霍华德——为云而生的英国气象学之父

■ 杨萍 邓京勉 张萌

尽管科学和艺术表达形式存在差异，但从根源上来看，都是人类认识世界的体现，都是对万千世界创新性的一种描述，都来源于实践和观察。

卢克·霍华德（Luke Howard，1772—1864年，图1），英国著名的气象学家 。他闻名于世的贡献是通过对云的命名和分类，创造了一套关于云的术语并广为流传。然而，霍华德在气象学的个人成就不止于此，他的著作《气象学七讲》被认为是气象学史上第一部专业性教材，他撰写的《伦敦气候》被认为是城市气候学的第一部专著。霍华德在气象学的成就还激发了歌德、雪莱等艺术家的创作激情。尽管有人认为霍华德只是一个大气现象的观察者，但他在观察之后，通过归类和推理等总结得到的知识，对后世的影响巨大。

霍华德在英国气象学历史上功绩斐然，也有诸多关于他的研究论文和著作，并在英国被尊称为“气象学之父”。但是，国内学者对于霍华德的研究甚少，除了刘昭民《西洋气象史》有霍华德关于云的分类介绍外，能够找到的中文资料非常有限。这或许由于在气象科技的发展历程中，进入20世纪后，随着挪威学派和芝加哥学派的崛起，英国气象学的发展速度减慢，国内对英国气象学家的重视程度不够。

本文在概述霍华德的生平基础上，介绍了霍华德在云的分类、城市气候学等气象学领域的贡献，并初步探讨了其对艺术的影响，在此基础上，围绕霍华德的科学贡献谈了几点启示。

1 霍华德的一生

1.1 生平简介

霍华德是19世纪初期英国著名的气象学家，其在气象学领域最杰出的贡献是对云进行科学分类和命名。霍华德出生于一个做锡铁的生意人之家。关于他早年的生活，相关记载比较零星，从目前已有的资料看，霍华德于1780—1786年在英格兰牛津郡（Oxfordshire）附近的博福德（Burford）的一家私立学校读书。在那段时间，他认为自己除了学习了系统的拉丁语外，并没有太多其他的收获（事实证明，这段拉丁语的学习生涯对其后来的成就帮助不小）。离校后，他回到家中，一边给父母帮忙，一边开始探索自己非常感兴趣的大气现象，他每天两次用雨量计、温度计和气压计观察天气并记录结果。不久后，他被父亲送到了一个零售药剂师那里做学徒，一学就是6年。在此期间，他因学习繁忙而中断了所热爱的科学研究。学成后，霍华德回到伦敦，说服父亲给他足够的钱自立门户开展药剂业务，成为老板的霍华德终于可以灵活安排时间，系统学习了法语、植物学、化学，并深受法国化学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）的学术影响。后来，他认识了志同道合的药剂师阿伦（Willam Allen），成为其掌管药剂公司的合伙人。有了这一经济来源，霍华德将所有的热情和时间都用在了科学研究上。阿伦在开药剂公司的同时，还建立了一个研讨自然科学的论坛，称为爱斯克辛学会（Askesian Society），1800年开始，霍华德先后在这个学会上发表了多篇论文，如《平均气压计》（Average Barometer）、《雨的理论》（Theories of Rain）等，其中最有影响力的文章应属《云的多变形态》（On the Modification of Clouds），由于霍华德对云研究所做的巨大贡献，1896年被命名为国际云年，同年，第一张国际云图出版。霍华德对气象学的其他方面也有诸多贡献，1817年完成了《气象学七讲》 （Seven Lectures on Meteorology）， 1837年正式出版（图2）。1818年，霍华德完成的另一本重要著作《伦敦气候》（The Climate of London）被后人认为是第一部关于城市气象学的著作。1827年，霍华德获得了英国科学家的最高荣誉——皇家学会会员，霍华德也被称为英国的气象学之父。

