温景嵩:闭关锁国时期做出了有影响的成果

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温景嵩 (进入专栏)  

《创新话旧》第6章

第六章 创新点(5)── 我的第一个理论创新

6.1 初入科学殿堂

6.1.1 时值1957年反右之后

从本章起,我们将把回顾往事的镜头转向更遥远的年代。那是在半个世纪前,1957年秋,我从北京大学物理系气象专业毕业,被分配到我国气象事业中的科学殿堂──中国科学院大气物理研究所。当时它还不是一个独立的研究所,只是老地球物理研究所的一个研究室──第二研究室,简称二室。它在66年“文革”时才从地球所独立出来。记得当时二室只有两个组,一个研究天气动力学,一个研究气候学。我被分配到天气动力学研究组。时值1957年反右之后,这对我们这一届大学毕业同学产生了巨大而深远的影响。我们到天气组领导人叶笃正先生那里报到以后,便马上被下放到北京郊区农村行集寺大队去劳动锻炼,从而开创了一个过去从来没有的先例。大学毕业生分配到科研院所后,不是马上投入到科研工作中去,而是要下放劳动锻炼。我们的工资还降了一级,56届的大学生报到后的工资是每月62元,第一年试用期为56元。从我们57届开始试用期工资降为42元,说这是新制度,等我们转正以后才能拿56元,而这是56届试用期的工资标准。从此56与57届之间形成一条鸿沟。职称、工资等等的晋升提级都以此为界,只提到56届,轮不到我们。因而57届就成了倒霉的一届,就这样直到打倒“四人帮”。1978年迎来了科学的春天,国家召开第一届全国科学大会时,我因在科研上曾做出了本章将要谈到的成果,而被选为安徽省出席这次盛会的正式代表,但是职称仍然是初级职称──研究实习员。在北京的大会会务组报到时,我如实填了我当时的职称,可能“研究实习员”的职称实在太说不过去了,一个已经工作了二十多年,而且在科学上已做出贡献的人,居然还是个实习员,于是被大会会务组工作人员大笔一挥给改成技术员。其实技术员也是工程技术人员的初级职称,只不过听起来似乎比实习员好听一些。后来才知道研究系列的研究实习员相当于工程技术系列的助理工程师,比技术员还高一个档次,它相当于大学的助教。

6.1.2 下乡与上山

当1957年我们下放劳动时,在时间长短上没有限制。我们被告知,要作好长期劳动的打算,不要老想着什么时候回科学院,这不利于我们的思想改造。可实际上不到一年就起了变化,把我们召回了地球所。原来那时正赶上“大跃进”,要大家“破除迷信,解放思想”,要“敢想敢干”,要大家“树雄心,立壮志”。于是当时老地球所二室的气候组提出了一个宏伟规划,要“改造西北干旱气候”,措施是“开源节流”。“开源”又分两个方面,一是到祁连山冰川上去搞融冰化雪,一是搞人工降水。“节流”则是到水库去进行抑制蒸发试验。气候组人手少,人力不够,于是天气组的领导叶笃正先生就提出天气组要大力支援气候组。我们这批下放劳动锻炼一年的大学毕业生就从农村抽回来,支援到气候组,在朱岗崐和高由禧两位先生的领导下,男的参加祁连山高山冰川的黑化融冰化雪工作,女的则参加水库的抑制蒸发工作。就这样人手还不够,于是叶笃正和顾震潮两位先生又从天气组原有人马中抽出些人,在他们两位先生的亲自领导下,担负起人工降水工作。于是一个轰轰烈烈的“改造西北干旱气候”的宏伟运动就在老地球所二室展开了,这个工作得到了中央有关部门和甘肃省委的大力支持,省委书记张仲良高兴地对当时的地球所老所长赵九章说,龙王爷来了。

然而实践证明,“改造气候”的口号提得太高了,不切实际。“龙王爷”只存在于人们的神话世界中,在现实世界中并不存在。就我当时所参加的祁连山高山冰川融冰化雪的工作而言,第一年,在高山冰川上进行的小面积黑化冰川以加速融冰化雪试验还可以,以碳黑黑化冰川的效率为最高。但第二年大面积大范围推广时就出现了问题。高山冰川路途险阻,无路可通。加之高山缺氧,人们易患高山反应症。通常,这只是高山登山队经过特殊训练,有特殊装备的少数运动员干的事。因此不可能期待从陆路解决黑化冰川的技术问题。使用飞机在空中撒播碳黑是一种可能方案。但高山地区是飞行禁区,一般飞行条令禁止在高山山区作低空作业飞行,飞机必须保持在峰顶以上600米高度。因此,只能做成碳黑炸弹、煤粉炸弹来进行高空投弹黑化,在这方面我们也进行过摸索,不幸也未成功。因此,第二年大面积大范围推广时,只能依靠地方党委,地方政府,组织动员群众上山。用土办法来解决问题。而一般群众由于山路险阻,还由于高山缺氧,高山反应使人极易疲劳,头晕甚至呕吐,能把自己个人所需的给养背上山来,已经够呛了,不可能再把正规的黑化材料背上冰川。于是原来的设想用碳黑黑化冰川,到实践中就变成了“就地取材”,即把冰川两侧山坡上的冰积石、冰积土铲运到冰川上来,以促进冰雪融化。这当然效率十分低下,头一年我们在冰川上做小实验时也用过,不起什么作用。于是在参加这项工作的科研人员中产生了相当悲观失望的情绪。但是带领农民群众上山的地方党政干部并不悲观,他们想出了一种在冰川表面上开沟以加速冰雪融化的办法。这办法看起来果然有效,人们能够看到水在冰沟里哗哗流淌。但是这究竟是自然消融下来的水呢,还是沟渠起到的效果。即使这里面有一部分是开沟引起的效果,但这部分究竟有多少,如何计算?能把在冰沟中的流水全部算在开沟的效果上吗?于是,在科研人员中引发了一场争论,并且很快在科研人员和地方党政领导中产生了对立情绪,几乎要闹到人家要把你打成右派的地步。这时朱岗崐先生从山下赶了上来,他严肃地批评了我们,要我们马上纠正这股悲观情绪,不准再和地方领导顶牛,要放下架子,虚心地服从领导,积极投身于当地群众在冰川上开沟引水运动中来。问题就这样强行政治解决了。但是科学问题效果计算问题并未解决。加以当时是1959年的春天,甘肃地方的三年困难时期已经开始,人们吃饭已成问题。大规模群众上山,不但没有特殊的高山给养,以保持人们的旺盛的体力,用以克服高山反应症,反而连平时在平原上日常可以吃到的干粮也吃不到了,只能三顿都喝稀粥。这困难可想而知。随后在高山冰川上发生了冻死人、饿死人的事。等工作结束,夏季已经到来,冰川的自然消融量已很大,我们就下山进行总结去了。在总结中,我们指出黑化冰川以融冰化雪的艰巨性,但同时也指出,为解决春旱农耕缺水问题,动员部分群众,不是上高山上去加速冰川融化,而是到高山脚下的季节性封冻河流上去加速消融,还是一种可行的办法。打倒“四人帮”后,记得有一次(可能在80年代)在报上看到西北地区农民继续使用这办法来解决当地春耕缺水问题,可能这就是我们那时留传下的办法。为此,我心中感到十分高兴。

6.2 转折

6.2.1 《十四条》的到来

我感觉甘肃的三年困难好像走在了全国的前面。不久,就成了全国规模的大问题,针对这个形势中央进行了调整。“大跃进”,“敢想敢干”的口号不见了,取而代之是新的“调整、巩固、充实、提高”的八字方针。各行各业都在总结经验教训,先后出台了一系列新的政策。在科研方面,则提出了有名的《十四条》。这是在敬爱的周总理和聂荣臻副总理主持下制定的。《十四条》在我国科研事业的发展史上起到了十分好的积极作用。它的具体十四项条文现在已记不清,但是核心的两条却仍然记忆犹新。第一条讲的是科研机构的根本任务,有六个字, 即“出成果,出人才”。所谓“成果”当然是指科研成果,而不是生产任务。第二条是“任务”应当带动“学科”,而 不能代替“学科”,即“任务要带学科”六个字。这条要科研机构的科研人员应摆正“生产任务”和“发展学科”两件大事之间的关系。生产任务当然要搞,而且是首先的要务。但不是目的,对科研机构来讲,目的是通过生产,把学科发展起来,拿出新的有重要意义的科研成果才是科研机构,科研人员的最主要的目的。地球所二室的领导在学习贯彻《十四条》过程中,做了以下一些决策。第一,不再提“改造西北干旱气候”的口号,这不仅不现实,而且按照《十四条》的精神,这是直接的生产任务,本来就不应是科研机构的事。按照新的《十四条》的精神,明确了大气所的根本任务是发展大气科学,通过物理化把气象学从描述性学科发展成定量的理论性的学科。在这个指导思想下,把原来提出“改造西北干旱气候”宏伟规划的气候组,划归给地理研究所。因为这个组搞的是气候统计,仍然属于描述性的地理学、气象学的范围。高由禧先生则带了一批人员调到兰州建立高原大气物理所。抑制蒸发的任务撤消,因为实践证明,原来使用一种化学制剂(16碳醇)撒布在水库表面,在水上形成一层薄膜,以抑制蒸发的方法根本行不通。因为这种单分子膜很脆弱,虽然在室内蒸发皿中可以看到抑制蒸发的作用,但在自然条件下则经不住风吹浪打,一旦遇到风浪,薄膜就会破裂,顺风而下堆积在下风方向,起不了作用,也带不出学科。原来的人工降水任务,从改造西北干旱气候任务中独立出来交由顾震潮先生领导,而且明确人工降水不是目的,最终要带出云物理学科。我们这批原来搞黑化冰川融冰化雪的人员,则交给朱岗崐先生领导,结合融冰化雪,提出最终目的要带出近地面物理学科,朱岗崐先生则找到一本由前苏联学者莱赫特曼写的近地面物理著作,指导大家学习,以开展近地面物理的工作。于是我们才能从初到科学殿堂下乡、上山艰苦劳动几年后,静下心来学习这本书。准备进行一些真正的科学研究了。不过时间不长。所领导又进一步缩短战线。1960年把我们这个近地面物理组撤消,朱先生则被调往他所,我们则划归顾震潮先生来领导。这是为了集中力量,以搞好人工降水并发展云物理学科的任务。 从此,我们转到顾先生门下,从事云物理工作了。

