Isaac Held. Photo credit: NOAA.
Isaac Held. Photo credit: Princeton HMEI.
Isaac Held是GFDL最著名的科學家之一，他對氣候科學領域做出了許多貢獻，例如Hadley circulation、深對流、熱帶氣象學、熱帶氣旋、climate feedbacks等。他也在普林斯頓大學培養出一群非常厲害的的大氣科學家，例如David Neelin (1987)、Tapio Schneider (2001)、Dargan Frierson (2005)、Sarah Kang (2009)等。不少台灣學者也是Isaac學術家族的一員，像已故的周佳老師、余嘉裕教授、黃彥婷教授、張瓊尹博士、郭一鴻博士、鍾博婷博士等。Princeton AOS的走廊上放了一張Isaac的學術家族表，以武俠小說來比喻，Isaac像創造少林武學的達摩祖師，自己精通各項絕技，徒弟將學到的招式繼續鑽研，發揚光大，卓然成家。
Issac Held’s academic family. Thanks Dr. B.-T. Jung for taking this photo at Sayre Hall, Princeton University.
我2020-2023年在GFDL做博士後時，跟Isaac有幾面之緣。他當時75歲左右，已經退休了，但每週都會到AOS或GFDL幾天，跟裡頭的科學家或學生討論，他也常常參加演講或是討論會，發表自己的見解，算是退而不休吧。他是一個身材高大的白人，留著落腮鬍，常常戴著一個寬大的牛仔帽。他感覺是個內向的人，講話很小聲。他整個人給我的感覺，還有他在氣候科學領域的貢獻，我覺得「沉靜的巨人」是個很貼切的形容詞，也是這篇文章的標題。
這篇文章筆記一些Isaac的生平和主要的研究貢獻。主要參考資料是Trivedi (2006, PNAS)介紹Isaac的文章，還有他2021年跟Adam Sobel在Deep Convection Podcast的對談。Isaac有寫一個關於氣候科學的部落格 (Isaac Held's Blog)，AOS的學生Cindy發起了一個Isaac部落格文章的討論會，兩週一次，選讀一篇文章並且有人帶討論，從中我學習到很多東西，收穫良多。
＊ Isaac的簡要生平
1948，出生於德國Ulm的難民營。父親是Israel Held，母親是Bertha Blum。Bertha是納粹大屠殺時波蘭集中營的倖存者
1952，Held全家逃至美國，在St. Paul, Minnesota安頓下來。父親Isreal在肉品工廠工作，母親是裁縫師
1956，父親Israel過世，留下妻子Bertha、Isaac和哥哥Herman
1969，物理學士，University of Minnesota
1971，物理碩士，State University of New York at Stony Brook (now Stony Brook University)。指導教授是1957年諾貝爾物理獎得主，中國理論物理學家楊振寧
1974，結婚，太太是Joann Held，之後育有一子 Joshua
1976，博士，Atmospheric and Oceanic Sciences, Princeton University。指導教授是2021年諾貝爾物理獎得主，日裔美籍氣象學家Suki Manabe
1976-1978，Research Fellow in Climate, Harvard University
1978-2019，Research Scientist, Senior Research Scientist, head of Weather and Atmospheric Dynamics Group, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory/NOAA, Princeton, NJ
2020-present，Senior Meteorologist, Program in Atmospheric and Oceanic Sciences, Princeton University
＊ Isaac的學術獎項 (部分)
1987: Meisinger Award, American Meteorological Society: “outstanding contributions to the study of climate dynamics through studies of energy balances and wave dynamics”
1999: Department of Commerce Gold Medal, “for world leadership in studies of climate dynamics”
2003: Elected to the United States National Academy of Sciences
2005: NOAA Presidential Rank Award
2008: Carl-Gustaf Rossby Research Medal, American Meteorological Society, for “fundamental insights into the dynamics of the Earth’s climate through studies of idealized models and comprehensive climate simulations”
＊ Isaac的學術職涯
Isaac從小就在數學展現興趣和天賦，上大學時也對數學很感興趣。大二時他修了量子物理，覺得非常有趣，也對能把數學應用在現實世界的問題感到很有意思，於是決定從數學轉向到理論物理。大學畢業後，他去Stony Brook University跟中國物理學家楊振寧攻讀理論物理。當時正是越戰期間，Isaac也有被徵召，但不知原因為何，他體檢沒通過，所以沒有被抓去當兵。當時校園有很多反戰的抗議活動，Isaac也有參加。
