Carl-Gustaf Rossby. Photo credit: MIT Museum. https://webmuseum.mit.edu/detail.php?module=people&type=related&kv=17112
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系列文第四篇，來講他1928-39年去麻省理工學院 (MIT)，在剛成立的氣象學學程當教授的經歷。
在MIT，Rossby充分展現他在研究和教學上的才華，是系上的靈魂人物。他的研究面相既深且廣，涵蓋熱力學、大氣紊流、海洋環流、大氣環流等範疇，發表了許多經典文獻，包括著名的羅斯貝波 (Rossby Wave) 方程式。他教學認真且熱情，更重要的是激發學生和同事的創意，深受學生和同事的愛戴。他在MIT指導的學生之後都取得極高的成就，包括Horace Byers、Harry Wexler等人。
之前寫的Rossby系列文：
Carl-Gustaf Rossby: Part 1 - 簡介
Carl-Gustaf Rossby: Part 2 - 少年時代
Carl-Gustaf Rossby: Part 3 - 美國氣象局 & 建立航空氣象地面觀測網
＊Rossby到MIT
Carl-Gustaf Rossby in 1933. Credit: Kerry Emanuel: A Brief History of Meteorology and Oceanography at MIT, https://texmex.mit.edu/pub/emanuel/Powerpoint/PAOC_history.pptx
Rossby在1926年從瑞典來到美國氣象局 (U.S. Weather Bureau) 工作。當時美國大學的氣象學課程是由地質或地理系所來教，比較偏向背誦，而不是強調氣象學的物理和數學原理，也就是所謂的動力氣象學。氣象局長Charles F. Marvin認為大學應該要開動力氣象學課程，MIT對此應該有興趣，而Rossby是教動力氣象學的不二人選。於是他在1927年四月寫了一封很強的推薦信給MIT校長Samuel Wesley Stratton，信中提到Rossby在氣象學的理論和實務方面都受過很優良的訓練，他想不到有誰比他更適合教動力氣象學 (“he [Marvin] knew of no young man, whether in this country or abroad, better equipped to teach meteorology as it should be taught”; Fleming 2016, p87)。他還提到氣象局想把Rossby長期留下來，不過因為Rossby不是美國公民，所以無法 (Fleming 2016, p87)。
MIT校長Samuel Wesley Stratton收到信後，對在MIT開設動力氣象學課程頗有興趣。他回信問Marvin說Rossby的薪水和預期職位，不久後他剛好在華盛頓DC遇到Rossby，並留下很好的印象。Stratton在想MIT可以用氣象學講師的職位來聘Rossby (Fleming 2016, p87)。
Rossby覺得去MIT是很好的機會。當時他拿到了Guggenheim的職位 (請參考Part 3)，於是在1927年七月告訴Stratton說他在另一個單位拿到職缺，希望MIT有什麼消息的話能盡快通知。然而，Stratton的回覆讓Rossby失望了。Stratton說他本來希望在物理系底下開動力氣象學，但物理系有其他更迫切的需求，所以暫緩。Statton認為動力氣象學比較像奢侈品，而不是必需品 (“a little bit like a luxury rather than a necessity”; Fleming 2016, p87-88)。
Rossby想必對無法去MIT感到失望。幸運的是，一年後情況就不一樣了。
美國海軍希望MIT為海軍士兵開設航空氣象學課程，促使Stratton決定開一個新的氣象學程，並從軍方和Guggenheim獲取經費來開設這個新學程和聘用Rossby。經過一番快速協商後，MIT以副教授的職位聘Rossby，並提供研究經費和設備費用等。1928年9月7日，Rossby開始在MIT上工，並待了11年 (Fleming 2016, p88)。
＊Hurd Curtis Willett
Hurd Curtis Willett in 1933. Credit: Kerry Emanuel: A Brief History of Meteorology and Oceanography at MIT, https://texmex.mit.edu/pub/emanuel/Powerpoint/PAOC_history.pptx
