温景嵩:在顾震潮先生的领导下——纪念顾震潮先生逝世三十周年

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温景嵩 (进入专栏)  

投身于人工降水的飞行作业

在三年困难时期,大气所贯彻执行中央的“调整,巩固,充实,提高”八字方针,落实由周总理和聂荣臻副总理制定的科研《十四条》政策。我从朱岗崐先生领导的近地面物理课题组(即原祁连山高山冰川融冰化雪组)里调出来,调入由顾震潮先生领导的人工降水和云物理课题组。从此我开始了人工降水和云物理的研究工作。《十四条》规定要任务带学科,所以首先要搞人工降水,不过不再局限于西北干旱地区。1961年夏,湖南地区干旱严重,中央集中了一批力量,调集了八架运输机在湖南搞大面积人工降水实验。由军区参谋长亲自指挥,科学院作为合作单位参予。于是,我们在顾先生带领下参加了这项大规模人工降水实验。参谋长很紧张,说八架大飞机同时在一个省的上空做人工降水作业飞行是从来没有过的事,生怕出事。每天都亲临现场,小心翼翼地指挥,幸好没有出事。按飞行条令,飞机不能靠近积雨云。和不能在山区做低空飞行一样,积雨云同样是飞行禁区。通常民航飞机遇到积雨云只能绕着走,禁止靠近,更不得进入。而人工降水作业飞机,不但要靠近,而且要进入云内实行催化作业。这就十分危险,每次进入积雨云作业时,受对流暖云剧烈的云中湍流影响,飞机都颠簸得十分厉害。使催化作业和观测云的微物理结构工作难以顺利地进行。但是顾先生对自己要求非常高,他并不因为自己是一位刚从西方回来的科学家,而把自己仅仅摆在指挥员的位置,相反,他既当指挥员,又当战斗员。他不怕飞行作业危险,飞机颠簸厉害,每次作业,他都和我们年轻人一样上飞机,撒盐粉,还要去观测云的微结构。我却不行,我因患有晕机病,每次进入积雨云作业时都呕吐不止,无法工作。对比顾先生的榜样,我是很惭愧的。1964年夏季,上海地区又发生干旱,顾先生带领我们又在上海地区实行人工降水飞机催化作业。顾先生看我实在吐得厉害,有一次就让我坐在飞机上停止作业工作,只静静地坐在座位上不动,看能否适应,结果还是不行。真巧那次飞行竟发生了一次自我们开展飞机作业飞行以来,最严重的一次颠簸,给我的感觉好像一下子跌入万丈深渊中去,飞机被云中气流一下子打下几百米,幸好飞机没有出事,但我肚子里的东西都早已吐空了,可是止不住还要吐最后就把血都吐出来了,吓得顾先生对我说,今后只好取消你飞行作业的资格。但是,据我了解后来再也没有实行过飞机人工降水作业,直到现在人们实行作业时,都改为由地面,使用高炮、火箭对天空的积云射击,实行炮轰和火箭弹的催化。这样更安全一些。那次飞行虽然最后安全返航,没有摔飞机,但很可能飞行部门也提了意见,这种违反飞行条令的事情实在太危险,难免不会出事。据说平常我们作业飞行虽说要穿积雨云,但实际上飞行员还是尽量避免太深入,都是搽边,在积雨云边缘处穿插。那次是不小心,一下子深入到积雨云中心,结果发生了我们自飞行以来,最为严重的颠簸事件。别的没有呕吐的同志,包括顾先生,尽管能控制住自己不呕吐,但也十分难受,脸色全成煞白了。幸好老天爷还算照顾,没有出事。1961年夏,在湖南大托舗军用机场进行飞行催化作业时,和参谋长搞得比较熟了。有一次他问我们:“你们为什么把顾震潮同志叫顾先生?在旧社会,大家都把为地主老财、资本家办事的帐房叫先生,你们的顾震潮居然还是共产党员,为什么也叫他先生?”我们告诉他:“我们叫的先生,和你讲的旧社会的帐房先生不是一回事。现在在我们科学院,也包括在高等学校,大家对学问大,水平高的长辈都尊称为先生。不能叫顾老师,更不能叫老顾。而“先生”两字才表达了我们对有学问的长辈的尊敬,称他为顾先生是表达了我们对他的敬意。”参谋长这才表示理解。

