温景嵩:汇集到一点:一门新学科分支的诞生

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温景嵩 (进入专栏)  

《创新话旧》第9章

第九章 创新点(8) ── 一门新学科分支的建立

9.1 物理学中的尺度

物理学所研究的尺度跨越了42个数量级,最小到10-15米,(即飞米)这是核子(包括质子和中子)的大小。按照赵凯华、罗蔚茵两教授的著作《新概念物理教程》的《力学》卷中的说法,再往下的一个层次是夸克,每个核子由三个夸克组成, 但夸克间的相互作用有禁闭性质。人们永远不可能分离出自由的夸克来,以致讨论一个夸克有多大,就成为没有意义的问题。核子再往上是原子,它是由核子和核外电子所组成,尺度比核子大五个量级到了10-10米(即到0.1纳米)。空间尺度最大则是宇宙,已知宇宙的大小是1026-27米。这样,从最小尺度到最大尺度,中间共跨越了42个数量级,叫做“宇宙的42个台阶”。

物理学中的规律有一个很重要的特征,就是变化规律和物体的空间尺度有关,会因尺度大小不同而改变。例如, 我们可把大小在人体尺度(数量级为1米)上下几个数量级范围的客体,叫做宏观体系,而把原子尺度的客体叫做微观体系。 两者所服从的物理规律有根本不同。在宏观体系中, 服从的是宏观的、经典物理的规律,如牛顿力学。而在微观体系中,则 牛顿力学等规律不再适用,那里的问题需要用量子力学来处理,即它们服从于现代物理的规律。近年来由于科学技术的发展,已能制造出线长度为微米,宽度为几十纳米的粒子,这种尺度的粒子中所包含的原子数目其数量级为108-1011。所以它仍属宏观粒子,然而这种宏观粒子在低温条件下的实验结果,却表现出了微观粒子才有的量子效应,这种呈现出微观物理效应的宏观系统叫介观系统。它所服从的是介观物理学的规律,这是介乎微观与宏观之间的第三种规律──介观规律。这样,在物理学中,就因空间尺度大小的不同,而有了三种规律:宏观世界中以牛顿力学为代表的宏观规律;微观世界中以量子力学为代表的微观规律;以及介乎这两者之间的介观世界之介观规律。

9.2 流体运动的尺度

与物理学中因空间尺度不同,而有不同的规律相似, 在流体运动中,也有尺度大小的不同, 也会有不同的规律,并且还更敏感。流体运动时的空间尺度大小是由流动的非均匀性所确定。对于一个完全均匀,在流向、流速上不做任何改变的流场而言,就谈不上该流场的空间尺度大小。但当流场是非均匀时,情况就不同了,该流场就具有空间尺度大小的特征,且以其非均匀场的特征尺度为该流场的尺度。例如一个平行的均匀流场从无穷远处流过来时, 若空间中没有任何障碍物,则流场始终能保持均匀,此时就不能谈该流场的空间尺度问题。反之,若在空间中有障碍物,比如说有一个圆球,则该平行均匀流场在圆球附近就发生绕流现象,均匀流场转化为非均匀流场。此时,非均匀流场的空间特征尺度就可以圆球的半径来量度。半径越大,非均匀流场的尺度越大;反之, 则越小。当流场在无穷远处流速一定,且流体的运动粘性系数一定时,则该非均匀流场性质完全决定于圆球半径。半径不同流场尺度就不同,则绕流场的性质就不同。其多样性要比前面讲的物理学的三大规律复杂得多。这种性质上的不同,即规律上的不同,完全可以通过实验表现出来。赵凯华和罗蔚茵在他们的《力学》卷中举了一个圆柱绕流的例子。这是个以圆柱绕流图形随雷诺数变化而改变的例子。赵凯华给出了五张图。雷诺数最小从10-2,最大到106,跨越了8个数量级,中间又给出了三个不同大小,包括20、100、104三种雷诺数。结果五张图的流型各不相同,也就是说五种流场的性质和规律各不相同。从最小的雷诺数10-2开始,此时流线在绕流时始终贴着圆柱不与之脱离,绕流前后对称,圆柱后无涡旋。雷诺数增至20时,绕流场前后不对称。圆柱后尾流区有固定涡旋出现。雷诺数增至100时,涡旋脱离圆柱漂向下游,然后另一侧会有新的涡旋产生。这样涡旋交替产生,交替脱体又交替向下游漂去, 叫卡尔曼涡街。当雷诺数再增至104时 ,圆柱后的尾流中有湍流出现。最后当雷诺数增至106时,圆柱的尾流区全部为湍流所充满。流动性质与前面层流状态根本不同。大家知道,雷诺数与流体的非线性惯性力成正比, 而流体的非线性惯性力又和流体的特征尺度(此例中即是圆柱半径)与特征速度之积成正比。因此, 当上述实验中上游来流速度保持不变,粘性保持不变。则上述流型随雷诺数的变化,就完全可以看成是流型性质随空间尺度而做的复杂变化。此例中决定流场性质的力有二,一是流体惯性力,另一个是流体的分子粘性力。流体的空间尺度越大,它的惯性力相对于分子粘性力就越大,流场的性质就当然应该发生变化。看来这要比物理学中的宏观规律、微观规律、介观规律三大规律复杂得多。难怪物理学家赵凯华教授在讲完这一实验后,紧接着说:“这实在令人叹为观止!”。流体运动随空间尺度变化的复杂性还不止于此。一般而言,同一个流场还不止有一个特征尺度,常常有几个特征尺度,这就比物理学中的问题更要复杂得多。比如飞机的机翼绕流就比前面讲的圆球绕流、圆柱绕流远为复杂。因为它的特征尺度不是一个,而是几个,至少两个。一个是机翼的弦长,一个是机翼厚度。即使圆柱、圆球绕流,看似是一个特征尺度,实际上这只有对无粘性理想流体位势绕流而言才对。而对粘性流体绕流而言,就不行。此时除了这种几何学上的尺度以外,又会因流体粘性大小不同,产生第二个内在的特征尺度。对高雷诺数粘性绕流就会有一粘性边界层出现,边界层的厚度就构成第二个特征尺度。对低雷诺数粘性绕流就会有一粘性临界距离出现,这又构成了第二个特征尺度,这显然是一个十分复杂的问题。只是到了20世纪,流体力学才创造出对付同时具有两个特征尺度的流场的特殊办法──奇异扰动法。形成了一整套奇异扰动理论。而对于非微扰问题就只有诉诸于巨型计算机,让计算机来解决问题了。

