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你可能对叶笃正并不熟悉，也未必了解他的研究理论，但以下这段话你一定不陌生：“今天白天有云且晴朗，偏北风逐渐转为微弱至和缓的南风阵风2～3级，当日最高气温为13℃，相对湿度降至30％。”这是数字化的天气预测数据，从1969年开始由中国气象局公布。叶笃正是一位气象学家，也是最早建立我国数字气象系统的人之一。
从太空观察，我们的星球在黑暗中发出柔和的蓝光。围绕地球的是一层薄如丝绸般的物质，我们称之为“大气层”。最靠近地面的那一层被称为“对流层”，这里发生了与人类活动密切相关的天气现象。
过去，人们只能观察天气并感受到炎热或寒冷，但他们害怕的是“天气突变”。如今，气象学家使用科学方法来为人们分析天气的变化，从而结束了惧怕“天气突变”的时代。天气预报在人们的日常生活中起着至关重要的作用，可以帮助人们提前规划日常活动，预警极端天气，减少自然灾害带来的损失。
为了准确预测天气变化，人们希望找到并总结出天气的规律，并以客观且定量的方式进行预报。与计算行星轨道相似，我们期望对未来的“天气”提前进行精确的推算，这些都基于挪威学者威廉·皮叶克尼斯在20世纪初所提出的数值天气预报的科学思想。
数值天气预报，是利用基于实际大气状态的数值解法来预测某一时期内大气运动和天气变化的方法。该方法先使用一定时刻的气象要素空间分布作为初始条件，并在给定的边界条件下进行计算。然后，利用大型计算机对包括水动力学和热力学等数学模型在内的气象系统进行数值模拟，以获得对未来天气变化趋势的预测。
数值天气预报与传统气象方法的不同之处在于它依赖于流体力学、空气动力学、热力学等理论原理。它主要使用计算数学作为核心工具，利用高速计算机进行技术支持，以量化和客观的方式来预测天气。因此，构建准确反映预报时段（中期、短期）的数值预报模型至关重要。另外，这些模型应采用低误差、稳定和快速的计算方法。进行数值天气预报需要运用多种方法，包括常规观测、雷达观测、船舶观测和卫星观测等。因此，对气象数据进行精确的调整、处理和客观分析非常必要。
叶笃正回国后担任中国科学院地球物理研究所北京工作站主任。这个工作站的条件非常艰苦，甚至连进行天气预报必要的高空图都需要靠他亲手绘制，但是这并不能阻挡叶笃正对建设中国现代气象事业的热情。数值天气预报需要电子计算机，当时我们国家还没有这样的设备，他们仅能借助人工计算的方式进行实验和解决科学问题。
中国于1959年开始在电子计算机上进行数值天气预报实验。此后，工作站与中国气象局合作的工作一直持续下去，并于1960年正式建立业务运营系统以推行数值天气预报。
当前，我们所享受到的日益精准的气象预报服务依赖于中国建立起来的数字预报体系。叶笃正先生的精心扶持和精准指挥使得该体系得以建立和发展，他的研究成果为中国气象事业奠定了坚实基础。
1978年，叶笃正和邹竞蒙一同加入了原国家计划委员会的气象小组，他们商讨了有关数字化预报工作的事项，并对这一工作的开展和技术路线进行了详尽部署。要将研究成果转化为生产力，将预测结果运用于日常实践，必须紧密结合理论与实践。当时，中国在数值预报领域与先进国家相比已经落后了几十年，迫切需要建立自己的数字预报系统来改善这种状况。为此，叶笃正邀请了在天气动力学和数值预报方面有丰富经验的专家李泽椿进行合作研究，并提出了一条符合中国国情的技术路线，不断努力实现“引进—消化—吸收”的目标。他提议，应当参考中国科学院大气物理研究所的研究成果，通过实际应用和积极吸收，构建中国自身的大气物理研究模式。
在叶笃正和其他合作者努力推动下，数字气象系统的建设高速推进，仅用不到3年时间便圆满完成了短期数字气象业务的建设。随后，科学家将研究重点转向了中尺度数值预测范畴，并在“引进—消化—吸收”过程中不断扩充研究团队规模，同时也逐渐夯实了科学基础。