6.2.2《十四条》与《SCI》

在回顾我们在顾先生领导下开展云物理工作这段往事之前,有必要在这里花一些笔墨,就《十四条》的现实意义再写几句。

我以为《十四条》的核心第一条,到目前仍然具有重要的指导意义。当然,有的同志可能会认为,第二条“任务带学科”也有指导意义。但根据我自己的经验这只是问题的一个方面,对应用学科,对工程技术可能第二条有特别现实的指导意义,但并不全面。因为还有基础学科存在,对它们则似乎应该是另一种提法,即:“学科带学科”,像本书前面几章里面讲的在气溶胶力学方面所取得的几项突破性成果,那都是“学科带学科”的结果。只有对那门学科的发展历史有一个深刻全面的研究和理解,发现了新问题并引进新方法,然后通过自己的刻苦努力,才能取得新的突破。以上这些事,对于只通过完成生产任务而言,是无法带动起来的。尽管,我们在前一章中已经谈到气溶胶力学和悬浮体力学有十分广阔的应用背景。我们那几项成果却不是通过应用工作才取得。相反,这些成果正是通过对这一学科发展历史进行了深刻研究的基础上,找到了它的突破口,才能完成。

现在来谈《十四条》的核心第一条:“出成果,出人才”的现实指导意义。打倒“四人帮”,拨乱反正,批判“极左”思潮后,现在大家敢搞科研,敢搞理论,敢出文章,不再怕“四人帮”整人的“一篇论文主义”,“一本书主义” 的大帽子了。这些都是好事,问题在于现在有些部门,有些单位,有些机构,走到另一个极端,把“出成果,出人才”的根本任务抛到九霄云外,而实际上搞的却是:“出论文,出人才”,或“出《SCI》,出人才”。在考核一些单位的成绩和水平,在对科研人员实行晋级提职政策时。他们把一个单位或一个人出《SCI》论文多少,当成了一个非常重要的指标,根本不问他解决了什么重要问题,出了多少有意义的成果。对此,本书第一章中已经谈到。现在重温《十四条》之际,我觉得有再次对《SCI》的问题加以分析的必要。以出《SCI》论文为科研人员的根本任务,这种做法,根本上违反了《十四条》的精神。《十四条》的具体条文可能已经过时,但是它对科研机构科研人员根本任务的规定──“出成果,出人才”却不可能过时,而是放之四海而皆准的真理。对于《SCI》的问题也是一样。首先《SCI》是一个“广谱”,能够列入《SCI》系统的学术刊物和杂志,并不都在同一个高水平上,其实《SCI》刊物的水平也参差不一,有高有低。现在应当破除对《SCI》 的迷信,不要以为一上了《SCI》 就都了不起。实际上,不是那么回事,就是《SCI》 系统自己对进入它的各个学术刊物也有个考核。这种考核被 量化为一个叫“影响因子”的标准来衡量。一个刊物的影响因子的大小,和发表在该刊物上的论文被引用的总次数成正比。和发表在该刊物上的论文总数成反比。很明显,对该刊物的论文引用次数越多,该刊物的影响因子就越大,水平就越高。反之,引用次数越少,影响因子就越小,水平就越低。不同时间,引用次数会有变化,影响因子也就有变化。现在以2003年我们所了解到的物理学科类国内外著名的,已列入《SCI》系统的刊物的情况为例,它们的影响因子分别列在下表之中。(温注:此表中数据由南开大学物理学院宁平治教授提供,特此致谢。)

刊物名称 影响因子

《Phy. Report(物理报告)》 8.341

《Phy. Rev. Lett. (物理评论快报)》 6.226

《Phy. Rev.A. (物理评论A)》 2.810

《Phy. Rev.B. (物理评论B)》 3.070

《Phy. Rev.C. (物理评论C)》 2.695

《Phy. Rev.D. (物理评论D)》 4.363

《Phy. Rev.E. (物理评论E)》 2.235

《中国科学A》 (英文版) 0.340

《中国科学B 》(英文版) 0.840

《中国科学C 》(英文版) 0.396

《中国科学D 》(英文版) 0.610

《中国科学E 》(英文版) 0.376

《中国物理快报》(英文版) 0.813

《中国数学年鉴》(英文版) 0.144

《中国分析化学年鉴》(英文版) 0.288

从这个表中可以看到最显著的一个特征,就是尽管大家都已列入《SCI》系统,实际水平相差却十分巨大。你在这表上的任何一个刊物上发表了一篇论文,就可以算你有了一篇《SCI》论文,对于不追究你是多大影响因子的《SCI》的人讲,这可能很了不起,但对真正的内行人讲,他一定会追究你是多大影响因子的《SCI》,那就会显原形了。从物理类讲只有在《物理快报》或《 物理评论快报》上发表的论文才能算是高水平的论文。而通常我们讲的《物理评论》却不行,影响因子比前两种差了一大截,至多可算是中等水平吧。而我国平常把《中国科学》看成是最高水平的刊物,也列入了《SCI》,但拿影响因子来衡量,就差得更远,差一个数量级。如果拿国际高标准来衡量,《中国科学》就只能算是水平较低的刊物,没有什么人引用,在国际上没什么影响。所以现在确实是到了应该破除对《SCI》迷信的时候了,否则它会阻碍我国科学的进一步发展。如果我们迷恋于《SCI》论文的篇数,就会引导我国科研人员不能下大决心出真正是国际高水平,在国际上有大影响的成果,而满足于低水平的重复凑数,对我国科研事业发展很是不利。当然也有不是凭论文篇数,而是凭论文水平来评的。特别是国家级的评审就是如此。例如国家教育部评审国家级重点学科的工作,他们就不是以《SCI》论文多少为准,相反它限制每一个学科组,不管你有多少人,你的《SCI》论文再多它都不要,而只要20篇有代表性的论文,平均下来每人至多只要几篇就够了。大家报上来的都是20篇,又怎么去评呢。从理论物理学科看,就是要看影响因子的大小,北京师范大学的理论物理平常知名度和我们南开大学的理论物理差不多,但在它的20篇送审论文中有几篇《物理评论快报》的高水平的论文,而我们却一篇都没有,只到《物理评论》为止,从影响因子看,比《物理评论快报》的差一大截。结果北京师大的理论物理那次被评为重点学科,而我们却没评上。也有人可能要提出不同意见,说:不应拿刊物的水平来决定论文的水平。发表在较低水平刊物上的论文,不一定每篇论文都低,发表在较高水平刊物上的论文,不一定每篇论文都高。这话也对,这个问题在评国家自然科学奖的工作中解决得比较好。在论文篇数上,评国家自然科学奖也有限制,也不看《SCI》的多少。有朋友曾问过我,我那赢得国家自然科学奖的成果上报时,送审了几百篇论文?以为必定要有几百篇论文,才能评上国家大奖。其实这完全是误解。国家大奖也完全不是以《SCI》篇数取胜,相反它也限制在20篇代表作上,再多也不管用。那它根据什么来评呢,也是看水平。但与评国家级重点学科不同,它是直接看文章本身的水平。文章水平之高低看引用,本质上和评价刊物水平高低一样,看有没有人引用你,特别是要看国际上有没有人引用你,引用了多少次,引用是什么性质的,是一般性的呢,还是有重要性质的引用,这样就更科学更准确。不会发生以刊物水平定高低的偏差。以我2000年荣获1999年度国家自然科学奖的成果为例,在上报20篇论文中,确有发表在影响因子相当低的刊物上。比如《中国科学》,它的影响因子不到1,水平是够低了,但最终还是评上大奖,靠的就是因为引用多。对我这20篇代表作,国际同行引用有100多篇。我把这100多篇引用都查出并复印出来报上去,份量要比我本身的20篇大得多。其中还有重要引用,有些是以实验来证实了我的理论预测的,这就比一般引用重要的多,对理论文章而言,这种引用有决定意义。也有是不仅为《SCI》刊物所引用,而且引用在国际著名学者的学术专著上,载入了国际相应学科的发展史。例如前面几章曾谈到的巴切勒和我的论文曾被引用在国际著名胶体科学家罗塞尔等人和东特的两部胶体科学著作。又例如,本章将要谈到的我们在云物理上的论文,虽然它是发表在《中国科学》上,影响因子相当低。但这篇论文曾被国际著名云物理学家普鲁帕克(Pruppacher)和克莱特(Klett),以及戈顿(Cotton)和 安塞斯(Anthes) 等两组科学家,引用在他们的两部云物理专著上。这是两部国际云物理发展特别是20世纪的发展史。能被引用在这两部史册上,自然是论文的意义重要的很好的证明。这些例子,都一再说明了刊物水平高低,对国家大奖来说,不那么重要,重要的是论文本身水平的高低,那就要看有没有人引用,有没有重要引用。这些才是是更重要的因子。最近在《光明日报》的“院士论坛”专栏,我国著名生物物理学家邹承鲁院士和另一位院士合写了一篇文章,文章的中心就是谈的《SCI》问题。他们对《SCI》论文所表示的看法和我们这里谈的一致。就是不应该以《SCI》论文的数量来评判水平高低,关键要看质量,质量高低看引用。他们在文章中说,我国现在从《SCI》论文数量来看已经很多了,在世界上排名第6,似乎可以说我国科研水平已位居国际前列。但他们接着说,其实不然。原因就在于引用,邹承鲁院士说如果考察论文被引用的情况,我国论文被引用的情况就很不妙,排名次序要降到第18位。邹承鲁院士又说,以上讲的引用还包括了国内同行的引用,如果把国内同行引用排除在外,只看国际同行引用,那就差得更远。邹院士对这一点没有给出具体排名顺序,但从我们前面表中所引《中国科学》的影响因子只有零点几,较之国际最高水平差一个数量级,就可以看出,若仅从国际同行引用来考察,我国学者的论文排名必定还要靠后,彻底改变我国科研事业在国际上的地位,赶上国际先进水平还有一段长路要走。这里首要的一环就是要端正指导思想,纠正“出《SCI》,出人才”的错误指导思想,回归到“出成果,出人才”的轨道上来。这才是发展我国科学事业的康庄大道。

6.3 在顾震潮先生的领导下

6.3.1 投身于人工降水的飞行作业

前已讲到,由于大气所领导贯彻执行《十四条》的精神,我们最终被划归到顾震潮先生的领导下,开始了人工降水和云物理的研究工作。首先仍然是人工降水,《十四条》讲了,要任务带学科。所以首先仍然要搞人工降水,不过不再局限于西北地区。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。军区参谋长亲自指挥,和科学院合作。顾先生带领我们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。虽然这确实是非常危险的工作。原来按飞行条令,飞机不能靠近积雨云。和不能在山区作低空飞行一样,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,飞机都颠簸得十分厉害。使催化作业,观测云的微物理结构都非常困难。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。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,只静静地坐在位子上不动,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,但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。可能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,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。也有一件趣事,1961年夏,在湖南进行飞行催化作业时,住在军用机场,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,参谋长说在旧社会,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”两字表达了我们对有学问的长辈的尊敬,参谋长这才表示理解。