9.3 大气运动的尺度

大气是一种流体,大气运动是一种特殊的流体运动。问题又要比上述的典型的理想流体绕流运动以及粘性流体绕流运动复杂得多。原来它的空间尺度不是一个两个的问题,在空间尺度上它是一个非常广阔的广谱,尺度最大到103-104公里,可与地球半径相比拟;最小到微米、亚微米粘性流。尺度谱跨越了13-14个数量级,其复杂程度相对于上一节所讲的只有两个特征尺度的粘性流体绕流运动而言,又是后者所无法比拟的。对此,气象学家的办法是分区间处理。 一般共分四个区间。即:大尺度大气运动,尺度在103-104公里,可与地球半径比拟;其次是中尺度大气运动,尺度范围大致在102公里;再往下是小尺度大气运动,尺度在1-10公里;最后是微尺度大气运动,尺度范围从小尺度湍流区间开始(注:研究大气湍流的学者常把大尺度和中小尺度大气运动也看成是湍流,叫大尺度湍流。与此不同,把尺度最大到100米,最小到厘米、毫米的内尺度耗散区间的湍流,叫小尺度湍流,就是本书讲的微尺度大气运动区间中的最大一端);从小尺度湍流往下还有更加微小的尺度,这就是微米、亚微米粘性流,这个尺度比大尺度大气运动小了1013-1014个数量级,它是否在大气运动中真正存在? 回答是肯定的。因为本书在第二章中已经讲过,地球大气实际是一个气溶胶系统,由于气溶胶粒子的存在,就必然会在大气中引起与气溶胶粒子尺度大小相当的各种各样的扰动流场。典型的气溶胶粒子尺度是微米、亚微米量级,因此在地球大气运动中必然会存在有微米、亚微米这样微小尺度的运动。当然,再往下,气溶胶粒子还有更小的纳米级的粒子。但那时粒子尺度已经小于空气分子自由路径的尺度。此时的大气就不再能被认为是连续介质,对于纳米级的气溶胶粒子,或者高空空气稀薄时的微米级粒子,或是在制造大规模与超大规模的集成电路的超净工作间中的真空室中的微米级气溶胶粒子而言,四周空气都可以视为一个自由分子体系,而非连续介质,其运动规律就已离开流体力学,属分子动力学范围了。

