Akio Arakawa. Source: UCLA
日前才知道日裔美籍氣象學家Akio Arakawa (荒川昭夫) 於去年三月過世了 (2021年三月)，享壽93歲。Arakawa在1960年代從日本移民美國，擔任UCLA教授直到退休。他的學生如Wayne Schubert和David Randall都是氣象學大師。
Arakawa應該是我從看papers中，第一個記得並且非常景仰的大氣科學家。我2010年左右讀碩士班時，研究題目是積雲參數化，Arakawan and Schubert (1974, JAS) 是必讀的經典文獻，它提出quasi-equilibrium的概念，也是目前市面上所有質量通量參數法(mass-flux parameterization)的始祖。Arakawa (2004, JClim) 也是經典文獻，回顧了過去，當下，及未來的積雲參數化議題。除了積雲參數化以外，Arakawa另一個廣為人知的貢獻是數值方法，包括Arakawa Jacobian和Arakawa grids，還有跟UCLA教授Yale Mintz發展UCLA GCM。
我從來沒見過Arakawa本人。只記得碩班上高動時，隋中興老師用的是Arakawa的講義。快10年前去UCLA找朋友時，有到Arakawa的辦公室前瞻仰一下。我想我會對雲參數化，或是更廣義的物理參數化感興趣，連帶博士班，博士後都做物理參數法相關工作，未來也想朝這方向繼續努力，完全是受到Arakawa的影響。雖然從沒見過他本人，但從文獻中能夠感受他的精神，憧憬成為那樣的科學家。Akio Arakawa是我的神。
這個系列文回顧一下Arakawa的生平。Part 1講一下他去UCLA之前的經歷，主要參考資料是他的個人回顧 (Arakawa, 2000)，還有美國物理中心 (American Institute of Physics) 對他的訪談 (Edwards, 1997)。Part 2講一下他在UCLA跟Yale Mintz的合作經歷。目前想到這兩個，之後可能還會增加。
Arakawa的生平
Akio Arakawa. Source: unknown.
1927，出生於日本
1950，東京大學物理系學士
1950-51，在日本氣象廳(Japan Meteorological Agency; JMA)的天氣觀測船上擔任觀測員
1951-60，在JMA的氣象研究中心(Meteorological Research Institute; MRI)擔任天氣預報研究人員
1961，東京大學氣象學博士 (D.Sc)
1961-63，UCLA訪問研究員，合作者是Yale Mintz教授
1963-65，JMA研究人員
1965-2021，UCLA大氣與海洋學系教授
2021，在睡夢中過世，享壽93歲
主要獎項
1967 Meisinger award
1977 Carl-Gustaf Rossby Research Medal
1991 Fujiwara Award of the Meteorological Society of Japan
2010 Vilhelm Bjerknes Medal of the European Geosciences Union
Arakawa的少年時代
Akio Arakawa是家裡三兄弟的小弟，父親是營造公司的工人。他的大哥和二哥二戰期間都是軍人，但沒有實際參與到戰爭。戰後，因為大哥英文很好，他在日本旅遊局找到工作，後來跑去美國運通東京分部當經理，又跑去當香港觀光協會的會長。二哥後來上大學和研究所，主修經濟，畢業後從事會計師工作。
雖然Arakawa沒有被徵召入伍，但他國高中時期碰上二戰，學校還是照常上課，不過他隔幾天就必須去工廠和消防隊幫忙，空襲造成火災時還得去救火。他高中時對科學感興趣，特別是近代物理，1947年他進入了東京大學物理學系就讀，是家中唯一唸科學的。
1950年，Arakawa從東大物理畢業。當時，二戰才結束五年，日本還是滿目瘡痍，畢業生幾乎找不到工作。他本來覺得大學所學不夠多，想繼續讀研究所，但是他訂婚了就決定還是先找工作。當時大約有30位物理系畢業生要找工作，但只有3個工作職缺，其中一個缺是日本氣象廳 (Japan Meteorological Agency; JMA)開的。他完全沒碰過氣象學，但想想想說不定氣象學會蠻有趣的，他也想做些應用物理方面的工作，就決定申請JMA的那個職缺。
