[Carl-Gustaf Rossby: Part 3 - 美國氣象局 & 建立航空氣象地面觀測網]
瑞典裔美籍氣象學家Carl-Gustaf Rossby (1898-1957)，是現代氣象學中最具有影響力的人物。Rossby系列文第三篇，來講他從瑞典到美國的頭兩份工作。
第一份工作在美國氣象局，他來宣傳Bergen的極鋒理論和氣團分析方法，以及建造旋轉槽實驗。雖然這兩個工作以失敗告終，但Rossby在氣象局認識了一生的朋友，Francis Reichelderfer，也開始在美國氣象界展露頭角。第二份工作在Guggenheim基金會，適逢當時商用航空的發展以至對航空氣象的需求，Rossby規劃建立加州奧克蘭-洛杉磯航線上的航空氣象地面觀測網，並取得巨大的成功。這也預見了他職涯中不斷建立新事物的成就，例如成立氣象學程和研究單位。
Rossby來到美國短短兩年，30歲的年紀，就已經建立起他在美國氣象學界的聲望。而且，他那時的工作偏氣象作業性質，他最知名的對氣象理論上的貢獻還在後頭。
Rossby系列文前兩篇
Carl-Gustaf Rossby: Part 1 - 簡介, https://yihsuanchen-journey.blogspot.com/2021/12/carl-gustaf-rossby-part-1.html
Carl-Gustaf Rossby: Part 2 - 少年時代, https://yihsuanchen-journey.blogspot.com/2023/06/carl-gustaf-rossby-part-2.html
＊Rossby在美國氣象局的工作
1926年，27歲的Rossby申請到American-Scandinavia Foundation的一年獎學金，渡過大西洋來到美國氣象局 (U.S. Weather Bureau)。Rossby的主要目的是研究動力氣象 (“to study dynamic meteorology problems"; Mundebo 1997)，以及研究能否把挪威Bergen氣象學派提倡的極鋒理論和氣團分析的知識拿來分析美國的天氣 ("to study the application of the polar front theory to American weather."; Byers 1960)。Rossby算是Bergen的第三位傳教士，前兩位是1922年在Bergen學習歸國的美國人Anne Louise Beck，和1924年Bergen氣象學派初始成員之一的Jacob Bjerknes。
當時美國氣象局主要用傳統的天氣圖分析來做天氣預報，Rossbyb認為那樣的方法已經過時，而且沒有包含Bergen提出的新方法。Rossby給了一些課程來介紹Bergen的極鋒理論和氣團分析方法，並強調這些方法在美國天氣預報的潛力應用，但美國氣象局對這些新方法興致缺缺甚至到反對的態度，認為這些新方法趕不上每天兩次天氣預報的作業需求。活力充沛的Rossby對氣象局的行政業務像回電話、寫信、長官交辦事項等也是興趣缺缺，於是，Rossby就被丟到氣象局圖書館的一個小角落 (Bates 1989)。
被丟到小角落的Rossby，開始仔細的研究大氣紊流，並寫了三篇文章，後來發表在Monthly Weather Review上 (Byers 1960)：
C.-G. Rossby (1926). The vertical distribution of atmospheric eddy energy, Monthly Weather Review, 54, 8, 321-332, https://doi.org/10.1175/1520-0493(1926)54<321:TVDOAE>2.0.CO;2
C.-G. Rossby (1927). Convection in the free atmosphere and over a heated surface, Monthly Weather Review, 55, 1, 1-5, https://journals.ametsoc.org/downloadpdf/journals/mwre/55/1/1520-0493_1927_55_1_citfaa_2_0_co_2.pdf
C.-G. Rossby (1927). The theory of atmospheric turbulence-an historical resume and an outlook, Monthly Weather Review, 55, 1, 6-10, https://doi.org/10.1175/1520-0493(1927)55<6:TTOATH>2.0.CO;2
在氣象局裡，Rossby還和一些工程師嘗試去建造一個旋轉槽 (rotating tank) 來研究大氣運動，Rossby的理由和構想可以參照他1926年的文章：C.-G. Rossby (1926). On the solution of problems of atmospheric motion aeans of model experiments, Monthly Weather Review, 54, 6, 237-241, https://doi.org/10.1175/1520-0493(1926)54<237:OTSOPO>2.0.CO;2.