微尺度大气运动的规律与大中小三种尺度的大气运动有重大区别,其中最重要的一个区别就是空气粘性所起的作用。我们知道,空气粘性系数非常小,在厘米、克、秒单位制中,它的数量级为10-4,仅有万分之一大小。在大尺度、中小尺度大气运动中它都可忽略不计。在大尺度大气运动中起作用的主要是地球自转偏向力和大气温度的稳定层结,这种稳定层结构成一种负浮力,使热对流发展不起来。在中尺度运动中,起作用的主要是地球自转偏向力和大气的不稳定层结,这种层结构成一种正浮力,可以使热对流发展起来。甚至可以形成非常强的热对流,构成百公里尺度的灾害性天气如暴雨、冰雹和雪暴等。到了小尺度的运动则地球自转偏向力也可忽略不计了,只剩下大气温度的不稳定层结,可以形成热对流。适宜条件下,也可形成很强的热对流,造成局地1-10公里范围的灾害性天气。对于以上三种尺度的大气运动而言,一个共同特点即是在这类尺度中运动的大气,其空气粘性均可忽略,可把它们看成是事实上的无粘性的理想流体。这个特点在微尺度大气运动中就不复存在了。与此相反,从微尺度大气运动中最大的一端,即小尺度湍流开始, 空气粘性的作用就开始显著起来。湍流虽然是一种高雷诺数运动,其中流体的非线性惯性力起主要作用,流体的分子粘性力贡献居第二位。但它却是一个非微扰问题,对它甚至不可采用奇异扰动方法处理。在奇异扰动问题中可以在边界层里保留分子粘性,但在湍流场中,流体的分子粘性却处处不可忽略,不单是在边界层中要保留它,否则就无法理解湍流的耗散性质。湍流是一个耗散系统,如果没有能源补充它就可自行衰变为规则的层流。而大气中由于风切变的经常存在,不稳定层结也常有机会存在,所以大气湍流才可经常存在。除非在风力十分小且逆温层存在,层结十分稳定条件下,此时才可以有静风的无湍流的存在,这正显示出了空气分子粘性的十分主要的耗散作用。

以上讨论的小尺度湍流区间的运动,它只是在微尺度运动的最大一端,这一端它最小到厘米、毫米内尺度粘性耗散区间。根据我们的经验,微尺度到此还没有到头,往下还有更小的,最小就到了 本书前面几章中所说的,由气溶胶粒子引起的微米、亚微米尺度的扰动流场。虽然前面已指出,空气的粘性系数十分小,在厘米、克。秒单位制中仅为10-4。但当流场尺度缩小到气溶胶粒子尺度时,由于它的尺度在厘米、克、秒单位制中与分子粘性相当,甚至更小,为10-5-10-4,所以在这个尺度上分子粘性不但不可忽略,而且反客为主,起主导的支配作用,这种尺度的运动就完全服从于斯托克斯的粘性流运动方程了。不仅如此,原来在大尺度、中尺度中起主导作用的地球自转偏向力,以及大中小三种尺度都起重要作用的大气温度层结,这两种因子,当尺度小到从湍流的惯性子区间开始一直到微米、亚微米尺度粘性流,就都不起作用,完全可以忽略了。大气运动的性质随空间尺度大小不同而有如此惊人的变化,可才真是令人叹为观止。

人类对大气运动的研究首先从大尺度运动开始,事情在20世纪上半叶。1920年前后挪威气象学家V.皮亚克尼斯(V. Bjerkness)和J.皮亚克尼斯(J. Bjerkness )提出锋面气旋学说,1939年美国芝加哥大学的国际气象学大师罗斯贝提出了长波理论。至此人们对大尺度运动的三维结构与运动规律有了一个比较科学的认识。以皮亚克尼斯为首的挪威气象学派和以罗斯贝为首的芝加哥气象学派对大尺度动力学做出了开创性的贡献, 为数值天气预报打下了基础。到了1950年美国著名学者恰尼(Charney)等人首次成功地作出数值天气预告,开辟了数值天气预告的业务。在我国,也是从大尺度大气运动研究开始,不过比发达国家晚一些。在50年代,我国开始建立了大规模的气象观测网,重点开始研究东亚的大气环流,从青藏高原对东亚环流和对中国天气影响入手,并且很快地达到了相当高的水平。1956年由叶笃正和顾震潮两位先生 做出的成果赢得了我国大气科学界的第一项国家自然科学奖。这点我们已在本书前面有关章节中讲过,打倒“四人帮”以后,这方面工作进一步有了很大的发展。到了1987年,由叶笃正、陶诗言两位先生和他们的合作者朱抱贞、陈隆勲两位教授完成的“东亚大气环流”重大成果赢得了国家自然科学一等奖,形成了我国大气科学研究中的顶峰式成就,是我国建立国家自然科学奖制度后,近五十年来我国大气科学界荣获的唯一一项国家自然科学一等奖。