Isaac在理論物理方面表現不錯，對統計力學更是很有興趣，但他不知道做這些有什麼意義，他也無法向家人或朋友解釋他的研究工作 (‘‘I was working on some very theoretical things in physics, which weren’t easy to explain to people, or even to myself, frankly, why they were important.’’; Trivedi 2006)。也因為當時反越戰的氛圍，他開始思考做其他對社會更相關的問題 (“a little more relevant”; Trivedi 2006)。
他去圖書館找了紊流、電漿物理、大氣與海洋方面的書來讀，也注意到全球暖化的議題。他讀了Man’s Impact on the Climate (1971, MIT Press)，這份報告被視為是第一份評估人為活動造成氣候變遷的報告，他覺得全球暖化是很有挑戰性的問題，對社會也很重要 (‘‘I thought it was a challenging problem and understanding it really had importance to society.’; Trivedi 2006)。
在那份報告中，Suki Manabe寫了一個章節描述用數值模式來模擬地球氣候 (‘‘Estimates of Future Change of Climate Due to the Increase of Carbon Dioxide”)，Isaac覺得不需要完全理解複雜的大氣紊流就能模擬氣候，很有趣同時也很合乎邏輯。後來他去拜訪普林斯頓大學，因為裡頭有普林斯頓電漿物理實驗室 (Princeton Plasma Physics Laboratory; PPPL)和美國大氣海洋總署的地球物理流體動力實驗室 (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory; GFDL)，一趟就能跟做電漿物理和大氣海洋物理的科學家聊聊。他覺得GFDL比PPPL友善，也有跟Manabe和很多科學家聊到天，也覺得大氣海洋比電漿更有趣。當時普林斯頓大學跟GFDL剛合作開設地球物理流體力學學程 (Geophysical Fluid Dynamics Program; 現在的大氣海洋學程Program in Atmospheric and Oceanic Sciences)，於是Isaac在Stony Brook拿到物理碩士後，就來到普林斯頓攻讀地球物理流體博士。
Isaac一開始的指導教授是Joseph Smagorinsky，後來漸漸轉變成Suki Manabe。Isaac很欣賞Suki看待氣候系統的觀點，很直觀，有時候還覺得很跳 (handwaving)。Suki不大管Isaac，讓他自由做他想做的東西，他們也沒有共同發表過paper。Isaac說是有點可惜，但說不定是雙方的個性使然，Suki和他都喜歡全盤掌握一個研究計畫的進展，所以變成Suki做他想做的東西，Isaac做他想做的東西。Isaac也開始建立自己的研究方向，因為他的統計力學背景，他對氣候研究比較感興趣，對數值天氣預報就沒什麼興趣。
Isaac的博士研究主題之一是了解地球風場的決定機制，像為何熱帶吹東風，中緯度吹西風。Isaac提出因為Rossby wave造成的角動量輻合，造成中緯度地面吹西風。他的工作引起了知名數學家和大氣科學家MIT教授Edward Lorenz的注意，Lorenz還聯絡Isaac討論這個工作。這對年輕的Isaac是個很大的鼓勵，他覺得能對領域做出貢獻 (“He [Lorenz] told me in person that he really enjoyed it and that was pretty encouraging to me. After that, I felt that I really could do something important in this field. I could make a contribution.”; Trivedi 2006)
Isaac博士畢業後，去哈佛大學做了兩年博士後。在思考之後的職涯時，他想使用和玩模式，所以想去模式中心，而且模式中心有比較充足的計算資源。他去了NCAR和幾個地方訪問，覺得GFDL還是最適合他的地方，而且當時公務員的薪水也不錯，最後在Joseph Smagorinsky的邀請下，他回到GFDL，並在普林斯頓開課教學，開啟他璀璨的研究職涯。
Suki Manabe (left) and Issac Held (right), 2021. Photo credit: Gabriel Vecchi
＊ Isaac的主要研究貢獻
- Hadley Cell
Hadley Cell是很重要的大氣環流特徵，熱空氣從赤道上升，到達大氣層頂後，向南北傳送到副熱帶地區，然後下沉，再回到熱帶。Isaac問了一些很基本的問題：為什麼Hadley Cell只到副熱帶而沒有繼續向極區移動，也沒有更早停下來？為什麼Hadley Cell停在南北緯30度左右？ (‘‘One of the big questions is why does it go to the sub-tropics? Why doesn’t it just keep on going? It sort of stops at about 30° latitude and subsides and then returns. What determines that latitude, or why doesn’t it stop sooner?”; Trivedi 2006)
他在哈佛做博後時開始研究這些問題，跟研究生Arthur Hou發表了一篇經典文章：Held and Hou (1980, JAS): Nonlinear Axially Symmetric Circulations in a Nearly Inviscid Atmosphere。Held and Hou (1980)提出一個簡單模式來解釋Hadley Cell的寬度是由地球的旋轉決定，而不是傳統觀點的大氣靜力不穩定度，他們提出的模式被稱為Held-Hou model。Isaac把這個研究工作的根本idea歸功於博士後同事Ed Schneider，也想把他們提出的模式改名為Schneider-Held-Hou model，但無功而返。