Rossby and a rotating tank. Source: NOAA, https://celebrating200years.noaa.gov/historymakers/Reichelderfer/rossby650.html
Rossby會想建造旋轉槽應該是受到奧地利氣象學家 Felix Maria von Exner-Ewarten (1876-1930) 的啟發。Exner在1917年出版的經典教科書Dynamische Meteorologie (Dynamical Meteorology)第二版中，描述一個轉盤實驗 (dishpan experiments)。盤子裡頭裝滿水，盤子中央有個圓柱筒，裡頭放滿冰塊，代表極區; 盤子邊緣加熱，代表赤道。當盤子旋轉時，裡頭的流體顯現出繞極的波動特徵。轉盤實驗大概如這個影片所示：MIT - Weather in a tank, https://youtu.be/uWdKVpQ94Ns?t=166 (約從2:45秒開始)。
題外話，計算位溫時所需要的參數П稱為Exner function (https://en.wikipedia.org/wiki/Exner_function)，就是以Felix Maria von Exner-Ewarten來命名的
Exner的生平可參考Encyclopedia - EXNER-EWARTEN, FELIX MARIA VON, https://www.encyclopedia.com/science/dictionaries-thesauruses-pictures-and-press-releases/exner-ewarten-felix-maria-von。
Rossby想建一個直徑兩公尺的旋轉槽，槽的高度遠小於直徑，這樣近似二維的轉盤就像是地球的大氣層。旋轉槽裡頭放不同密度的流體，以不同顏色來表示。Rossby希望透過旋轉槽實驗，配上無因次分析 (nondimensional analysis)，從理論上來研究大氣運動 (Fleming 2016, p81)。可惜的是，因為一些技術上的困難，Rossby的旋轉槽並沒有建立成功。要等到20多年後，Rossby在芝加哥大學才成功建立他想要的旋轉槽，這對了解大氣運動有巨大貢獻。
＊Rossby和Francis “Reich” Reichelderfer
Dr. Francis W. Reichelderfer in 1940. Source: NOAA, https://celebrating200years.noaa.gov/historymakers/Reichelderfer/reichelderfer650.html
Rossby在氣象局期間，認識他一生的朋友，Francis “Reich” Reichelderfer (1895-1983)。
Reich出生於印第安納，半工半讀在1917年拿到西北大學化工學士，畢業後加入海軍。當時正逢一次世界大戰，海軍送他去MIT受短期訓練，他選了氣象學訓練 (Namias 1991)。結訓後他被派到加拿大的新斯科細亞省（Nova Scotia)的海軍基地，負責簡報天氣狀況給反潛機飛行員。他覺得需要更多的氣象訓練，於是又去Harvard's Blue Hill Meteorological Observatory受訓。後來，他想成為飛行員，也順利通過訓練成為海軍的飛行員。
Reich在飛行任務中，清楚認識到天氣預報的重要性對飛行員來說是生與死的區別。在一次飛行任務中，Reich的雙引擎轟炸機遭遇一個天氣預報沒有提到的強烈颮線，那個颮線強到友機飛行員Billy Mitchell必須在沙灘上迫降以免飛機解體 (Bates 1989)。當時海軍氣象局和Reich做天氣預報是使用1885年的Abercromby-Weather Bureau cyclonic model (我查不到這是什麼東西)，裡頭完全沒有颮線。他向海軍高層抱怨，他朋友寄給他一篇Jacob Bjerknes在1919年發表的經典文章” On the Structure of Moving Cyclones”，他才首次接觸到Bergen的方法，並自學使用Bergen方法來分析鋒面系統並做預報 (Bates 1989)。他還將他做的許多分析寫成一份較完整的報告，現在稱為The Reichelderfer Papers，收藏於美國氣象協會的總部 (Namias 1991)。
因為Reich在氣象和航空的經驗，他在1922-1928年擔任海軍氣象主任 (Chief of Navy Aerology)，工作地點在美國氣象局，因此認識了Rossby。
Reich比Rossby大四歲，他們兩人是當時美國氣象局極少數對Bergen和氣象學新方法的倡議者 (“We [Rossby and Reich] were about the only ‘activists‘ in the ‘new meteorology’”; Bates 1989)。還有因為Reich主要是自學Bergen方法，遇到實際在Bergen工作過的Rossby，喜悅之情難以言表，兩個人也時常討論 (Bates 1989)。
