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回到祖国后，叶笃正立即找到时任中国科学院地球物理研究所所长赵九章和军委气象局局长涂长望，请求立即开始工作。这两位都是我国杰出的气象学家，一位是叶笃正在清华大学和西南联大时的老师，一位是他在浙江大学时的硕士导师。他们是引领叶笃正走上气象学这条道路的启蒙者，是叶笃正最为敬重的人。
看到叶笃正回来，赵九章和涂长望也都为祖国的气象事业增加了一位学有所成的学者而高兴。于是，两位老师同时为叶笃正作了安排，他被任命为中国科学院地球物理研究所副研究员。起初，叶笃正想到清华大学去教书，赵九章告诉他，我国气象学事业刚刚起步，底子还太薄，最需要像他这样的人才去奠定基础，去开拓发展。所以，赵九章还是希望他去搞研究。叶笃正听从了老师的建议，当即表示：“工作要符合国家需要，国家需要什么，我就研究什么。”
当时，地球物理研究所设在南京，于是赵九章就任命他为北京工作站主任。从此他开始了在中国大气科学事业中的光辉历程。他与顾震潮、陶诗言等共同筹建中国科学院地球物理研究所天气气候研究室，并负责监督设在军委气象局和地球物理研究所的联合气象预报中心（简称“联心”）与联合气象资料中心（简称“联资”）的工作。“联心”和“联资”对新中国的天气预报工作起了奠基作用。
新中国的舞台虽然简陋但充满生机。叶笃正的内心充满着建设新中国的喜悦，积极地投入到工作中去，在北京西直门内北魏胡同一座破旧的房子里，叶笃正带领着由10余位工作人员组成的研究组开始了新中国的气象研究。
当时发达国家的研究室不仅有地面图、高空图，还有计算机，这是叶笃正亲眼所见的。可是在研究组狭小的办公室里，仅有一张简单的地面图，连天气预报必备的高空图也没有。这在国外是最普通的配件，做研究、做预报都要用，可在中国却没有。这也就意味着他们只能从事天气学以及古典气候学方面的研究，更意味着一切的研究工作必须从零开始。然而，叶笃正没有犹豫，他卷起袖子，自己绘起图来。绘图虽然不是什么简单的工作，可也难不倒身为气象学博士的叶笃正。当初在美国时，他就曾亲手绘制天气图。叶笃正认为，这对科学研究是十分必要的。
经过一阵子苦干，在他的指导下，在全体工作人员的共同努力下，第一张500毫巴（相当于5000米高度）的手绘高空天气环流图完成了。
叶笃正清楚地记得那一天，当完成最后一笔高空图的绘制时，他和同事们都深深地吸了一口气。大家兴奋地相互击掌，像孩子般欢呼雀跃，丝毫没有工作时一丝不苟的严肃样子。
晚上，研究组所有的工作人员聚在一起搞了个庆贺仪式，那场景真是比过年还热闹。叶笃正亲手把这幅巨幅的天气图挂在墙上，看了一遍又一遍，激动地说：“中国的天气预报要在物理、数学的基础上建立起来。今后，天有不测风云的时代该在中国结束了！”
时至今日，叶笃正仍十分重视科研人员的绘图能力，他还经常检查绘图的质量。一次，一个科研人员把图画错了，受到他严厉的批评。叶笃正认为，尽管现在已经计算机化了，但人工绘图仍然十分必要，也非常重要，而且是不可代替的。他曾向中央气象局局长建议，新来的预报员必须要首先学会画天气图。
结束“天有不测风云”的时代，这不是一句没有根据的大话，而是一位气象科学家发自内心的期望和充满自信的豪言壮语，更是他坚定不移的信念。正是为了这样的理想和信念，叶笃正和他的同事们迈出的每一步，都是极为艰难的。
面对起点很低的新中国现代气象科研事业，叶笃正每天早出晚归，夜以继日、呕心沥血地工作。从怎样看天气图开始教起，培养了一大批青年气象工作者。提起当初白手起家的经历，叶笃正似乎不觉得苦，而仍然沉浸在当时踌躇满志的情绪中。