6.3.2 人工影响天气的进一步发展

人工影响天气的工作很重要,从那时起直到现在,我国各地气象部门对此继续开展了大量的工作,收到了很好的效果,为各地经济建设的发展作出了有价值的的贡献。例如,人工增雨就是一项成绩不小的工作。但有时在群众中会寄予过分的希望。去年我的一位不是搞气象的朋友曾问我一个问题,他说“南水北调能否不走陆路而走空中,使用人工降水办法来把南方的水调过来,解决北方干旱问题。”我答复是:“不可能”。我说人工降水是有条件的,这个条件就是要有云,而且不是一般的什么云都可以用来人工降水,必须云层十分厚,云中含水量十分大,空气中水汽含量大,水份供应十分充足。这就大大超过我们人类现有的控制能力。北方干旱地区常常是为高气压所控制,在高气压控制的地方,都是下沉气流,晴空万里,不可能有降水云出现。要形成云,要形成雨层云、积雨云那样的云,就必须要由 低气压控制,如低涡。在这种天气形势下,才会产生很强的上升气流,才会有南方暖湿气流过来补充水份,这就涉及到要调整大气环流的形势,但从人类现在所掌握的能量看,还是太渺小了,根本不可能控制和调整大气环流形势。当年大跃进时,我们科学院提过“改造西北干旱气候”的口号,中央气象局也成立过“人工控制天气研究所”,但实践很快证明此路不通。我们只好收起“改造气候”的口号,中央气象局也把那个研究所改为“人工影响天气研究所”。虽然如此,多年来的实践经验证明,局地的人工影响天气,例如人工增雨和人工防雹等等,却是有效的,而且很有必要。几十年来我国在这方面已经做了大量的工作。许焕斌教授等人的新作,《雹云物理与防雹的原理和设计》(2004,气象出版社),对此做了很好的总结,并提出了新的思路,雹云的新的物理模型和防雹的新概念模型。有兴趣的读者,可参阅此书。

6.3.3 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的,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,我们这些前两年登上了西北祁连山的青年人,现在又被召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,根本没有想到要带动什么学科,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。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。没有实验场地,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。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,然而遗憾的是当时领导上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,他所取得的数据就只好由我们整理出来,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。

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,测不到更重要的内部情况,包括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。

6.3.4 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──雨滴的形成问题,抓住了当时国际上的焦点和热点,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暖云中大云滴的形成问题。一个雨滴,从凝结核核化开始长成对流云的云滴,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。虽然本书第一章中已经讲过,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,注:这个梅森和前面胶体科学中的梅森不是一个人,那位是加拿大人,全名是S.G.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,我长于发现现有工作,现有理论中的问题,具有王国维先生所说的“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精神,则无法“独上高楼,望尽天涯路”。这是由于前已讲到的我在大学中数学物理课程学得太少,不足以应付那时所要开展的云物理工作有关。

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新道路,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。不久他就被越级提拔,从一个12级的研究实习员,越过中级职称的助理研究员阶段,连升5级,成为7级副研究员。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。

6.4我的第一个理论创新

6.4.1 早期云滴随机增长理论的功过是非

通过学习我们认识到这位朋友的早期理论果然是云物理中的一次重要进展。以往的云滴增长理论都是均匀增长理论,那些理论对云滴增长所遇到的环境,都假设为相同的均匀分布。例如云滴凝结增长所遇到的云中水汽过饱和度是0.05%,那么所有的云滴就都只能在0.05%过饱和度下长大。又如云滴重力碰并增长所遇到的云中含水量是1克/米3,那么所有云滴就都只能在1克/米3含水量条件下长大。但是,早期的随机增长理论则正确地指出,这个假定不对。事实上,云中,特别是对流云中存在着强烈的起伏,0.05%的水汽过饱和度和1克/米3的含水量只是它们的平均值。实际环境则会因云中湍流存在而有大有小,有起有伏。因此各个云滴所遇到的环境大不相同,必定会有少量的云滴“幸运儿”存在,它们所遇到的是较之其它大量的“芸芸众生”有利得多的环境。例如遇到云中水汽过饱和度特别大的地方,或者是云中含水量特别大的地方。这时它们就会以比一般云滴快得多的速度生长,成为大云滴,成为雨滴,而形成阵雨。虽然“幸运儿”不可能多,只是很少一部分云滴,但观测也早已证明,雨滴浓度要远远小于云滴的浓度。要形成一次降水,不必要使所有云滴都变成雨滴。恰恰相反,仅仅其中很少一部分(即云滴浓度中的百万分之一)长大“成人”,就足以产生一场大雨。

以上这个新思想还容易接受。但是自然科学与社会科学不同,它不仅要定性,而且要定量,如果发现了以上的新思想,但还找不出定量的计算方法,那就还不能说,他已建立了一个新理论。在这方面,我那朋友也找到了一个新方法,就是他把概率论的平稳随机过程论方法,引用来计算对流暖云的云滴究竟会有多少“幸运儿”产生,产生的速度有多快。结果是十分乐观的。按照他的计算,不仅大云滴的生长障碍区(半径20-30微米)可以很快突破,就是半径为1000微米的雨滴也可在2000秒内形成(也就半个小时多一点)。于是“天下太平”了,暖云降水之谜好像谜底揭晓了,人们庆幸在我们这里诞生了一个可以和当年贝吉龙和芬代森冷云降水学说相比拟的暖云降水学说。

本书第一章中已经谈到科学有它的继承性,我们这里谈到的早期随机增长理论也不例外。远在1958年西方学者,麦克唐纳(McDonald)就发表论文清晰地说明了这个新思想,即暖云降水是一个起伏的随机过程,而非以往的均匀增长理论所断言的那样,所有云滴都会均匀同步地长大。麦克唐纳用一个非常简洁的图来说明这一新思想。他在图中非常形象地给出了暖云降水过程中五个不同阶段的水滴大小,并标出它们的浓度。第一阶段凝结核,半径为0.1微米,在图上最小只是一个点,浓度是1000/厘米3 。第二阶段是云滴,是次小,是个小园,半径为10微米,浓度也是1000/厘米3。第三阶段为大云滴,半径为50微米,浓度是1/升(即1000厘米3,)。第四阶段是云滴雨滴分界线──半径为100微米。第五阶段是雨滴,半径为1000微米,最大,在图中仅以一部分,像个大太阳的一角给出,浓度最小为103/米3。从这张图人们马上可以明白, 降水过程是一个随机过程。虽然雨滴半径比云滴大两个数量级。但雨滴浓度却比云滴浓度小6个数量级,也就是说只要有百万分之一的云滴长成雨滴,就可形成一场降水。从而指明所有成功的暖云降水理论,都必须运用概率论、随机过程论的方法才能解决问题。第一位运用随机过程理论来解决大云滴生长的是西方学者泰尔福德(Telford),时间是1955年。泰尔福德在那年发现了云中湍流以外的第二个随机源。即云滴是以一个一个的个体存在,而非过去均匀增长理论中对云滴重力碰并增长要素,即含水量所假设的那样,均匀地分布在整个空间。于是,一个云滴就只能和别的云滴逐个逐个随机地相碰。有时它一个也碰不上,那就是说在这个时间里,它所遇到的云中含水量是0。但另一个时刻里,当它碰上另一个云滴时,这时的云中含水量的就是水的密度1克/厘米3,折合成云中含水量的通常计量单位就是106克/米3,比原来均匀增长理论所用的对流暖云含水量1克/米3大了一百万倍,起伏强度可谓惊人。完全可以预期,在这样起伏的条件下,大云滴靠随机重力碰并,必定可以更快地长大。泰尔福德在他1955年论文中使用了随机过程中的纯爆发型的马尔柯夫过程论,用这种理论来研究一种最简单的双分散云。从而证明,这种随机过程可以比以往均匀增长理论快6倍速度生长出大云滴来。所以应该说云滴随机增长理论是1955年由泰尔福德开创的。(注:纯爆发型的马尔柯夫过程,系指云滴通过碰并长大,半径是爆发式的不连续地增长,两个半径为10微米的云滴并合后,新滴半径跃增为12.6微米,而从10微米到12.6微米中间的大小则不可能存在)。另一方面由湍流起伏形成的较大尺度的云中含水量场的起伏,它首先是由许焕斌在南岳云雾站观测到的。进一步把随机过程论中的平稳随机过程论方法引入于云物理之中,来计算由云中水汽过饱和湍流起伏场造成云滴随机凝结增长的,则是1961年前苏联学者别利亚耶夫(Belyayev)。当然他只是把这过程用来解释云滴在云底部滴谱加宽过程,而没有像我那位朋友所做的那样,把平稳随机过程理论全面地应用于云滴在各种各样的起伏场条件下,通过云滴的随机凝结增长和随机的重力碰并增长,使得阵雨的雨滴得以产生。在这个意义上说,我那朋友的理论是自1955年泰尔福德首创随机增长理论以来,人们所取得的一次可喜进展。

上面谈过早期随机增长理论的“功”与“是”,至于这个理论的“过”与“非”,本书第一章中已经谈过。即它在引入平稳随机过程论时,对相关系数的处理犯了一个概念性的错误。他丢掉了相关时间概念而使相关系数恒等于1,一直算到2000秒的生长时间。这完全错误,除非相关时间远远大于2000秒,而这根本不可能,因为云中湍流场都是有界大小,以云泡来估计,空间尺度为100米,时间尺度为几分钟,不可能远超过半小时。相关系数恒为1的意思是,云滴中某一“幸运儿”遇到了特别有利的环境,此后在2000秒的生长过程中,就一直在这同样的有利环境中生长,这当然长得最快。反之,若加以相关时间的限制,过了相关时间以后,就要“重新洗牌”,原来的“幸运儿”就可能遇到坏环境,生长速度就要慢下来。相关时间越短,“重新洗牌”的次数就越多,生长速度就越慢。很明显,相关系数恒为1的假定,在物理上犯了夸大湍流起伏场作用的错误。我的新理论就是在继承他的正确思想的同时,要纠正他这个错误。

6.4.2 我的“对流暖云大云滴随机增长的马尔柯夫过程理论”