图2 《气象学七讲》（Seven Lectures on Meteorology）封面

1.2 霍华德的人生关键年

回顾霍华德的一生，他以药剂师为职业，却凭借着兴趣在大气领域做出了诸多贡献。他在写给歌德的信中曾提及自己与气象的不解之缘，称自己“被1783年夏天异常的大雾和北极光深深地吸引了” 。当时霍华德还在私立学校读书，那年的6月8日， 冰岛和日本的火山爆发，熔岩如房子般大小，摧毁了很多小镇和村庄，这场灾害导致了疾病蔓延、害虫滋生等很多衍生灾害，这次事件也被一些专家认为是历史上最惨重的一次火山爆发事件。这次火山爆发一直持续到次年2月7日，上百吨酸性物质被喷入大气层中，大量的火山气体在欧洲大陆的大部分地区上空烟雾弥漫，由于天空持续落尘，英国历史也以“尘夏”称呼1783年的夏天。该年，欧洲夏季酷热干旱，冬季严重的暴风雪，给农作物也带来的极大损害。除此之外，当年8月18日晚9时多，天空中出现了奇异的现象，一颗大流星划过北欧上空，英伦三岛等地的居民都看到了这个天体，还是少年的霍华德也在其列。对霍华德进行研究的不少学者都认为历史上难忘的1783年与霍华德后来从事气象学研究存在着某种可能联系，霍华德在后来的回忆中也表示这一年给他留下了非常深刻的影响。

2 霍华德对气象学的贡献

2.1 对云理论的贡献

在18世纪，气象学尚未成为一门独立的学科，尽管人们尝试创造一系列术语来描述天空的云，但是，自然哲学家和诸多学者很难对其达成一致。造成这一状况的原因之一是由于云的多变使其难以分类，同时人们也认为云的种类过于繁多无法准确命名。最早尝试打破这一局面的是法国科学家拉马克（Jean Baptiste Lamarck，1744—1829年），他是一位博物学家，曾于1801年在《气象年鉴》（Annuaire Météorologiqu）上发表了关于云的分类的论文，用法语命名了五种不同类型的云，然而这一成果却未能引起重视，甚至在法国都鲜有人关注，原因或许是法语的通用性较弱，也或许是其发表的《气象年鉴》上的天气预报都是基于占星数据的缘故。加上当时法国领袖拿破仑（Napoléon Bonaparte）反对其进行气象学研究，拉马克未能给出更深入的研究。

一年之后，霍华德在爱斯克辛学会上首次公开了学术论文《云的多变形态》（Essay on the Modification of Clouds），爱斯克辛学会成立于1796年，是由包括霍华德在内的几名来自不同领域的专业人士共同组建的，定期选择不同的主题撰写论文并进行讨论，这里无疑为霍华德提供了良好的学术氛围，也使他的想法得以展示。1803年，霍华德这篇关于云的分类的论文正式发表于《哲学杂志》（Philosophical Magzine）上，名为《云的多变形态，以及它们产生、悬浮、消逝的原理》（On the modifications of clouds, and on the principles of their production, suspension, and destruction）。与拉马克只定义及命名了一定数量的云不同，霍华德着手建立了一套完整的分类体系，力图涵盖所有的云形。他认为云的多种形态与其他大气变量一样，都是隐藏在其背后的物理机制的体现，对古今气象学都起着至关重要的作用。霍华德将云的多变形态称之为“大气的脉搏”，为了让气象学家更好地将分析结果应用到研究其他大气因素中去，同时也为了方便自己的记录简洁准确，才萌生了将云分类命名的想法。他提出尽管云的形状数之不尽，但是独特的云形并不多，认为云的形成过程是基于一定物理机制的大气过程的体现，云的形状也是能够预测的。受到卡尔·林奈（Carl Linnaeus，1707—1778年）用拉丁语为生物命名的启发，霍华德将云分成了三种基本类型，并用拉丁语为其分别命名为卷云（cirrus）、积云（cmumlus）和层云（stratus ）。他还认为，这3种云形能够相互转化，在转化过程中的混合型也非常重要，因此，在上述分类的基础上，霍华德还定义了其他4种类型的云（卷积云、卷层云、积层云、卷积层云）。后来，霍华德设计了一套云的形态的速记符号，基本符号为卷云“”，积云“Λ”，层云“_ ”，综合运用便可表示所有云形。关于这七种云形，霍华德对其特征进行了逐一解释（表1）。

