极力倡导我国也要发射人造卫星。国际地球物理年之后，他便将一部分人员的研究方向转移到空间物理，以作为发射卫星的飞行环境基础。
1958年，为了落实中央关于搞人造卫星的指示，中科院成立了581组，专门研究卫星问题，钱学森担任组长，赵九章担任副组长。在这一任务之下，赵九章组织了遥测、雷达等研究队伍，并开展了中高层大气、电离层、太阳辐射等探测器的研制。之后，在赵九章的建议下，中国决定从探空火箭做起。早期的探空火箭并不能飞很高，正好适用于气象探测。1960年，中国第一枚气象火箭T-7型发射成功，地球物理所开始通过这一火箭来训练队伍。
▲图11 T-7探空火箭成功发射
对于卫星系列的规划，赵九章也有自己的想法，并为此做了较长的准备。 在赵九章的设想中，卫星最后不仅能够成为一个大型的空间物理研究设备，也能够对于国防有所裨益。 因此，在推进东方红1号的同时，赵九章也非常重视规划工作的推进。 王淦昌对此评价道： “当年赵九章主持制定的我国第一颗卫星的研究方案计划和卫星系列规划既符合科学又符合实际。 ”然而，对于赵九章来说，他却没看到中国第一颗人造卫星的发射成功，在离发射还有18个月的时候已经离开人世，那时候第一颗人造卫星的初样已经基本完成。
1999年，赵九章被追授为两弹一星元勋，也被尊称为中国人造卫星事业的倡导者和奠基人之一。
近代自然科学的近代化特征之一就是其能够通过数学和逻辑严密地描述自然现象，并且能够进行精确的量化分析。在这一方面，气象学中的挪威学派、德国奥地利学派以及芝加哥学派等发挥了重要的作用，成功地让气象学物理化数学化。而对于中国来说，能够较早的达到这一要求并持续推进这一目标，让包括气象学之内的地球科学物理化，赵九章发挥了极为重要的作用。这虽然加大了一些学习的难度，却让我们离精确地描绘这个世界更近一步。
参考文献
[1]本刊编辑部.缅怀卓越科学家赵九章教授报告会[J].地球物理学报,1989,(02):242-243.
[2] 叶笃正.怀念我的老师赵九章先生[J].中国科学院院刊,1989,(03):280-282.
[3] 刘振兴.我国空间物理的奠基者赵九章先生[C]//辉煌的历程——回顾中国地球物理学会60周年专刊.中国科学院空间科学与应用研究中心;,2007:4.
[4] 张萌,杨萍,许小峰,等.斜压不稳定理论的发展历程分析[J].气象学报,2018,76(02):315-321.
[5] 陶诗言,王昂生,黄美元.中国气象界的功臣——顾震潮教授[J].中国科技史料,1985,(04):41-46.
[6] 陈国森,王林,陈文.大气Rossby长波理论的建立和发展[J].气象科技进展,2012,2(06):50-54.
[7] 吴阶平，钱伟长，朱光亚等主编. 赵九章[M]. 贵阳：贵州人民出版社, 2005.12.
[8] 赵九章铜像筹委会联络组编. 赵九章纪念册[M]. 赵九章铜像筹委会联络组, 1997.12.
[9] 张志会著. 开创者 赵九章学术轨迹研究[M]. 北京：团结出版社, 2021.10.
[10] Ertel, H. Heinrich von Ficker. Naturwissenschaften 29, 697–700 (1941).
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