顾先生在亲身参加危险的人工降水作业同时,也没有忘记他作为一位科学家的责任。他是一位非常善于在实践中学习,并善于从实践中提炼出科学问题来进行研究的人。比如人工降水作业理论。他首先从湖南人工降水的实践中了解到,国际上流行的小颗粒小剂量云底撒播催化剂方法是不对的,根据湖南的经验他提出了与此相反的大颗粒大剂量云顶撒播催化剂方法,并为此进行了初步的论证。后来的发展使他又认识到问题的复杂性,可能还存在着最佳撒法。为此他把这问题交给了朱珍华,王尧奇和我进行了更细致、更全面的分析和计算,最后证实确实存在着最佳撒法,并得到了一个当时看来确很新颖,却突破了原有的撒播理论的最佳撒播方法理论。

人工降水作业的效果检验是一个更复杂也是一个更重要的大难题,不仅如此,效果检验还是所有人工影响天气工作的一个很关键的大难题,至今还没有很好地得到解决。对此,顾先生不是回避问题,也不是用一些空话或套话来敷衍了事。而是正面面对这一难题,千方百计地又是实事求是地加以解决。例如在湖南人工降水抗旱作业的总结中,他就想尽办法,利用当时所能提供的客观条件,从几个不同的方面,证实了那次人工降水的客观效果,很有说服力,至今仍是我们学习的范例。

建立湖南衡山高山云雾站

按照《十四条》精神,人工降水工作对科学院大气所讲,不是目的,目的是带出云物理学科。因此,与开展人工降水的同时,甚至更早一些时候,大气所就开始筹建高山云雾站,以取得对云物理结构的感性认识。虽然我们开展人工降水飞行作业时,也同时在飞机上对云物理的微结构进行观测,但那不能有系统、有组织、有计划大量地进行。在当时条件下,只有建立高山云雾实验站,才能对我国云雾微物理特征进行有系统、有组织、有计划的大量观测。为此有关领导从当时苏联请来了一位高山云雾实验专家苏拉克维里泽(Сулаквелидзе Г. К.),经过他在我国各地考察选定了在湖南南岳衡山建立云雾实验站。他认为衡山的地形和云雾条件是他所见到的最理想的观测云物理结构的好地方。于是,我们这些前两年在朱岗崐和高由禧两位先生带领下登上了西北祁连山的青年人,现在又被召在顾震潮先生带领下登上了南岳衡山云雾之乡。不过那次在祁连山是搞融冰化雪作业,根本没有想到要带出什么学科,要出什么科研成果。而这次却有着明确的目的,要进行研究,研究我国云雾物理实际情况,要出科研成果。建立南岳高山云雾试验站仍然是在顾先生领导下进行。和在人工降水飞行作业相同,他仍然是既当指挥员,又当战斗员。当时的条件很差,山上没有粮,就要自己背粮上山。山上没有住的地方,就借住在和尚庙里。顾先生则和我们年轻人一样,一样爬山,一样背粮,一样住和尚庙,一样在高山条件艰苦,又常处在潮湿的云雾环境中坚持。至于实验场地,就借气象局的高山气象观测站。没有实验设备,就自己动手。还是土法上马,那时人们的政治热情都非常高,只要说是党的号召,人民的需要,马上就会挽起袖子来动手干。在顾震潮先生的领导下,很快研制出观测云雾的基本设备──三用滴谱仪,它既能观测云滴微结构(包括云滴的数密度和云滴随其半径大小的分布),又能观测大气凝结核和云中含水量。在动力上既可手动,又可电动,解决了当时的观测云雾的基本设备问题。几年下来,积累出我国第一批高山云雾微结构资料。顾先生又带领我们对这些来之不易的宝贵资料,进行了仔细认真的分析,得到了我国高山云雾微结构的基本特征,由科学出版社出了一本专刊,为开展我国云雾研究打下了初步基础。特别应当提一下的是,我的北大老同学许焕斌所作的贡献。他毕业以后被分配到中央气象局,然后被保送到苏联进修云物理。回国后,以中央气象局的专家身份参加了科学院大气所建设高山云雾实验站的工作。当时他还兼做苏联专家苏拉克维里泽的翻译,许焕斌教授的思想活跃,具有敏锐的物理洞察力。他对云雾站的贡献是多方面的。前面提到的三用滴谱仪就是他设计发明的。此外,他还是我国最早认识到云物理参数存在不均匀的起伏状态,并且会对云的微物理过程有重要作用的人。在衡山高山云雾站工作期间,他有意识地进行了一系列的云中含水量的连续观测,测出了第一批云中含水量起伏的数据,所得数据显示在层积云的底部,在几米到十几米的尺度上,云中含水量确实存在着起伏状态,起伏强度为10%到30%。这是非常宝贵的重要资料,然而当时人们并没有认识到许焕斌的这个工作的重要性而被停了下来,直到后来早期的云滴随机增长理论和我的“对流暖云大云滴随机生长的马尔柯夫过程理论”出来以后,才认识到许的工作重要性。不过这时他已回到中央气象局,他所取得的数据就由顾先生交给我整理出来,在1964年仍然以他的名义发表在《气象学报》上,1965年又发表在《中国科学》(英文版)上,应该承认这是那几年在南岳高山云雾试验站上所取得的最重要的成果。除此以外,顾先生自己也从我国自己的云滴谱,雨滴谱观测资料中,提炼出一个重要的科学问题,即与国际公认的单峰的云滴谱不同,它存在着第二极大,反映出一个尚未被人认识到的重要的微物理过程。虽然这问题的物理机制到现在还没有弄清楚,但这并不奇怪。一个重要的物理现象发现以后,常常需要几代人的努力才能搞清楚,例如我们1972年发现的湍流不连续性,到现在就还没有搞清楚它的物理机制,虽然这三十几年来,国际上有不少科学家对它绞尽了脑汁。因此应该说,顾先生从南岳高山云雾站资料中提出的滴谱存在第二极大问题,仍然是云的微物理中的重要进展。

