Sir (Basil) John Mason
by Godfrey Argent
bromide print, 17 November 1967
8 1/8 in. x 6 1/8 in. (206 mm x 154 mm) image size
Commissioned, 1967
Sir (Basil) John Mason CB FRS* (1923-2015)，是雲物理的專家，是英國Met Office 1965-83的主任。在他任職Met Office期間，大氣模式和衛星開始發展，他帶領Met Office抓住這些機會，把Met Office從一個傳統氣象作業單位，變成一個世界一流的氣象研究單位和作業單位，非常的了不起。 (*註: Sir這邊中文翻譯是爵士，是英國表彰各領域有傑出貢獻的人。CB是Companion of the Order of the Bath，FSB是Fellow of the Royal Society，都是科學上極高的榮譽))
給個比喻的話，應該是一間表現還可以的傳產公司Met Office，空降一個年輕有為，魅力魄力執行力兼具的帥氣執行長Sir John Mason，然後帶領公司變成世界十大的科技巨擎，感覺都可以拍偶像劇了@@
這篇文章應該是英國氣象模式發展的系列文第一篇。Part 1 想講一下Sir John Mason在加入Met Office之前的一些歷程，主要參考資料是Browning (2016) 寫的傳記。Sir John Mason在Met Office推動的許多改革，很多都有跡可循，所以我想以他的過去歷程來開始這個系列文。Part 2想講一下Sir John Mason在Met Office期間的多項貢獻及關鍵決策，非常精彩。Part 3打算講一下英國數值氣象模式的發展， 應該也會講一下Met Office的Unified Model。Met Office在二三十年前就意識到應該要用同一個模式來研究天氣和氣候，美國直到近期才開始往這方向前進，可說是落後許多。
首先簡介一下Sir John Maso的生平和獎項。我只列了幾項，完整的請參考Browning (2016)。
生平 (只列部分)：
1923, Born in Dorking, Norfolk, England
1944-46, Commission in Radar Branch, Royal Air Force
1948-1965, Imperial College London (Lecturer in 1948-57 and Professor of Cloud Physics in 1961. The first Professor of Cloud Physics in the world.)
1965-1983, Director-General, UK Met Office
1965–75 Member, Executive Committee of the WMO
1968–70 President, Royal Meteorological Society
1977–83 Member, Executive Committee of the WMO
1985–89 Chairman, International Scientific Committee, World Climate Research Programme
1986–96 President, then Chancellor, University of Manchester Institute of Science and Technology
2015 died aged 91
獎項 (只列部分)：
1963 Companion of the Order of the Bath (CB)
1965 Fellow of the Royal Society (FRS)
1979 Knight Bachelor
2006 Mason Gold Medal established by Royal Meteorological Society (endowed by Mason)
二戰促使的自學能力
Sir John Mason的少年時代到大學時期遇到第二次世界大戰，他十二歲時就有很多老師被徵召上戰場，之後他的學習都是斷斷續續，沒有上過完整正規的課程，他的數學和物理主要都是靠自學。1941年他拿到University College Nottingham的獎學金，主修是生物學，但進入大學後，他轉向物理和數學，因為二戰時急需雷達和訊號分析人才。也因為很多大學講師被徵召上戰場，二年級的Sir John Mason就開始當一年級學生的物理講師。1944年，準備升大三的Sir John Mason被徵召上戰場 (英國大學學制是三年，所以大三就是大學的最後一年)。
Sir John Mason被分配到英國皇家空軍 (Royal Air Force)，而且很快的就被任命為雷達人員。經過六週的受訓後，他被快速的升為飛行中尉 (Flight Lieutenant)，一般來說，需要好幾年的時間才會升到飛行中尉。Sir John Mason的第一份工作是擔任戰鬥機指揮雷達學校 (Fighter Command Radar School) 的主要講師。當時，新的雷達組件才剛到，基本上沒有手冊可以參考，Sir John Mason必須自己去了解這些組件怎麼運作，有時候還是前一天晚上在搞懂這些組件，隔天就要教人。這份工作當然很吃力，但Sir John Mason完美的達成任務，而且他發現這些教學經驗十分珍貴。