1958年，叶笃正和顾震潮担任了地球物理研究所天气气候研究室主任。在他们的共同努力下，这个研究室成为了地球物理研究所成长最快、成绩最突出的研究室。在1950—1966年的10余年中，他们的研究领域从原有的天气动力学、气候学扩展到大气物理学，开拓了数值预报、大气探测、云雾江水物理和人工影响天气、大气电学、大气湍流等新的分支学科，成为国内大气科学的研究中心。到1965年，研究室共有研究员5人、副研究员4人，全室共183人，可谓人才济济、精英集聚。深厚的学术基础、充足的人才资源，成为1966年以地球物理研究所天气气候研究室为基础成立大气物理研究所的必要条件。
叶笃正非常重视发挥研究团队的力量。在他的带领下，形成了叶笃正、顾震潮、陶诗言、杨鉴初为核心的优秀研究集体。
经过几十年的艰苦创业，当初只有十几个人的科研小组，现在已发展成为有数百位研究人员，几乎包括大气科学所有分支学科的国际知名的大气科学研究所。他们组织了一系列意义重大的研究课题，取得了一个又一个开创性的研究成果，其中不少成果达到国际水平，甚至处于国际领先地位。
在中国的气象界里，有四位元勋级的人物，被无数气象学的工作者和爱好者敬仰崇拜，他们在气象界里有一个响亮的称呼——“四大金刚”。他们为中国的气象事业作出过不可磨灭的贡献，并且至今仍在为中国的气象教育事业贡献着自己的力量。他们是叶笃正、顾震潮、陶诗言和杨鉴初。
顾震潮，比叶笃正小4岁。两人可谓是师出同门。1938年，顾震潮考入中央大学（现南京大学）数理系，一年后转入地理系攻读气象专业，1942年大学毕业。1943年，他考取了清华大学（当时是西南联大）研究生院，师从著名气象学家赵九章先生，研习理论气象学（动力气象学）。毕业后，经赵九章先生推荐，到中央研究院气象研究所工作。1947年，他考取了公费留学，到瑞典斯德哥尔摩大学气象系攻读博士学位，他的导师正是罗斯贝先生。
新中国成立后，还在瑞典攻读博士学位的顾震潮接到了老师赵九章召其回国参加建设的信及通行证，而且时任军委气象局局长的涂长望也对他发出了参加新中国气象事业建设的邀请。于是他毅然放弃了即将到手的博士学位和赴美进一步深造的机会，作出了立即回国的决定。经过一番周折，最终在罗斯贝先生的帮助下，顾震潮夫妇得到了签证，于1950年5月回到祖国。
回国后，顾震潮被任命为地球物理研究所二室主任。中国科学院地球物理所和军委气象局联合成立联合天气分析预报中心时，顾震潮去当了主任。就这样，顾震潮应国家急需，服从分配，搞起天气预报来了。
他和副主任陶诗言一起经过五年的努力，领导筹建了我国天气分析和预报业务，培训了大批业务预报人员，承担了对全国天气预报工作的指导工作，硬是从无到有地把我国气象预报事业的基础建立起来了，还出色地完成了国家经济建设和国防建设需要的天气预报业务，为抗美援朝，解放海南岛、舟山群岛等沿海岛屿，和平解放西藏等许多军事活动提供了出色的气象保障服务，同时也在经济建设、防汛减灾和抗灾等方面发挥了重要的作用。
他和叶笃正合作，从动力和热力作用两方面研究了青藏高原对东亚和中国的形成和发展的影响，获得了1956年国家自然科学奖。
顾震潮可以称得上是我国数值天气预报研究的开路先锋。20世纪50年代中期，他开始从事数值预报模式和计算方法的研究，论证了数值天气预报中“初值问题”和“历史演变”的等价性。
1971年，为了挽救病危的农妇，顾震潮在献血时不幸染上了血清型肝炎。由于长期操劳的工作，导致了病情的加剧恶化。1976年3月27日，顾震潮在北京病逝，享年56岁，英年早逝，实在是我国气象界的一大损失。
陶诗言，是我国当代天气预报理论和方法的开拓者之一、国际知名的季风研究专家。他比叶笃正小3岁。他与顾震潮均于1942年毕业于中央大学地理系气象专业。毕业后，他留校任教两年。1945—1949年在前中央研究院气象研究所从事研究工作，师从气象学家涂长望。这样说来，陶诗言也算是叶笃正的同门师弟。
陶诗言的一生中有60多年是在与天气预报打交道。1950年3月，联合天气分析预报中心成立，即现在的国家气象中心的前身，陶诗言任该中心副主任。预报中心每天都要向国内和朝鲜前线发出短期和中期预报，为前线提供气象指导，以保证军事行动的顺利完成。陶诗言积累了大量关于中国和东亚地区天气分析和预报方法的宝贵经验，为他以后的理论研究打下了坚实的基础。