衡山云雾实验站搞了几年,最后终于停了下来,条件实在太差了。高山上空气潮湿,洗出来的衣服几天都干不了,过冬尤其艰苦,湿冷难忍,一位在山上坚持了两个冬天的同志终于得了严重的关节炎。另一方面,高山云雾站也有局限性,所测得的都是云底部的情况,测不到更重要的云内部情况,包括云内部的上升气流和湍流以及温度、压力、水汽、含水量时空四维的结构,以及相应的云滴、大云滴、雨滴时空四维结构。所以后来也就撤销了。

抓住云的微物理的中心问题

顾先生带领我们搞云物理最大的功绩,就是引领我们抓住了云的微物理的中心问题──暖云中雨滴的形成问题。并进而抓住了当时国际上的焦点和热点,对流暖云中大云滴的形成问题。云物理中要研究的问题很多,从大的方面来讲,就分两大类,动力学和微物理。动力学又分积云动力学、层状云动力学,中尺度气象等。微物理方面则又包括气溶胶凝结核的核化,云滴,大云滴,雨滴,冰晶,雪晶,冰雹,起电,电结构,闪电,大雨滴的形状和破碎等许多问题。在这众多的问题当中,就微物理方面讲,中心问题就是雨滴形成问题,而当时国际上的焦点就是对流暖云中大云滴的形成问题。一个雨滴,从凝结核核化开始凝结增长成对流云的云滴,半径增大了两个量级(从0.1微米长到10微米),体积增加了100万倍。再从云滴开始长成一个雨滴,半径又增加了两个量级(从10微米长到1000微米),体积又增加了100万倍。这过程主要由云滴碰并完成,则可知道要有100万个云滴才能合并成一个雨滴,过程的艰巨性可以想见。如何解释自然界降水过程中,是什么因素推动着降水云中不断地从大量云滴里在足够短的时间产生足够量的雨滴,就成为云的微物理中一个中心问题。这一问题的难点是在如何穿越20-30微米半径区间,这一半径区间对凝结增长过程而言太大了,因之,靠凝结穿过这一区间要几个小时,对重力碰并增长过程而言又太小了,靠它来穿越这一区间需要十几个小时。这都无法解释自然界降水为什么可以在更短的时间内形成,特别是阵雨从云的形成到产生降水最快半小时即可。于是就吸引了众多的云物理学家进行了大量的探索工作,以求解开这个谜。1935年贝吉龙(Bergeron)提出了一个冷云降水学说。他的学说假定当云层伸展到相当高的高度时,在那里会出现大量的过冷水滴,在这种过冷云中,一旦出现少量的冰晶,则因为在冰水共存条件下,在冰面会出现非常惊人的高强度的水汽过饱和,当温度为摄氏-10度时,冰晶表面的过饱和度会达到10%,当温度进一步降到摄氏-20度时,冰晶表面水汽过饱和度会进一步加大到20%。而通常暖云条件下,人们公认的云滴表面的水汽过饱和度只有0.05%,比贝吉龙的冷云条件下的小200倍到400倍。因此,在贝吉龙的冷云条件下,过冷云滴向冰晶上转移凝华,使冰晶长大的速率,要比通常暖云凝结增长速度快好几百倍,完全可以解释阵雨的形成。1939年芬代森(Findeisen)发表了在德国的降水云观测资料,芬代森从数以千计的降水云的观测证明,其云顶温度都降到摄氏-20度以下,使贝吉龙的假说得到了证实。此后,人们就称为贝吉龙-芬代森冷云降水学说,这个学说得到了国际云物理界的承认。然而进一步的研究表明,欧洲的纬度太高。在欧洲以外的中纬度和低纬度地区,降水云层常常整个云体温度均高于摄氏0度,在这里,贝吉龙的冷云降水过程失效。