测气观象 立业育人——清华科学史话之气象篇（上）
原创 袁帆 清华大学科学博物馆 2020年08月28日 20:30 北京
摘要：清华虽然不是中国最早建立气象学科的大学，但是有一项举措却奠定了清华在中国高等气象教育史上的地位，那就是在气象学科创立的同时，建立首座符合国际标准的大学气象台。
引言
在科学发展史上，气象学并没有一个独立完整的篇章。气象学的发展是伴随人类对宇宙认识的深化、基础科学的诞生、科技革命的进展而不断衍生的科学。于是，现代气象学就具备了复合型、交叉型的学科特点，与多类科学与多种学科密切相关，其专业基础是数学、物理、化学、信息学和计算机科学。同时，气象学又是实践性极强的应用科学，学科发展的最终目的，是提供“描述客观、定量准确”的气象预报信息服务，造福全人类。
恰恰由于气象学对人类具有“普遍性”的科学特征，让我们体会到了九十年前清华建立气象学科的必要性，以及做出这一决策时表现出的前瞻性眼光。为此，在回顾清华科学史时，将气象学摆在显要位置，也就有了充足理由。
中国古代先人对“天象”在人类活动中的影响早有深刻认识，将“天时、地利、人和”视为成功的三大要素就是最经典的说明。19世纪下半叶，伴随“西学东渐”的社会改革思潮，发明于西方的气象科学理论开始被引入中国，但在中国开展气象教育则是“辛亥革命”后的事情。
一、清华气象学科的创立
1910年7月，在考取第二批留美庚款公费生的70人中，排名第27位的是竺可桢（1890—1974）。谁都不会想到，就是这位后来的哈佛大学地质学与地理学系的哲学博士，成为中国著名地理学家、气象学家、教育学家之首。是他，将气象学从一门课程扩展为一个单独的专业，在中国高等教育体制中创建了第一个气象学科，即：1921年成立的东南大学地质地理学系气象科；也是他，创建了中国第一个气象研究机构，即：1928年成立的中央研究院气象研究所。正是这些开创性的工作，为中国气象事业的发展奠定了人才培养基础和科学研究机制，早期中国气象学界的骨干人物基本上都是他的学生，称他为“中国现代气象之父”毫不夸张。
另外，还有一位中国科学大师，被誉为“中国现代物理之父”的叶企孙（1898—1977）教授，对于气象专业的重要性同样早有认识。叶企孙1925年到清华任教并组建物理系时，就已意识到气象学与物理学的紧密关系，并在教学楼“清华学堂”东端最高的一间房设立了简易气象观测室，有大气气压表、温度计、风速计、雨量计等仪表，每天观测到的气象数据公布在科学馆进门左壁的玻璃柜内，供老师和学生做实验时使用。这也可以看作是后来清华气象台的雏形。
竺可桢、叶企孙、翁文灏（自左向右）
与竺可桢有着千丝万缕联系的清华学校，于1928年8月正式成为“清华大学”之后，在起初设立了四大学院16个系，其中设于理学院中的地理学系（1932年改称地学系），下设地质学、地理学和气象学三个专业（组），由此开创清华气象学科的先河。在自己的母校按照自己的学科建制思路成立气象专业，尽管机缘不合没有成为中国首创，但对竺可桢而言，仍然应该是他非常乐意看到和尽力支持的事情。
与竺可桢同为浙江乡亲，又有共同地理专业背景的比利时留学生翁文灏（1889—1971）博士担任了清华大学地理学系首任系主任（1931年曾短期兼任代理校长）。从地理学系专业与课程设置形式与东南大学基本相同来看，翁文灏显然认同竺可桢对地质学、地理学和气象学三个学科之间关系的认识和理解，也认可通过综合课程的设置（地质学、地理学、气象学是三个专业学生的必修科目）可以促进学生向“通才”而非“专才”方向发展的理念。同时，因为在地学系初创期的开始几年，地理学和气象学教授人才都缺乏，气象组师资前后只有黄厦千（1898—1977）和涂长望（1906—1962）两位讲师，因此专业之间的融合和交叉，有助于滋养和培育包括气象学在内的所有学科发展。
黄厦千、涂长望（自左向右）
清华虽然不是中国最早建立气象学科的大学，但是有一项举措却奠定了清华在中国高等气象教育史上的地位，那就是在气象学科创立的同时，建立首座符合国际标准的大学气象台。在这一点上，就是东南大学地学系也没有做到。虽然东南大学地学系在1921年秋季就建立了中国大学第一个气象站，但就其规模和观测能力来说只能算是“测候所”。