之後，他被派到印度和緬甸，然後被派到印尼擔任訊號和通訊主管官 (Officer-in-charge of Signals and Telecommunications)。他當年才21歲，想當然爾，底下的年長資深官兵對他很不友善，有個官兵說直接跟他說 “長官，我有七個小孩，其中五個比你大” ("I had seven children, five of whom are older than you, sir")。Sir John Mason在印尼服役了14個月左右，在那段時間他必須快速的學習如何管理底下的人。
退役之後，Sir John Mason回到原本所在的Nottingham University。但是，他在學期結束前六七個月時才回到校園，如果要準時畢業的話，他必須在這幾個月時間重補一年的教材，而且還得一邊整理他在軍中雷達教學的教材。時間非常緊迫，所以他決定翹掉所有課，全部自己自修，這當然讓學校教授們很不高興。也因為他被軍方徵召了兩年，年紀比其他人大的多，他決定絕對不讓這些小鬼頭打敗他。他準時在1947年畢業，並且是第一名畢業 (first-class honours degree)。他隨後獲得Nottingham University的Shirley Research Fellowship，並開始鑽研表面物理學，預計會繼續攻讀博士學位。但是，他看到一個非常有吸引力的工作廣告，所以他拿了碩士，留下兩篇關於表面張力的papers，然後就離開了。
Imperial College：開始雲物理研究，開始給公眾演講
Sir John Mason看到的工作廣告，是倫敦的Imperial College氣象學系，David Brunt教授張貼的 (就是Brunt–Väisälä frequency的那個Brunt) 。Brunt想找一個做實驗物理的講師，雖然Sir John Mason沒什麼氣象學背景，Brunt在面試時跟他說，你是個有熱情的年輕人，雖然你沒有任何氣象學知識，但你知道你想去哪裡，所以你來的話想做什麼的話都可以。我只跟你說一件事：我很忙沒有太多時間指導你，如果你有好表現，我會完全支持你，沒有的話，我就把你踢出門！
"It doesn’t matter if you don’t know any meteorology. I’m told you are a very strong-minded young man who has got plenty of energy, drive and enthusiasm, and you know where you are going … so you can do anything you like. Come here and you can start from scratch; you can build up and take any branch of atmospheric physics and just get on with it. And if I offer you an appointment and you take it, I’ll tell you just one thing: I am now Physical Secretary of the Royal Society and am getting on … so I don’t have much time to supervise you but if you make a good job of it and you show promise, I will back you to the hilt. If you don’t, I shall kick you out!" (Sir John Mason recalled, Royal Meteorological Society 1985)
Brunt提供的這種極大的研究自由度深深吸引了Sir John Mason，所以他接受了這份工作。他日後回想起來，他不知道沒有指導者，自己做自己的事到底是好還是壞。如果是在厲害的人底下做事，他一定會學到很多，也會深受其影響。但是他可能就在某個大樹陰影下，沒辦法發展自己的獨立性，和走出自己的路。
"I’ve often reflected whether [working on one’s own] is necessarily a good thing. … That has some pros and cons: I would no doubt have learned a great deal and would have been influenced a great deal if I had been under some great man or been in … one of the major schools of physics. On the other hand I may have grown up in their shadow and may not have developed my own independence and [gone] my own way." (taken from Browning 2016)