陶诗言长期从事大气环流和天气动力学研究工作，并为中国天气预报业务的建立和发展作出了重要贡献，还培养了大批天气预报专家。
陶诗言是中国最早将卫星资料用于天气分析和预报方面的研究者之一。60年代末到70年代中期，陶诗言领导开展了气象卫星资料的研究工作，把卫星云图资料应用于日常的天气分析预报，填补了我国卫星气象学的空白。
陶诗言先生在季风方面的研究成就也是为国际所公认的。80年代后，年逾古稀的陶诗言牵头在中科院大气物理研究所和中国气象局联合开展季风研究，提出了东亚季风是独立于南亚季风，但两者又有密切关系的论点，使我国在季风研究方面跨入世界先进行列。
同样身为“四大金刚”之一的杨鉴初，不像其他三位“金刚”那样，有着名牌大学毕业生或留洋博士的光环。他原是赵九章领导的气象研究所创办的气象学习班第三期的毕业学员。他从观测员做起，是在实践中自学成才的典型。与其他人不同的是，他并不用数理研究气象，而是用历史资料进行研究。
1951年，我国要开创长期天气预报业务时，时任联合天气分析预报中心副主任的陶诗言，把这项任务交给了杨鉴初。在陶诗言等人的协助下，杨鉴初找来许多国外资料，学习外国经验，以便推进工作。我国的长期预报业务果然很快就开展起来了，杨鉴初还为此开辟了一条新的研究途径，提出了用气象要素的历史演变做长期天气预报的方法，对我国气象台站的长期预报起了推动作用。其成果被全国气象台站普遍应用，被称为“杨鉴初法”。
1953年，中国科学院地球物理研究所天气气候研究室欢送
这“四大金刚”虽说性格不同、风格各异，业务上各有专长，但他们却能够密切团结，目标一致，在不同的领域相互支持，共同推进气象研究室整体学术水平的提高。他们在当时所形成的这种团队奋斗的精神和学风一直为后人所推崇，逐渐成为大气物理研究所的所风和传统并延续至今。
过去，人们只能看天辨阴晴，感冷暖，却害怕“天有不测风云”。而今，气象科学家们用科学的手段为人们解析天气形势的变化，结束了“天有不测风云”的时代。天气预报同时也引导着人们的衣食住行，成为人们生活中不可缺少的元素。
“明天白天多云，风力2—3级，最高气温零摄氏度，最大相对湿度40%，空气质量优……”每天，听着这样的天气预报播报，你是否想到，这里凝结着无数气象科学家们的心血。而作为我国数值天气预报系统的创建者之一，叶笃正的贡献的确不可磨灭。
我们知道，人类所居住的地球，表面上空被厚度为几百千米的大气层所环绕。我们每天所看到的、所感受到的阴晴雨霜、冷暖风雪“天气”就发生在十几千米厚的大气层里。大气环绕着地球，每天都在运动变化，它遵循着牛顿运动定理、质量守恒定理、大气状态方程、热力学定理、水汽守恒定理。
为了准确预报天气的变化形式，人们希望把天气的变化规律总结出来，用一种客观定量的办法进行预报。人们设想用像计算天体的运动轨迹那样，预先把未来的“天气”较精确地计算出来。这就是数值天气预报的基本思想，是20世纪初由挪威学者皮叶克尼斯提出来的。
所谓数值天气预报，也称为“天气预报流体力学法”。就是根据大气实际情况，以某时刻气象要素的空间分布为初值，在给定边界条件下利用数值求解方法，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。
数值天气预报与经典的以天气学方法作天气预报不同，它是以流体力学、大气动力学、热力学为理论基础，以计算数学和高速计算机为实现方法和手段的近代天气预报方法，因此它是一种定量的和客观的预报。如高空气压场形势、风场、地面气压场、降水量分布、温度场等的定量预报。正因为如此，数值天气预报首先要求建立一个较好的反映预报时段的（短期的、中期的）数值预报模式和误差较小、计算稳定并相对运算较快的计算方法。其次，由于数值天气预报要利用各种手段（常规的观测、雷达观测、船舶观测、卫星观测等）获取气象资料，因此必须恰当地作气象资料的调整、处理和客观分析。第三，由于数值天气预报的计算数据非常之多，很难用手工或小型计算机去完成，因此必须要有大型的计算机。