“盖因空气为地球三大境界之一，完备之地学系不可不有气象学程。空言气象而无实测以助研究，又难免流于理化无实验、工艺无实习之弊也。”（黄厦千）[ 清华大学校史研究室，《清华大学史料选编》，北京，清华大学出版社，1991年3月第一版，第733页]这段论述充分说明，清华人在设立气象学科时就清醒意识到，必须建设一座国内领先的气象台，使其成为气象教学与研究的基地。
二、清华气象台的建立
清华气象台（1930年代）
气象台的概念涉及两个方面，一个是作为研究机构的组织架构，人员配备；再一个就是“工欲善其事，必先利其器”，需要有观测、研究的建筑和仪器。
（一）清华气象台的人员构成
气象台最初是地理学系的分支机构，由台长和观测员组成。首任台长是黄厦千，曾师从竺可桢学习气象，1924年7月毕业于东南大学；1928年在刚成立的中央研究院气象研究所任观测员，在竺可桢的直接领导下开始气象研究的实践。1929年应聘担任清华大学气象专业讲师，并同时兼任中研院气象研究所特邀研究员。黄先生为清华气象台的建立和早期发展做出了很大贡献。
在气象台负责气象观测的都是地学系的助理员，先后有刘粹中、史镜清、黄绍先和赵恕等。他们虽然不是大学气象专业毕业，但都曾在气象研究所举办的气象训练班学习，后来成为气象专业人士。
（二）清华气象台的建筑
建筑是清华气象台最重要的功能平台，是气象专业教学与研究的物理空间。清华校方和地理学系十分重视中国大学中第一座气象台的建造。1929年，清华刚刚成为完全的大学不久，就对校园进行新一轮建设规划，并将气象台与生物学馆、图书馆二期、学生宿舍（明斋）等四项工程列入校园扩建计划。
1．气象台的建造过程
最初设计气象台的建筑师是1916年毕业于清华学校的林澍民（1892-1987），他是美国明尼苏达大学建筑工程系硕士。但他设计的初步方案在学校公务委员会审查时未获通过，原因是“征求有关系之专门教授意见，均觉该项计划，多不适用”，“因此系供专门学术之用，非寻常建筑可比，必须格外精细考虑，方能决定。[ 《国立清华大学校刊》（第146期），1930年3月3日]”于是又邀请1915年考入清华学校的著名建筑师杨廷宝（1901—1982）重新进行了设计。
林澍民、杨廷宝（自左向右）
杨廷宝设计的气象台建筑方案被认可后，对工程建设项目进行了招投标，共有6家建筑承包商参与竞标。1930年5月26日，清华组织“气象台工程开标仪式”，共有校务会、评议会、工务委员会、财务委员会、地理学系等有关单位和学生代表，以及投标方等二十余人参会。会议由叶企孙代表校方主持，并特别邀请燕京大学校长吴雷川（1870—1944）作为第三方监视人，足见校方对此工程的重视程度[ 《国立清华大学校刊》（第181期），1930年5月27日]。5月27日，校工务委员会和财务委员会召开联席会议，审查开标结果，最终在6家投标者中，“王书年建筑厂”以总造价33500元为最低，工期215天，被确定中标。
2．气象台建筑概况
清华气象台的建造计划
气象台位于清华园的西北，地理坐标为：40°00′16″（N）；116°21′42″（E）；绝对高程为海拔84.5米。工程于1930年7月1日开工，经过十个月的紧张施工，气象台主体工程于1933年春季竣工。建筑平面呈八角形，直径24英尺（约7.32米）；地上共5层，层高15英尺（约4.57米），地下一层，总建筑面积约250平方米，标高超过27米。因为气象台是建于小土山上，这样一来，距地面总高度约有30米，也就成为当时清华园内最高建筑物，十分抢眼。此外，在台址的西南方约30米处还建有约400平方米的草地观测场，安装有百叶箱、雨量计和测云器等。
清华气象台附设的气象观测园
由于气象台属于功能性建筑，对坚固程度有较高要求，同时形状特殊，故采用钢筋混凝土结构建造，为增加楼内使用面积，各层之间采用螺旋式铁楼梯连接。各种气象仪器分别安置在楼内各层，测风杆和天文望远镜安装于楼顶部位。按当时的建筑费用计算，气象台的单位面积造价达140元左右，大约是四倍于同期建设的学生宿舍该项指标，由此可见其建筑标准之高。