Sir John Mason開始在Imperial College當講師後，他開始尋找研究主題，想找一個能滿足他對實驗物理的興趣，而且最好不太需要太多氣象學背景知識。他看到牛津大學的G. M. B. Dobson FRS教授的cloud chamber實驗，看到Walter Findeisen的cloud chamber實驗以及用飛機觀測雲，看到諾貝爾化學獎得主，美國科學家Irving Langmuir對飛機積冰的研究，看到Vincent Shaefer的種雲 (cloud seeding)的研究。他覺得這些研究可以串連起來，而且看起來是個準備要發展的領域，於是開啟了他雲物理的研究之路。Sir John Mason的雲物理研究貢獻留到下一小節再談。
Sir John Mason很快就在雲物理領域展露頭角。他的第一篇paper是一篇review paper，講大氣的冰晶核化議題 (Mason 1950: The nature of ice-forming nuclei in the atmosphere, QJRMS)。他的研究成果想必讓老闆David Brunt很滿意，Brunt邀請他在1951年辦在愛丁堡的British Association for the Advancement of Science (BAAS) 的年度會議上，組織一個雲物裡的議程，並叫他當第一位講者。這個會議英國貴族愛丁堡公爵 (Duke of Edinburgh)也會參加，是個全國矚目的大會議。
Sir John Mason的這場演講非常成功，當時他只有27歲，這也開啟了他之後的公眾演講之路。他常常上電台或電視節目談科學 (比方說BBC的The Brains Trust)，有時還會示範實驗。他也常常在英國各地和國外 (通常是美國) 給演講。這些演講收入補足了他不高的講師薪水。那次演講也招到他第一個博士生，John Monteith (FRS 1971)，之後成為Nottingham University的農業科學教授 (Professor of Agricultural Science)。
Brunt於1952年退休，Sir John Mason和氣象學系新主任Peter Sheppard處的非常不好。幸好，他在1956年拿到英國皇家協會的Warren Research Fellowship，讓他可以自由的繼續在系上做研究，不用理會Peter Sheppard的臉色。1959/60年，他受UCLA的Jack Bjerknes教授之邀，到UCLA做了一年的訪問教授，也短暫了指導幾位學生，其中之一是Hans Pruppacher。Pruppacher跟James D. Klett在1978年寫的書，“Microphysics of Clouds and Precipitation”，是雲物理的經典教材。不幸的是，Pruppacher在去年十月 (2020年十月) 過世了。
1961年，Sir John Mason被任命為同校物理系的主任，是個有點意外的升遷。他認為是因為當時英國處在人才流失時期 (brain drain)，英國怕他被美國搶走，所以想用物理系主任這個位置留他下來。同年，Sir John Mason升為雲物理教授 (Professor of Cloud Physics)，是當時快速發展的雲物理領域中，世界第一位雲物理教授。Sir John Mason把他在氣象學系的整個研究團隊搬到物理系來，變成物理系下的第一個獨立分支。他也有教一些大學部的基礎物理課程，後來有些學生加入他的研究團隊，他整個團隊約20人。他的研究團隊有很高的研究生產力，主要因為雲物理是個新領域，加上學生的素質很高，他又能給學生重要而且可行的研究題目，是個難得的組合。
Sir John Mason的研究貢獻：雲物理，啟發未來科學家
這個小節來講一下Sir John Mason的研究貢獻。
他是雲物理的專家，對暖雲，冷雲，雲帶電等過程都有顯著貢獻。他能在複雜的物理現象裡分離出具體的問題。然後設計實驗去回答那些問題，或是測試現有的理論，是個非常厲害的能力。
他是雲物理研究的先驅之一，並鼓舞了無數學生投入這個困難但非常有趣的領域，光是他的學生和與他共事過的人，就有17位後來成為教授，並建立起各自的研究團隊。他的影響力可說是擴展到整個雲物理領域。
Sir John Mason最知名的研究貢獻應該是計算水滴凝結成長的公式，又稱為Mason Equation。
(Source: Wiki)說來慚愧，我學過這公式也記得這公式，但我現在才知道這叫Mason Equation，才知道這是由Sir John Mason提出的。
根據Mason Equation，如果雲滴光靠凝結過程來成長的話，要花很長很長的時間才會長到雨滴的大小，跟現實不符。而且光靠凝結過程，雲滴譜會變窄 (因為dr/dt和1/r成正比，r越小成長越快，r越大成長越慢)，也跟現實觀測到的雲滴譜不符。Mason and Chien (1962, QJRMS)提出因為逸入過程(entrainment)把新的雲凝結核帶到雲中，所以雲滴譜不會變那麼窄，有些大的雲凝結核還可以直接變雨胚 (rain embryo)，加速降水過程。