由于大尺度的大气运动是产生各种天气变化的主导因子,所以对大尺度运动的研究始终居大气科学领域的核心地位。近年来又有了新的发展,由于70年代以来出现了世界范围的气候异常,人类面临着日益严重的粮食、能源和水资源危机。这就使得大尺度的研究,在时间上向更长的气候尺度前进。气候变化的动力学研究做为一个新的重大的前沿课题,摆在了气象界面前。在我国又是叶笃正先生承担了开辟并发展气候动力学的任务。不仅如此,全球气候变化还涉及到多国国际合作,和多学科合作研究的问题。不是一个国家一个单独的气象学科所能完成。因此,1986年国际科学联合会决定要制定一个宏伟的国际地圈-生物圈研究计划(IGBP),并成立了相应的机构,负责该计划的组织、规划、实施和协调。1988年由中国气象学会、中国环境学会、中国水利学会、中国林学会、中国自然资源学会、中国生态学会以及中国矿物岩石和地球化学学会联合组建了上述国际地圈-生物圈研究计划(IGBP)的中国委员会。叶笃正先生又理所当然地被选为该委员会的主席。由此可见,大尺度大气运动研究现在已经演变为一个规模十分壮观、十分宏伟的超巨型的大科学研究规划了。这当然是在人类社会发展所面临的危机推动下促成的。

然而单单的大尺度研究还不能满足人类社会的全部要求。由于现有的气象台站网,尤其是探空台站网是为了捕捉大尺度大气运动而建立起来的,它的网距尺度数量级就是102公里,用这样粗的网当然无法捕捉到比大尺度小的中小尺度的天气系统。不幸,一些灾害性天气往往是和中小尺度,特别是中尺度系统相联系。因此就常会有灾害性天气已经发生,但是在反映大尺度运动的一般天气图上却找不到它的踪影。于是开展中小尺度大气运动的研究势在必行。这事的起步大体在20世纪中叶。对中小尺度系统的动力学研究,国际上大体上始于50年代,我国则从60年代开始,到现在它已成为一个相当活跃的,又一个重要前沿课题,与大尺度运动,和气候动力学一起,是气象学中的三大前沿重点课题。单单拿中小尺度系统所形成的一个冰雹问题而言,就吸引了众多的科学家的注意。在我国,由于我国是一个雹灾多发地区,研究者就更多,工作就更加活跃。我们在本书前面已提到我的老同学许焕斌教授等人的《雹云物理与防雹的原理和设计》是最新的一项成果,发表于2004年。在此之前,早在1978年已故气象学家雷雨顺等人就出版了《冰雹概论》一书。紧接着在1979年徐家骝又出版了《冰雹微物理与成雹机制》一书。然后,1980年黄美元等人又出版了《人工防雹导论》。1994年王雨增等人出版了《人工防雹实用技术》。1999年段炎等人又出版了《冰雹》一书。这样,从1978年开始到2004年为止,26年来就相继出版了6本包括冰雹微物理、宏观动力学与人工防雹等课题的专著,可见这方面工作之活跃,由中小尺度系统引发的冰雹灾害之严重。除此之外,还有暴雨和雪暴灾害等等。因此中尺度大气系统之所以能成为气象界的一个前沿重点问题就是理所当然了。

9.4 微尺度大气运动的研究

科学总是在不断向前发展。国家和人民对气象学的要求更是多种多样。除了要求气象界能报出未来的天气变化和气候变化以为国民经济建设服务外,国家还有着更多更直接的要求。这些问题都要大气科学工作者给以回答。于是20世纪的中叶,与人们向中小尺度问题进军同时,人们还开始了比小尺度还要小的微尺度大气运动的研究。其创始人则是英国著名气象学家萨顿。这位国际气象界的著名学者以他在1953年发表的《微气象学》一书开辟了人类对微尺度大气运动研究的新时代。半个世纪以来,这本著作在国际大气科学界已经成为一本影响深远的经典著作。那一年刚好是我考入北京大学的一年,1957年我毕业于北大物理系的气象专业。 两年以后, 在1959年这本书则由南京大学已故著名气象学家徐尔灏教授和他的合作者吴和赓翻译成中文由高教出版社出版。50年代是气象界经典著作接二连三地涌现时代,1953年是萨顿发表了《微气象学》;1955年是富克斯的《气溶胶力学》;1957年是梅森的《云物理学》;巴切勒的“均匀各向同性湍流理论”则发表在1953年;1959年 则是塔塔尔斯基的《湍流大气中波的传播理论》。确切地说,都属于微尺度大气运动的范围。半个世纪以来,也都成了影响深远的经典名著。而萨顿的书则成为微尺度大气运动研究的开路先锋。

