自从1903年莱特兄弟打电话给气象局，为世界上第一次飞机飞行寻找合适的地点以来，飞行员和气象学家就一直处于一种共生关系中。飞行员从安全高效的天气预报中受益，作为回报，配备仪器的飞机可以收集地面上无法获得的数据。
到1940年，瑞典气象学家、流亡者卡尔-古斯塔夫·罗斯比是美国研究高层大气的最杰出支持者。通过应用物理定律和数学模型，罗斯比领导了天气研究从描述性科学向预测性科学的转变。当他成为芝加哥大学气象学学院(University of Chicago Institute of Meteorology)的首任院长时，这一任命开启了芝加哥大学帮助塑造这一发展领域的关键20年。
芝加哥气象学院在学术界、工业界和军方之间建立了联盟，将理论转化为实践;揭开了恶劣天气的神秘面纱;为未来气候变化研究奠定了基础。芝加哥大学气象学项目名义上在50多年前就关闭了，但它的影响继续波及地球物理科学。
一个天气眼
天气预报可以追溯到古代文明，当时人们使用天文学来追踪季节变化。但随着温度计、气压计和湿度计(用来测量湿度)的发明，气象学在17、18世纪成为一门经验科学。可量化的数据可以用于天文关联、历史记录保存和早期天气预报的直觉。
但是电报的发明将气象学和天气预报结合到实际工作中。有了这项技术，人们就可以系统地收集数据，并向东边的人们发出风暴即将来临的警告，东边是天气通常的移动方向。
1870年，美国政府成立了国家气象局。50年来，美国和世界各地的气象服务机构都依靠天气图主观地发现模式，并根据有根据的猜测预测天气。
20世纪早期，罗斯比是一颗冉升起的新星，他在挪威地球物理科学研究所学习极地锋理论，这是气象学最早的大规模研究之一。《时代》周刊在1956年一篇关于罗斯比的文章中写道，挪威人最近认定，来自极地地区的大量寒冷干燥空气是“天气剧”的“主角”。它们的运动形成了现代天气图上的冷锋和暖锋。
1926年，罗斯比获得奖学金，进入美国气象局研究极地锋理论在美国天气中的应用。在美国的第一年，他研究了湍流和对流(基于流体的热上升和冷下沉)，咨询了蓬勃发展的航空业，并将导师的理论应用于美国的天气图。
但气象局“对27岁的瑞典人来说不是一个愉快的地方”，霍勒斯·拜尔斯(Horace Byers)写道。拜尔斯后来是罗斯比的学生，后来成为罗斯比的长期同事和传记作者。罗斯比在一系列小事件上与气象局发生了冲突，当他为查尔斯·林德伯格从华盛顿特区飞往墨西哥城的航班做未经授权的天气预报时，这些小事件达到了顶峰。罗斯比离开气象局时被称为”不受欢迎的人”
球形牛和罗斯比波
在麻省理工学院着陆后，罗斯比于1928年建立了第一个气象学研究生课程。利用学校提供的研究飞机和氦气球携带的新型遥感设备，Rossby得以进入上层大气，在那里他探测到直接影响天气的大规模流动模式。这些是行星波，现在被称为罗斯贝波，自然发生在旋转的流体中。如果极地气团是气象恒星，那么罗斯比波就是产生者。
罗斯比的研究为“我们理解热带和两极之间的中纬度大气奠定了基础，”芝加哥大学地球物理科学副教授蒂芙尼·肖(Tiffany Shaw)说。她的研究重点是地球当前和未来气候的物理学。“他的作品的美妙之处在于他使用了一个非常简单的模型。从复杂的物理定律开始，他必须做出假设，并得出了天气波动这一涌现的特性。”
作为一名训练有素的物理学家，肖用“球形牛”的比喻来解释为什么像罗斯比这样的物理学家倾向于简化模型。有个笑话说，一个奶农请求帮助提高牛奶产量。一位理论物理学家回答说:“我有一个解决方案，但它只对真空中的球形牛有效。”
理论物理学家的经典方法是简化复杂系统的模型。如果你想要尽可能精确地模拟一个扔出的球的运动，你必须考虑球的形状、纹理、周围的空气密度——无数影响轨迹物理的考虑因素。这不仅使解决复杂的问题变得令人生畏，而且还导致了精确预测在高湿度下投掷足球运动的模型，而不是在干燥高温下投掷棒球运动的模型。但如果你只考虑质量，你可以预测运动，虽然不完美，但在不同的情况下已经足够了。
这就是Rossby对行星波所做的;他在二维而不是三维中模拟了它们的运动，忽略了诸如水蒸气和垂直运动等方面。他的简化模型可以通过大气观测或实验室实验进行研究。他们还使未来的大气科学发现成为可能。
在罗斯比波被发现后不久，他加入了芝加哥大学，领导它的新研究所。
战争、海浪和天气
第二次世界大战是芝加哥大学气象学研究所成立的推动力。阿瑟·霍利·康普顿(Arthur Holly Compton)支持该计划，称其为“我们能为国防做出的重要贡献”。他认为，这所大学已经在物理、地理和数学方面开展了开创性的研究。其次，它青睐基础研究，第三，它所处的地区气候独特，航空、农业和工业需要气象学家。
气象学学院成立于1940年，是物理系的一部分。罗斯比被任命为研究所的负责人，拜尔斯是他的得力助手。那一年，富兰克林·罗斯福(Franklin Roosevelt)总统要求建造5万架军用飞机，需要1万名受过气象训练的军官;罗斯比的学术教育很快转向了军事训练。