而在我国开展人工降水、云物理的观测也表明,即使积雨云,云顶在冰晶化以前,当它还处于全暖的浓积云阶段就已出现了20─30微米的大云滴。对此,贝吉龙的冷云降水过程也无法解释。因此暖云降水问题就成为那时云物理国际舞台上大家所瞩目的一个热点,是当时的一个国际前沿课题。虽然在当时我国云物理还是一片空白,不仅我们这些年轻人没有在大学里学过云物理,就是顾先生等老一辈气象学家也没有学过。顾先生本人一直都在从事天气动力学的研究。他和叶笃正先生合作,对于“西藏高原对东亚大气环流及中国天气的影响的研究”,达到了很高的水平,因此而获得1956年度国家自然科学奖。它是我国大气科学界所获得的第一个国家大奖,也是“文革”前大气科学界所获得唯一的一项大奖。尽管如此,一旦国家需要顾先生还是毅然决然地放弃了他所熟悉的领域,带领我们这帮当时还毫无经验的年轻人勇敢地挑起了开创我国云物理事业的重担。他找来了当时英国著名的云物理学家梅森(B.J.Mason)1957年英文原著《云物理学(The Physics of Clouds)》(梅森的书,在1971年出了修订的第二版,1979年大气物理所的同行们把第二版的《云物理学》译成中文由科学出版社出版)组织我们学习。除此之外,他还找来大量当时国际上研究暖云中大云滴形成的文献,把它们分给我们这帮年青人,分头学习,然后各自向大家报告。轮到我报告时,我把所分到的文献的大致内容介绍过后,把它们评论了一番,这个也不对,那个也有问题,在我的评论下,它们一无是处。顾先生听了后挺高兴,认为我这个报告很好。接着又问我,既然人家都不行,那你自己有什么新的想法,我答不出,感到茫然。这是我的短处,我长于发现现有学说和现有理论中的问题,具有王国维先生所说的搞研究所需要的居第一位的“西风凋碧树”的精神,但缺乏找到新的办法来解决问题的创新经验,这是我的短处。

终于有一天顾先生非常高兴地对我们说,我们在苏联学习云物理的一位研究生已经找到解决问题的办法,他现在已学成回国。他把随机过程论引入云物理中暖云云滴增长研究,结果发现此过程不仅可以很容易地解释暖云大云滴的形成,而且可以容易地解释暖云降水中雨滴的形成过程。这就是早期的云滴随机增长理论。马上它得到了国内有关方面很高的评价。被认为是解决了暖云降水难题的重大进展。同时还要我们认真学习他的理论,于是我们这帮在学校中从没有学过云物理也没有学过随机过程论的人,就掀起了一个学习这个新理论,学习随机过程论的热潮。然而经过一段认真的学习后,我惊异地发现原来这个云滴随机增长的新理论,在对随机过程的相关系数处理上,存在概念性的错误,纠正了那个错误以后,也就纠正了他那个夸大湍流起伏场作用的错误结果。我证明出,对流暖云中的湍流起伏场,不可能直接在形成雨滴中有作用,但它却可以直接形成大云滴,从而建立起我自己的“对流暖云大云滴形成的马尔可夫过程理论”。由于这一理论解决了当时云物理中的中心难题,从而引起了国际同行的浓厚兴趣。三十多年来以英国云物理学家为主的一些科学家,先后用数值试验,垂直风洞实验以及野外对流云的实地观测,对我们的理论进行了反反复复的检验,最后它终于得到了国际同行的认可,赢得了剑桥科学家们的喝彩,并两次载入国际云物理发展史册,称我们(也包括一些前苏联的云物理学家)为一个学派,这个学派在国际云物理学界开辟了一个新的研究方向,其影响一直及于现在,而这却是当年我在大气所开始研究云物理时所未曾料及的。