当然人们对微尺度的研究严格地说,还要开始得更早。早在20世纪上半叶就已有了萌芽,例如对大气边界层的研究应该起始于20世纪初。在1905年由埃克曼(Ekman)发现的著名的埃克曼螺线层,在这层中的风速向量,从边界层底的地面向上逐渐向右偏转,一直到边界层顶达到与自由大气中的地转风一致。和流体力学中的边界层的定义基本相同,在大气边界层中湍流粘性应力不可忽略,起重要作用(在流体力学中则是分子粘应力不可忽略起重要作用),在大气边界层上空则湍流粘应力可以忽略,所以叫自由大气(在流体力学中则在边界层之上为无分子粘性力的理想流体),这一大气边界层厚度数量级是1公里。在这一边界层的底层还有一个更薄的,尺度为50-100米的近地面层,在这一层中,湍流粘应力起着支配作用,在温度层结为中性条件下,可以得到风速随高度呈对数变化规律。这实际上就是在普朗托1925年混合长理论基础上,1933年还是由普朗托本人假定湍流混合长随高度成正比,从而导出的风速变化的对数规律。所以可以说湍流大气边界层中的风场结构早在20世纪上半叶就已有了初步的研究成果。另一方面,近地面层中的湍流大气扩散,正是在1934年由萨顿本人,把泰勒1921年一般的湍流扩散的统计理论,推广到近地面湍流扩散中来。根据中性温度层结条件下的近地面湍流扩散实验得到了在初始阶段以后烟团弥散尺度随时间有一个7/4次方增长阶段。显然泰勒定理也好,萨顿的7/4次方的幂次扩散关系也好,这都是在20世纪上半叶发生的事。然而把20世纪上半叶大气边界层研究成果以及近地面短距离湍流扩散研究等成果综合在一起,正式在气象学中引入了微尺度大气运动的概念,并以“微尺度大气运动中的气象学”,即“微气象学”的提法来概括这一新的发展,那还是由1953年萨顿专著所完成。因此人们可以1953年为微尺度大气运动研究的开创年。萨顿则为微尺度大气运动研究的创始人。

与一切学说无不具有局限性一样,萨顿的微尺度大气运动的研究也不例外。概括说来,其局限性有二。第一,在萨顿的微尺度运动中,他仅限于微尺度运动的最大一端──即小尺度湍流运动区间,而把微尺度运动最小的一端──即微米、亚微米尺度的粘性流区间排除在外。到现在萨顿的《微气象学》几乎已成为大气湍流,特别是大气湍流边界层研究的同义语。第二个局限性在于,在小尺度湍流区间中,他仅限于大气湍流边界层的研究,而把其它的湍流大气物理现象排除在外,以至于到现在,微气象学几乎仅仅成为边界层气象的同义语。1973年美国气象学会新编了一本《微气象学》,其内容就都是关于边界层气象的研究。这就把微尺度大气运动的研究局限在过去狭小的范围之中。

在总结我们过去几十年走过的历程时,我惊异地发现,在不知不觉中,我已全面地突破了萨顿的《微气象学》的这两个局限性,虽然我们的研究确实仍然属于微尺度大气运动范围。于是我感到有必要突破萨顿的“微气象学”的概念,从而提出新的提法,那就是“微尺度大气运动中的物理学”(英文可译为:The Physics in Micro –Scale Atmospheric Motions )进一步简化的提法,就是“微大气物理学”(英文可译为:Micro-Atmospheric Physics)。 以下我们就来谈一下“微大气物理学”的产生过程,它的主要内容和意义。