Hurd Curtis Willett (1903-1992) 是Rossby在MIT招來的第一個同事。這一小節介紹一下Willett的生平，主要參考資料是Nielsen (1993)。
Hurd Curtis Willett出生於Providence, Rhode Island。他的名字Hurd並不是常見的美國名字，Hurd是他媽媽Mabel娘家的姓。他的父親Allen Willett在他出生前不久剛拿到哥倫比亞大學的博士學位。
Hurd Willett的童年在匹茲堡附近的Elfinwild, Pennsylvania的小農場長大。他跟相差一歲半的弟弟Edward從一到八年級都是在家自學。一天上課2-4小時，幫忙完家務後，就是兩兄弟的自由探索時間。Hurd從小就對天氣很有興趣，九歲時就在他的小日記本上紀錄冬天暴風雪和氣溫。十歲時，他在日記本上寫說他長大後想當天氣人員 (“In 10 years, 1 week, and 3
days, I will reach my majority. When I grow up, I want to be a weather man."; Nielsen 1993)。
Hurd Willett17歲時去參觀美國氣象局，說那是他人生最幸運的時刻，因為遇到了Charles F. Brooks和Walter J. Humphreys。Charles F. Brooks幫他報名成為美國氣象協會的創始會員，Walter J. Humphreys告訴他如果想從事氣象工作，不要去上大學所開的氣象學課，專心把物理和數學學好，然後到George Washington University跟我學氣象學 (“Young man, if you are really interested in this profession, keep completely away from any of the so--called meteorology classes being offered by any college in this country. Study math and physics instead, and when you are through, come down to George Washington University and study meteorology with me.”; Nielsen 1993)。
Willett一字一句地遵照Humphreys的建議。他去唸普林斯頓大學時主修科學和數學，在1924年拿到學士學位。他也精通外文，例如希臘文、拉丁文、法文、和德文，後來還加上了北歐文、西班牙文、和俄文，因為他想能夠讀懂所有最前端的研究 ("to be able to read all of the latest research."; Nielsen 1993)
Willett大學畢業後到氣象局工作，當普通的天氣觀測員。他傍晚工作，白天跟Humphreys學習。1926年在氣象局他認識了Rossby，對Rossby熱情推廣極鋒理論和建造旋轉槽實驗印象深刻 (Willett 1958)。Rossby也對Willett有很好的印象，因為他的預報能力以及他跟Humphreys學習大氣物理。Rossby還成功幫Willett爭取到Guggenheim Fellowship的資助，讓他去挪威的Bergen學習極鋒理論。1927年，Willett去Bergen待了10個月，並去巴黎和柏林各一個月跟預報員學習用Bergen的方法做天氣預報。
1928年，Willett返回美國氣象局，並在隔年 (1929) 在George Washington University拿到氣象學博士，他的論文題目是 "The Forecasting of Haze, Smoke, and Fog"。雖然他有了Bergen的訪問經驗和博士學位，在氣象局還是做天氣觀測員的工作。
Rossby去MIT後，就問Willett要不要過來。當時氣象局長C. G. Marvin跟Willet說你要想清楚，要是離開以後就沒辦法回氣象局了 (Nielsen 1993)。Willet後來決定去MIT，在1929年二月上工。第一年只有六位海軍學生和他們兩位教授，Willett教綜觀天氣學和氣象學實驗課程，Rossby教動力氣象學以及帶領專題討論。
Willett在MIT教書39年，1968年卸下教學工作後，又繼續在MIT做了20年研究，1988年因身體不適才離開學術工作。1992年因病過世，享年89歲。Willett早期主要研究貢獻是發明五天預報系統，後來美國氣象局在1939年拿去使用，持續改進至今。1950年代到過世前，他的研究重心轉向用太陽黑子活動來做季節尺度乃至氣候尺度的預報。這項研究激起不少爭議，Nielsen (1993)提到Willett的一些心路歷程，有興趣可以看看。