从霍华德对云的研究中可以看到，他是一个特别细致的观察者。实际上，除了对云命名外，霍华德对云的形成、云的特性进行了大量的解释和分析，他提出，卷云一般出现在晴朗无云的天气之后，中等尺度的积云多且离地面近、巨型积云少且离地面远，在持续性小雨过程中，会存在大量混合形态的云等等。

表1 国际云图的分类及定义与霍华德工作的对比

霍华德对云的分类研究对后来气象发展中对云的探索奠定了坚实的基础。在1840年，德国气象学家克米兹（Kaemtz）在霍华德的基础上加入了“层积云”；到1887年，希尔德·布兰得逊（HildeBrandsson）和艾伯克龙比（Abercromby）合作发表了有关云的分类的论文，依旧延续了霍华德的体系。1891年，国际气象大会（International Meteorological Conference）决议出版云图，1896年第一版国际云图（International Cloud Atlas）面世，作为官方文件被世界各国广泛使用。

对比霍华德的论文可以看出（表1），虽然国际云图中对云的分类描述更加具体，并且详尽到数字，但是整体框架依旧延续了霍华德的体系，在当时缺乏足够的基础数据的前提下，霍华德对云的研究所做出的贡献可谓巨大，虽然他对于云的某些解释和分析并不完全准确，但这种超越时代的思维方式和研究能力足以让后世称颂。

2.2 对气候学的贡献

除了关注云之外，霍华德对大气的诸多现象进行研究，并围绕大气这一主题做了不少有价值的工作。1806—1809年，霍华德在《雅典娜神庙》（The Athenaeum，这是一本关于文学和其他信息的杂志）上连载了《气象学记录》（Meteorological register），1817年在伦敦北部的托特纳姆（Tottenham）所做的七课时演讲中，霍华德整理了基于高度来划分云的7个变种体系，并完成了关于气象学综合理论的讲稿《气象学七讲》（Seven Lectures on Meteorology），这本书在20年之后的1837年得以正式出版，被后人认为是历史上的第一本气象学教材，它包含了大气的组成、风、气候、季节、温度循环、蒸发及降雨、云、暴风雨和气象仪器，并且在最后一章讲述了各种现象包括流星和极光。在《气象学七讲》一书中，霍华德得到了诸多科学家的启发，给气象学做了明确的定义，他认为，“气象学是一门研究大气、天气现象、季节变化以及他们所呈现出的各种有趣现象的科学”。当《气象学七讲》出版时，曾经给过他很多启发的英国化学家道尔顿（John Dalton）这样评价：“我们之间所建立的40年的友谊，其原动力来自于我们对科学共同的热爱”。

1818—1820年，霍华德出版了另一本著作《伦敦气候》（The Climate of London），这是城市气候学领域比较公认的第一部关于城市气象学的著作，霍华德也被称为城市气候研究的第一人。这部著作研究了城市周围的大气现象和气候特征，并首次提出了热岛的概念。他认为，在温暖的天气条件下，城市的气温会明显高于周围郊区的温度，造成这一现象的一个原因是城市中吸收热量的公路等一些“暗色设施”增多，也就是现在人们常说的城市下垫面性质的改变，另一原因是城市中各种燃料的大规模使用。他还提出，城市热岛使天气变得更热，空气调节装置的需求大幅增加，导致污染更加严重，形成了恶性循环。对于污染问题，霍德华进一步讨论了独特的伦敦城市雾气——烟和被污染的雾气混合而成的污浊气体，也就是现今的废气问题。这部著作出版后，受到了广泛的关注，因此，1833年又出版了第二版，并将结构增加到3卷。