从建筑学的角度，对气象台这样的小项目似乎没有文章可做，而杨廷宝却没有忽略对它的建筑美学考虑。仔细观察最初建成时的气象台照片，会发现他的处理独具匠心。
（1）在建筑形体设计上，既需要保持一定高度，又不能显得过于纤细，因此保持合适的“高细比”就成为关键。设计的结果是，层高与平面直径之比约为0.625，与0.618的黄金比例非常接近；而总高度与平面直径之比约为3.68，也属于非常合理的范围之内，给人的总体感觉既没有显得过于“高挑”，又没有显得“矮胖”，视觉印象很和谐。
（2）建筑风格上，外墙装饰处理以竖线条为主，加强了塔式建筑的高耸感，同时又在第二、三层之间设置一圈横向凸出装饰带，增加建筑外观的稳定感和装饰效果。
（3）窗的处理显得非常灵活，二层以下每一个八角形的折线上都开窗（每层8扇窗），三到五层则采用间隔式开窗（每层4扇窗），给人以“疏密有序”之感；同时将最高层的“窗”改为“门”，加设了一个小的悬挑阳台，既增加了建筑功能，又避免了装饰效果的单调感。
（4）在建筑的入口部位设计了一个玄关式门厅，大门口采用中式拱门，辅以一段高高的台阶，增加了建筑的仪式感，再加上门楣上由翁文灏博士手书的篆体“气象台”三个大字，更使建筑具有了中国传统文化的内涵。
总之，清华气象台在杨廷宝一生设计过的诸多建筑项目中，充其量只能算是个“小品”，但若细细品味，仍能感觉到大师求真务实的职业精神与精到不凡的专业造诣，令人佩服有加。
（三）气象台的仪器设备
世界近代气象科学事业的起步，是以1873年在维也纳举行的第一次国际气象大会作为标志。在这次会议上成立了国际气象组织IMO（后发展为世界气象组织WMO）。在这次会议确定的多项标准中，也有对气象观测平台规模和设施的界定：各种仪器设备齐全，且有各项标准仪器者，称为“气象台”；设备不全者，依其设备简单程度，称为级别不等的“测候所”。
为了取得最全面的气象观测数据，清华气象台决定按照国际标准配备气象专用仪器，经过向英德法美等国家的著名气象仪器公司订购，陆续获得如下几类仪器：
1．气压测定类
清华气象台的气压测定仪器
（1）英国伦敦纳格勒底·桑勃拉公司（Negretti & Zambra）制造的“福尔丁”式标准大气压表（№7. Standard Fortin Barometer）一具，时值国币一千元；
（2）德国柏林富斯公司（R.Fuess）制造的曲管式一号精密大气压表（№1. Precision Barometer）一具，能测定2%毫米（㎜）气压变化，价值二千元；
（3）德国柏林富斯公司（R.Fuess）制造的曲管式二号精密大气压表（№2. Precision Barometer）一具，价值五百五十元；
（4）德国柏林富斯公司（R.Fuess）制造的电传滑锤式自动水银气压计（Lauffgcwichts Bar Ograph）一具，用电力传达气压变化并自动记录，能记载气压1%毫米（㎜）变化，是当时各式自动气压计中最精密者，价值五千六百元。
2．风况测定类
清华气象台的风力测定仪
（1）英国伦敦纳格勒底·桑勃拉公司制造的压管式自记风向风速计（Combined Anemo-Biagraph）一具，系利用风压自行记录风速，并能记录瞬时最大风速，以及风向连续变化的测风类仪器，价值二千元；
（2）法国巴黎立邦公司（J.Richaard）制造的电传自记风速计（Anemo-Cienmograph）一具，能自行记载每小时风之总行程，以及每秒平均风速，电力传导，构造新颖，价值一千四百元；
（3）美国弗力支公司（Julien P. Friez & Sons）制造的电传四项自记仪（Quadrupie Register）一具，亦称“气象仪”（Meteorograph），能自动记录风速、风向、雨量及日照时数，用电力传导，价值四千元。
3．温、湿度测定类
（1）德国柏林富斯公司制造的标准干湿球温度表（Psychrothermometers）数具，刻度均至摄氏五分之一度，价值各一百一十元；
（2）德国柏林富斯公司制造的风扇温度表（Aspiration Psychro meters），利用风扇作用，使空气流动，以得到真实温、湿度，价值二百七十元；