Willett在1951年獲得美國氣象學會的第一屆Award for Extraordinary Scientific Achievement (即現今的Carl-Gustaf Rossby Research Medal)，表彰他在綜觀氣象學和大尺度環流的貢獻 ("for his contributions to synoptic meteorology, and in particular to our understanding of the large-scale circulation patterns of the atmosphere.")，比Rossby早兩年獲此殊榮。
Willett說他極其幸運(“sheer luck”)的在氣象學開始發展的黃金時代和Rossby一起工作。他說Rossby是系上的靈魂人物 (“the soul” of the department; Phillips 1998)，並覺得Rossby有兩項特質，讓他在MIT以及之後對整個科學界有重大貢獻。一是Rossby有能力從理論和實務角度去思考，並結合兩者；二是他的吸引力，以及能夠激發學生和同事的創意 (“his exceptional ability to think clearly both in terms of abstract theory and of practical application - that is, to combine dynamic theory and synoptic practice - and, second, his remarkable success in always attracting to himself and in stimulating to creative activity a group of able students and colleagues.”; Willett 1958)
＊Rossby在MIT氣象學學程
1928年Rossby到MIT後，馬上開始爭取更多設備。他提出在新英格蘭地區建20個測站左右的觀測網絡，每天觀測四次，還提出在波士頓設立高空觀測站，去觀測三公里左右的大氣。學生負責收集和分析這些觀測資料。這些構想是模仿挪威在1918年設立的Vêrvarslinga på Vestlandet (Forecasting Division of Western Norway)。可惜的是，這個計畫並沒有成功 (Fleming 2016, p88-89)。
Rossby還試著爭取研究用飛機，後來順利在美國National Academy of Sciences、Guggenheim、和MIT的資助下，在1931年買了一台飛機。Danial Sayre為飛機駕駛員，量測五公里以上的高空資料。這些資料也提供給學生分析，幫助他們了解綜觀天氣和邊界層，還有讓他們做航空氣象預報(Fleming 2016, p91)。
Rossby還提出了跟很多單位的交流合作計畫。最成功的是跟1930年新成立的Woods Hole Oceanographic Institution的交流，包括學術演講、雙方成立的刊物 “Papers on Physical Oceanography and Meteorology”等。Rossby還跟Woods Hole的海洋生物學家Henry Bryant Begelow創立MIT-Woods Hole聯合學程，至今依然運作中 (https://mit.whoi.edu/)。除此以外，Rossby也跟哈佛大學的Blue Hill觀測站合作研究大氣污染。
Rossby行動很快很猛，MIT校長Stratton都覺得有點吃不消。Stratton在寄給Rossby的信中叫Rossby提新的計畫前先跟他討論，不要在計畫通過前就把預算和通知寄出去。他也跟Rossby說我們都對氣象學的工作很有興趣，也很想趕快建立起來，但我們必須遵照體制內的規則，可能沒辦法以你希望的步調做事 (Fleming 2016, p90)。
＊Rossby的教學風格和研究成果
據Rossby的學生Horace Byers所述 (Byers 1960)，Rossby總是很仔細的準備課程教材，充滿熱情的在課堂上講解。午餐時間或是休息時間的交談，更是激起很多熱烈的討論和靈感。不管學生提出什麼怪異或是不正確的想法，Rossby總是認真的傾聽，從不耐煩，藉由討論讓學生找出自己的盲點。即使是錯誤的想法，Rossby也會很熱情的稱讚其中可取之處。Rossby還創了系上刊物 “Professional Notes“，刊登系上學生和教師的學術文章 (Fleming 2016, p89)。
Byers說在Rossby底下學習令人極度興奮。學生們崇拜Rossby，並加入Rossby的聖戰行列—把現代化的氣象學帶到美國。Rossby在MIT指導的學生之後也都取得極高的成就，包括Horace Byers、Harry Wexler等人。Lewis (1992)的Table 1整理了Rossby指導的博士班學生和他們的論文題目。
Table 1 (part) in Lewis (1992).