除此之外，霍华德关于降水理论的研究不为后人广泛知晓。他的论文《降水及大气电的可能原因》（Proximate causes of rain，and on atmospheric electricity）和云的研究在同一时期（1804年）发表在爱斯克辛学会。在文章的开头，他质疑了前人关于降水的一些结论，并提出他在观察大气现象中有一些新的发现。他提出，他写这篇论文的目的是希望大气中的电能够引起人们的足够重视。遗憾的是，他并没有能够得到关于降水原因的确切结论。不过，该研究的重要意义在于表达了霍华德基于云的研究衍生出其对于大气中电的认识，他认为，与晴天共存的正电荷在降水前常常会转化为负电荷，40%的降水带负电，尽管在这前后大气电荷为正电荷，带正电的降水发生于带正电的大气的概率可能只有15%，没有掺杂雨的雪和雹基本都是带正电的，等。尽管其中一些结论受到辛普森（Simpson）等学者的质疑，但霍华德在大气电学的研究方面仍旧跨出了不小的一步。之后，霍华德对农业产生兴趣，基于他长时间的气象观测资料，研究了伦敦气候的周期性问题，他认为气候周期性的研究对于农业生产的帮助将是无价的，但是由于观测序列不够长，相关的研究成果尚不足够让人信服。

3 霍华德对艺术的影响

霍华德一生最大的贡献是对云进行了命名，同时，他在气象学的诸多领域多有成果，除此之外，霍华德对文学和艺术的影响也值得后人研究。

3.1 对诗人歌德的影响

德国著名的哲学家和诗人歌德（Johann Wolfgang von Goethe，1749—1832年）是推崇霍华德的文学大师。他认为霍华德的理论与他对艺术和科学的看法不谋而合，希望能为霍华德撰写传记，那时候的歌德已经73岁。霍华德听闻后，当即回复一封长信，详细介绍了自己的家庭、生活、教育以及成长历程。两人通过信件来往，使歌德进一步了解了这位气象天才。歌德为霍华德和他的云类系统专门创作了一系列的诗，以此向霍华德致敬。据记载，歌德曾经这样评价霍华德，认为霍华德对云的发现激发了人们对天气的关注，人们因此开始注意漂浮的薄雾以及天空的云。从对歌德生平资料来看，歌德除了是一位伟大的诗人之外，还是一位对各类科学非常感兴趣的科学研究者，也许正是因为这位艺术家有着对科学的热爱和追求，才能够受到来自霍华德的重要影响。

3.2 对画家约翰·康斯特布尔的影响

约翰·康斯特布尔（John Constable，1776—1837年）是英国皇家美术学院的院士，19世纪英国最伟大的风景画家，他在1820—1822年创作了两百多幅包含了云这一元素的油画作品。约翰·康斯特布尔在此期间为何会创作如此多的云题材油画一直被后人所猜测。有研究认为，其创作激情的重要原因之一是受到了霍华德所出版的《关于云的分类》这本著作的影响。有据可依的历史事实是，约翰·康斯特布尔极有可能拥有福斯特（Thomas Forster）于1815年所著的一本《大气现象研究》（Researches on Atmospheric Phenomena），因为约翰·康斯特布尔曾经在给别人的书信提到，他比较反对这本书中关于气象学理论的一些观点。而在这本书中，有一章节专门记载了霍华德关于云的分类学说。也有人认为，约翰·康斯特布尔本人也是极其热衷于对天气现象的观测，同时，他在1820—1822年创作这些油画时是否看过了霍华德关于云的分类学说也值得考证。尽管霍华德对其作品的影响程度仍旧存在争议，但这也从侧面说明了霍华德关于云的分类得到了各个领域学者的关注和讨论。

3.3 对英国诗人雪莱的影响

前人对雪莱（Shelley，1792—1822年）的研究表明，雪莱是一位非常热爱观察大自然各种现象的伟大诗人。在雪莱的诗歌《云》（The cloud）中，霍华德所命名的各种云形大多有涉及。这里从其诗歌中摘选个别关于对云的描述如下：

雨云：我挥动冰雹的连枷，把绿色的原野捶打成银装素裹，再用雨水把冰雪消融，我轰然大笑从雷声中走过（I wield the flail of the lashing hail, and whiten the green plains under, and then again I dissolve it in rain, and laugh as I pass in thunder）。

积云：我为绿叶披上淡淡的凉荫，当他们沉浸在午睡的梦境（I bear light shade for the leaves when laid in their noonday dreams）。

