从民间科学爱好者到气候变化研究的先驱—卢克·霍华德 　　任舒展 　　一 引言 　　人类活动所导致的气候变化对人类的生产活动和生存环境产生了巨大的影响。 大规模毁林造田和城市化建设极大地改变了地表和空气之间的水汽和热力交换， 从而影响局地气候。通过长期的观测和研究，科学家发现长期向大气排放温室气 体会导致全球大气温度的逐年增加。气候模式的模拟结果表明如果温室气体的排 放规模得不到有效的控制，全球的平均温度将升高1.5度。这种全球增暖会导致 许多灾难性的后果。南极冰川的融化导致全球海平面高度升高， 进而导致沿海 城市被淹；逐渐消失的高山冰川会大量减少主要江河的水量；干旱，洪水和大暴 雨等极端气象事件发生的频率和强度将会增加；地表植被以及生物多样性也会因 为全球气候变化受到影响。 　　正是由于这些巨大影响，全球气候变化引起了极大的关注，成为当今世界中 一个最热门的话题之一， 频频出现在新闻媒体头版和西方国家政府选举的辩论 之中。气候变化也成为各个国家和国际组织重点研究项目。2021年，诺贝尔奖评 委会第一次将物理学奖颁给了气候研究领域的科学家Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann，表彰他们对了解气候变化机理以及人类活动如何影响气候所作出的 奠基性的贡献。这次颁奖会更进一步促进人们对全球气候变化的关注。 　　气候变化是气候系统对人类活动响应的长时期缓慢积累的结果。相比于气候 系统的自然变化， 这种响应的幅度很小。因此，要区分这二者，对气候系统进 行长期精确的观测必不可少。很少有人知道， 两百多年前一位居住在英国伦敦 的科学爱好者就开始对伦敦地区的气候要素进行系统观测。通过对伦敦市中心和 郊区的长期大气温度数据的比较，他第一次用定量的结果清晰地揭示了城市化对 气候的影响。他就是本文要介绍的气候变化研究的先驱----卢克?霍华德 （Luke Howard）。 　　二 霍华德对气候的观测工作 　　霍华德于1772出生在英国。他所处的时代正是科学在英国蓬勃发展的时代， 出现了像牛顿， 法拉第， 达尔文，马克斯威尔等科学巨匠。科学知识在民间广 泛传播使得市民探索自然界的兴趣日趋高涨。涌现了很多民间科学爱好者。他们 纷纷成立各种民间科学社团，闲暇时探讨感兴趣的科学问题。霍华德就是这些科 学爱好者中杰出的一员。 　　霍华德从小就对大气中发生的各种现象感兴趣。这种兴趣伴随他的一生。他 年轻时所受的职业培训是与化学制造有关。之后在制药业工作。1794年他在伦敦 市中心创办了自己的制药公司。繁忙的工作并未减少他对气象的兴趣。他从1806 开始，对大气温度，气压，湿度，降水和水汽蒸发等气候要素开始了长达25年连 续观测。 　　英伦三岛四面环海，天气变化频繁。英国人比较内向，不善与人交谈。由于 天气影响人们的日常生活，成了为数不多的大家都感兴趣的话题。然而由于当时 没有天气预报，人们在谈论大气温度在白天和夜晚，不同月份 以及不同年份之 间的差别时往往以自己的主观感受或者模糊的记忆为根据。霍华德认为只有对气 候要素进行定量观测，才能客观了解气候变化。这些观测也可以应用于农业和航 海。他相信长期通过对长期积累的气候数据的分析可以建立一种理论用来更进一 步了解气候变化。 　　在霍华德生活的年代，气象学有了一定的发展。这得益于风向仪，气压计， 温度计， 雨量器等气象观测仪器的不断完善。尽管如此，霍华德对与观测仪器 相关的测量误差始终保持清醒的认识。他对使用的各种仪器都有很细致的描述。 对仪器因使用时间长引起的功能衰减，以及仪器零件的更换都进行了记录。另外 他对置放仪器的位置，高度及周围环境对观测的影响也十分注意。例如，他将温 度计放置在离房屋较远的地方，避免房屋内的热气影响观测值。风向仪放置在开 阔的地方， 以防附近的高的植物或建筑物改变风向。这些严谨的措施不仅保证 了观测数据的精确性，也使他能够判断其它来源的数据的准确性。他根据自己的 观测经验和观测数据发现了由皇家学会观测的年平均降雨低于实际值， 并指出 误差的原因是量雨器放置过高所致。 　　