Rossby在MIT的研究成果非常豐碩，並涵蓋很廣，包括熱力學、大氣紊流、海洋環流、大氣環流等。Byers (1960)有很清楚的描述，這邊依時序簡單記一下Rossby的研究成果。
Rossby在MIT的前兩三年對熱力學感興趣。他證明可以用理論計算浮力對一個垂直運動的空氣塊上升時所做的功，這個功也可以顯示在熱力圖表上。他也解釋了不穩定度在濕大氣的重要性，也指出舉升凝結高度 (lifting condensation level) 的特別角色。
Rossby, C.-G. (1932): Thermodynamics applied to air mass analysis. Papers in Phys. Oceanogr. and Met., Vol. I, No.3.
Rossby在研究熱力學的同時，還重啟了七八年前他剛到美國時對摩擦層(friction layer)裡大氣紊流的研究工作。他會再次研究這個問題，部分是因為他1930年去德國訪問時，看到實驗氣動力學的前端研究，部分是因為他在Woods Hole開始接觸大氣-海洋交界的問題。Rossby很快就做出重要的研究貢獻，他首次把空氣動力學上的混合長度(mixing length)、粗糙度參數 (roughness parameter)、和馮·卡門常數(Von Kármán constant) 引進氣象學。
Rossby, C.-G. (1932): A generalization of the theory of the mixing length with applications to atmospheric and oceanic turbulence. Papers in Phys. Oceanogr. and Met., Vol. I, No. 4.
Rossby繼續和學生Raymond Montgomery研究紊流和大氣-海洋交界的問題，並從粗糙度參數 (roughness parameter)和對數風廓線 (logarithmic law of vertical wind profile)的角度，從理論來解釋觀測資料。他們還用類似的方法去研究海洋環流和摩擦力所扮演的角色。
Rossby, C.-G., and R. Montgomery (1935): The layer of frictional influence in wind and ocean currents. Papers in Phys. Oceanogr. and Met., Vol. III, No. 3.
Rossby, C.-G., and R. Montgomery (1936): On the momentum transfer at the sea surface. Papers in Phys. Oceanogr. and Met., Vol. IV, No. 3.
Rossby, C.-G. (1936): Dynamics of steady ocean currents in the light of experimental fluid mechanics. Papers in Phys. Oceanogr. and Met., Vol. 5, No. 1.
在研究過程中，Rossby意識到橫向混合 (lateral mixing) 在氣流運動中扮演很重要的過程。在英國氣象學家Sir Napier Shaw的建議下，他和同事把橫向混合放在等熵面(isentropic surfaces)上來分析，結果讓他們大為振奮。因為那不僅顯示了大氣在大尺度混合的證據，還可以拿來回溯大氣中的水氣流向。等熵面的圖表不只可以幫助了解大氣環流，也對綜觀天氣分析很有幫助。Rossby和同事發了好幾篇等熵面的文章，1937-38年可說是Rossby的等熵時期 (“isentropic period”; Byers 1960)。
Rossby, C.-G., and Collaborators (1937): Isentropic analysis. Bulletin of the Amer. Met. Soc. Vol 18; 201-209.
Rossby, C.-G. (1937): Aerological Evidence of Large Scale Mixing in the Atmosphere. Trans. Am. Geophys. U., 1937, Part 1:130-36.
Rossby, C.-G. (1937): Rate of Turbulent Mixing. In paper by F. B. Wood: The Formation and Dissipation of Stratus Clouds beneath Turbulence Inversions. M.I.T. Met. Prof. Notes, No. 10:9-15.
Rossby, C.-G. (1937): On the Mutual Adjustment of Pressure and Velocity Distributions in Certain Simple Current Systems. J. Mar. Res., 1; 15~28.
