永远的季刊 不变的创新—— 《英国皇家气象学会季刊》创刊150周年评介

■ 李婧华 贾朋群

伴随近现代气象科学在19世纪走向成熟，气象研究组织——气象学会在欧洲多个国家成立。这些气象学会最早开展并一直延续下来的工作之一，就是创办气象科技期刊。本文介绍的《英国皇家气象学会季刊》（Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，本文简称QJ）是与WMO的前身IMO（国际气象组织）成立在同一年，即1873年创刊。在某种意义上，QJ成为150年前试图从物理学应用领域独立出来的气象科学，对IMO从事的全球性事业的宗旨和发展的学科呼应。

本文依据QJ为纪念创刊150周年，由历任主编选出的该刊150年里21篇对气象和大气科学发展影响巨大的“虚拟”纪念文集、英国皇家气象学会于2023年9月召开的纪念会议材料等，对这一具有全球影响力的优秀期刊所折射的气象科学在过去一个半世纪里的蓬勃发展之路进行评介。

1 QJ选出21篇里程碑论文

QJ于1873年创刊时，被命名为《英国气象学会季刊》（Quarterly Journal of the Meteorological Society），尚没有所谓“皇家”头衔。直到10年后的1883年，英国气象学会被冠以“皇家”后，QJ才获得现在的刊名。虽然创刊伊始，这本专业杂志就用刊名确定了出版周期，即每个季度1期，每年出版4期。但QJ在1988年之后提高了出刊频率，从每年出版4期增加到6期。随着气象科研成果产出快速发展，出版需求旺盛，1995年之后，QJ在出版周期上调整为刊次上依然是每个季度出版1期，但每期通过出版A和B版，使得期刊实际出版量增加到了每年8本，这一出版范式一直延续至今。

在QJ的150年历史中，恰逢近现代气象学获得巨大成功和发展，成为地球科学中在某种意义上具有引领意义的核心二级学科。QJ凭借几代编辑长期耕耘，作为一扇窗口，见证了气象科学从萌芽到成熟的全过程。在创刊150周年之际，QJ邀请各位前任和现任主编，从所有过刊中选取最具代表性的经典论文，形成一本虚拟的《纪念文集》（Classic paper special collection selected by QJ Chief Editors），以纪念期刊的这一历史时刻。在表1中列出了各位主编选择的21篇经典文章，并分析了这些文章能够入选《纪念文集》的理由。应该说，主编们选出的论文是这本历史悠久的气象科学期刊为学科发展贡献的具有里程碑意义的论文。尽管这些论文由主编提名，可能反映了主编们个人的兴趣，但这些论文无疑在更大的范围里，具有较为广泛的共识，即这些文章描述了气象科学的关键进步，涵盖了学科的广泛主题，包括理论发展、观测突破和数值模拟研究等领域。这些论文或其结论和影响等，也被全球气象学者所熟知，特别是在导致产生学科内和在地球科学更广泛领域的认知方面。

表1 QJ创刊150周年《纪念文集》收录的21篇经典论文信息

QJ主编选出的21篇文章主要覆盖大气成分、气候变化、大气动力学、全球环流、辐射传输和地球观测等多个领域，整体上诠释了气象科学过去一个半世纪，特别是在20世纪走向成熟和具有独特的学科特征的过程和个例。例如，最早计算人为排放CO2导致全球气温升高的卡伦德（1938年），是一位蒸汽工程师，研究气候变化，仅仅是其爱好。这反映出20世纪初，气象专业研究队伍尚不成型，大量“业余”研究活动丰富和触摸着学科内涵。而1940年罗斯贝发表关于行星波的重要论文，仅刊载在QJ增刊上，这本增刊目前在QJ官网文献库中甚至无法检索。在成为“大师”之前所经历的“平凡”，更表明罗斯贝所代表的发展了现代气象科学的鼻祖，对QJ的高度认可。

2 QJ对学科发展的贡献

为了纪念QJ出版150周年，2023年9月QJ举办了学术研讨会，全面总结了期刊发展过程。目前，QJ在SCIE数据库中，其影响力排在气象和大气科学学科的第6位，是最权威的期刊之一。QJ长期得到全球气象学界的认可，期刊在不同主编之间传递，始终保持下来的一些特点，给期刊带来了不可或缺的“灵魂”。