这就是我的第一次理论创新。我首先仍然用早期理论的平稳随机过程的方法,只不过注入了相关时间的概念。为了稳妥起见,我同时还引入了三种不同的相关结构,以进行比较。一是通常使用的指数衰减相关,二是正态衰减相关,三仍然是相关系数假定为1,只不过加进相关时间的限制。在相关时间以内,系数假定为1,但相关时间以外,就要衰减为0。新的计算表明,当云滴生长时间小于相关时间时,相关结构的影响才变得重要。当云滴生长时间大于相关时间时,相关结构的影响就退居次要地位,而相关时间的影响变成主要。所以弄清对流暖云湍流起伏场的相关时间究竟有多大,就成为首要任务。我先分析了湍流加速起伏场的相关时间,因为这个起伏场,在早期理论解释阵雨雨滴形成时立了“大功”。由于柯尔莫果洛夫局地均匀各向同性湍流理论已经证明,湍流加速起伏场的起伏强度特别大,可到100%,即湍流加速度可以大到与地球重力加速度g同级,在这样强的起伏条件下,加上早期理论那个人为的相关系数恒等于1的假定,经过随机的重力碰并增长过程,很容易在2000秒内产生出足够数量的半径为1000微米的雨滴来。但他们没有注意到,柯尔莫果洛夫湍流理论对于湍流加速起伏场,同样证明了它是空间尺度十分小的起伏场,一般只是内尺度,也就是说是厘米,甚至是毫米尺度。可以用云滴、雨滴沉降时穿过湍流起伏加速场微团的时间来估计其相关时间,在某一个湍流加速起伏微团中穿行时,相关系数可认为是1,但当穿过这个微团,进入另一个湍流加速起伏微团时,它和前一个时段中所遇到的 云中加速度就完全无关了,需要“重新洗牌”。这样算下来,湍流加速场相关时间只有10-3-10-1秒。除了用这一方法估算出湍流加速场的相关时间外,我还从湍流加速场和湍流速度场之间的关系,来估算湍流加速场的相关时间。由于加速场的时间积分就是速度场,就同样可以用平稳随机过程方法计算出它们之间的关系。对流云中的湍流速度场的起伏强度很大,也可达到与云中平均上升气流速度同级的程度,即可达到10米/秒。湍流速度场的特征时间可以用云泡的生命估计,是几分钟,量级为102秒,由此可估算出湍流加速起伏场的生命特征时间,即相关时间为10-3-10-2秒,也非常短,基本上与前面用湍流加速场的空间尺度估计一致。于是事情就变得十分严重了,在不考虑相关时间条件下,似乎湍流加速起伏场可以在2000秒中产生足够数量的雨滴,但是在引入相关时间概念后,这个起伏场不但无法在2000秒中生出足够数量的雨滴来,就是足够数量的大云滴也生长不出来。其原因就在于早期理论把湍流加速起伏场的相关时间夸大得太多了,至少它夸大了4-6个数量级,显然这是个大错误。

对于对流暖云中湍流加速场做了上述否定结论后,我就转向剩余的两个湍流起伏场,一是水汽过饱和起伏场,另一个是含水量起伏场。显然,这两个起伏场的相关时间可用对流云中的云泡来估计,由此可知,这两个湍流起伏场之相关时间应为102秒。虽然它比2000秒的生长时间小了一个数量级, 但比起湍流加速场的相关时间就大多了。计算表明,它虽然无法在2000秒时间长出足够数量的雨滴来,但长出足够数量的大云滴来却完全可以。这样就初步形成了我的新理论。与早期理论不同,我的新理论不再提雨滴的形成,现在的提法只是对流暖云大云滴短相关时间的随机生长理论。这个理论1964年发表在《气象学报》上。两年后,由于顾震潮先生的推荐,我又把它翻译成英文,1966年发表在《中国科学》英文版上。那时还处在极左思潮统治时期,人们不敢自作主张把它投往《中国科学》,否则会被人看成是“一篇论文主义”,个人主义思想。幸亏有顾先生及时推荐,因为那一期《中国科学》英文版,是“文革”前的最后一期。此后,“文革”就爆发了,包括《中国科学》在内的所有学术刊物都被迫定刊。若推荐时间再晚,就无处可发表,国际同行就不可能知道我这一理论,也就不可能产生此后几十年的影响。此是后话,这里暂且不表。

所谓“短相关时间的随机过程”,实际就是马尔柯夫过程。这过程在随机过程中正式的名字叫“无后效随机过程”。也就是说,在某一时刻t1,知道该随机过程取值x1后,以后的情况就完全可以由t1时刻取值决定,而与t1时刻以前任何时刻的取值无关,哪怕是在t1时刻以前非常靠近t1时刻的一瞬间,该过程的取值大小均与t1时刻以后的无关。显然,这只有相关时间远小于该过程的特征时间时,才会出现。否则的话,光知道t1时刻取值还不行,还得知道t1以前的某一时刻例如t0时刻的取值。但这还不行,还要知道t0时刻以前某一时刻取值大小,依此类推,问题就复杂多了。所以可以说马尔柯夫过程是随机过程中最简单的一种,只有这种过程它的概率分布可以建立起相应的微分方程来求解。对于像由水汽过饱和起伏场造成的云滴随机凝结长大情况,就可用连续型的马尔柯夫过程中的第二柯尔莫果洛夫方程(也就是西方讲的福克-普朗克(Fokker-Planck)方程)来描述。数学上这是一种对流扩散方程,和本书前几章讲的对分布方程数学形式上相似。按照扩散理论中的G.I.泰勒(G.I.Taylor)定理(这个泰勒是G.I.泰勒与数学上的泰勒级数不是一个人。G.I.泰勒是巴切勒的老师,20世纪上半叶的另一位国际流体力学大师。)扩散系数应是水汽过饱和起伏场强度和相关时间的乘积。当云滴重力碰并中两个滴大小差别较大时,大滴长大过程接近于连续式增长,也可近似地按连续型马尔柯夫过程处理,其在半径空间中的扩散系数也可由含水量起伏场的强度和相关时间的乘积计算。由于不管是凝结增长,或是准连续型的重力碰并增长,它们的半径生长速度都与半径大小有关,所以不可以直接在半径空间上建立云滴谱(即云滴大小的概率分布)方程。经过紧张的探索后,我找到了本书第一章讲过的半径空间的Z变换,这正是经过“众里寻他千百度”以后的又一次顿悟。之后我建立了这两种连续增长的在Z空间中随机扩散式的生长方程,并求出了相应的云滴谱的解析解,交给当时在中国科技大学地球物理系的两位同学,徐庆芳和李桂忱去计算。结论在物理上则与我第一篇论文一致,1966年发表在《气象学报》上。也刚好是“文革”前最后一期。“文革”爆发以后就没有机会再译成英文在《中国科学》上发表了。此后,我的第一个理论创新的正式名字也就成为“对流云大云滴随机增长的马尔柯夫过程理论”。

按马尔柯夫过程的微分方程解出来的大云滴生长情况,在物理上与1964年我按短相关时间的平稳随机过程计算出的一致,云中湍流加速起伏场仍然被否定,云中水汽过饱和起伏场和云中含水量起伏场仍然肯定对大云滴生长有作用,而不可能在雨滴生成中有直接的作用。另一方面,由于在马尔柯夫过程论中有了滴谱方程(即云滴大小的概率分布方程),这就提供了一个比之平稳随机过程更加有力的数学工具。因为按平稳随机过程论,人们直接计算出来的只能是云滴大小概率分布的一个特征量──表征概率分布离散程度的方差,而概率分布本身,却是人为给定的假设。现在有了云滴概率分布方程,滴谱就不再是人为假定的分布,而是从方程解出来的结果,这就使得人们可以处理更多更复杂的实际问题。沿着这条路线还有许多工作要做,从而可使理论更完善并更加符合实际。但是可惜这些后续工作也被“文革”打断了。

更不幸的事是出在国际云物理舞台上。以著名英国云物理学家梅森,和著名美国云物理学家普鲁帕克为首的一批西方学者对于我们所提出的起伏凝结增长过程抱否定态度,他们只接受泰尔福德1955年提出的纯爆发型双分散云滴的随机重力碰并过程,并进一步把它发展成更符合实际的,纯爆发型多分散云滴随机重力碰并增长过程,结论却很悲观。本章上一节中讲到的云滴的20-30微米生长障碍区虽然被缩小了,但并未能全部填平,只缩小到20-25微米之间。普鲁帕克命名为云滴的“生长沟”,其宽度虽然很小,但他们的纯爆发型多分散云滴随机重力碰并过程理论却再也跨不过去了。于是梅森在他的专著《云物理学,1971,第二版》中说到:“遗留下来的困难是:目前我们的凝结和碰并理论还不能阐明云滴是如何在几分钟内超越20-25微米的临界大小,除了在海洋上可出现足够浓度的吸湿性巨核能引起凝结外,但这种情况在内陆是太罕见了”。也就是说,在以梅森为首的西方学者眼里,暖云降水尤其是大陆型的暖云降水还是一个无解的谜。

他们如何否定湍流起伏凝结增长过程,以及这种否定又如何被证明是错误,本章最后两节将向读者详加介绍。这里想先介绍一下我们对泰尔福德1955年首创性的工作,以及我们对梅森 和普鲁帕克的云滴“生长沟”的看法。

对于泰尔福德的双分散纯爆发型随机碰并过程 ,我们也很看重,并加以发展。但我们不是把它向多分散方向发展,而是要它和我们的湍流起伏场的作用联合起来考虑。首先就是由湍流引起的云中含水量起伏场,泰尔福德过程不承认这种起伏,对背景含水量场作了均匀分布的假定,这个假定不符合对流暖云的实际情况。正如许焕斌60年代初在南岳衡山高山云雾站观测到的,对流暖云底部,空间尺度为几米到十几米的尺度上,含水量场就存在着10-30%的起伏。由此可估计到,对流暖云中部,空间尺度更大,含水量场会存在更大的起伏。于是在含水量大的地方,泰尔福德过程就会以比他均匀含水量条件下更快的速度产生出大云滴来。完全可以预计出,当我们把这两种起伏增长过程结合起来后,会有更好的结果。1966年我们用两次概率加权的方法计算了这种联合作用,果然要比单纯的无含水量起伏的泰尔福德过程好得多。这个工作同年在《气象学报》上发表。1976年图梅(Twomey)和瓦尔纳( Warner)根据他们观测到的对流云中实际含水量起伏资料指出,若云中高含水量区(含水量高达3克/米3是含水量平均值的3倍)能以1%的概率出现的话,那么在这个地方纯爆发型的随机重力碰并过程,就会以极快的速度产生出大云滴来,这个观测与我们1966年的理论预测一致。