随着数值天气预报系统的发展，国内出现了一些不同的观点。有人说：“我们自己搞，干嘛用外国人的东西。”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。”经过长达10年的努力，中国成功建立了中期数值天气预报体系。国内大规模气象预报计算机系统不断优化升级，达到新高度。
叶笃正先生为了支持中国气象局的数值天气预报工作，打破了门户界限，指派了一批中国科学院大气物理研究所的优秀人才直接参与到数值天气预报系统建设中。自1981年以来，他在中国科学院、中国气象学会担任要职，多次推荐并引导科研技术骨干前往欧洲知名的中期数值天气预报中心进行访问、工作和学习。这些人后来成为中国“七五”期间中期数值预报研究和业务建设的重要人才。
叶笃正（右三）与团队一起探讨天气预报工作
青藏高原对全球气候具有显著影响，它好比一座雄伟的天然屏障，有效地遏制了来自北部大陆的寒冷空气向南亚地区传播。与此同时，喜马拉雅山脉则是南亚地区暖湿气流北上受阻的重要因素之一，也是夏季季风形成的关键原因之一。
青藏高原是地球上海拔最高、地形最为复杂的大型高原之一，其呈现椭圆形延展，北南绵延长达3000千米，宽度约35千米，平均海拔超过4000米，总面积接近250万平方千米。这片被誉为“世界屋脊”和“地球第三极”的区域，具有极其错综复杂的地貌特征。青藏高原是中国境内两条母亲河的发源地，孕育着一片富饶的土地，被视为华夏文明以及整个人类文明的宝地。其广袤辽阔且位于大气层之上，对大气环流产生了深远影响。实际上，青藏高原拥有独特的天气、气候和环流系统。青藏高原位于高海拔地带，气候干燥、稀薄，日照充足，气温较低。因此，该地区的气候异常复杂多变且降水量相对较少。
这片广袤的地形不仅对气流的流动、上升和摩擦产生严重限制，同时对高层大气与对流层之间的热交换产生了深远影响。此外，它也极大地影响我国的天气和气候。然而，它的影响范围不仅局限于国内，向东可至太平洋对岸的美洲，向西则扩展至阿富汗和伊朗等区域，向南则跨越赤道，在东亚、北半球甚至整个地球环流与气候中发挥巨大作用，无法被忽视。
夏季的青藏高原，地表被太阳辐射加热，释放出大量的热量，进而使大气层受热。由于青藏高原面积广阔（且地表升温速度较快），近地面的大气吸收了更多的地面辐射（热能）。相比之下，在平原地区海拔4000米以上的高空，由于距离平原地表遥远，可吸收到的地面辐射就相对少了。因此，在夏季青藏高原近地层温度高于邻近平原的海拔4000米以上的大气层温度。故而称夏季青藏高原为热源。夏季时，青藏高原形成气流上升的低压中心，吸引周围空气向高原吹去，从而增强了东亚、南亚地区的夏季风。而冬季时，由于昼短夜长导致地面和大气热量收支不平衡，出现明显的降温现象。相较于地面其他材料，岩石比热容小，降温更为迅速，并造成近地面大气的快速冷却。在海拔4000米处，青藏高原近地面的大气温度要比周围平原上相应位置的大气温度低，我们可以称其为冷源。这一现象进一步导致了冬季青藏高原形成了下沉气流和一个强大的高压中心，并使得空气从高原向四周下沉运动，进而加强了东亚冬季风。
青藏高原季风图
叶笃正是一位从20世纪50年代开始研究西藏高原气象学的资深科研专家。1959年，他与合作者共同撰写了《西藏高原气象学》，从而开启了青藏高原气象学领域的新篇章。1979年，叶笃正与高由禧合著了《青藏高原气象学》。在此之后，吴国雄率领的科研小组针对青藏高原进行了多项关于大范围环流的研究工作，同时，高登义则展开了许多与地形环境相关的调查活动。一系列研究系统性地确立了青藏高原气象学的知识体系。
青藏高原气象学主要研究该地区大气动力学和热力学过程，并探索其与天气和气候之间的关联。其研究课题包括揭示青藏高原特有的天气和气候变化规律，深入分析这些变化规律的生成、漂移和进展特性，评估它们对预测准确度的影响，并研究其对东亚乃至整个北半球热动力性质以及下游地区天气和气候变迁所带来的影响。这一系列课题都具有广泛而深远意义。