为什么当时我能从对云物理的无知状态,一步就跨入国际云物理的最前沿,作出成果,并在国际上产生这样大的影响呢?现在回想起来第一要归功于 《十四条》,没有周总理和聂副总理的这一及时的英明决策,我们恐怕还一直会在那里忙于上山下乡搞生产任务,而不知道科学院的首要任务是出科研成果,是要搞研究在学科上有所创新。第二就是要归功于顾先生。我很幸运在我进行我人生中第一次科学研究时就遇到了顾先生这位好老师。是他为我抓住了当时国际云物理最前沿的课题。在科学研究中选题是首要的有决定意义的大事,题目选得好不好决定了你将来取得成就的大小。那时没有自由选题一说,我们所受的教育是:“专家的意见就是党的决定,大家要坚决执行”。幸而我所遇到的专家是顾先生,他为我选定的课题,正是当时国际云物理界所关注的焦点。成果出来后自然会引起国际同行的注意研究和讨论,也就不足为怪了。因此在这里我要特别感谢顾先生对我的英明引导。没有他为我选定这样好的一个题目,我人生中的第一个理论创新,就不可能在国际上产生这样大的影响。顾先生如果地下有知,在得知在他的引导下,在当时还是闭关锁国的条件下所取得的这一成果,居然还会在国际上起了这样大的影响,其影响甚至能延续几十年时,也必定会十分欣慰了。

我国第一颗原子弹的爆炸

1964年我国第一颗原子弹爆炸了, 这是件振奋人心的大事,其情景就犹如不久前我国发射载人宇宙飞船一样令人鼓舞,中国人开始扬眉吐气。大气所也有反应,马上组建了大气扩散课题组。仍然由顾震潮先生领导,现在他的任务更重了,除了负责这个新组建的课题组以外,还领导着原来的云物理和人工降水课题组。按照《十四条》的精神办事,“任务带学科”,我国的大气物理事业就这样通过一个一个的国民经济建设任务,国防建设任务,从无到有从小到大逐步逐步地建立起来。在这个过程中顾震潮先生功劳最大,可以说是我国大气物理事业的一位创始人。他不幸在文革中受到冲击,并于1975年病逝,是我国大气物理事业的一大损失。

顾震潮先生在开拓我国的湍流大气扩散事业时,也和他开拓我国云物理事业一样,首先组织我们学习英国著名的大气扩散专家帕斯奎尔(Pasquill)刚出版不久的著作《大气扩散》一书。 那时虽处在闭关锁国时期,但也不是绝对与世界隔绝,西方的科技图书、刊物还是很快就能传入到国内。由于空气污染扩散问题随着现代化经济建设的发展,随着现代化军事技术的发展而日益严重,所以湍流大气扩散问题,也随之而成为一个国际上非常活跃的课题。帕斯奎尔1962年出书以后的十二年,即在1974年他又修订过出了第二版,九年以后,1983年又扩充修订出了第三版,可见这个课题在国际上发展之迅速。因为第三版补充了以前两版所没有的中尺度和大尺度的扩散问题,所以作者也增加了一位,叫史密斯(Smith)。《大气扩散》第三版则是由他们合著成书。1989年大气所曲绍厚等人把第三版翻译成中文,由科学出版社出版。60年代大气所组建大气扩散组时,我还在云物理课题组,但顾先生在组织新成立的大气扩散组学帕斯奎尔书的时候,叫我也参加了。学了一阵子以后,顾先生叫我干脆全部调离云物理组而参加到大气扩散组中来,成为那个组中的正式成员。所以可以说我参加了顾先生组织的学习帕斯奎尔书的全过程,还要补充一句,那个时代还是“服从分配”的时代,没有“自由选题”一说。领导经常教育我们:“专家的意见, 就是党的决定。”所以尽管我刚刚在云物理上做出了有意义的成果,可以就此深入下去,向纵深发展,但我还是服从了顾先生的调动。那时候人们的政治热情很高,能够为我国原子弹氢弹研制事业做一些事情,是一件令人高兴的事。因此,我毅然决然,而且十分愉快地接受了这次调动。