2.1 长期关注主题：气候科学和罗斯贝波

在QJ 150周年虚拟纪念刊中，最早的论文是哈里森和多布森对高层大气进行的早期研究（序号1，见表1，下同）。论文作者之一的名字，后来成为表述大气臭氧含量的单位“Dobson”，突出了该论文针对大气中臭氧浓度的最早光谱测量。尤其是，这项研究将主要存在于高空的大气臭氧与地面气压联系在一起，为我们理解臭氧层及其对地球气候的影响奠定了基础。

第二篇文章（序号2）的作者卡伦德在开篇第一句话就指出：“那些熟悉大气自然热交换的人中，很少有人愿意承认人类活动会对如此大规模的现象产生任何影响。在下面的论文中，我希望表明这种影响不仅是可能的，而且实际上正在发生。”正是始于这篇论文，气候科学，尤其是气候与人类活动关系的科学研究，开始受到重视并用科学的方法被逐渐量化表达（图1）。

图1 Callendar（序号2，1938）给出的全球和不同纬度带的温度变化（a）以及Hawkins and Jones（QJ, 2013）对比全球实际温度变化与Callendar早年研究的预测（b）

1956年，QJ发表了美国学者菲尔普斯关于大气环流数值试验的论文（序号6），全面引入了气候研究的数值模拟方法。这篇论文给出的两层准地转模型半球模式，主要从能量守恒角度，通过量化计算摩擦、辐射加热和垂直稳定等全球大气环流最重要的控制机制探索地球大气运动，成为后来不断更新换代的气候模式的一个重要起点。

罗斯贝在1940年发表行星波的重要论文（序号3）之前，一直试图将皮耶克尼斯的循环理论具体化，他先是在1939年与合作者发表了针对被认为应该是均匀的西风气流受到正压波衍生传播影响的研究成果，之后在这篇文章中通过引入“潜涡”（现代“位涡”的最简单版本）这个新变量，更进一步揭示了西风气流厚度的变化，而新变量在浅水假设时守恒的数学表达：更是给出了用巧妙的数学工具获得强大的简化能力的“范本”，启发了后来更多的诊断工具和量化表达。

实际上，无论是气候研究还是罗斯贝波，QJ都是最全和最持久创新研究的文献来源。气候研究方面，早在1901年QJ就在庆祝英国皇家气象学会成立50周年学术会上，发表了Nils Gustaf Ekholm探讨地质和历史时期气候变化及其原因的文章。1938年发表卡伦德论文（序号2）之后，QJ又发表多篇相关文章，例如：水汽吸收带研究（1941年）、水汽吸收统计模型（1952年）、CO2的15 μm吸收通量计算（1956年）、行星大气红外冷却率计算（1966年）、针对英格兰中部温度变化（后来持续更新成为HadCRU数据库）（1974年）、云和气候反馈（1980年和2007年）、辐射计算（1996年）、人类世气候敏感性评述（2013年）等。在图2中，给出针对罗斯贝波理论，从理论提出的1940年延续至今QJ刊载的10余篇主要研究论文。

图2 QJ刊发的罗斯贝波相关研究论文（来源：Woollings，2023）

2.2 学科和业务发展的核心：NWP和数据同化

英国气象局（UKMO）学者将对QJ的贡献融入气象科学发展的主旋律——NWP的发展之中（图3），充分展示了以1950年NWP取得成功为“中点”的发展长河中，“上半场”以数据推动和N-S方程等理论应用为特征，QJ在1950年以来的“下半场”中，以发表菲利普斯全球环流模式（GCM）为发端，对NWP多项关键技术的贡献包括：原始方程锋面降水、中尺度雷暴、4D-变分同化、集合预报、UKMO统一模式、对流允许模式、耦合等。

图3 NWP发展的历史节点（来源：Golding, 2023）

其中，2000年QJ发表介绍ECMWF 4D-变分同化的文章（序号18），是最早介绍该主题的研究论文，尤其意义重大。这时因为模式给出了大气状态的完整描述，但误差会随着时间的推移迅速增大；观测提供了对大气状态的不完整描述，但确实给出了更加准确的最新信息。数据同化技术，通过算法的不断改进，将这两种信息源结合起来，产生大气状态的最佳估计。