对于观测数据的处理，霍华德集中于极端记录的平均值和气候平均值。 虽 然极端天气事件发生的频率低， 但对人们的生产生活造成极大的影响。因此对 这些现象的记录有很大的价值。长时间的气候平均值消除了极端天气事件的影响， 更能反映气候的变化规律。 他用每天的观测的最大值和最小值的平均作为每日 的平均值。然后用日平均值去构造月平均和年平均值。 　　霍华德不仅仅是一个气候观察者和记录者，同时他也是一个积极的科学探索 者。在积累观测数据的同时，他也探索不同气象要素的气候平均值之间的联系。 他分析了在不同季节里大气中水汽蒸发和温度以及风向的关系。他也探索了月亮 相位对大气压，气温，风向和降雨的影响。 由于水汽蒸发和凝结对云的形成和 消亡起着重要作用，霍华德做了很多实验来确定在100 摄氏度以下蒸发量和温度 的关系。 　　三 科学倡导者和传播者 　　霍华德是一位科学倡导者。他认为人们完成了公民和宗教的义务后，应该利 用闲暇时间参加科学和艺术活动。科学研究的目的就是了解自然，为国家和全人 类做出有价值的贡献。他也是一位积极的科学传播者。除了观测工作外，他还参 加各种科学社团举办的科学和哲学讨论，将自己的研究结果写成文章后向杂志投 稿， 以及通过演讲向民众传播天气方面的知识。他的七篇关于气象的演讲报告 汇集成册后成为第一本天气方面的教科书。他的重要著作《伦敦气候》包括了他 在云物理和气候领域的研究成果。由于该书的内容对研究一般的天气和气候问题 都适用，被视为城市气候学的第一本教科书。该书的第一版于1818 出版， 第二 版与1833 年出版。在2016年，国际城市气候协会出版了该书的第三版。 　　四 霍华德两大贡献： 　　霍华德生活的时代，欧洲不同的地方有气象爱好者独立地进行观测。霍华德 认为对气象要素记录以及相关描述时应该采取统一规范的术语。这样即方便不同 来源的数据的相互比较和印证，也利于观察者之间的交流。基于这些需要，霍华 德在拉丁文的基础上给出了云在形成， 增长和消亡过程中的形态类型的定义和 具体描述。这些定义包括：卷云，积雨云，层云以及它们的混合形态。他还利用 当时已有的气象知识解释了各种形态的云形成的原因。霍华德这些工作奠定了云 物理的研究基础，被誉为云物理研究的教父。 　　霍华德另外一项贡献就是揭示了城市化对城市气候的影响。由于他的观测在 每一段时期内局限于伦敦郊外一个特点地点，获取的数据需要和周围其它地方的 观测数据对比才能验证数据的精度。正好皇家学会在1789年在伦敦市中心的 Somerset House 设有一个气象观测点。霍华德先是用设在在离市中心3.5英里的 Plaistow观测站的三年（1807-1809）气温的年平均值和皇家学会的30年的气温 年平均值比较。发现前者比后者低了1.76度。他又用设在Stratford 观测站的三 年（1810-1812）气温年平均值和皇家学会同期观测值比较后仍然发现前者比后 者低1.469度。随后四年（1813-1816）在伦敦市北面的Tottenham Green观测到 的气温平均值也低1.508度。霍华德进一步比较了伦敦郊区和市区1807到1816的 逐月平均气温。他发现郊区每月的平均气温也比城区低。这种现象后来被称为 “城市热岛效应”。霍华德能发现这种远小于温度本身的温度差异得益于他严谨 的态度和观测方法。同时也得益于他采用的气候平均的分析方法。如果他仅仅着 眼于温度的逐日或者更小时间尺度上的变化，城郊之间微小的温度差就会淹没于 气温的变化之中。 　　作为一位积极的科学探索者，霍华德没有满足于发现“城市热岛效应”。他 还思考了“城市热岛效应”背后的原因。他认为有如下四个因素导致“城市热岛 效应”， 包括：由人类活动产生的热源，尤其是冬天取暖产生的热；城市峡谷 对太阳辐射的阻挡和截留; 城市建筑物对风的阻挡作用；由于路面的硬化导致城 市水蒸发的减弱。 　　人们很早就注意到人类活动对局地气候的影响。早在古希腊时期 Theophrastus 就发现当沼泽地干枯后，霜冻更容易发生。当森林被砍伐后，当 地的温度就会升高。