帕斯奎尔书的头几章讲的是湍流的ABC,因为原子弹爆炸以后产生的放射性烟团,以及工厂烟筒里冒出来的烟羽,它们的宽度都随时间而不断加宽,影响范围不断加大。其原因主要是由于有湍流的存在,所谓大气扩散实质上就是湍流扩散,特别是近距离扩散问题。所以在帕斯奎尔的书中头几章必然要讲湍流的基本理论,这是我第三次接触湍流。第一次是在1960年我们原气候大组中的祁连山高山冰川融冰化雪组按照《十四条》精神改建成为近地面物理组,那时在朱岗崐先生的领导下,我们学了前苏联学者莱赫特曼的近地面物理,由于湍流是近地面大气活动的支配因子,所以那是我第一次接触到湍流,从中认识到普朗托(Prandtl 1925),冯卡尔曼(1930),普朗托(1933)的半经验混合长湍流理论。及由此而导出的水平平均风速随距地面的高度成对数分布的规律。当然这是中性条件无热力因子时才成立。当近地面大气中有热力因子存在时,还要加以订正。后来,由于大气所进一步收缩战线,近地面物理组被撤销。我就调到云物理组,这方面的学习就没有能继续进行下去。第二次是我在云物理组中研究对流暖云的云中湍流对大云滴随机生长过程的作用时,自学了有关湍流的基本知识。这使我第一次学习了前苏联著名概率论学派代表人物,柯尔莫果洛夫的局地各向同性的湍流统计理论,并成功地用它来否定了湍流加速起伏场在大云滴,乃至雨滴生长中会有重要作用的错误理论。我对柯尔莫果洛夫湍流理论的认识由此开始。现在在大气扩散组随顾震潮先生学帕斯奎尔的书,又使我第三次到接触到湍流,亦即第二次接触到柯尔莫果洛夫的湍流理论。从这次学习中我又知道湍流扩散有两种理论,一种是前面讲的普朗托的混合长理论,这个理论可以确定湍流输送时的扩散系数,又叫输送理论。普朗托是冯卡尔曼老师。第二种理论是统计理论,这个理论是巴切勒(G.K.Batchelor)的老师G.I.泰勒(G.I.Talor)在1921年建立的。比普朗托半经验混合长理论的建立还要早四年,但是由于统计理论在应用上的困难,直到1934年英国著名学者萨顿成功地把G.I. 泰勒扩散的统计理论应用到近地面、短距离的扩散问题中来时,泰勒的理论才确立了它在大气扩散中的地位。到了1957年和1959年帕斯奎尔和他的合作者哈伊(Hay)根据他们的实验观测又提出了一个更方便的假说,通过这个假说人们可以把在地面固定地点上观测到的湍流能谱分布,换算成扩散烟团中某个随烟团一起运动的代表性粒子的湍流能谱。这样,他们就可以简单地把地面固定地点的湍谱观测代入到G.I.泰勒 的扩散公式中去,从而可以得到烟团宽度随时间的演变规律了。哈伊和帕斯奎尔的这个工作已得到实验观测证实。于是就确立了帕斯奎尔在大气扩散领域中的地位。同时也就更加牢固地确立了G.I. 泰勒湍流扩散统计理论的优势地位。