数据同化有很多方法，例如，最优插值、变分、集合卡尔曼滤波、局部系综变换KF、简化扩展卡尔曼滤波器等，以及上述方法的任何组合。这些方法在理论上是等价的，关键是如何实现并真正能够推动NWP能力的提高。序号18论文的核心是一个物理模型，即该方法的分析是物理的。该方法的引入，极大地加速了卫星辐射观测在NWP中的应用，展示了数据融合带来的巨大力量。ECMWF数据同化技术的发展，代表了世界先进数值预报中心发展的核心关键技术。这篇论文是详细描述ECMWF业务实施4D-变分同化的系列论文之一，业务化后4D-变分同化系统持续不断的升级改进，之后变分与集合结合的混合数据同化技术走向业务，实现了同化框架技术的二次飞跃。

2.3 跟进最新发展：平流层研究和“风神”卫星

QJ高度重视对气象探索和研究新进展的跟踪。例如，平流层直到1902年才借助200个作业无人气球探测被发现，1913年又发现臭氧层。1949年，QJ发表了解释平流层环流的Brewer-Dobson环流研究成果（序号4），之后又在1985年发表了该环流主要机制——位涡的研究（序号15，图4）。这些研究，与平流层臭氧洞、平流层突然增暖、准两年振荡等平流层相关现象及其物理机制研究一道，构成了目前人类对平流层较为全面的科学认知。

图4 对平流层环流最早认识（a，序号4）和目前的描述（b）（来源：Baldwin, 2023）

风神卫星是欧空局地球探索项目系列卫星之一，其携带探测风场的激光雷达探测器，能够给出全球风场廓线分布。这一最新探索性的卫星数据，在2018年8月卫星发射后得到较好的评价，被快速业务化或准业务化。QJ从2005年以来，刊发了17篇与风神密切相关的论文，包括其在ECMWF（2021，2022）、法国气象局（2022）、德国气象局（2023）、加拿大气象局（2022）、NOAA（2023）等气象部门业务或准业务应用研究成果。图5为法国气象局数据同化系统中，2020年4—5月风神数据在减少全球24 h预报误差方面是第三有效的观测系统。从2021年4月开始，QJ编辑“风神”主题专辑（https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)1477-870X.aeolus），持续收集相关论文便于读者阅读。

图5 风神卫星风廓线数据对NWP影响评估（来源：Pourret et al, 2022）

3 结果与讨论

QJ走过的150年，成为全球学者高度认可的反映气象和大气科学及相关领域最新进展的权威窗口。2021年以后，QJ的影响因子快速提升，从之前的不到5达到接近10，凸显了这份历史悠久的期刊，始终保持的学术活力。

QJ是典型的国际化期刊，其刊载的大量具有转折点意义的论文，得到了全球学术界的高度认可。表2给出最近5年（2019—2023年）QJ主要投稿来源按照国家和地区的分布。虽然来自期刊主办国英国的投稿数量最多，但与排在2～4位（占比均超过10%）的中国、美国和印度相比，差距并不大。即使按照大洲分布来看，由于亚洲的中国、日本、韩国学者投稿踊跃，美国、澳大利亚和加拿大等气象强国学者对其也很重视，QJ的“欧洲”特征被模糊。尤其是，来自伊朗、阿根廷和巴西等国家的投稿占据一定比例，是很难得的。

表2 QJ投稿按照主要来源国家和地区的分布

QJ鼓励世界各地学者投稿高质量的文章，作者无需支付任何出版费用，这对于发展中国家学者和依然主要靠兴趣的研究者尤其重要。QJ还受到中国学者的高度重视，近年来不仅投稿和发表论文数量增加（见本期封三文章），还是中国学者引用国际成果最多的来源期刊之一。

深入阅读

Baldwin M P, 2023.The stratosphere.RMetS Quarterly Journal:Celebrating 150 Years, London, 13 September 2023.

Golding B, 2023.Numerical weather prediction: the quest for accurate rainfall forecasts.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.

Haigh J D, 2023.Advances in climate science through the pages of the QJ.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.

Pourret V, Šavli M, Mahfouf J F, et al, 2022.Operational assimilation of Aeolus winds in the Météo-France global NWP model ARPEGE.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 148(747): 2652-2671.

Ross A N, Methven J, 2023.Introduction to the QJ@150 Anniversary Collection.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 149(754): 1541-1545.

Woollings T, 2023.Rossby waves in the Quarterly Journal.RMetS Quarterly Journal: Celebrating 150 Years, London, 13 Sep 2023.