JMA的職缺需要考試。Arakawa預想應該會考很多氣象學知識，但他壓根就沒學過，於是買了一些書來自修氣象學。他有唸地球物理的朋友也準備申請那個職缺。結果，考試內容完全沒考氣象學，都考數學和物理，大學唸物理的Arakawa佔了很大的優勢，就順利錄取了。
為什麼JMA開的職缺不考氣象學，只考數學和物理？Arakawa說因為JMA不打算把這個位置的人訓練成預報員，他們想把這個人訓練成理論氣象學家，未來能夠帶領JMA前進的人才 (Edwards 1997, transcript p7)。
JMA的人也知道Arakawa是物理背景，對氣象學沒啥興趣。所以，他們決定把Arakawa丟到天氣觀測船上一年，讓他體驗一下劇烈天氣，結果造就氣象學的一代大師。跟他同樣的受害者還有Katsuyuki (Vic) Ooyama，後來是研究熱帶氣旋的大師。
Arakawa的JMA天氣觀測船經驗
Arakawa待的天氣觀測船，是出海後抵達某個定點，進行二十天左右的觀測，然後返航，有點像是海上的移動氣象站。JMA有六艘這樣的天氣觀測船，他待過其中兩艘，如下圖所示： X-RAY (152oE, 39oN; 日本東北邊，離東京約1200公里) 和 TANGO (135oE, 29oN; 日本南邊，離大阪約600公里)。TANGO只有在夏天出海，目的是觀測颱風。Arakawa那一年大概出過六七次的出海觀測任務。
Arakawa待過的天氣觀測船位置。X-RAY(152oE, 39oN) 和 TANGO (135oE, 29oN)。
這些觀測船是海軍的船隻，非常老也非常小，比驅逐艦還要更小。船從日本本島出發，需要三天才能抵達觀測點，回來也需要三天。抵達觀測點後，氣象船就開始做天氣和海洋觀測。船上有約15位天氣觀測員，他們做例行的天氣觀測如紀錄氣壓，溫度，濕度等，還會放氣球做高空觀測，Arakawa說他很喜歡參與這些觀測活動。觀測員們也會繪製和分析天氣圖，做天氣預報，主要為了確定船處在安全的環境。因為關心船的安全，Arakawa開始對氣象學感興趣 (Edwards 1997, transcript p8)。
冬天的X-RAY天氣尤其惡劣。當冷空氣從大陸來到溫暖的海洋，空氣變得不穩定，就產生許多積雲對流。因為大氣基本上偏乾，積雲對流通常不會產生很大片的砧狀雲，他們常常可以從積雲中的縫隙看到藍天。Arakawa說他被這些雲深深吸引，也開始對背後的原理感到好奇。當然，他完全不知道自己未來會做積雲對流相關的研究。
Arakawa的JMA數值天氣研究經驗
Arakawa結束了一年的天氣觀測船任務，要去加入JMA裡頭的部門，但他不知道自己該去哪。當時有兩個選項：一個“connection, statistic, kind of cryometer diagnostics”的工作 (我看不懂這個工作內容)，他一點興趣也沒有。另一個是海洋觀測船任務，量測海洋和底下的海水資料，他也沒什麼興趣。在他不知道該怎麼決定的時候，天氣觀測船上的預報主任建議他去找一下JMA氣象研究中心(Meteorological Research Institute; MRI)的天氣預報研究組主任Hidetoshi Arakawa聊聊 (雖然兩人姓氏都是Arakawa，但沒有親緣關係)。Hidetoshi是個非常傑出的氣象學家，他跟Akio Arakawa說，要不你來我這邊工作？雖然Arakawa知道自己對預報沒有很大興趣，但是MRI是JMA裡頭很適合做科學研究的地方，所以他決定加入MRI。這個決定影響了他的整個職涯 (“This determined the direction of my entire career.”; Arakawa 2000)。
MRI的研究重點是如何改進天氣預報，他們認為大氣相關的理論研究對預報沒什麼幫助，從資料分析中學習改進預報比較有用。因此，Arakawa的第一個工作是跟兩個較資深的研究員做日本附近的鋒面和槽脊資料分析。這些分析全都是手作，沒有電腦可用。連計算機也只有一台手搖式計算機 (我想應該類似於這個影片)，還有一台很拉風的電子計算機。雖然Arakawa知道資料分析很重要，也可以學到很多知識，但他意識到需要了解大氣的行為才能真正的改進預報，資料本身不會告訴你未來會發生什麼事 (Edwards 1997, transcript p11)。