9.5 微大气物理学的建立

9.5.1 总结往事

本书第一章已经谈过“微大气物理学”这一创新点,并不是在几十年前,当我开始从事大气物理研究时,就已确立好的宏伟目标。事实上,它只是一项事后的总结,而不是在事情开始时的有目的、有计划的行动。当时间进入80年代,我以前在大气物理所工作的一些朋友已相继出版了一些学术专著。我也想出书,但是,我能出什么样的专著呢?回顾我几十年走过的道路,我搞的课题是够多、够杂的了,甚至我有一种“杂家”之感。什么课题都搞过一点,可什么问题似乎都不够专。云物理搞过,但我不能说自己是云物理学家。大气扩散搞过,但又不能说自己是大气扩散专家。大气光学也做了,但也不能说自己是大气光学专家。湍流搞过一点,但也不能说自己是湍流专家。说是气溶胶力学专家有点像了,但在当时时间又太短。而且那前几十年的工作又算甚麽呢?我有些茫然。不过“茫然”的时间不太长,当我冷静地坐下来,回顾分析了我这一生所走过的道路,我的头脑渐渐地清晰起来,原来在我所做过的工作中还是有一条清晰的线索。那就是微尺度大气运动。几十年来,虽然我的具体题目换来换去,但非常侥幸,虽然是不自觉,却都没有变到微尺度大气运动以外。而且我发现,在找到了这条线索以后,课题换的花样比较多就不是甚麽缺点,反而成为我的一个长处。它使我能够从更全面的角度来重新审视一下萨顿的《微气象学》。于是我就较为容易地发现我这几十年的工作已经在不知不觉中比较全面地突破了萨顿的两个局限性。在尺度范围问题上,我已经用几项气溶胶力学的突破性成果,突破了他的小尺度湍流区间范围,把对微尺度大气运动的研究扩展到了微米、亚微米尺度的粘性流范围。这是一个重要的突破,因为自萨顿之后直到现在,大家都接受了萨顿对微尺度的定义,认为所谓微尺度就是小尺度湍流。但是从我对气溶胶力学的研究经验看,这显然不够。既然大气实际上是一个气溶胶系统,那在大气中就必然存在由气溶胶粒子扰动引起的微米亚微米尺度的粘性流。否认在大气的微尺度运动中存在这样更小尺度的运动,显然站不住脚。另一方面,在小尺度湍流区间中我也突破了他的边界层气象研究范围,大大丰富了湍流区间中的研究内容。因此再用萨顿的《微气象学》来概括我这几十年的研究工作就不合适了,需要有新的概括,需要有提出新的学科概念的勇气。而这勇气也来自我在剑桥的研究经验,正是在剑桥使我破除了对科学的神秘感,增添了我在学科上也要有敢于创新的勇气。于是一个新的提法──“微大气物理学”,亦即“微尺度大气运动中的物理学”,也就由此应运而生。从基本精神讲,它继承了萨顿的《微气象学》的微尺度大气运动的研究。同时,在内容上它发展了人们对微尺度大气运动的认识,可以说是“微气象学”的新阶段。以下将进一步介绍这门新学科的内容和意义。

9.5.2 变化万千的世界

虽然,相对于大尺度和中小尺度运动而言,微尺度大气运动其尺度非常微小。但在其中发生的物理现象却是千变万化,复杂多样。应该说这是一个内容十分丰富的,奥妙万千、引人入胜的世界。本书前面几章讲的仅仅是其中一部分,本节将做一更全面的简要介绍。

在微尺度最大的一端,即小尺度湍流区间中,首先是湍流的微结构问题。其中湍流的不连续性(即间歇性),以及湍流的相干结构都是意义十分重大的前沿课题。其次电磁波和声波在湍流大气中的传播时的散射过程;短波在湍流大气中传播时的参数起伏(如振幅起伏和相位起伏);光波在湍流大气中传播时产生的光强之大气闪烁现象,光束的漂移,到达角的起伏,像点的抖动,聚集光束的散焦作用等,这些都是重要的研究课题。再次,在湍流起伏条件下,对流云中的云滴随机增长问题,包括了随机凝结增长与随机重力碰并增长两大研究课题。烟羽的湍流大气扩散,尤其是在非均匀地形中的湍流扩散问题,都是近年来十分引人注目的新课题。而边界层气象,近地面物理这样一些传统的微气象学,由于大气污染等社会问题的紧迫需要,也都大大加强了对它们的研究。

另一方面在微尺度大气运动中的最小一端,即由气溶胶粒子的存在引起的微米、亚微米尺度粘性区间,内容也十分丰富。首先是,在气溶胶多粒子流体动力相互作用下,所引发的低雷诺数扰动流场结构,这问题涉及到多体问题同样是十分重大的前沿课题。其次是与此直接有关的气溶胶的一些力学过程。这包括了气溶胶粒子在外力作用下,粒子和介质的分离过程;又如气溶胶粒子在外力、外流场力、粒子间相互作用势力;以及来自介质分子无规撞击的布朗热动力,在以上这些力的作用下,粒子间发生相对运动,最后发生碰撞或粘连或并合在一起,从而从体系中消失的过程(粒子被障碍物捕获的过程也包括在内);再如气溶胶粒子和介质之间的质量与热量的交换过程;还有气溶胶整体作为一个均质流体看,它的力学性质发生了改变而与纯净流体不同,如体系的有效粘性,有效热传导率等,这也是一个有重要意义的研究课题;气溶胶粒子谱在各种微观与宏观动力过程作用下的演变过程,也是当前气溶胶科学中的一个研究热点;最后,气溶胶光学效应,声学效应,气溶胶与辐射传输,气溶胶的气候效应等也都是一些意义十分重大的研究课题。由此可见,微尺度大气运动的空间尺度虽 十分微小,但发生在其中的物理过程,却丰富多彩,奥妙万千,在微小的空间尺度中存在着种类繁多千变万化的世界。