- Stationary waves & storm tracks & global warming and the Sahel
此後，Isaac做了不同方向的研究，例如：
1980年代，Isaac做了一系列的研究探討地形造成的大氣駐波 (stationary waves)，探討青藏高原、洛磯山脈、海陸分佈等對駐波特徵的影響。
1990年代，Isaac開始研究中緯度氣旋路徑 (strom tracks)，還有一些熱帶氣象的研究。
2000年代，Isaac也開始做些全球暖化的研究，尤其是探討非洲Sahel地區，1950-80年代長達30年的乾旱原因。
- Model hierarchy
Isaac主要做理論和理想模式，但他所處的GFDL是發展複雜的氣候模式。他很清楚理想模式和複雜氣候模式各有各的優缺點，兩者應該要互補，而不是各做各的，他覺得那很不健康 (‘‘I think the gap is affecting the sociology of our science because there are different groups of people doing the theory and the comprehensive models, and they don’t talk to each other much, which is unhealthy”; Trivedi 2006)。
Issac也認為做理論可以關在自己的辦公室做，但要是理論研究結果無法影響複雜氣候模式的發展，研究結果的影響力就很有限，所以他希望能聯繫理論工作和複雜氣候模式，讓兩者能相輔相成 (“So you can be doing theory in a little corner of your office, but if you are not having an impact on these simulation models, you are not having an impact on the application of your science. So if a gap develops between the theoretical work and the high-end simulations, then that really concerns me because I feel like I’m not influencing applications. I want to help fill that gap for the rest of my career.’’; Trivedi 2006)。
因此，Issac提倡模式的分級制度 (model hierarchy; Held et al. 2005, BAMS)，覺得氣候模式應該要從最簡單的模式開始，逐漸增加複雜度，並且可以追溯。他給的類比是生物研究，生物學從細胞開始理解，然後到果蠅、老鼠、靈長類生物等。他的model hierarchy的概念也深深影響了GFDL和學生，假如聽到model hierarchy，我想十有七八是GFDL或是普林斯頓的人。
- 小結
Isaac的研究廣度和深度十分令人佩服，Deep Convection Podcast的主持人也是跟Isaac共事過的Adam Sobel給了一個很好的總結，他說Isaac做很困難且重要的問題，他對科學的態度始終如一，而且當他開始研究新的課題時，同時也會關注以前做過課題的進展，Isaac研究的廣度、深度、和貢獻度，十分令人敬佩。 ("How many times he [Isaac] started work on a new problem while at the same time keeping up his steady progress on problems he'd been working on before? His breadth and intellectual courage in branching out, and yet his persistent long term focus on difficult problems are both things many of us could learn from. But maybe what distinguishes Isaac most beyond the volume of his contributions or their quality or influence, remarkable though all those are, is the thoughtful, philosophical, and principled approach he takes to science.” by Adam Sobel)
＊ 後記
因為要寫這篇文章，才比較仔細查了Isaac的研究貢獻，真的十分令人佩服。他對科學研究的觀點和切入點，深深影響了GFDL和學生們，在研究上和教學上有如此成就的科學家，相當令人敬佩。
＊ 參考資料
Trivedi, B., 2006: Profile of Isaac M. Held. Proc. Natl. Acad. Sci., 103, 2012–2014, https://doi.org/10.1073/pnas.0511071103.
Deep Convection Podcast, Episode 1: Isaac Held, APRIL 12, 2022. Host: Adam Sobel. https://deep-convection.org/2022/04/12/episode-1-isaac-held/
Isaac Held's Blog, https://www.gfdl.noaa.gov/blog_held/1-introduction/