从顾先生领导的这次学习中,我还知道了大气湍流扩散本身也可分为两类,即绝对扩散和相对扩散。当原子弹爆炸后 所产生的放射性烟团随时间其宽度会不断加大,这是相对扩散,从工厂烟筒里冒出的烟羽其宽度也会不断加宽,这也叫相对扩散。这种扩散是由尺度小于烟团,或者尺度小于烟羽宽度的小尺度湍涡引起。但是大气湍流是一个广谱,除去比烟团或烟羽宽度小的湍涡以外,在湍流大气中还存在着比烟团、烟羽宽度更大尺度的湍涡。这种大尺度的湍涡作用与小尺度湍涡作用不同,它不是使烟团、烟羽宽度变得更宽,而是使烟团、烟羽本身绕着平均风速方向做上下左右的随机摆动。于是从固定地点的横截面上长时间观测到的烟团、烟羽宽度它是烟团、烟羽本身变宽,并加上上下左右摆动的结果。而前面普兰托半经验混合长理论和G.I. 泰勒的统计理论预测的都是这种扩散,叫绝对扩散。很明显,绝对扩散所测出的烟团、烟羽宽度,要比相对扩散所测出的宽度要更宽,因为它还加上了烟团、烟羽的摆动。于是,绝对扩散的理论预测所给出的烟雾浓度要比照相对扩散预测所给出的烟雾浓度要小。这样按照普朗托的半经验混合长理论和G.I.泰勒统计理论来预告原子弹爆炸后所产生的放射性烟团的危害范围就出了问题。因为它们预测的是绝对扩散的稀释过程,这种稀释过程当然速度比较快,按这种稀释过程预测出的临界危害距离就比较小。但实际上被危害的人们所接受到的是某一瞬时的烟团的浓度,这显然是烟团本身宽度造成的烟雾浓度大小,而不应把烟团摆动的效应包括进来。因此这是相对扩散所决定的,它的浓度显然要比绝对扩散理论所预测的浓度要大。这里就会产生一个严重问题,由于我们面对的问题,正是原子弹爆炸后所形成的放射性烟团的扩散问题,所以顾先生要我们要特别注意研究烟团的相对扩散问题。顾先生举了一个例子,因为人类对相对扩散的理论认识是50年代以后的事,所以第二次世界大战以后,50年代以前的几年时间中,美国气象专家为美国在太平洋比基尼岛原子弹实验发布放射性烟雾的危害警报区域比实际小,结果就出了严重事故。有的船只在预报的危害区域外活动,但实际还在相对扩散危害区之内,因此受到放射性烟雾的伤害,产生致命的后果,这是一个惨痛的教训。由此人们开展了对相对扩散的研究,终于在50年代有了突破。做出这个突破性工作的是巴切勒(1950)以及他和他的合作者汤森德(Townsend,1956),沿着他们的老师G.I.泰勒的统计理论的路线前进,把G.I.泰勒的一个粒子的绝对运动的统计理论,换成两个粒子的相对运动的统计理论。这样就可把G.I.泰勒的绝对扩散理论,推广到现在的相对扩散理论。因为一个粒子的绝对运动包含了从大到小所有尺度湍涡的信息。而两个粒子的相对运动,只能反映出尺度比两点距离小的小湍涡的信息,所得到的是相对扩散。然后,他们把柯尔莫果洛夫的局地各向同性湍流理论应用到相对扩散问题中来。因为柯尔莫果洛夫理论给出的就是两点速度差的均方值,正可以用来计算在经历了相对扩散后烟团宽度的大小。于是,烟团宽度的均方值与时间关系,除去初始时刻有一个按原来老泰勒理论所预测的随时间平方增长关系,在扩散时间远大于相关时间后,有一个随时间成一次方增长关系外,中间紧接初始时段之后,有一个按时间成三次方增长关系。这是由柯尔莫果洛夫理论中的“惯性子区间”之特点所决定的。这是巴切勒把泰勒理论和柯尔莫果洛夫理论结合起来得到的新结果。这个加速增长的关系已被实验所证实,由此进一步确立了柯尔莫果洛夫湍流理论在烟团扩散问题中的地位,并确立了巴切勒在烟团扩散中的地位。这也是第二次使我认识到柯尔莫果洛夫湍流理论的重要性,并第一次认识到巴切勒工作的重要性。因为烟团扩散问题正是原子弹爆炸实验中所迫切需要知道的。

北京天堂河农场实验

按照顾先生的意图,我们研究的重点应该是烟团的相对扩散,这才能对我国原子弹试验提供服务。于是1966年5-6月我们学习了帕斯奎尔的《大气扩散》后,就进行了一次北京南郊天堂河农场烟团扩散实验,其目的是用以检验巴切勒(1950)以及他和汤森德(1956)烟团扩散理论。经过短短一年多的努力,这实验终于得以在北京南郊的天堂河农场实现,主要是靠了陈章昭的努力,他也是我的北大的一位校友。工作很努力尤其长于实验工作。这次实验中的两个关键问题,一是烟团发生装置,另一个是照相取样设备,都是在他的努力下解决的。实验在1966年6月下旬结束,我们回到大气所,开始分析资料数据。在初步分析实验资料中,我惊异地发现实际烟团扩散情况,要比巴切勒的烟团扩散理论复杂得多。最特别的是,烟团宽度并不总是随时间增长变宽。相反,有的时候它还会出现随时间而使烟团的宽度缩小的反常状况。这是巴切勒的理论所无法解释的。问题很重要,因为烟团宽度如果缩小了,它的放射性烟雾浓度就会变得更大,对人体危害就更大,发布危害区警报的范围就应更大。否则按现有理论来发布预报,同样会发生严重事故。看来巴切勒的理论还存在漏洞,他只考虑了比烟团尺度小的湍流作用,以及比烟团尺度大的湍流作用,但还有第三种大小的湍涡,即尺度和烟团宽度大小相当的湍涡,在适当的条件下,这种尺度的湍涡可能就会构成一个辐合流场,使烟团收缩,考虑这种尺度湍流的作用,应该是湍流扩散理论的一个前沿课题。但是可惜,还没有等我们把全部实验资料分析完,“文革”就爆发了。大气所和全国一样,马上陷入一片混乱之中。一切工作都停了下来,一场灾难开始了。于是很遗憾,我在顾先生领导下所进行的这一最后的工作,也就成为一件未完成之作。但是在“文革”中,并不是所有工作都停了下来,特别是一些直接为国防服务的工作就还在进行,正是在这时候,大气所组建了一个新的课题组,即105组。是研究激光大气传输的。1960年代激光出现后,各国纷纷研究它的军事应用,我国也不例外,例如激光武器,激光雷达和激光大气通信等。研制这些装备,都要求人们对大气对激光传输会产生甚麽影响有透彻了解,105组于是应运而生。那时所有老先生或是受冲击或是靠边站,于是这个组就都由年轻人组成。开始他们研究大气的吸收和散射形成的大气衰减效应,后来他们发现大气湍流对激光传输也有影响。就向大气扩散组求援,我被看中是懂得湍流的人,于是就被调进105组,从此就离开了顾先生。1971年6月,这个组集体搬迁到合肥,到了中国科学院合肥分院安徽光机所。从此我不但永远地离开了顾先生,也就离开了大气所,以致1976年顾先生去世时未能参加对他的追悼会,是一憾事。