文艺复兴时期的学者开始思考森林砍伐，灌溉和放牧对局地 气候的影响。霍华德第一次用观测数据定量地展示了城市化对城市气候的影响。 霍华德发现的“城市热岛效应”及其原因的阐述被后来更精确，覆盖率更高的观 测以及高精度的数值模式结果所证实。基于这个贡献，霍华德被誉为气候研究的 先驱之一。他也获得了同行能得到的最高荣誉：成为英国皇家学会会员。 　　五 城市气候的研究现状 　　在霍华德生活的时代，英国伦敦城市化加剧。从1800-1830， 人口从一百万 增加到一百五十万。霍华德的工作正是反映了这段时期城市化对城市气候的影响。 在那之后，全球的城市化进程步法加快。到了1960年中期，伦敦的人口已经增致 八百五十万。现在全球50%的人在城市居住。随着城市人口和建筑物密度的增加 以及城市内人均能源消耗的不断提高，“城市热岛效应”日益明显，因此受到社 会的广泛关注。与之有关的研究不断增加，相关的研究文章的数量呈指数增长。 　　现在除了用精度更高的观测仪器和覆盖更广的观测网的数据来测量”城市热 岛效应“外，高分辨的数值模式也广泛地用于“城市热岛效应”的研究。由于数 值模式中包括了对城市建筑物高度和街道宽度，城市峡谷表面的反照率和建筑材 料的热力性，以及由汽车、空调、冰箱产生的热源等因素的描述，模式模拟的结 果可以刻画城市内温度，风场，湿度，降雨的时间和空间演化。 这些结果证实 “城市热岛效应”不但出现在月和年的时间尺度上， 也出现在天的尺度上。在 更小的小时的尺度上，“城市热岛效应”大多出现在夜间和凌晨。而在下午，由 于建筑物对太阳辐射的遮挡，城市内部温度会低于郊区的温度。这种“城市冷岛 效应”通常发生在大城市的夏季。数值模拟的结果也被用于分析影响“城市热岛 效应”的每个因素的贡献。这些高精度的模拟结果对城市规划中缓解城市热岛效 应和减少能量消耗的方案提供了重要的科学依据。 　　六 从霍华德的贡献看民众科学素养的重要性 　　作为一名科学爱好者，霍华德之所以能取得如此卓越的科学成就，和当时英 国民众爱好科学的浓厚氛围分不开。他所处的时代正是各种新的科学理论不断涌 现， 并向民间传播的时代。刚刚兴起的工业革命极大促进了生产力的发展。生 活水平的提高使得市民，尤其是专业人士有闲暇成立科学社团，探讨，学习和交 流各种科学知识。 　　英国市民的这种对科学的热情一直延续至今。笔者曾经在英国剑桥大学理论 物理和应用数学系工作过一段时间。期间适逢校园开放日。大学内平日清静的的 大街小巷那几天都是人流如织，很多都是扶老携幼的一家人。面带兴奋表情的人 们从一个系到另一个系参观，去学术会议大厅听科普报告。我所在系的那次报告 是关于南极臭氧洞的形成原因和对人类健康的影响 ——又一个人类活动影响大 气的例子。 　　对科学的爱好促使了民众积极支持政府制定的科技发展政策，增加了人们对 大学和科研机构提供私人捐款的热情。更重要的是有大批热爱科学的年轻人走进 校园学习科学知识。毕业后，这些年轻人成为大学，科研机构和高技术企业的新 鲜血液。这种民众和科研机构和大学之间的良性互动成为成为英国科学发展长盛 不衰的动力之一。 　　霍华德年轻的时候并未受过科学方面的专业训练，他也从未声称自己是科学 家。对科学真诚的爱好促使他不断学习新的科学知识，深入思考气候问题， 以 及兢兢业业地进行长期的气候观测工作。反观国内的一些所谓的“民间科学家”， 学了点初级数学就敢凭几页纸的证明号称攻克了像“哥德巴赫猜想”这样的数学 难题；懂点基础物理就敢宣称推翻了被无数实验证明了的相对论和量子力学。更 有一些“民间科学家”或宣称造出了永动机、或能使水变油、或能将熟鸡蛋变为 生鸡蛋等等。在这些人身上人们看到的不是追求科学的精神，而是追名逐利的欲 望。可悲的是，这些伪科、反科学的闹剧却受到了一些媒体的追捧和大肆报道。 有些“民间科学家”甚至因为反科学的“杰作“还获得政府的资助。如果全民的 科学素质得不到提高， 这些荒唐的闹剧就会一幕又一幕不停地在全国各地上演。 整个国家的科学水平和创新能力也不会得到真正的提高。 　　2021年10月29日于加拿大安省旺市