當時Rossby的獎學金快到期了，美國氣象局似乎沒有打算留下他，要是沒有其他金援和合理緣由，Rossby就必須返回瑞典。Reich知道Rossby的情狀，就介紹他給Harry Guggenheim認識 (Bates 1989)。Harry當時是Danial Guggenheim Fund for the Promotion of Arronautics的主席，這個基金的目標在提升航空學的知識，促進商用航空產業的發展，希望提供安全、可靠、廣泛接受的空運服務 (Fleming 2016, p83)。Harry對Rossby提議從氣象角度改進航空學的方針印象深刻，也願意繼續資助他留在美國氣象局工作，來研究如何改進航空天氣預報。美國氣象局那邊也沒有異議，於是Rossby就繼續留在美國。有興趣的話可以看當時氣象局長C. F. Marvin寫給American–Scandinavian Foundation的信 (Persson and Phillips 2001, Appendix)，希望Rossby能在美國多留一陣 。
Reich和Rossby的緣分還不只於此。Rossby花了一兩年差不多建立起航空氣象地面觀測網的雛型後，當時Guggenheim基金會想在MIT成立氣象學學程，Reich和許多人推薦Rossby去MIT，於是Rossby就去了，建立美國第一個氣象學系，並在MIT待了10年之久。1938年，剛接任美國氣象局局長的Reich邀請Rossby回到氣象局擔任副局長，負責研究和教育任務。他們提供獎學金給氣象局的員工，鼓勵他們去學校進修和進行科學研究 (Namias 1991)。不久後二戰爆發，Reich和Rossby在幾所大學建立軍用氣象人員訓練課程，訓練出幾千位軍用氣象人員，少部分在戰後繼續投入氣象研究。
Reich擔任美國氣象局長長達25年 (1938-1963)，尤其是歷經了二次世界大戰時期。在他任職期間，大力推動數值天氣預報、雷達、衛星、種雲、劇烈天氣等研究，也協助成立了世界氣象組織，並於1951年擔任首任會長。他和Rossby是美國近代氣象學發展的重要推手，也是一生的朋友。
想多了解Riech的生平和成就，可以參考Jerome Namias (1991) 所寫的傳記、wiki - Francis Reichelderfer、Bates (1989)在講Riech和Rossby在1926-40的時期、以及NOAA兩百週年的十大人物中對Riech的簡介 (https://celebrating200years.noaa.gov/historymakers/Reichelderfer/welcome.html)。美國氣象協會有設立The Francis W. Reichelderfer Award，來表彰在氣象作業領域的傑出貢獻。
＊Rossby建立航空氣象地面觀測網
在講Rossby在航空氣象的工作前，先簡單回顧當時的時空背景。
1903年萊特兄弟的飛機試飛成功，再過十多年一次世界大戰爆發，戰時已有飛機投入戰場。戰後，軍方加緊研發飛機，民用飛機大約於1920年代後期開始發展。1926年，美國政府通過世界上第一部規管航空公司的法律，The Air Commerce Act，其中指示氣象局要改進天氣預報讓飛行更安全和更有效率。同年，Danial Guggenheim Fund for the Promotion of Arronautics宣布投入250萬美金來促進商用航空產業的發展 (Fleming 2016, p83)。
1927年，美國飛行員Charles Lindbergh完成獨自駕機飛過大西洋的創舉。他從紐約出發，獨立一人飛到巴黎，花了33個半小時。這個創舉更加速商用航空的發展和熱潮，1920至30年代是航空史的重要年代。
在這樣商用航空開始發展的大環境下，在氣象局的Rossby幫忙提供天氣資料和分析給航空人員，如Richard Byrd和駕駛員Bernt Balchen橫跨大西洋的飛行 (Bates 1989)。然而，一些工作上的小事件讓氣象局跟Rossby徹底決裂 (Byers 1960)。其中一件是剛完成獨自飛行橫渡大西洋創舉的美國英雄Charles Lindbergh，接受墨西哥總統的邀請，計畫在12月中從華府飛到墨西哥市，Lindbergh私下請Rossby幫忙準備天氣預報。Rossby認為那一週天氣不適合飛行，Lindbergh於是在正式記者會上宣布計畫延後10天。這聽起來沒什麼，但報紙報導說氣象局的瑞典訪客Rossby提供天氣預報給美國英雄Lindbergh，並說Rossby是氣象局的首席氣象學家。這個報導讓當時氣象局長C. F. Marvin大為光火，從此禁止Rossby踏入氣象局，連Reich試圖緩頰都沒用 (Reichelderfer 1960; Fleming 2016, p84)。 之後，Rossby就全職在Guggenheim Fund工作。
1927年，Rossby成為剛成立的Guggenheim Interdeprtmental Committee on Aeronautical Meteorology的主席，委員會成員有美國氣象局代表Willis Gregg、美國陸軍代表William Blair、美國海軍代表Reich、美國商業部代表Thomas Chapman等人。這個委員會的任務是促進氣象和航空人員之間的合作，氣象人員提供更完善和更實用的資訊給航空人員。這個委員會也支持氣象科學的研究 (Bates 1989; Fleming 2016, p84)。
1928年，在Reich的強力建議下，Guggenheim資助建立加州奧克蘭-洛杉磯航線上的地面氣象站服務。這是條新航線，氣象局派了年輕氣象學家D. M. Little在航線上建了四個氣象站。這四個站用電報聯通，從早上6點到下午3點半，每一個半小時做一次觀測。這個觀測系統能偵測到航線上的惡劣天氣系統，但要是天氣系統是從別的地方移進航線的話，這個系統可能就失效 (Bates 1989)。