9.5.3 微大气物理学的三大共同特征

在研究课题如此多种多样的微大气物理学中存在以下三个共同特征。

第一, 直接在国民经济建设与国防建设以及社会发展中的应用价值。大尺度与中小尺度的研究, 是通过对天气预报和气候变化预测来为国家服务。而微尺度则与此不同,它直接服务于国家建设的某一方面的特殊需要,它的研究成果目前一般还看不出和天气预报这个气象界的核心问题有何联系。但它们大都有自己的直接的服务对象。近半个世纪来对光波在湍流大气中传播过程的大量研究,是在以激光武器为代表的各类激光大气工程,以天文台站建设为代表的各类光学工程,以大气科学中的大气探测工程等的促进下才蓬蓬勃勃地发展起来。同样近半个世纪来对边界层气象和大气扩散的大量研究是在大气污染、防原子战防化学战、防细菌战等社会问题的需要以及军事问题的需要促进下才十分迅猛地发展起来。人工影响天气,包括人工增雨、人工防雹等工作是对云物理研究的有力促进。对于环境污染的控制与监测,对于各种工业气溶胶技术的开发和利用,对于研制大规模集成电路与超大规模集成电路的超净工作间,对于与人体健康密切相关的气溶胶粒子在人体呼吸系统中的沉淀问题,都是半个世纪来气溶胶力学发展的强大动力。所有以上情况说明了直接的在国家建设和社会发展各个领域中的应用价值正是微大气物理学的各分支领域的一个共同的特征。

第二, 第二个共同的特征就是微尺度大气运动都服从黏性流体运动的规律,不论是微尺度中最大的小尺度湍流区间,还是最小的微米、亚微米粘性流区间,都服从于黏性流体运动的纳维-斯托克斯方程,而与大尺度、中小尺度有根本的不同。那里的大气运动却可以近似成无粘性的理想流体。其中地球大气的各种特有的作用力,如地球自转偏向力等却突出起来。此外,微尺度大气运动是微尺度范围各种物理现象的主导因子而且具有理论性和定量性。这点又与大尺度、中小尺度大气运动不同,大尺度、中小尺度运动虽然也是发生各种天气现象的主导因子, 但它不具有理论性和定量性,而往往带有经验性质。于是,发生在微尺度范围中的各种物理过程的规律,就常常带有相应尺度大气运动的“印记”。柯尔莫果洛夫的局地各向同性湍流理论和2/3定律,决定了烟团扩散中弥散度随时间3次方增长关系。又决定了光波在短距离湍流大气中传播时,大气闪烁强度随距离的11/6次方成正比的关系。另一方面,在微米、亚微米粘性流区间,由于此时黏性流体运动的纳维-斯托克斯方程可以线性化为斯托克斯粘性流方程,许多问题可以严格求解,从而存在着比小尺度湍流区间更加严格的定量规律,那里的一些系数往往就可以直接从理论中解出,而不像湍流理论中往往含有只能从实验测定出的经验系数。例如巴切勒的单分散沉降公式,巴切勒和我的多分散沉降公式。与此同时,气溶胶力学中的一些问题往往也是由于斯托克斯粘性流的慢衰减特点,又使它的有关积分常成为发散积分,是气溶胶力学研究中的一个严重障碍。对比大尺度天气预报工作中,气象台站预报员在预报出大尺度流场变化以后,主要还是根据预报员的经验来预报相应的天气现象,微大气物理的这一特点就更加使人印象深刻。