发展泰尔福德1955年双分散纯爆发型随机重力碰并理论的第二条途经,就是要使它和我们的湍流起伏凝结理论结合起来。正是用这种联合作用可以解释对流暖云中的实际过程如何填平梅森-普鲁帕克的大云滴“生长沟”。仔细分析这个“生长沟”,它的起点是20微米半径的云滴,它的终点是25微米的大云滴,非常巧两个20微米半径的云滴并合在一起,所形成的新滴刚好是25.2微米,也就是说一次纯爆发型的随机碰并就可以填平这个“生长沟”,这对泰尔福德过程有最好的效果,我们已经指出泰尔福德过程随着碰并次数的增加,生长时间就加长,生长空间也在加大,其随机效应就会逐渐被平滑掉。因此,一次爆发型碰并会有最好的随机效果,这使得我们直接利用泰尔福德理论公式成为可能。余下的问题是两个20微米大小的云滴的重力沉降速度相同,不可能产生重力碰并,然而我们若把半径间隔取成比平常数值计算时的1微米间隔更细,假定分成两个0.5微米的间隔,那么原来平均半径为20微米的半径间隔由19.5微米到20.5微米。现在就成为两个区间的滴谱浓度,一个是由19.5微米到20微米,平均半径是19.75微米,另一个是20微米到20.5微米,此区间的平均半径是20.25微米,这两个云滴并合到一点形成一个新滴,新滴的半径也刚好是25.2微米,一次并合就可以填平“生长沟”,同样可以收到泰尔福德过程的最大效果,而这种效果是原来按1微米来划分半径区间的计算方法所无法得到的。于是我们就把泰尔福德理论直接用到两个半径间隔各为0.5微米的子区间所研究的两种云滴,一个平均半径是19.75微米,叫次20微米滴,另一个是20.25微米滴叫主20微米滴。当然这两种云滴重力沉降速度之差十分小,然而我们所要解决的是一个小概率问题,对此,这一点点重力沉降速度差也就足够。还有一个问题要解决,就是主20微米滴如何才能达到足够多的浓度,然后才可以通过与次20微米云滴的一次纯爆发型随机并合填平“生长沟”。产生小浓度(但已达到了雨滴浓度标准)的25微米半径大云滴。这个问题只能通过我们所提出的湍流起伏凝结过程来解决。从凝结核到20微米大小,这区间本来就是由凝结过程控制,何况现在是起伏凝结过程。由这一过程应该可不断地产生足够多的主20微米滴,然后再通过与次20微米滴一次并合产生出浓度达到雨滴浓度的25微米大云滴来,从而在几秒钟内填平了梅森-普鲁帕克 的大云滴“生长沟”。计算表明,这两种随机过程联合作用的结果,完全可以解释中纬度对流暖云的大云滴形成之谜。在十分理想的条件下,例如在低纬度热带雨林区的对流暖云,那里的水汽供应异常充足,云中湍流强度也很大,则单一的起伏凝结就可在几秒钟内填平“生长沟”产生出大云滴来。但一般条件下,特别是中纬度大陆地区,仍需湍流起伏凝结与一次纯爆发型随机重力碰并的联合作用。以上就是我和朱珍华合作的结果,1987年发表在《气象科学》上。

6.5 在国际云物理舞台上引发的一场风波

6.5.1 巴特莱特(Bartlett) 的发难

在我第一篇工作1966年用英文发表以后的两年,国际上引发了一场风波。首先发难的是英国气象局学者巴特莱特, 1968年他在加拿大多伦多举行的国际云物理会议上第一次对我们的理论提出了挑战。随后梅森就在他1971年《云物理学》第二版中,对巴特莱特的挑战给予了强有力的支持,紧接着在1972年巴特莱特和琼纳斯(Jonas)又联合在《英国皇家气象学会季刊》上正式发表论文,充分阐明了他们的观点。原来他们对云中水汽过饱和起伏场的来源,和我们有完全相反的观点。他们认为湍流场不是水汽过饱和起伏场的根源。相反,它是起伏场的“汇”(注:即把起伏场平滑掉的过程)。他们认为湍流的作用,对起伏场而言,起的是混合作用,通过湍流混合,把不同大小水汽过饱和度的微团混合起来,最后把起伏平滑掉。因此,他们认为我们把对流云中各种起伏场的根源归之为湍流的作用是完全弄错了。那么在对流暖云中实际存在的水汽过饱和起伏场又是从何而来呢?他们认为那是由于对流云中上升气流存在着起伏的缘故。上升气流与湍流不同,前者是规则有序,后者则无规无序。虽然如此,他们却认为上升气流仍然可以有起伏,正是这种上升气流起伏造成了对流云中水汽过饱和度的起伏。云中水汽过饱和场的最初来源的确是上升气流,由于空气不直接吸收太阳的短波辐射,所以在上升气流的作用下,高处气压低,低处气压高。气块在上升时会因绝热膨胀消耗自己的内能而降温,随着气块温度的降低,气块的饱和水汽压也就一起降低,直到达到饱和状态,气块再上升,再降冷时水汽就达到过饱和状态。可以证明上升气流越强,水汽过饱和越大。上升气流越弱,水汽过饱和越小。在巴特莱特的上升气流起伏是对流云中水汽过饱和起伏的唯一根源观点下,巴特莱特和琼纳斯1972年就能根据上升气流起伏的大小,计算出相应的对流云中水汽过饱和起伏大小。由水汽过饱和起伏情况,他们就能计算出云滴凝结增长的不同效果,过饱和大的地方,云滴长得大,反之云滴就长得小。由于他们认为这是上升气流起伏造成的,不是湍流。所以云滴在这种条件下,在云中运动的确切位置可以计算出来。他们假设在开始时刻,在云底有一个单分散的云滴群体,然后各自随不同大小的上升气流而做上升运动,一边运动,一边因凝结而长大,但长大的速度不同。上升气流强的地方,水汽过饱和大,那里的云滴长得快,另一方面上升气流弱的地方,水汽过饱和也小,那里的云滴长得就慢。过了一段时间以后,云滴大小就不再是原来的单分散谱,而成多分散“谱”。然而新形成的谱要打上一个括号,因为它实际上不可能在同一高度上观察到。在同一时刻,它们分散在整个云中不同高度。遭遇到强的上升气流的云滴跑到云的上部,遭遇到弱的上升气流的云滴,还留在底部。然后巴特莱特和琼纳斯考察实际滴谱分散度的情况。他们把考察点放在某一高度上。结果很有趣,虽然在同一时刻原来的单分散滴谱可以分散得比较开,云滴大小具有相当大的分散度,半径有大有小。但那是分散在整个云中。而在某一给定的高度上,情况却恰恰相反,在那里我们看到的滴谱却几几乎还是单分散的,云滴大小几乎仍然相同,没有分散开。这是因为在高度给定时,遭遇上升气流强的云滴,只经历了很短时间就到达那里。反之,遭遇上升气流弱的云滴,要经历很长时间才运动到那里,这个时间长短的因素和所遇到的水汽过饱和度大小不同的因素,两者刚好抵消,所以大家在给定高度上所看到的云滴的半径大小都差不多,分散不开来。于是巴特莱特和琼纳斯在1972年的论文中就宣布,水汽过饱和起伏场虽然在对流云中确实存在,但它对云中某一高度上的云滴谱加宽没有作用。

还需要补充两点说明。第一,我们在60年代所建立的起伏凝结生长大云滴的理论,是一个生长过程理论,并不是云滴谱形成和加宽的理论。这两者虽有联系,但却是两个不同的问题。后者要更复杂,从巴特莱特和琼纳斯的工作看,由云滴生长理论发展到云滴谱加宽理论,至少就要加进云滴在云中运动的情况,而巴特莱特和琼纳斯所考虑的云滴在云内运动情况又太简单了。他们只研究了云滴在上升气流作用下在云中运动,而没有考虑湍流, 而如果我们再把湍流加进来后,云滴在一定的时间后就不再可能运动到确定的高度,那将是又一个随机过程,问题要复杂得多,能否还达到与巴特莱特和琼纳斯1972年相同的否定结论,就大成问题。第二,本书前面已经讲过,基本上和我们同时,甚至更早一些,从1961年开始,前苏联学者别利亚耶夫就已经有了起伏凝结的理论工作。随后一直持续到1976年,陆续有前苏联学者从事起伏凝结理论工作。不过他们确是用来解释云滴谱的形成展宽,而不像我们仅仅用起伏凝结解释大云滴的生成。看来西方学者批判的主要矛头是指向前苏联学者的云滴谱加宽理论,但就我们和前苏联学者的基本思想而言,确是一致。我们双方都肯定云中湍流起伏场是云中过饱和起伏场的根源,所以西方学者在批判前苏联学者同时,捎带着把我们也批判了。回顾这一往事,使我想起当时中国和前苏联在政治上正处于紧张对立,甚至发展倒珍宝岛的武装冲突事件。然而在云物理的基础研究方面,中苏双方的学者却无意之中走到一起,而且都成了西方批判的对象。另一方面,就是在这一时期,特别是从70年代开始,西方和我国在开始了友好往来。这种政治和学术并不一定永远一致的情况,看起来很有意思。

在巴特莱特和琼纳斯1972年的工作发表后的两年,梅森 和琼纳斯在1974年又发表了两篇类似的论文,进一步论证了,湍流混合是对流云中水汽过饱和起伏场的“汇”,而不是“源”。看来梅森对这个问题十分重视,他不满足于1971年简单地对巴特莱特1968思想的支持,以至于在1974年直接投入了战斗。又过了四年,1978年美国著名云物理学家普鲁帕克 和克莱特两人发表他们的专著《云和降水的微物理》时再度引了巴特莱特 和梅森等人的工作,并再次肯定了他们对我们的批判。所以,在当时的国际云物理舞台上,一时间真可以说是“西风压倒东风”了。

6.5.2 转折点──莱塞姆(Latham)的实验

然而“西风”并非铁板一块,以梅森和普鲁帕克为代表的国际云物理界也不可能搞“一言堂”,终于 在1977年还是在英国,不过这次是由曼彻斯特大学的教授莱塞姆和他的合作者里德提出了不同的意见。这篇论文同样发表在《英国皇家气象学会季刊》上,讲的是莱塞姆和里德(Reed)在室内用垂直风洞进行的一次实验。根据这次实验,莱塞姆和 里德向梅森和巴特莱特否定我们理论的基本出发点──湍流混合乃是使起伏场均匀化的“汇”,而非起伏场的“源”,这一基本观点提出了质疑。他们指出湍流混合并非像梅森和巴特莱特所设想的那样是一种均匀混合。相反,莱塞姆根据他们的实验提出,对流云湍流混合乃是一种非均匀混合,它的确是如我们60年代所设想的那样,湍流场是云中起伏场的“源”而不是“汇”。从而形成了一个转折点。

莱塞姆的垂直风洞实验中,从5米长,直径为25厘米的风洞底通进一股饱和水汽的气流,气流中含有水滴,水滴滴谱各参量,包括平均半径、滴谱宽度、分散度,含水量、水滴浓度等特征量均为已知。然后在垂直风洞下半部的侧面再通进一股湿度仅为90%的不饱和的干空气与原风洞内含有水滴的饱和水汽气流发生湍流混合,显然这种干空气混合会使水滴蒸发,莱塞姆在风洞的上半部对混合蒸发后的水滴滴谱进行了观测,同时又和梅森,巴特莱特的均匀湍流混合的理论进行比较。按照均匀混合的理论,两种气流混合后湿度降低的程度可以计算出来。显然混合气流已变成不饱和状态,水滴要蒸发,蒸发后的滴谱改变也可以计算出。其结果应是,滴谱宽度变窄,平均半径、分散度都变小。同时水滴浓度和含水量也变小, 这是均匀蒸发的结果。然而,这却与垂直风洞中实际观测到的混合蒸发后的滴谱特征不同,实际观测到滴谱宽度、平均半径、滴谱分散程度却都没有改变,和混合前相同。不同之点仅在于水滴浓度和含水量显著变小。莱塞姆和里德据此提出了一个湍流非均匀混合的理论。这个理论说,当湍流混合时,两种干湿不同的气流并非一下子均匀地混合在一起,恰恰相反,莱塞姆和里德说,这种混合的效果是干空气打碎成微小的干空气块,与湿空气搅在一起,气流变成了干湿两种微小气块的混合物,落在干空气气块中的水滴就完全蒸发,而保持在湿空气块中的水滴则完全没有发生变化。这样就会形成滴谱平均半径不变、宽度和分散度不变,仅仅水滴总浓度和含水量变小。然后当这股气流再遇到合适的条件,比如由于温度降低而再度达到过饱和状态时,就会因凝结增长而使滴谱加宽、分散度加大、平均半径长大的情况。而不会像均匀蒸发那样,当遇到凝结增长有利条件时,谱的宽度只能恢复到原来大小而不能进一步加宽了。以上就是1977年莱塞姆和里德的著名实验。否定的否定,原来否定者梅森和巴特莱特的理论基础──湍流均匀混合被新的实验否定了。对流云中的湍流混合乃是非均匀混合,我们60年代所提出的理论的基本思想,在国际上的地位就有了根本改变,初步地恢复了名誉。