层云：从我翅膀上摇落下露珠，去唤醒每一朵香甜的蓓蕾（From my wings are shaken the dews that waken the sweet buds every one）。

雪莱的《云》这首诗创作于1820年，涉及了雨云、积云、层云、卷云、卷积云、卷层云这6种云形，雪莱用艺术的形式描述了不同云形的特征，其专业性和清晰度虽然不及霍华德的分类和定义，但却用艺术的手段将云的特性得以流芳百世。值得一提的是，霍华德所定义的卷积层云并未在诗歌中有体现，卷积层云这种云形在霍华德的分类中属于定义最不清晰的一类，在后来人们的改良中也被剔除了，有学者由此推测，雪莱能如此精准地去除了霍华德当时定义不太清晰的卷积层云，也许意味着雪莱对于云的观测并不亚于霍华德。

4 结论与讨论

4.1 兴趣是科学研究的第一要素

爱因斯坦的名言“热爱是最好的老师”在霍华德的一生研究中得到了很好的诠释和体现。不难想象，没有对气象学足够的热爱，霍华德很难几十年如一日地进行大气现象的观察，也就很难从大量观测事实中去总结规律。真正的科学研究一定离不开坚持和兴趣，竺可桢在《为什么中国古代没有产生自然科学》一文中总结到，中国古人过重实用，缺乏纯粹的科学兴趣和研究精神，导致了与西方的科技水平相差悬殊。尽管当今气象学领域的研究中，一直强调培养创新人才，但是中国自古以来传承的实用主义以及当代科学研究及人才的评价体制的问题，都在一定程度上抑制了个体的科学兴趣，建立一种以科学兴趣为前提的科研体制尚需探讨和努力。

4.2 重视观测是气象学研究的基础

进入17世纪以后，科学研究开始倾向于理性思维，并重视观察和实验，在这样的时代背景下，各种观测仪器的发明如雨后春笋般出现，进入霍华德生活的18—19世纪，以观测为基础的气象学研究已经盛行。在这样的时代背景下，霍华德亲眼目睹了1873年这样历史罕见的火山爆发和大流星，直观的感官刺激对其从事气象学研究起到了助推剂的作用。在霍华德之后几十年的研究中，大量观测事实的记录和积累使他能够从变幻莫测的天气现象中总结出规律的基础和保障。即便今天，重视观测仍旧是气象学研究的法宝之一，没有准确可靠的观测数据，进行科学的气象学研究几乎是寸步难行。

4.3 科学可以融入艺术

科学以严肃著称，艺术以美感彰显。关联度貌似不高的两者在霍华德的人生经历中得到了完美的结合。这也给我们一个启示，尽管科学和艺术表达形式存在差异，但从根源上来看，都是人类认识世界的体现，都是对万千世界创新性的一种描述，都来源于实践和观察。气象学是研究奇妙大气现象的科学，大气现象的变化莫测和大自然的鬼斧神工给气象学平添了艺术的元素，以霍华德研究的云为例，将千姿百态的云用如此简洁的语言表达出来，并为全世界人民知晓，这已经超越了科学本身，这也是为何霍华德能够被很多艺术家所推崇和景仰。霍德华的经历给我们的一个启示，当代气象学的研究在重视严谨科学成果的同时，是否能够更多地融入艺术元素，让气象学的研究成果流传更加广阔和为大众接受。

在霍华德那个年代，气象学尚未成为一门真正的学科，云作为自然界神奇的产物，其纷繁复杂的种类和变幻莫测的形状让很多热爱者望而却步，但霍华德却在坚持不懈的观察中，凭借着超凡的智慧将复杂的云用如此简单的语言表达出来，其思维方式和分类方法在当时最直接的影响是成就了英国海军蒲福（Sir Francis Beaufor）的“蒲福分级”。现在看来，他同样给后人留下了很多值得思考和借鉴之处，历史是一面镜子，古为今用是老生常谈的一句话，但是，如何真正深入地挖掘历史人物中的科学方法和科学思想，在科学史研究的漫漫征程中仍然任重而道远。