Arakawa的觀點也代表了當時興起，從理論出發來了解大氣的動力氣象學 (dynamic meteorology)，去挑戰從觀測資料分析和經驗來了解大氣，主流傳統的綜觀氣象學 (synoptic meteorology)。給個比喻的話，假如要射一個箭靶，動力氣象學的觀點是先把弓弦的張力，箭的質量，發射角度等等都算好，然後把箭射出去，看看是否中靶。綜觀氣象學觀點是依據過去射箭的經驗，靠感覺調整一下，然後把箭射出去，看看是否中靶。兩者的目標都是中靶 (做出正確的天氣預報)，但出發點很不同。不管是中靶或沒中，都可以作為改進的參考，期望下次一發命中。
Arakawa想從物理和數學理論角度來研究大氣的想法，剛好遇到1950年代氣象數值模式開始發展的時機，主要的領先者是美國和歐洲。日本這邊密切關注最新研究進展，但因為資訊不像現在如此流通，國外的期刊文章通常要等發表後一兩年才會到日本。Arakawa對準地轉概念 (quasi-geostrophy)特別有興趣，也對用非常簡化的模式卻能產出和現實類似的天氣特徵感到十分著迷。MRI也做數值天氣預報的研究，但日本當時還沒有電腦，所以Arakawa和MRI的同仁以Fjørtoft圖解法來進行數值運算，產出許多重要的研究成果。
除了數值模式以外，在1950年代中期，Arakawa開始對大氣環流感興趣，像是為什麼中緯度的盛行風向是這樣，為什麼副熱帶高壓會存在等問題。他對這些大氣長期的統計特徵感興趣，一方面是他覺得了解大氣環流特徵是氣象學最重要的議題之一，另一方面是因為他一直很喜歡統計力學，喜歡一些統計的東西。他除了對理論研究大氣環流感興趣以外，他也關注用實際的流體實驗來研究大氣環流特徵，當時主要是哈佛大學在做這些實驗。
Arakawa對數值模式和大氣環流研究的興奮之情，在看到Norman Phillips (1956) 的文章後，達到最高點。Norman Phillips將一個簡單的數值模式積分了一個月，發現模式模擬出跟現實很接近的環流特徵，首次顯示數值模式可作為工具來用來研究大氣環流。大氣環流的研究在當時的日本並沒有受到太多關注，Arakawa覺得必須讓其他人知道這個重要的研究領域，於是他在日本氣象學會的刊物上，以日文寫了一篇介紹大氣環流研究的文章 (Arakawa, A., 1958: Modern theory of general circulation in the atmosphere)。
1959年，JMA終於買了作為天氣預報用途的電腦，IBM704。當時JMA沒有專業的程式設計人員，Arakawa和氣象同仁們必須自己學習寫程式以及如何使用電腦。當時他們用組合語言，從無到有寫出一個數值氣象模式。後來他們改用Fortran語言來寫模式，但是日本的IBM人員跟Fortran不熟，沒有辦法幫他們試跑模式。幸好當時有個日本學者在美國訪問 (我猜是在普林斯頓高等研究院的Dr. Kanzaburo Gambo)，Arakawa他們就把程式碼寄過去，請他幫忙試跑，執行成功，一點錯誤訊息都沒有！
這時候，Arakawa在JMA工作快十年了，也發表了10篇左右的科學期刊文章。他在1961年拿到東京大學氣象學博士學位 (D.Sc)，他沒有去讀博士班，而是以他的科學貢獻足以獲得博士學位。他說他整個生涯從來沒有修過任何一門氣象學課程，全部靠自修和工作上的訓練。
Arakawa的UCLA機緣
1960年代初期，雖然二戰已經結束了10多年，但日本經濟情況還是很糟，生活條件很差，工作機會很少。Arakawa跟一些年輕日本氣象學家思考移民海外的可能性。後來有10幾人移民美國，他們對氣象學許多領域做出巨大貢獻 (可以參考我之前寫的筆記：東大11人：1950-60年代移民美國的日本氣象學家)。
1960年，東大氣象學系的Shigekata Syono教授在東京主辦了一場數值天氣預報國際研討會 (International Symposium on Numerical Weather Prediction in Tokyo)，幾乎所有當時做數值氣象研究的知名學者都到了，像Jule Charney，Norman Philips，Arnt Eliassen，Edward Lorenz，Hsian-Lan Kuo等，可說是數值氣象領域的全明星會。
Arakawa在研討會上報告他的研究成果，是他第一次有機會出現在國際舞臺。他的報告主要內容是：