要解決這問題，Rossby認為需要多建一點地面站來涵蓋足夠大的區域。在研究生Horace Byers和其他人的幫助下，他們增設了30個輔助氣象站，這些氣象站有些在加油站、有些在消防局、還有其他地點，因為如此，建這些輔助氣象站並沒花太多錢。Rossby也建議航空公司聘請自己的氣象學家，而不是打電話去問氣象局天氣如何。航空公司聽進Rossby的建議，1929年UCLA畢業生Joseph J. George成為第一位航空公司裡頭的氣象學家 (Bates 1989)。
Rossby規劃建立的航空氣象地面觀測網很快啟用，他也寫了一份詳細的報告來記錄規劃理念 (Rossby 1928)。這個系統成為其他航線建立氣象觀測系統的模板，並擴展到全美國。
這個航空氣象觀測系統的建造工作對Rossby的未來職涯有重大的影響。這是他第一個主導的計畫，並獲得巨大的成功，這也預見了他日後在建立新事物的成就 (“This was Rossby's first significant organizing job, and the successful way in which he handled it foretold the later organizing and promoting successes of his career.”; Byers 1960)。例如，訓練軍用氣象人員的學程、MIT氣象學學程、芝加哥大學氣象學系、Swedish Meteorological and Hydrological Institute等。
＊Rossby的下一站：MIT
Rossby來美國兩年，30歲的年紀，就已經建立起他在美國氣象學界的聲望。他當時的工作還偏氣象作業性質，他最知名的對大氣理論上的貢獻還在後頭 (“...Rossby was an established figure in American meteorology. But, it must be emphasized, this was not because of theoretical contributions.”; Phillps 1998)。
系列文下一篇預計介紹Rossby在MIT的經歷，尤其是他在MIT建立美國第一個氣象學學程的故事，敬請期待。
參考資料
Bates, C. C. (1989). The Formative Rossby-Reichelderfer Period in American Meteorology, 1926–40. Weather and Forecasting, 4(4), 593–603. https://doi.org/10.1175/1520-0434(1989)004<0593:TFRRPI>2.0.CO;2
Byers, H., (1960). Carl-Gustaf Arvid Rossby 1898-1957, National Academy of Sciences.
http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/rossby-carl-gustaf.pdf
Fleming, James R. (2016). Inventing Atmospheric Science: Bjerknes, Rossby, Wexler, and the Foundations of Modern Meteorology, The MIT Press
https://mitpress.mit.edu/books/inventing-atmospheric-science
Persson, A., & Phillips, N. (2001). C.-G. Rossby’s Experience and Interest in Weather Forecasting. Bulletin of the American Meteorological Society, 82(9), 2021–2026. https://doi.org/10.1175/1520-0477(2001)082<2021:CAACST>2.3.CO;2
Phillips, N. A. (1998). Carl-Gustaf Rossby: His Times, Personality, and Actions. Bulletin of the American Meteorological Society, 79(6), 1097–1112. https://doi.org/10.1175/1520-0477(1998)079<1097:CGRHTP>2.0.CO;2
Namias, Jerome (1991). "Francis W. Reichelderfer 1895-1983, A Biographical Memoir" (PDF). National Academy of Sciences.
Reichelderfer, F. W. (1960). The atmosphere and the sea in motion. WMO Bulletin, July: 139-144.
Rossby, C.-G. (1928). Organization of weather service for safe flying on an airway. Trans. National Safety Council, 17th Annual Safety Congress, Vol. 1, 675-686.
History Brief: Charles Lindbergh and the Spirit of St. Louis
https://www.youtube.com/watch?v=nypXkhomHqE