我国的数值气象事业开始于50年代。1950年，世界上第一篇数值天气预报论文的发表，引起了与叶笃正同在中科院大气物理研究所工作的著名气象学家顾震潮先生的重视。看到这篇论文后，顾先生立即意识到这是一个新的重要学科方向。
但是，做数值天气预报需要电子计算机，而我国当时还没有。顾震潮认定这一学科方向很重要，便立即带领一批年轻人开始研究。除了收集文献、组织讨论之外，科研工作也很快开展起来。没有电子计算机，就用手算图解法试验，同时还就有关科学问题展开研究。由于有了深厚的学科储备，1958年，我国自第一台电子计算机问世后，立即开展了数值天气预报的试验。由于这一工作从一开始就采用了与气象局合作研究的形式，因此我国数值天气预报的业务工作在1960年就建立了。1969年，国家气象局正式发布短期数值天气预报，以后逐步改进数值预报模式并实现了资料输入、填图、分析和预报输出的自动化。
1975年，我国的数值天气预报还处于低谷时期，叶笃正撰写了《近年来大气环流数值试验的进展》的论文，文中全面介绍了国内外数值天气预报模式的发展。文章内容几乎涉及这一领域的各个方面，并对一系列问题发表了前瞻性的意见。例如各种物理因子影响大气运动的时间尺度、运动和加热因子的相互作用、差分格式的物理意义、垂直分层的动力学依据、海洋和大气之间的相互作用等，同时还强调了顾震潮开创的历史资料在改进资料分析和数值天气预报中的重要性。
很多人都知道现在天气预报越来越准确了，但很少有人知道这是我国建立起数值天气预报系统的功劳，更不知道中国数值天气预报系统是在叶笃正的支持和指导下建立的。
叶笃正在学习
1978年，叶笃正和国家气象局局长邹竟蒙同是原国家计委气象组的成员。在一次会议上，气象组作出了建立中国数值天气预报业务系统的决策。同时，邹竟蒙找叶笃正讨论数值预报工作，并在开展数值天气预报的组织、技术路线上作了精心安排。组织上把气象科学研究所（现在的中国气象科学研究院）的部分人员调到中央气象台，这并不是一个小动作。气象科学研究所主要从事理论研究，而中央气象台则是业务部门。研究成果要转化成现实生产力，预报的结果要每天都能用，就必须让理论和实践相结合。那时，在数值天气预报方面，中国比国外发达国家落后几十年，当务之急是要建立自己的数值天气预报系统。叶笃正找到李泽椿，在技术路线上作出指导，鉴于中国实际情况，要引进、消化、吸收。叶笃正建议，把中国科学院大气物理研究所的成果拿来，把国外的先进模式“拿过来”，在实践中应用并在此基础上消化改造，发展中国的模式。
由于技术路线正确，我国数值天气预报系统建立得非常快，只用了2—3年的时间就把短期数值天气预报业务工作建立起来。很快，科研人员就把视野放在3—10天的中期数值天气预报上。经过引进—消化—吸收的过程，我国数值天气预报系统的科研队伍成长了，科学基础牢固了。
之后，数值天气预报系统需要更多地考虑创新和自主发展。在当时出现了不同的意见，有人说：“我们自己搞，干吗用外国人的东西。”叶笃正站出来说：“不要听这些，有些人打一枪换一个地方，最后什么都搞不成。”就这样，用了10年时间，我国中期数值天气预报系统建立起来了。同时，我国天气预报的大型计算机系统也逐步完善。
为了支持中国气象局的数值天气预报工作，叶笃正指派中国科学院大气物理研究所的一批骨干力量直接参与气象局数值天气预报系统的建设工作，并打破了门户界限。自1981年起，他先后在国家气象局、中国科学院、北京大学点将，推荐保送多名科研技术骨干到著名的欧洲中期数值天气预报中心访问、工作、学习，这些人后来成为“七五”期间30家单位联手开展中期数值预报研究和业务建设的骨干。可以说，中国气象预报业务系统的逐步完善浸透了叶笃正的很多心血。