6.5.3 曼顿(Manton) 的新发展

在莱塞姆和里德 1977年的起了转折作用的著名实验发表后两年,1979年澳大利亚学者曼顿发表了一个新的计算,在他这个计算中,曼顿同样从云底送进一组初始云滴,初始云滴谱宽度比较窄,分散度只有0.2。 然后在云中水汽过饱和起伏场的条件中,一边向上运动,一边经历了起伏凝结长大的过程。在计算中,对水汽过饱和起伏场强度的计算,他改变了巴特莱特和琼纳斯1972年的方法。根据莱塞姆和里德 1977年的非均匀湍流混合理论,曼顿加进了湍流起伏的因子,巴特莱特和琼纳斯的上升气流唯一地决定了水汽过饱和起伏的错误理论被抛弃了,现在曼顿认为对流云中水汽过饱和起伏是由上升气流起伏和湍流起伏两个因子决定,而且上升气流这个因子还要打上一个折扣,乘以一个a的因子,这个因子的大小与上升气流起伏强度、湍流强度、滴谱分布的一些特征量有关。这样一来,云滴所遇到的水汽过饱和度的大小,和上升气流强度大小的的紧密联系就被打破,曼顿计算出来的云滴滴谱宽度随高度就展现出加宽的特征来,而不再有巴特莱特和琼纳斯1972年云滴滴谱宽度随高度不变的结局。曼顿的计算表明,加进湍流非均匀混合因子以后,云滴谱宽度到了距云底2公里高的高度上有显著加宽,其滴谱之分散度可从云底的0.2 增加到2公里高处的0.45。这个数据与瓦尔纳1969年的观测一致。曼顿的这个工作同样发表在《英国皇家气象学会季刊》上,是湍流起伏凝结过程理论的一个新的发展,进一步确立了湍流起伏凝结理论的地位。原来在60年代我们的理论仅能解释大云滴的生长过程,现在经过莱塞姆,里德和曼顿的努力,它也可以解释对流云中云滴谱形成展宽的过程。

6.5.4 莱德尔( Ryder) 说:对不起

以上从1968年英国气象局巴特莱特的发难,到1979年澳大利亚学者曼顿的新发展,这段故事,我是1979年底到了剑桥才知道。本书前面已经提到,60年代初期,在我完成了云物理上的这次理论创新后,不久我就被调离云物理课题组,直到在剑桥,在巴切勒建议下,我又重新拿起云物理,以向他的悬浮体力学靠拢。之后我利用剑桥的图书、刊物、资料,查阅自我60年代离开云物理后在国际上究竟有什么新进展。这时,我才惊异地发现,我那第一次的理论创新,竟然在国际云物理舞台上掀起了这么一场风波,居然连梅森 这样的大人物也卷入这场战斗。我感到了我那在云物理上的理论创新的重要价值,并为此而感到荣幸。

此后不久,1980年在英国皇家气象学会于伦敦举行的一次学术会议上,经剑桥朋友的介绍,我认识了英国气象局当时的云物理研究室主任 莱德尔博士。我向他自我介绍说:我就是当年被你们批判过的C.S.Wen(温景嵩之威托玛拼音法的缩写,因“文革”前还没有发明汉语拼音法,那时我是用威托玛拼音法发表英文论文,为避免混淆以后一直使用),不知道你们对这个问题现在有何看法,也不知道巴特莱特和琼纳斯现在何处?我想和他们做深入一步的讨论。 莱德尔对我说:对不起,那时,我们考虑不周,现在我们对这个问题有新的看法。莱德尔还告诉我,巴特莱特已离开了英国气象局,琼纳斯也已离开了云物理研究室,但工作还在,还有人继续在做。他于是邀请我方便时去访问英国气象局他的云物理研究室。访问在当年顺利进行,在英国气象局,我才知道他们的学者考基(Caughey)和 基琛(Kitchen)当时正在野外对自然界的层积云中的湍流和云的微结构进行观测,工作虽然在我访问时尚未结束,但初步结果已经有了,他们发现在层积云内外确有湍流混合存在,干空气被夹卷进云中,其特征和莱塞姆和里德 1977年在垂直风洞中观测到的一样,这种湍流混合具有莱塞姆所主张的非均匀湍流混合性质,因而产生了非均匀蒸发。造成云滴浓度和含水量减少,云滴谱宽度却保持不变。平均半径和分散度都维持不变。因此 莱德尔他们就放弃了梅森和巴特莱特 原来否定我们的理论时所持有的基本思想──湍流混合是均匀混合。尽管梅森还是当时他们的直接领导,英国气象局的局长,他们却有了和局长相反的思想观点。考基和基琛这一工作,后来在1984年正式发表,同样是在《英国皇家气象学会季刊》上。这样,这家英国自己的气象科学最高水平的刊物,就客观地“百家争鸣”式地报道了这场争论的全过程。

在我访问英国气象局的同时,我获知梅森已离开它原来的工作单位帝国理工学院,来到英国气象局,主持英国气象局的工作。我于是经过 莱德尔向他提出了申请和他会面,交流一下对云物理的看法。他接受了我的请求,当天我们就会面进行了交谈。交谈使我很惊奇,原来梅森 仍然坚持他原来的均匀混合的观点,并未和他的下属 莱德尔 一样放弃原有的认识。看来,要使一个大人物改变他的思想是很难的事。另外,使我很佩服的事,就是他并未利用他手中的权力来干涉他的下属 莱德尔,考基和基琛等人的工作。他不仅没有 利用他在国际上的影响,在国际云物理舞台上实行“一言堂”,就是在他直接管辖的英国气象局内部,他也没有实行“一言堂”家长式管理,而是允许不同意见,甚至是与自己相反的意见。这种对不同意见的宽容态度,实在难得,令人起敬。当然,科学的发展需要“百家争鸣”式的民主管理。世界是复杂的,人类认识真理的过程也是曲折而复杂的。真理越辨越明,也只有充分支持并发展不同意见之间的“争鸣”,科学才能永葆青春,保持住旺盛的生命力。“一言堂”“家长制”只会阻碍科学发展,是十分危险的。那一天梅森还送了我一本他到气象局工作以后的新作,并签名留念。之后我愉快地结束了这一天的英国气象局之行。

6.5.5 赢得了剑桥朋友们的喝彩

本书第一章中已经提到剑桥学术活动十分活跃,十分频繁。给我的感觉是,一个学术机构的水平高低,其实可以从它的学术活动的活跃程度,频繁程度判断出。而剑桥的学术活动的活跃程度,刚好可和它在世界上的学术界的地位相比。本书第一章曾讲到,剑桥应用数学和理论物理系的饮茶室大厅内,墙上挂着每周全系的重要的学术活动日程表。这是一个大布告牌。此外,各大组,各课题小组还有自己的小安排。所以每个人每周至少要参加两次学术活动。一个是本小组的,一个是大组的。小组的叫 非正式的报告会,大组的叫正式的报告会,报告会的原文seminar或可译成研讨会,讨论班。如果兴趣广泛,则还有更多的报告会可以参加,可谓忙矣。来做报告人范围也很广。有从国外请来的, 从校外请来的,从外系请来的。也有自己人,本系的,本大组的,本课题组的。级别相差也非常大,最高有诺贝尔奖金获得者,也有一般的教授、副教授、讲师、博士后、访问学者,甚至是博士研究生。只要你有新的想法,新的发现都可以上去讲。当然这种活动都是自由的、自愿的。在剑桥每一位工作人员,包括访问学者和博士生,都有他的办公室,教授一个人一间,一般人两个人共用一间。可是他们并没有考勤制度,上下班与参加学术活动都是自由的。当然世界上没有绝对的自由,其实他们对参加不参加系里的活动还很注意。有一次,巴切勒找我谈话,谈到和我一起从国内到他这个系里天体物理组进修的年轻朋友,巴切勒对我说,你的那位年轻朋友已有好几个月没有到系里来了,我不知道是什么原因,请你去了解一下。如果他确实不需要我给他安排的办公室,我可以收回,因为还有人等着要用。我大吃一惊,忙去找到这位年轻人,向它转述了巴切勒的意见。这位年轻朋友赶快找到巴切勒,向他做了检讨,问题才得以解决。从这个例子可以看出,并没有绝对的自由,你到不到系里,参加不参加系里的学术活动他们还是很在意的。

我体会,参加学术活动也是他们考核工作人员的重要方法,而且是一种很聪明的考核办法。这不仅对报告人是一种特殊形式的考察,对于听报告的听众来讲,也是一种考察。你参加学术活动积极不积极,听报告后提得出问题,还是提不出问题,提的问题水平高不高,有没有打中要害,这些都是十分重要的事,从中可以看出一个人的实际水平。一般在西方,做报告的人,也对听众提问题抱十分欢迎的态度,如果做完报告后,鸦雀无声,什么问题也没有,那报告人就会十分失望,认为你没有听懂。一位美籍教授对我说,进行这种学术交流,你们叫讲学,我们则叫做报告会,意思是说,在报告会上大家都是平等的,并不是说报告人就一定比听众高明。实际可能相反,作为一个听众,他的任务就是要找出报告人的问题来。所以可能听众比报告人更高明,叫讲学是不合适的。巴切勒的流体力学大组就是这样,流体力学在20世纪上半叶实现了人类超音速飞行以后,下半叶开始就向十分广阔的新领域进军。纳入流体力学视野的有天体流体力学,地球物理流体力学,大气动力学,生物体内血液微循环系统的流体力学,地质流体力学,悬浮体力学等等。花样百出,到剑桥巴切勒这里的流体力学大组来做报告 的人也就各不相同,背景很广泛。但不管是什么领域中的流体力学学者来这里做报告,巴切勒手下有几员大将非常厉害。在听完报告后,都能提出一些很尖锐的问题来,让报告人紧张一下,甚至是下不了台。所以,受到剑桥大学的邀请,到剑桥来给大家做报告的学者,心情是矛盾的。一方面当然很高兴,有机会到这所世界上第一流的学府中做报告,都感到是一种荣誉。但另一方面也很紧张,生怕被巴切勒的这些大将们问得下不了台。有一次一位美籍流体力学教授应邀到剑桥巴切勒这里来做报告。报告以后,我曾找机会和他进行交谈,交谈中他告诉我,在报告前他对巴切勒讲,这次到剑桥来做报告,是准备好把自己送到狮子嘴里面去了。但报告后,巴切勒对他说,怎么样?这狮子也不一定非要咬人吧!意思是他那几位大将并没有把这位美籍教授问倒。