”This paper discussed energetically consistent pairs of the vorticity and divergence equations, which include the balanced model (Charney, 1962; Lorenz, 1960) with Charney’s (1955) balance equation; the self-stabilizing effect of a baroclinically unstable wave through the increase of static stability as it develops; and the effect of nongeostrophic effects on frontogenesis.” (Arakawa 2000)
會議結束後不久，UCLA的Yale Mintz教授邀請Arakawa過去進行兩年的訪問研究。Mintz很有野心的想發展一個根據原始方程組的大氣環流模式 (a general circulation model based on the primitive equations)，想邀請Arakawa加入幫忙模式開發。Arakawa對這個機會感到非常興奮，而且這是一個絕佳機會來結合他對數值氣象模式和大氣環流的興趣。於是在1961-63年，Arakawa到UCLA進行訪問研究，他的太太和兩歲兒子也有一起過去。
Arakawa和Mintz的合作過程很精彩，細節留待Part 2介紹。
Arakawa結束在UCLA的兩年訪問後，就回到日本。雖然UCLA有給他口頭offer，不過換簽證需要在美國以外待滿兩年，所以他還是回到日本，並繼續在JMA工作。Mintz非常希望Arakawa回到UCLA，他幾乎每個月都會寫信給Arakawa。
但是，移民國外是個很大的決定。雖然Arakawa很想繼續他跟Mintz的工作，也知道那是他唯一的地方可以繼續那樣的工作，在日本不可能。不過，移民對他家人來說會是很大的改變，尤其是兒子準備上小學，直接進入美國的教育體系。最後，Arakawa接受了UCLA的offer，在1965年全家移民美國，然後待了一輩子。
結語
非常感激美國物理中心 (American Institute of Physics) 在1997年對Arakawa的訪談，還提供了逐字稿。這讓我有機會知道Arakawa人生中的不少細節，尤其是他在不同階段面臨的決定，像是大學畢業後要唸研究所還是找工作; 覺得氣象廳的職缺好像有點意思就丟了; 在天氣觀測船的經驗中開始對氣象學感興趣; 從天氣船回來後不知道自己在氣象廳要做什麼; 工作中開始對數值模式和大氣環流感興趣; 最後發現兩者可以結合，還遇到亦師亦友的Yale Mintz，開啟他光輝的研究職涯; 當然還有選擇移民的重大決定。
雖然我跟Arakawa的成長背景完全不同，但是他面臨的那些決定，我或多或少也遇過。他在做決定前的考慮和掙扎，我也能夠理解。這讓我對他的故事很有共鳴。時代變化很快，但有些東西是不同時代的共通經歷。
參考資料
Arakawa, Akio, 2000: A personal perspective on the Early Years of General Circulation Modeling at UCLA, General Circulation Model Development: Past, Present and Future, D. A. Randall. Ed., Academic Press.
https://www.elsevier.com/books/general-circulation-model-development/randall/978-0-12-578010-0
Interview of Akio Arakawa by Paul Edwards on 1997 July 17, Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics, College Park, MD USA,
www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/35131-1
Climate Policy Watcher - Arakawa Akio 1927
https://www.climate-policy-watcher.org/global-climate-2/arakawa-akio-1927.html
Wiki - Akio Arakawa
https://en.wikipedia.org/wiki/Akio_Arakawa