上面講的過程主要針對沒有冰存在的暖雲 (warm clouds，如晴天的淺積雲)，但有冰存在的冷雲 (cold clouds) 也是Sir John Mason的研究領域之一。他跟學生John Hallett (就是Hallett–Mossop riming process的那個Hallett)， 解釋了冰的凝華核化過程 (Mason and Hallet 1956, Nature; 1957, Nature)，也帶動其他核化過程的研究如接觸核化 (contact nucleation)。他的團隊也證明了自然世界中各種不同形狀的冰晶，可以由不同表面情況下的凝華過程來解釋 (Hallet and Mason 1958, Proc. R. Soc. Lond. A; Mason et al. 1963, Phil. Mag.)。
雲的帶電過程也是Sir John Mason的研究領域之一。在1960年代初期，他就以實驗證明當時絕大多數來解釋雲帶電和閃電過程的機制都不足以產生現實觀測到的結果。他跟學生John Latham想出幾個可能的機制，逐步限縮，最後得到雲內冰晶和軟雹 (graupel)的相互碰撞，是雲帶電的重要機制 (Latham and Mason 1961, Proc. R. Soc. Lond. A)。雖然後來的研究建議雲帶電的主要啟動機制可能是過冷水和冰晶的碰撞，而不是冰晶和軟雹的碰撞，但不損Latham and Mason首先提出的這個機制的重要性。
最後來個小記來結束這小節。這個小節我基本上是直接照抄Browning (2016)上的內容，沒有去看原始的期刊文章，但雲物理有很多複雜的過程和專有名詞 (ex: 核化)，要是沒有對雲物理有點認識的話，這個小節應該就像天書一樣。我不是雲物理專家，但我台大碩士班老闆JP是世界知名的雲微物理和氣膠過程專家，耳濡目染下我對這些雲物理過程和名詞至少還有點印象，沒有忘光光，JP應該會感到有點欣慰吧XD
預告：Sir John Mason, Director-General of the Met Office, 1965-83
Sir John Mason在1965年離開Imperial College，去當Met Office的主任 (Director-General)。在他任職期間，大氣模式和衛星開始發展，他帶領Met Office抓住這些機會，把Met Office從一個傳統氣象作業單位，變成一個世界一流的氣象研究單位和作業單位，非常了不起。
看看他在Met Office的重要決策和歷程，我相信他過去的相關經驗有很大的幫助。
他空降Met Office當主任，當時只有42歲，非常年輕。Met Office是個傳統氣象單位，有很多歷史包袱，有很多資深人員，一個空降的年輕主任，想必遇到許多阻難。但他在二戰時，21歲就擔任通訊部隊主管官，面對一堆不友善的老兵，我相信他當時學到的教訓和管理經驗，直接可應用於此。
他剛成為Met Office主任，就遇到大氣數值模式開始發展，還有隨後的衛星時代。當時應該很難想像這些會改變整個大氣領域和世界，我相信他少年時代和二戰的自學經驗，以及自己決定在職涯初期踏入一個正要發展的雲物理領域，讓他看到模式和衛星的潛力，所以他帶領Met Office很快的抓住這些機會。1970年代成立的ECMWF選擇落腳英國Reading，主要原因之一是鄰近Met Office，可以借重他們在大氣模式的經驗，這完全顯現了Sir John Mason的遠見和整個Met Office的努力成果。
Met Office能如此成功，部份歸因於在Sir John Mason任職期間，大大提升了Met Office在民間的能見度，以及吸引了許多優秀的物理數學人才到Met Office工作。我想這歸因於他之前常常參與媒體節目，常常給公眾演講，從這些經驗中，他學到該如何提升Met Office的能見度，以及提升其在民眾心中的形象。他在Imperial College講課時就吸引了許多優秀學生加入他的研究團隊，他也同樣的吸引了許多優秀人才加入Met Office，投入大氣科學的研究。
Part 2會專門講Sir John Mason和Met Office的故事，敬請期待。
參考資料
Browning, K. A., 2016: Sir (Basil) John Mason CB. 18 August 1923 — 6 January 2015. Biogr. Mem. Fellows R. Soc., 62, 359–380, https://doi.org/10.1098/rsbm.2015.0028.
參考資料
Browning, K. A., 2016: Sir (Basil) John Mason CB. 18 August 1923 — 6 January 2015. Biogr. Mem. Fellows R. Soc., 62, 359–380, https://doi.org/10.1098/rsbm.2015.0028.