从1979年10月到1982年 2月,我在剑桥巴切勒那里做了两年零四个月的高级访问学者。在这样的背景下,当然会有机会给剑桥的朋友们讲一讲我的工作。时间是在1980年,讲的正是我在云物理上的工作,一共讲了两次。第一次是给他们的博士生讲,有一位大概是他们博士生的“班长”来邀请我,说他们博士生自己还有一个更加非正式的报告会,一周一次,不在正常工作时间,而是利用中午午餐时间,由他们请客,简单便饭,饭后就开讲。这种活动从来就没有列入正规的学术活动日程,所以我那次才知道还有这么一个学生自己组织的报告会活动(后来还在达尔文学院做过一次非正式的报告)。讲过之后不久,流体力学大组当时的负责人亨特博士来邀我给他们的流体力学大组做一次正式的大报告,并对我的报告提出一点要求,由于剑桥的朋友们没有人在做云物理,所以他要我在开讲之前,先抽出十分钟讲一讲云物理的ABC,亨特的职称是副教授,但在剑桥不用副教授的名称,而是用Reader(读者),在剑桥日常生活中除了教授使用教授职称外,其他一律不使用自己的正式职称,大家都通称博士,显得相当平等。剑桥教授职称控制很严,一个专业只设一位教授,其他至多是副教授。所以在流体力学大组只有巴切勒是教授,像亨特 这样的副教授地位就很高了。是仅次于巴切勒的人。实际上他们的讲师,博士后中随便拿出一位来,都是水平相当高,在国际上有自己出色的成果。于是,我很愉快地接受了亨特的邀请,并开始了认真的准备。以第一次给博士生的讲稿为基础,又做了仔细的修改,那一次给博士生报告的重要性就显出来了。看来剑桥的朋友是好意,为了使我这个刚从闭关锁国的中国走出来的人能在用英语做报告问题上有个适应过程,他们有意识地让我先给博士生来讲,这就为给剑桥的各位老师做正式报告打下基础,是一次很好的练兵。对报告的学术内容,我并不担心,也不紧张,因为我已经知道我那理论成果已经经受住了英国学者们十几年的反复检验,而最终被接受下来。所以我很有信心,不可能被巴切勒的大将们问倒。当然我是第一次用英语做正式的学术报告,能否讲好,还是有点担心。巴切勒建议我事前要Practice几次(练习几次)。我照他的要求做了,于是在报告前已经有了相当大的把握,确信自己能够用英语讲好我那第一个理论创新。报告终于在一个周末,星期五的下午在剑桥应用数学和理论物理系的大教室中进行。这个时间地点是通常流体力学大组举行正式报告会的时间和地点,来的人很多,大教室里的位置都坐满了。我满怀信心地向剑桥朋友们讲述了我在云物理上的工作,及其后来在国际上掀起的一场风波。报告后的反应是出乎意料的,大家没有提出任何质疑,相反,提出都是肯定的看法。巴切勒还指出,这工作在概率论上也是个创新,因为从来的概率论处理一般随机过程时,都是要计算它的统计平均值,比如他的悬浮体力学。而我们这个工作与此不同,是要找小概率事件的发生规律。因此巴切勒认为 这在概率论,随机过程论上也是个创新。更使人感动的是报告会结束后还赢得了全场热烈的掌声,不是一般礼貌型的掌声,而是充满激情的热烈掌声。许多朋友走上前来和我握手,表示祝贺。巴切勒并且追到我的办公室紧紧地抱住我的双肩,激动地说:“Splendid! Splendid!”(辉煌的!好极了!)我向他说:“我讲的可能还不够好,因为我的英语 还不行,这是我第一次在这么多人面前,这么庄重的场合下,用英语做报告。” 巴切勒对我说:“这肯定不是最后一次,而仅仅是开始。” 巴切勒预言完全正确,从那以后一直到我离休,我一直活跃在国际学术舞台上。尽管回国以后,条件差得较多,但是在国家自然科学基金委员会和南开大学的大力支持下,在相应的国际学术舞台上我还尽可能多地发挥自己的影响。饮水思源,当年在剑桥以巴切勒为首的朋友们对我的帮助实在是功不可没啊!

6.6 载入国际云物理发展史册

6.6.1 两度被载入

第一次在1978年,载入美国著名云物理学家普鲁帕克和克莱特撰写的专著《云和降水的微物理》,该书总结了20世纪特别是20世纪下半叶的云和降水微物理的发展。普鲁帕克 和克莱特在全球范围内搜集了大量的云和降水的微物理研究文献。载入该书的共有两千篇之多,但中国大陆地区学者的文献仅载入三篇,一篇是我那1964年以中文在《气象学报》发表,1966年 又译成英文在《中国科学(英文版)》上发表的论文,题目是:《起伏场的相关时间对云滴随机增长的作用》。普鲁帕克 和克莱特不懂中文,当然引的是英文版《中国科学》1966年,第15卷,第870-879页。第二篇就是我那朋友的早期理论,当然也不能是他的中文原作,而是1966年以中国科学院地球物理所的老所长赵九章的名义在国际著名刊物《Tellus》上发表的论文,题目是《降水过程的统计理论》,是在《Tellus》1966年,第18卷,722-729页上。第三篇是原来在大气所的另外一位朋友,那是他在苏联读副博士学位的学位论文,有关积云的观测工作。与我们云滴随机生长过程理论无直接关系,此处不详细介绍。能够载入国际云物理的著名学者撰写的国际云和降水的微物理著作,当然使我高兴,意识到我那第一个理论创新的重要价值,是一件十分愉快的事。也有不满意的地方。一是载入的中国大陆学者的工作太少,从1958年到1978年,这20年以来,我国大陆学者在云物理和人工降水领域也做了不少工作,但只引入三篇,实在太少了。反映出我国在国际云物理界的地位和影响还相当低,有待大力改善。第二是普鲁帕克和克莱特的著作发表时间还处在本章前面讲的那场国际云物理舞台的“西风压倒东风”时期,所以在那本著作中,他们仍然表示了对梅森 和巴特莱特等人工作的支持,从而对我们(也包括前苏联学者)工作取否定的态度。即使如此,普鲁帕克 和克莱特能吧这场风波写入他们那本大作,显示出这场争论不是小事。在国际云物理界这场争论确有重要意义。

第二次载入国际云物理发展史是在1989年。在第一次1978年的十一年后。是载在由美国著名云物理和动力学家戈顿和安塞斯两人合著的《风暴和云动力学》之中。这本著作在1993年 由南京大学大气科学系的叶家东教授等翻译成中文,由气象出版社出版。这次翻译得到了戈顿本人的支持。1991年 10月戈顿专门为此写了一篇《中译本前言》。于是此书 1993年中文版。也代表了戈顿本人在90年代的观点。使我高兴的事是,这本讲云动力学的书居然还有一章讲云的微物理,讲云的微物理这章中,居然又引了前面1978年普鲁帕克 和克莱特引过的那两篇。即:我的1966年发表在《中国科学(英文版)》上的一篇,和同一年我那朋友以赵九章老先生的名义发表在《Tellus》上的一篇。这本书以云的宏观动力学为主,他们的云的动力学也不是局限在个体的小尺度范围的积云动力学,而是发展到更大的中尺度气象系统,是降水性中尺度天气系统。尺度大到100-1000公里。正如作者在该书前言所说,那本书的重点是云和降水性的中尺度气象系统的动力学。这已经成为当前大气科学的一个重点领域。因为 云和降水性中尺度天气系统代表了世界上某些最重要和最有科学意义的天气系统,它可造成突发性大范围的暴雨、龙卷风、冰雹雷电和严重雪暴等强烈的灾害性天气,而一般天气观测网的探空站间距又太大无法抓住这种中尺度的系统。因此,预报这类灾害性天气系统是一项严峻而重要的任务,成为当前国内外大气科学研究的一个重点领域。真没想到我们对暖云的微物理研究居然也能载入国际降水性中尺度天气系统研究著作中来,两者尺度相差实在是太大了。我们的尺度是微米到10微米的云滴和大云滴(戈顿和安塞斯管大云滴叫降水胚胎) 而他们的是100 -100公里尺度,是我们的1010─ 1012倍,即一百亿 ─ 一万亿倍。居然我们这个微小甚至可说是渺小的世界对戈顿和安塞斯的大世界有不可忽视的重要作用。时间已过去了将近30年,我那篇云物理的代表作不但没有 淡出历史,相反它却能与时俱进,到现在当云物理已进入和中尺度气象学相结合的时代,它仍能显示出它的光芒,这怎能不令人万分高兴!