第三, 第三个个共同特征是,它们都具有随机性质。因此,概率论和随机过程论,以及随机场论就成为解决微大气物理问题中共同的强有力的数学工具。在小尺度湍流区间,随机性源于流动在高雷诺数条件下自发的不稳定性。由此,发生在湍流中的各种物理过程,就无不带有随机过程的特点。在微尺度大气运动中最小的微米、亚微米尺度的粘性流范围,那里的流动虽然由于分子粘性起支配作用而使流动是稳定的,不带有随机性。但是当物体小到像气溶胶粒子那样,微米、亚微米尺度范围时,来自四周流体介质中的分子热运动的无规撞击就显著起来,随机的布朗运动就成为气溶胶粒子运动的一个主要特征。与气溶胶粒子有关的一切物理现象,也就都具有随机性质。概率论与随机过程论也就成为解决这一领域中物理问题的主要数学工具。当然,我们在第一章中已经讲过,在把概率论与随机过程论应用到微大气物理问题中来时,常会产生出一些难于求解的数学方程,这时还主要是靠把物理思想注入于数学之中来解决问题。可以说一部微大气物理的发展史,正是物理思想和数学理论相互结合相互促进的历史,单纯的数学技巧是不能解决问题的。

基于以上几点认识,从黏性流体力学角度出发,对微大气物理学的发展做了一次系统、全面的总结,1989年我们出版了微大气物理的第一部专著──《微大气物理学导论》(科学出版社,北京),这本书的重点放在气溶胶力学,把湍流大气物理放在第二位。随后,我们又从概率论、随机过程论和随机场论出发,对微大气物理学的发展做了又一次总结,1995年出版了微大气物理的第二部专著──《概率论和微大气物理学》(气象出版社,北京),与第一本不同,这本书的重点放在湍流大气物理,而把气溶胶力学放在第二位。这两部书的出版,标志着一门微大气物理学新学科分支的建立,这在大气科学中开辟了一个新的研究和应用领域。当然它是否能站住脚,还有待大家的检验,有待时间的考验。 回顾往事,我这一生在朋友们的帮助下解决了微尺度大气运动中特别是气溶胶尺度中的一些问题,对此我很高兴。当然还有更多的问题有待解决。自1953年萨顿开创了微尺度大气运动的研究后,半个世纪来它已经有了很大的发展。由于国家建设的需要和社会发展的需要,又由于它拥有许许多多引人入胜的科学问题,相信在未来的岁月中,对于微尺度大气运动的研究,尤其是对气溶胶这样微小尺度的研究,无论在理论上和实验上,也无论在基础领域和应用领域,都会吸引更多的年轻朋友投身到这里来,从而使它有一个更大的发展,对此我充满了信心。

(注:我在上面已经谈到,我的“微大气物理学”是否能站住脚,是否能为大家所接受,还有待大家的检验,有待时间的考验。然而说实在的我确实有点担心。我已经说过微尺度大气运动研究本来就不处于大气科学研究的核心地位,何况它又是一个“标新立异”的新说法,我本人又游离于大气科学界之外。所以很有可能它经不住时间的检验,很快就会被人们遗忘。然而又是非常幸运,近来我发现我的“微大气物理学”新学科竟然经受住了自它诞生以来这一段时间的考验,逐渐为人们所接受,这不能不使我感到惊喜。 还是先由上一章最后讲的《湍流,间歇性和大气边界层》一书的作者胡非先生给我的来信说起。在那封信里他除了说到我的“湍流不连续性”一文外,他还谈到本章所讲的“微大气物理学”专著。他说:“您以前写的“微大气物理学”一书和您译的塔塔尔斯基的书,长期以来都在我的案头和身边书架上,作为重要的学术参考书使用,从中我也受益极大”。胡非先生是我国大气湍流研究中有成就的专家,知道我的微大气物理学在大气湍流研究中会有如此好的作用,这使我感到十分欣慰。 又如本书前面曾提到的我国著名的云物理学家许焕斌教授的名著《雹云物理与防雹的原理和设计》一书。这本书很受大家的欢迎,自2004年出版后短短的几年来它已经出了第二版,这在大气科学界并不多见,是件了不起的事。很幸运地我发现该书也引用了我那第二本微大气物理专著《概率论和微大气物理学》。微大气物理学的研究竟然可以应用到雹云物理和防雹工程中来,这不能不使我感到十分欣喜。 再如前不久我在为《科技导报》审阅了一篇气溶胶力学的文稿。该文的第一篇参考文献就引了我的第一本专著《微大气物理学导论》。那本书是1989年出的,经历了十八年时间的考验,它还没有被人忘记。考虑到该文作者所在单位是北京科技大学机械工程学院,它的前身是北京钢铁学院,可以设想作者不可能是学大气物理的,而他们也竟然知道这本微大气物理学的书,并且还知道从这本微大气物理书中可以找到有关气溶胶力学的论述,从这件事我想到历经了十几年的时间,该书的影响已扩展到了大气科学界之外,这又不能不使我感到十分高兴。 究竟自己的研究成果有没有生命力,这才是做研究的人所最关心的事啊。

温景嵩2007年12月4日注于南开园)

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