1941年末，珍珠港被炸后，学生们离开海德公园，奔赴战场。“到1942年，所有可用的宿舍空间都被用于军事项目，”学院院长约翰·w·博伊尔(John W. Boyer)在《芝加哥大学:历史》(University of Chicago: A History)一书中写道。国际楼里挤满了气象学学员和红十字会志愿者，雷诺兹俱乐部成了学院的总部。
这个为期9个月的课程包含了旧气象学的常识，但它是以流体动力学为基础的。研究高空急流的地球物理科学教授中村信(Noboru Nakamura)表示:“罗斯比在很大程度上致力于以物理学为基础培训下一代气象学家。”罗斯比不仅想教这些学生如何阅读天气图，还想教他们如何分析数据(通常是由空军飞行员收集的)和识别全球模式。
到第二次世界大战结束时，芝加哥已经培养了1700多名气象学家。
规模问题
战争结束后，该研究所回到了原来的重点基础研究，形成了后来著名的芝加哥气象学院，重点强调物理、数学和建模。那是一个令人兴奋的时代，充斥着“需要概念验证的未经检验的理论”，中村说。数据飞来飞去，准备应用到理论方程中，看看它们在实践中是否成立。
在战时收集的观测资料的指导下，罗斯比的团队重新访问了他的行星波。在日本执行轰炸任务后，B-29飞行员报告说，在巡航高度风速高达每小时230英里。大风导致炸弹偏离目标，当被定位为逆风时，会燃烧额外的燃料，耗尽飞机的燃料。Rossby认为这些风一定和他的高海拔波浪有关，并发展了一个数学理论来预测它们的行为。他将这些快速流动的风河命名为“喷射流”，它们现在被用于天气预报和航空规划。
挪威人从一个全面的角度来研究天气，把大的运动和趋势放在局部现象之上:极地气团，以及低压气旋和飓风。罗斯比就大;喷射流是全球尺度气象学的一部分，结合了全球环流模型。但芝加哥大学的研究规模也更小，进入中尺度。气象学的这个分支领域包括雷暴和龙卷风，并且在战后蓬勃发展。
对中尺度气象学的重要贡献来自于国会授权和资助的雷暴项目。这个项目是由气象局、陆军空军、海军和NASA的前身合作完成的，研究了风暴的原因和特征。拜尔斯被任命为董事。这个项目几乎是在战争结束后立即开始的，有飞机、气象仪器和大量训练有素的人员。它还拥有雷达——以前用于监视敌机的高度机密技术——能够跟踪雷暴和可视化云中降水结构。
“雷暴计划”让飞行员驾驶装备有雷达的“黑寡妇”战机穿越雷暴，以不同高度垂直飞行，收集有关雷暴特征和演变的数据。随后，芝加哥大学的科学家花了两年时间手工分析了大量数据集。雷暴项目的发现为恶劣天气研究提供了基础知识:例如，风暴生命周期的三个阶段的发现和表征。
在此期间，另一名男子正在日本爬山，收集自己的数据。他们都对风暴的性质得出了相似的结论。拜耳对一个人拥有如此少的资源却能取得如此大的成就印象深刻，于是邀请了藤田哲也(Tetsuya Theodore Fujita)到芝加哥，他很快成为了那里的中气象研究项目主任。
藤田继续进行他自己的大范围、数据驱动的龙卷风调查。中村认为藤田是他心目中的英雄之一。“但是我们的大学传统上一直在培养非传统的、有创造性的科学方法，”他说，“并支持科学家进行在其他地方不可能进行的工作。”
地球物理科学
在接下来的几年里，气象学扩展到行星科学，在这一领域占据了主导地位。1961年，芝加哥大学气象系与地质系合并，成立了地球物理科学系。
今天，该部的重点是地球的大气、海洋、冰川和气候;表面、内部和演化;和生物圈。系里的研究人员也将目光投向太空，研究系外行星和宇宙化学。
“该系的愿景从一开始就是从系统的角度来研究地球科学，”中村说，“不只是从单个学科，而是从地球环境的整体角度。”
中村最近的研究关注的是喷射流如何以及为什么会受到干扰，以及这会如何导致异常天气。他把喷射流比作天气系统行驶的高速公路，但它们不是笔直的，而是曲折的。大规模的特征，如山脉、陆海过渡，或广阔的陆地块，改变了河流的内部动态，就像改变高速公路上的速度限制。低速行驶时，交通可能会堵塞。中村用流体力学来解释为什么会发生这种情况，并尽可能地简化，就像Rossby处理波浪那样。在此过程中，他已经能够从数学上把汽车车流量联系起来。
“我对短期更感兴趣，”中村说，从几天到几周——天气变化的时间尺度。
更长期的分析开始转向气候科学。例如,协会。蒂凡尼•肖教授的气候研究工作包括用数值模拟测试有关世界运行方式的理论，以及通过观察寻找突发模式。
“我的研究集中在大规模的特征上，无论是罗斯比波、高速气流还是哈德利环流，它们支配着热带地区的空气流动，”肖说。她试图回答的一个问题是，这些特征如何应对气候变化。
对于理论物理学家来说，问题总是出现:要解释应对气候变化的突发性模式，最基本的物理要素是什么?气候行为可以用更简单的工具在更基础的层面上理解吗?
“我们有一个大模型，上面有所有的铃铛和口哨，”肖说，“然后我们去掉多余的部分，只留下必要的部分，就像罗斯比那样。“如果理论是正确的，他们应该能够解释连续变化的气候。“这就是我们如何建立对未来几百年地球气候预测的信心。”
——改编自芝加哥大学杂志最初发表的一篇文章。