Rossby, C.-G. (1938): On Temperature Changes in the Stratosphere Resulting from Shrinking and Stretching. Beitr. z. Phys. d. freien Atmos., 24:53-60.
Rossby, C.-G. (1938): Note on Shearing Stresses Caused by Large Scale Lateral Mixing. Proc. 5th Cong. Appl. Mech., 1938:379-82.
Rossby, C.-G. (1938): On the Role of Isentropic Mixing in the General Circulation of the Atmosphere. Proc. 5th Cong. Appl. Mech., 1938; 373-379.
Rossby, C.-G. (1938): Solenoidal Circulations Resulting from Lateral Mixing. Trans. Am. Geophys. U., 1938, Part I: 159-62.
Rossby, C.-G., J. Namias, and R. G. Simners (1938): Fluid Mechanics Applied to the Study of Atmospheric Circulations. Part I: A Study of Flow Patterns with the Aid of Isentropic Analysis. M.I.T. and W.H.O.I. Papers in Phys. Oceanogr. and Met., 7, No. 1.
Rossby, C.-G., G. Grimminger, C. L. Pekeris, J. Namias, and H. Wexler (1938): Application of Fluid Mechanics to the Problem of the General Circulation of the Atmosphere. Trans. Am. Geophys. U., 1938; 159~170, 174-176.
Rossby, C.-G. (1938): On the Mutual Adjustment of Pressure and Velocity Distributions in Certain Simple Current Systems—II. J. Mar. Res., 1:239-63.
Rossby在MIT的最後幾年，他開始研究大氣環流，之後發表了他被視為最重要的兩篇著作，其中一篇是著名的羅斯貝波 (Rossby Wave) 方程式。
(Byers 1960)
Rossby, C.-G. (1939): Relation between Variations in the Intensity of the Zonal Circulation of the Atmosphere and the Displacements of the Semi-permanent Pressure Systems. J. Mar. Res., 2:38-55.
Rossby, C.-G. (1940): Planetary Flow Patterns in the Atmosphere. Quar. J. Roy. Met. Soc. 66:68-87.
＊Rossby離開MIT，短暫重回美國氣象局
1939年，Rossby在MIT待了11年，也已經是世界知名的學者。MIT氣象學課程從一開始的六位學生和他跟Willett，到目前成長茁壯，順利運行。Rossby想要新的刺激和挑戰，於是他接受剛當上氣象局長兼好朋友Francis Reichelderfer的邀請，去氣象局當副局長 (assistant chief of the Weather Bureau) ，負責研究和教育任務。
Rossby很快就後悔去氣象局。氣象局的官僚文化和沈重的教育任務把他壓得快窒息了，他有很多新的研究想法但沒辦法去做，他覺得學術單位還是比較適合他。
1941年，Rossby離開氣象局，去新成立的芝加哥大學氣象學系(Department of Meteorology, University of Chicago) 當系主任，開啟著名的芝加哥氣象學派 (Chicago school of meteorology)。Rossby在芝加哥大學的經歷留待下文介紹。
參考資料
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
Emanuel, Kerry: A Brief History of Meteorology and Oceanography at MIT, https://texmex.mit.edu/pub/emanuel/Powerpoint/PAOC_history.pptx
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
Lewis, J. M. (1992). Carl-Gustaf Rossby: A Study in Mentorship. Bulletin of the American Meteorological Society, 73(9), 1425–1438. https://doi.org/10.1175/1520-0477(1992)073<1425:cgrasi>2.0.co;2
Nielsen, C. H. (1993). Hurd Willett. Weatherwise, 46(4), 38–44. https://doi.org/10.1080/00431672.1993.9930256
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
Willett, H. C. (1958). C.-G. Rossby, Leader of Modern Meteorology. Science, 127(3300), 686–687. https://doi.org/10.1126/science.127.3300.686