（3）法国巴黎立邦公司制造的大号自记式温度计和湿度计各一具，能自动记载温度变化至摄氏十分之一度，价值二百六十元；
（4）英国伦敦纳格勒底·桑勃拉公司制造的自记式地内温度计一具，能自动记载地下数米深度的温度变化情况，价值七百元；
（5）德国富斯公司制造的天秤式自记蒸发计，及法国立邦公司制造的自动纸面蒸发计各一具，均能记载水蒸发量至十分之一毫米（㎜），价值各二百五十元。
4．降水测定类
（1）德国富斯公司制造的自计式量雪计（Registrierender Schneermesser）一具，能自动记录从空中下降之雪量，性能超过普通的自记雨量计，价值五百二十元；
（2）英国伦敦喀塞拉公司（C.F.Casella）制造的曲管式自记雨量计一具，能自动记录雨量至十分之一毫米（㎜），价值三百六十元。
5．标准试验类
德国富斯公司制造的气压表试验器一具，能试验各式空盒气压表及自记式气压计的误差，并能试验各种气压情况对于动物之影响，价值六百元。
6．天文观测类
德国蔡司公司（Zaiss）制造的赤道望远镜（Equatorial Telescope）一具，镜头直径130毫米（㎜），放大率为275倍，能窥见月球表面之火山口，太阳表面黑斑及行星之卫星，价值四千五百元。
此外还有其它各种辅助仪器，全部仪器价值达二万五千余元以上，处于当时国内一流水平。[ 清华大学校史研究室，《清华大学史料选编》，北京，清华大学出版社，1991年3月第一版，第733—
735页]
（四）气象探空风筝与史镜清
1932年，清华气象台接受中研院气象研究所的特别邀约，参加有关高空气象研究工作。因此，贮藏了一批来自德国的气象探空仪器——高空气象风筝。这些风筝系哈格莱夫式（Hargrave），用竹竿和白布制成，形状如飞行器，受风面积大，可以携带气象仪器一同升空，能测定高空各层面的空气密度、干、湿、寒、暖、风力大小等气象要素，在当时具有很高的科学研究价值和作用。与传统风筝的显著不同之处，在于施放风筝之线采用特种钢丝。由于需要极度坚韧与光滑，以减少风的摩擦力，因此材质与钢琴上的钢丝属于同类。这样的构造使得此类风筝世界最高升空记录曾达到7700米。
如此一来，清华气象台除正常气象观测任务外，又增加了一项特殊观测研究工作，即在风力超过四级以上时，安排施放探空风筝。1932年9月27日获得第一次气象风筝记录，到1934年8月14日已取得93次记录，其中高度超过2000米的有19次，1932年12月3日施放的气象风筝高达3062米。创造当时中国气象仪器探空高度记录。
清华气象台的气象探空风筝
然而不幸的是，一次施放风筝引起的意外，导致了一位气象观测员的殉职。1933年9月8日，当风筝落下时意外失控，掉落在学校围墙之外，其操控钢丝挂在了1800伏的高压裸线上。而当天操纵风筝的观测员史镜清不知道这一险情，在整理风筝钢丝时不幸触电导致身亡！[ 《国立清华大学校刊》（第517期），1933年9月12日]
史镜清，江苏镇江人，是气象研究所第二期训练班优秀毕业生，未婚，出生年月不详,估计当时年龄不超过三十岁。史镜清以身殉职的惨剧发生后，清华大学非常重视，在9月13日梅贻琦校长主持的校务会议上，对其表示哀悼，并决议发放抚恤金一千元[ 《国立清华大学校刊》（第520期），1933年9月21日]。两个月后，协助家属将其遗梓运回故里安葬。与此同时，气象研究所竺可桢所长呈请国立中央研究院拨款千元，成立“史镜清纪念基金”，用以举办气象科研征文等纪念活动，以怀念我国“气象学界因技术而牺牲的第一人”（竺可桢语）。清华气象台也没有因为这次事故而停止科研的脚步，而是继续按照计划，施放气象探空风筝，以此表示对逝者的特殊纪念。
与古今中外所有为科学事业献身的仁人志士一样，史镜清的事迹再次揭示一个事实：科学发展是平凡的，艰苦的，甚至是危险的。史镜清的殉职虽然不会像哥白尼（Mikołaj Kopernik，1473—1543）为捍卫“地心说”殉难那样彪炳史册，但他是为中国气象科学研究殉职第一人，同时也是清华科学史上殉职第一人，因此同样值得清华人永远铭记。
（未完待续）
版画：清华气象台（戴念慈 作于1947年）