20世纪50年代，叶笃正凭借着两次航行数据揭示了北半球最为强劲的一股急流，即青藏高原南北部支流的交汇体。这条急流对东亚地区的天气和气候影响显著。夏季的青藏高原是一个极其重要的大气热源，叶笃正首次指出青藏高原在冬季起着冷源作用，在此基础上，他深入研究了青藏高原夏季的热源及其对东亚地区气候的影响。通过他的努力，国际学术界开始认识到大地形热效应。他的研究为青藏高原气象学科的发展奠定了坚实理论基础。
叶笃正等学者在《青藏高原气象学》一书中总结了多年的主要研究工作，该书被国际气象学界广泛认可为具有权威性和开创性的成果。书中将青藏高原对大气运动的影响归纳为以下三种情况：
第一，机械动力作用对气候有着广泛影响，从地方环流到全球环流都受到高原的制约。当气流经过青藏高原这个海拔约4 000米的椭圆体时，它可能选择攀爬过去或绕行而过。考虑到其山脊的存在，气流无疑需要攀爬才能越过。然而，绕着这个椭圆形的物体发生着另一个重要的循环现象，这种循环不仅影响气流的速度和方向，还对周围气候条件有深远影响。
第二，山脉的坡度、朝向和高度会对地球表面每天接收到的太阳辐射量变化产生影响。对流现象是由于暖空气上升而形成的。在夏季，平坦表面过热会引发局部区域内的对流，进而抑制周围气流运动。高耸在高原之上的山峰形成了一系列“热岛”，加剧了对流活动。这种对流影响气流，相当于增加了高原的有效海拔。
第三，气流经过粗糙表面时形成看似杂乱无序的湍流。地表摩擦使得气流近地面减速，而在远离高原的区域则保持正常速度，因此会形成一些局部涡旋。
叶笃正及其团队的原创性科学发现推动了青藏高原气象学的创立，使中国气候的准确预测处于世界领先地位。随着观测技术的进步，近年来高原气象学的研究取得了重要突破，逐渐发展成为气象学领域中一个至关重要的分支。
地球的表面被一层厚厚的大气所覆盖，这一层通常被称为“大气”或“大气层”。随着高度的增加，空气的密度逐渐减小，空气变得稀薄。尽管大气层的厚度超过1000千米，但它并没有明确的界限。按照大气的温度结构，大气被分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层。这种分隔模式有助于我们更全面地认知和探究大气的特性和功能。
地球及其大气层结构概要图
地球是人类居住的地方，我们的生活时刻受大气层内的大气环流及其变化影响。因此，数千年以来，人们对于大气环流规律一直表现出浓厚兴趣，并付出不懈努力以揭示其中奥秘，希望将其应用于生产和生活当中。中国历史上著名航海家郑和率领船队远航至东非、红海，西方航海家哥伦布成功穿越辽阔无垠的大西洋，并发现了美洲新大陆。这些历史上著名的航行是人类成功利用大气环流的典型案例。
大气环流系统是关键的陆地水热分布调节机制，对全球的气候和天气起着至关重要的作用。在那个时代，气象预测正处于发展阶段且受到限制。为了提高中国的天气预报准确度和质量，首要任务是深入了解东亚地区特定的大气环流状况。根据研究和实地观测，叶笃正发现东亚大气环流在过渡季节，尤其是春秋季节表现出明显的快速变化特征。例如，在六月上旬，东亚大气环流会突然从冬季环流型转换成夏季环流型，这一转变通常伴随着东亚夏季风急剧爆发。
这一发现基本搞清了东亚冬夏大气环流的状态和特征，并初步揭示了主导中国天气变化的关键因素，填补了东亚大气环流研究的空白。此外，叶笃正还提出了创新性的“东亚大气环流”学说，为中国的气象预报事业奠定了坚实而重要的理论基础，并在此基础上提出了自己独到而富有洞察力的观点。
叶笃正在其科研探索中发现，在青藏高原的南北两侧，存在着两种相当强烈的西风。这片高原几乎像是自然界的一道隔离屏障，使得这两股风保持了较为稳定的方向。在向东延伸的过程中，这些建立起来的气流逐渐靠近并最终汇合成一股，在抵达日本时风势达到了巅峰状态。叶笃正运用了当时最先进的科学仪器和分析方法，对东亚地区的大气环流演化进行了深入研究。他得出的结论是，东亚地区的大气环流变化是一种渐进且持续进行的过程。
大气环流图