向顾震潮先生学习

今天,当我们纪念顾震潮先生逝世三十周年时,我感到重要的事就是要好好向顾先生学习。缅怀先生为开拓我国大气物理事业所做出的重要贡献,我们应该认真学习先生以下三方面的精神。

第一要学习他的爱国主义精神。顾先生具有强烈的爱国主义精神,他有一颗炽热的爱国心。正是在这种强烈的爱国心情鼓舞下,他能做到以身许国。每当国家有事,需要他放弃他原有的已经作出很好成绩的专业,去开拓他不熟悉甚至是没有学过的新事业时,他都能做到毅然决然地放弃原专业,义无反顾地并且是全心全意地投身于开拓新事业的工作中。而且能够做到身先士卒,奋不顾身。今天我们的条件比起当年顾先生的要好多了,但是在这样好的条件下,我们仍然需要这种精神。我们要向顾先生那样,为祖国的繁荣富强,为中华民族的伟大复兴,特别是要为中华民族在科学事业上的伟大复兴奋斗终身。

第二要学习他在研究方向上敢于抓大问题的大无畏精神。无论是国计民生上的大问题,或是学科发展上的大问题,顾先生都敢抓,敢于攻坚。众所周知问题越大难度越大,要付出更大精力,更长的时间,出论文就慢,甚至有更大的风险,有可能失败作不出来。但顾先生都能把它们置之度外,迎难而上,在攻坚上具有坚定的意志,而不考虑个人的得失。这种精神在今天尤其可贵。今天的形势虽好,但存在着出论文的压力,尤其是要出《SCI》论文的压力,一些地方一些单位在那里比论文数量,尤其是比《SCI》的论文数量,以此来衡量一个单位和一个人的成绩大小,其压力之大可想而知。但中华民族在科学事业上的伟大复兴,决不可能靠论文数量来实现,只能靠我们在国计民生上解决了多少大问题,只能靠我们在学科发展上解决多少大问题来实现。因此在当前为中华民族的伟大复兴事业奋斗中,学习顾先生这种敢于抓大问题敢于攻坚的精神是十分必要的。

第三要学习顾先生关心,爱护,培养青年人的精神。顾先生在开拓新学科时,不是一个人单干,他总是带领年轻人一起搞。他往往是先走一步,为我们年轻人查找出为开展新课题研究所必须学好的基本文献。在学习中他善于引导我们抓住主要问题,他鼓励我们在学习文献时,要对现有学说现有理论持怀疑态度,要敢于批评现有的学说和理论,并且要敢于提出新的见解和新的理论。他特别强调要重视实验,要学会从实验观测中去辨别真伪,去提出新的观点和新的看法。在实践中他更是言传身教,以自己的实际行动来告诉大家应该怎么做。这样,从无到有,在他的教导下,很快成长起来一批年轻人,成为我国年轻的大气物理事业各方面的骨干,做出了重要的贡献。顾先生的这种培养年轻人的精神,在今天尤其应该大力发扬。中华民族伟大复兴的事业,呼唤着成千成万优秀的青年工作者出现,更呼唤着众多的为世界公认的大师级人物,在我们伟大祖国的土地上涌现。因此,学习顾先生热心培养青年人的精神,在今天仍然是一件很有意义的事。

(本文选自拙著《创新话旧――谈科学研究中的思想方法问题》(气象出版社,2005年8月出版)中第6章和第7章的有关段落,加以必要的删改补充而成,作者授权天益发布)

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