在戈顿和安塞斯这本讲100─1000公里降水性中尺度天气动力学的书中,按译者叶家东的统计收入该书的文献有1553篇之多。虽比普鲁帕克 和克莱特的书少一些,但总数仍然可观。问题是它是讲动力学的,所引1553篇中绝大部分是动力学的文献。讲微物理的文献只有236篇,其中又有一部分是讲和降水预报有关的,把微物理过程参数化的工作。所以,真正讲云的微物理过程的只有一百多篇,比起1978年普鲁派克 和克莱特书中的两千篇文献都是微物理的情况少多了。加上从1978到1989年这十一年来微物理工作的新发展,所以进入普鲁帕克和克莱特的书中的微物理文献又要优中选优才能选入戈顿和安塞斯的书,可说是难上加难啊,正因为如此,所以这第二次载入戈顿国际云物理发展史比第一次载入普鲁帕克和克莱特的书不可同日而语。此外,1978年普鲁帕克和克莱特的书还处在“西风压倒东风”时期,对我们和前苏联学者的工作持否定态度。而1993年戈顿和安塞斯中文版的书,已处在风波刚过,情况反转过来。因此,他们对我们和前苏联学者的工作持肯定态度,与第一次普鲁普克的态度完全相反。在书中,戈顿和安塞斯确认我们(包括前苏联学者)是一个学派,正是这个学派提出了小尺度湍流引起水汽过饱和起伏场可以加宽云滴谱,从而产生戈顿和安塞斯所说的降水胚滴。归入这一学派的除赵九章和我以外,还有前苏联学者别利亚耶夫(1961), 马津(Mazin1965), 列文(Levin)和塞杜诺夫(Sedunov1966), 斯特潘诺夫(Stepanov1975,1976)。随后,戈顿和安塞斯又讲了在我们学派之后的后续工作。首先是澳大利亚学者曼顿 1979年的工作,被认为是一个更普遍的理论。我们这一学派和巴特莱特,梅森 等人所提出的情况被认为是曼顿 普遍理论的两种 极端条件下的特殊情况。继曼顿之后,最早提出湍流非均匀混合概念的莱塞姆和他的合作者巴克尔(Baker)也提出了另一种湍流非均匀混合造成云滴谱加宽的设想(巴克尔,莱塞姆 1980)。与此同时最早提出双分散纯爆发型随机碰并增长理论的泰尔福德也参加进来,他和他的合作者柴(Chai)提出了第三种可能性。泰尔福德对湍流非均匀混合具有很坚定的的信心,他在这方面的工作一直延续到戈顿和安塞斯写书之时,为此还和梅森(1984)以及帕卢奇(Paluch)与奈特(Knight 1987)展开了几次争论。对此,我很钦佩泰尔福德,从1955到1987,这位先生30年来能不断前进,跟上时代的发展,很了不起。从1961年别利亚耶夫第一次提出湍流起伏可以加宽云滴谱宽度算起,经过30年来反复研究到现在终于达到一个肯定的结论。正如戈顿和安塞斯在1993年中文版中所讲的那样,大家已经承认湍流混合在降水胚滴形成过程中确是一个重要的因子。梅森和巴特莱特所提出的湍流均匀混合,否定湍流作用的错误思想被彻底推翻了。因此,在这个意义上人们确可以说,现在的“风向”已经倒转,人们迎来了“东风压倒西风” 的新时期。然而问题还不那么简单,现有的几种不同的湍流混合作用的模式,都还有一定的缺点,存在着争论,最终的结论还未做出。问题在于虽然湍流混合因子有重要作用这一点已经肯定,但究竟它是以什么方式起作用,这一点却到现在还没有达成一致。在这个意义上,戈顿和安塞斯在1993年中文版中也同时提到,暖云中降水胚滴究竟是怎样形成的问题,还没有最后解决。对此,我将在下一节中进行讨论。虽然如此,我们和前苏联学者60年代提出的,对流云中湍流在催生云中降水胚胎有重要作用的新学说已开启了国际暖云微物理研究的一个新方向,其重要意义甚至在现在对研究中尺度大范围降水过程也很突出,这一点则确定无疑。

6.6.2 曲折的道路,光明的前景

1935年贝吉龙的冷云降水学说,比起我们和前苏联学者这一学派60年代提出的暖云学说要顺利得多,他们只用了4年时间,到1939年芬代森 的德国观测资料发表,贝吉龙的学说就得到了大家的承认。而我们的学说所经历的发展道路却比贝吉龙的道路曲折得多。经历了40年的风风雨雨,到现在大家虽已承认湍流起伏场是形成暖云降水胚滴的重要因子。但湍流究竟以何种方式在起作用,却众说纷纭。1979年曼顿新发展的理论,认定对流暖云中湍流具有很强的垂直相干性,而且云滴谱的一个特征量──云滴的累积半径,或平均半径的起伏与上升气流的起伏呈负相关的关系。这是导出曼顿理论的一个重要依据,可惜,到了1985年奥斯丁(Austin)等人根据他们对对流暖云的实际观测,证明曼顿所假定的负相关并不存在。于是,曼顿的79年理论就失去了依据。1980年莱塞姆和他的合作者巴克尔直接根据莱塞姆与里德 1977年的风洞实验,提出一个云外干空气从云顶或云侧夹卷进云中与云内湿空气发生了一种他们称之为两阶段的非均匀湍流混合,使云滴先产生了非均匀蒸发,最后再次凝结会使云滴谱加宽产生了大云滴。1984年巴克尔和另外一些人合作,进一步改进了他们的理论模式,使之更精确化。但干空气夹卷进云中,产生了非均匀混合和非均匀蒸发的基本假定不变。1980年泰尔福德和柴提出了另一种被叫做气流的再循环模式,其基本点和曼顿的上升气流与下沉气流垂直相干相同。但是吸收了巴克尔,莱塞姆与云外干空气发生非均匀湍流混合以及随之而来的云滴的非均匀蒸发过程。1984年 泰尔福德,柴和凯克(Keck)合作进一步发展了云外干空气夹卷进云中产生非均匀湍流混合的理论,并为此和梅森发生了争论,批评了梅森的湍流均匀混合的观点。但是1984年, 国际云物理界组织了一次大规模的对流云观测试验,试验名称叫“对流降水协作试验”(CCOPE), 从中人们发现大云滴并不发生在与干空气混合最多,被干空气稀释最厉害的部位,相反人们发现最大的云滴常发生在最湿的,最少与干空气混合的迅速上升的云塔之中。(希尔(Hill)和乔拉顿(Choularton)1985, 帕卢奇和奈特1986)帕卢奇和奈特与泰尔福德在1987年为此还发生了一场争论。

1983年梅森在公开回答泰尔福德对他的批评时,对泰尔福德以及莱塞姆等人的干空气夹卷进云中经过非均匀湍流混合,非均匀水滴蒸发从而产生大云滴的理论进行了反批评。 梅森尖刻地指出:“不管这种理论的细节如何,企图用干空气的夹卷过程来解释大云滴如何会加速增长的理论,听起来永远会使人们感到,他们是想用关小煤气的方法来加速烧开一壶水!”我很同意梅森对于干空气夹卷理论的批评,但这并不意味着人们要倒退到梅森的均匀湍流混合理论上去。问题在于云外干空气夹卷进云中的非均匀湍流混合,只是湍流非均匀混合的一种方式,不可能是唯一的方式。与此同时,云内不同水汽过饱和的云泡之间必定会有另一种是“湿”的而非“干”的非均匀湍流混合存在,这种“湿”的非均匀混合产生的就不是非均匀水滴蒸发,而应是非均匀水滴凝结,由此所产生的大水滴就必定比梅森均匀混合、均匀凝结所产生的水滴更大。可惜,不知为什么1977年莱塞姆在他的垂直风洞试验中,只从风洞外送进去干空气,结果就陷入非均匀蒸发的不合理的概念之中而无法自拔。其实只要莱塞姆在他的试验中从风洞外送进一股比风洞内湿度更大的气流进去,人们就必定能够看到这种“湿”的非均匀湍流混合,这种混合必定会产生非均匀凝结,而不再是非均匀蒸发,梅森的反批评就可解决了。

此外,我以为 对湍流起伏场的作用还应在更大视野内加以考察。问题在于湍流的作用能够仅限于混合作用吗!按照常识,混合应该是小尺度湍流的作用,只有小尺度湍流才会使不同属性气块混合起来。但是云中的湍流特征尺度,应该要大得多。早在60年代建立我们的理论时,就已指出对流云中湍流特征尺度可以云泡来估计。因此它的空间尺度应有100米,时间尺度应有几分钟。这样大尺度的云泡(湍涡)运动时,必定会有相当强的上升运动,尺度也可达到百米数量级。因此,必定会在局部地区产生更高的水汽过饱和,这对水汽过饱和起伏场当然起正的作用,而不是混合那样的负作用。而且这也不应该和1972年巴特莱特 和琼纳斯上升气流起伏相混淆,这里的云泡上升和下沉是随机性的,连带水滴的运动也是随机性的。一定时间后没有确定的位置。而巴特莱特 和琼纳斯那里上升气流起伏是确定论型的,连带水滴的运动也是确定论型的。一定时间后,有确定的位置。因此,从我们这个概念出发,就不可能产生巴特莱特和琼纳斯滴谱无法变宽的结果,而是必然会有直接的降水胚滴产生出来,云滴谱会加宽。沿着这个新思路,可望使问题得到最终的解决。

从以上的介绍和分析中,人们可以看到,我们的暖云降水学说是经历了怎样一个复杂而曲折的发展过程,和贝吉龙的冷云降水学说相比,真可以说是多灾多难。到现在看来还有一段相当长的路要走。虽然如此,前景光明却可以断言,正像戈顿和安塞斯在他们的著作之末的《后记》中所讲的那样,他们的降水性中尺度天气系统动力学虽然已取得了不少成就,但也还有不少问题有待进一步研究解决。在进一步改善对中尺度灾害性天气预报方面,也还有不少科学问题需要进一步处理。尽管如此,戈顿和安塞斯仍然认为前景光明。因为解决中尺度降水性天气系统的认识和理解问题,不仅本身具有重要的社会意义和科学意义, 而且这对进一步认识和理解全球尺度大气环流,气候的变化,全球的地球化学等相关问题具有重要价值。因此,这就构成一个强大的动力,促使人们去加强这方面的研究。戈顿和安塞斯在该书《后记》中就向人们预告了美国将在90年代展开名为风暴中尺度系统观测计划(STORM),在计划中人们将使用更先进的观测系统,配备更加强有力的观测设备,完全可以预期,观测计划实现后,人们对降水性中尺度天气系统的认识会有进一步的飞跃,更多的科学问题将获得解决,因此前景必定光明。我们的事情则与他们相似。既然暖云微物理的研究已和降水性中尺度动力学挂上了钩,除人工影响天气以外,现在微物理的研究又多了一个更加强劲的动力。借着这股强劲的东风,可以期望一个被大家公认的暖云降水学说,最终应能产生。戈顿和安塞斯的书已把这个学说的前几十年所走过的历程记录下来,他们明确地把我们和前苏联有关的学者在20世纪60年代和70年代的工作载入了这段暖云降水学说历史的开端,承认是我们这个学派开启了暖云降水学说的新方向,并且肯定了这几十年的主要收获,即国际上已确认暖云中的湍流起伏场确是降水胚滴形成的重要因子。目前的问题是它怎样起作用的问题。这完全是前进中的问题,应该可以在前进中得到解决。其实不光是云中湍流,在下一章里读者将会看到一般的大气湍流,甚至是更一般流体运动中的湍流都是个大难题。对此,我们不能够太心急,要有足够的耐心。虽然大自然是复杂而无限的,但人类认识自然的能力也是无限的。可以预期,比如说再过若干个十年,经过理论和实验云物理学家的共同努力,经过全球各国云物理学家的共同努力,一个得到国际公认的由湍流起伏场引发的暖云降水学说必定会最后诞生,而这正是我们这一学派在20世纪60年代70年代的工作所播下的种子。想到这一点确使人感到十分欣慰!当然读者从前面引的这一学派的名单中可以看出,无论从人数上看,还是从延续的时间长短看,前苏联学者都是这一学派的主体,主流在他们那里,我只是很凑巧被《十四条》送入了这股思潮之中,并凑巧在其中有所发现,留下自己的痕迹,对此,我感到非常荣幸!

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