叶笃正编辑了世界上第一本关于大气环流机制的专著——《大气环流的若干基本问题》，对东亚气候研究起到了积极的引导作用，被视为具有里程碑意义的著作。此外，他还写了些论文寄给气象学家罗斯贝教授主办的《瑞典气象》杂志发表，这展示了他在气象学领域广泛的影响力。芝加哥大学也对他的贡献给予高度认可。许多国际气象学专家对叶笃正能在短时间内对东亚大气循环的基础问题有如此深入的理解感到惊叹不已。
“台风”这个词大家并不陌生，尤其是在天气预报中，我们经常听到：“由于台风的影响，天气将以一定方式改变。”实际上，在我们中学的地理教科书上就可以了解到台风。气旋，又被称为“低气压”，是指北（南）半球，大气中水平气流呈逆（顺）时针旋转的大型涡旋，它的直径小的有几十千米，大的有几千千米。按生成和活动范围可分为温带气旋、热带气旋和极地气旋性涡旋等，台风便是一种常见的热带气旋。台风来临时通常会伴随着大量的降雨和强风天气。
20世纪40年代，随着高空大气观测技术的进步，高空天气图成为研究大气运动至关重要的工具之一。高空天气图的应用使人们有更深入地了解大气空间结构的能力。
大气长波是高空天气图上最为重要的现象之一，其波长可达几千千米以上。气象学家罗斯贝提出了一个有关大气长波的理论，指出它们与地球自转有密切关系。后续研究证实，正是在大气中引起频散的重力波导致了风和气压分布的平衡，并形成了在大气中产生的准地转平衡关系。1945年，罗斯贝首次开展了深入研究大气和海洋中能量扩散问题的工作。能量扩散是指在波动过程中将能量传播开来的一种普遍现象，被描述为“散射波”。而1949年，美国《气象杂志》发表了叶笃正博士论文《大气中的能量频散》。这篇论文首次系统地探讨了大气中波的群速、相速和波长，揭示了一系列重要的物理现象，为当今天气预测提供了重要的理论支持，是罗斯贝长波理论的一个重要延续，并对该理论作出了实质性贡献。
在高空天气图上，气流主要展现东西向分布。然而，这些气流的方向并非完全沿着纬线平行，而是呈现波状流型，这一波状流型被称为“大气长波”。罗斯贝等芝加哥学派的创始人提出了与大气长波动力学相关的理论。各个单一波动的速度会随具体的波长大小而变化。不同波长的波聚集在一起形成一个整体或一组波列。每个单独的波具备独特的速度，群速度则代表能量传输的速率。因此，传输速率等同于波列中能量的转移速率。叶笃正的研究基于实际天气图，详细解释了多种现象。
自从罗斯贝提出长波理论，人们就观察到了上游效应。1944年，拉米亚斯在他的文章中指出，当阿拉斯加湾形成一个深厚的低气压槽时，其影响会很快在下游（即东面）显现，并且在下游引发新的波动，在这些波动中，传播速度超过了气流平均速度。拉米亚斯和克拉普把这种现象说成是，由于下游新的低气压槽形成使大气波动的波长变短了。但是为何产生这种波长变短的现象，需要从理论上加以说明。叶笃正学习他们的理论和经验，从描写大气运动的动力学方程出发，在一定的初始条件和边界条件下，从理论上解释了在波动下游形成新的低气压槽的现象，从而证明正是大气运动能量向下游的频散，才使新的波动在下游形成。
30多年后，著名的动力气象学家布莱恩·约翰·霍西金斯（Brian John Hoskins）教授及其团队将叶笃正的理论在球面大气中进行了推广研究（叶笃正的理论是假设大气运动在平面上）。中国科学院院士黄荣辉等一批学者，进一步讨论立体空间大气波动的传播问题，这些都是基于叶笃正的长波能量频散理论。除了解释长波频散外，叶笃正的理论还揭示了阻塞高压形成原因。在中高纬度地区出现静止或极慢移动的高气压区域即“阻塞高压”，它们会显著影响气流东西方向的流动。阻塞高压对广泛天气条件有重要影响，此现象仅限于位于高纬度的地区，偶尔出现西向倒退。叶笃正认为，在高纬度地区，阻塞高压强度随纬度上升而增强。同时，随着纬度的增加，阻塞高压向西移动的速率也减小，并且生物量逐渐增大。此外，他还提出了另一个解释，即低纬地带观测到的气流扰动明显强烈。在中高纬度地区，存在广阔的海洋低压槽，西向气流也较为明显，而在低纬度地区，东风风速相对微弱。与此同时，中高纬度气旋系统的生命周期较为长久稳定；相比之下，低纬度气旋系统更加短暂。这些理论对于天气预报来说具有极其重要的意义。