投身于人工降水的飛行作業(yè)

　　在三年困難時期，大氣所貫徹執(zhí)行中央的“調整，鞏固，充實，提高”八字方針，落實由周總理和聶榮臻副總理制定的科研《十四條》政策。我從朱崗崐先生領導的近地面物理課題組（即原祁連山高山冰川融冰化雪組）里調出來，調入由顧震潮先生領導的人工降水和云物理課題組。從此我開始了人工降水和云物理的研究工作�！妒�四條》規(guī)定要任務帶學科，所以首先要搞人工降水，不過不再局限于西北干旱地區(qū)。1961年夏，湖南地區(qū)干旱嚴重，中央集中了一批力量，調集了八架運輸機在湖南搞大面積人工降水實驗。由軍區(qū)參謀長親自指揮，科學院作為合作單位參予。于是，我們在顧先生帶領下參加了這項大規(guī)模人工降水實驗。參謀長很緊張，說八架大飛機同時在一個省的上空做人工降水作業(yè)飛行是從來沒有過的事，生怕出事。每天都親臨現(xiàn)場，小心翼翼地指揮，幸好沒有出事。按飛行條令，飛機不能靠近積雨云。和不能在山區(qū)做低空飛行一樣，積雨云同樣是飛行禁區(qū)。通常民航飛機遇到積雨云只能繞著走，禁止靠近，更不得進入。而人工降水作業(yè)飛機，不但要靠近，而且要進入云內實行催化作業(yè)。這就十分危險，每次進入積雨云作業(yè)時，受對流暖云劇烈的云中湍流影響，飛機都顛簸得十分厲害。使催化作業(yè)和觀測云的微物理結構工作難以順利地進行。但是顧先生對自己要求非常高，他并不因為自己是一位剛從西方回來的科學家，而把自己僅僅擺在指揮員的位置，相反，他既當指揮員，又當戰(zhàn)斗員。他不怕飛行作業(yè)危險，飛機顛簸厲害，每次作業(yè)，他都和我們年輕人一樣上飛機，撒鹽粉，還要去觀測云的微結構。我卻不行，我因患有暈機病，每次進入積雨云作業(yè)時都嘔吐不止，無法工作。對比顧先生的榜樣，我是很慚愧的。1964年夏季，上海地區(qū)又發(fā)生干旱，顧先生帶領我們又在上海地區(qū)實行人工降水飛機催化作業(yè)。顧先生看我實在吐得厲害，有一次就讓我坐在飛機上停止作業(yè)工作，只靜靜地坐在座位上不動，看能否適應，結果還是不行。真巧那次飛行竟發(fā)生了一次自我們開展飛機作業(yè)飛行以來，最嚴重的一次顛簸，給我的感覺好像一下子跌入萬丈深淵中去，飛機被云中氣流一下子打下幾百米，幸好飛機沒有出事，但我肚子里的東西都早已吐空了，可是止不住還要吐最后就把血都吐出來了，嚇得顧先生對我說，今后只好取消你飛行作業(yè)的資格。但是，據(jù)我了解后來再也沒有實行過飛機人工降水作業(yè)，直到現(xiàn)在人們實行作業(yè)時，都改為由地面，使用高炮、火箭對天空的積云射擊，實行炮轟和火箭彈的催化。這樣更安全一些。那次飛行雖然最后安全返航，沒有摔飛機，但很可能飛行部門也提了意見，這種違反飛行條令的事情實在太危險，難免不會出事。據(jù)說平常我們作業(yè)飛行雖說要穿積雨云，但實際上飛行員還是盡量避免太深入，都是搽邊，在積雨云邊緣處穿插。那次是不小心，一下子深入到積雨云中心，結果發(fā)生了我們自飛行以來，最為嚴重的顛簸事件。別的沒有嘔吐的同志，包括顧先生，盡管能控制住自己不嘔吐，但也十分難受，臉色全成煞白了。幸好老天爺還算照顧，沒有出事。1961年夏，在湖南大托舗軍用機場進行飛行催化作業(yè)時，和參謀長搞得比較熟了。有一次他問我們：“你們?yōu)槭裁窗杨櫿鸪蓖�志叫顧先生？在舊社會，大家都把為地主老財、資本家辦事的帳房叫先生，你們的顧震潮居然還是共產黨員，為什么也叫他先生？”我們告訴他：“我們叫的先生，和你講的舊社會的帳房先生不是一回事。現(xiàn)在在我們科學院，也包括在高等學校，大家對學問大，水平高的長輩都尊稱為先生。不能叫顧老師，更不能叫老顧。而“先生”兩字才表達了我們對有學問的長輩的尊敬，稱他為顧先生是表達了我們對他的敬意。”參謀長這才表示理解。

　　 顧先生在親身參加危險的人工降水作業(yè)同時，也沒有忘記他作為一位科學家的責任。他是一位非常善于在實踐中學習，并善于從實踐中提煉出科學問題來進行研究的人。比如人工降水作業(yè)理論。他首先從湖南人工降水的實踐中了解到，國際上流行的小顆粒小劑量云底撒播催化劑方法是不對的，根據(jù)湖南的經驗他提出了與此相反的大顆粒大劑量云頂撒播催化劑方法，并為此進行了初步的論證。后來的發(fā)展使他又認識到問題的復雜性，可能還存在著最佳撒法。為此他把這問題交給了朱珍華，王堯奇和我進行了更細致、更全面的分析和計算，最后證實確實存在著最佳撒法，并得到了一個當時看來確很新穎，卻突破了原有的撒播理論的最佳撒播方法理論。

　　人工降水作業(yè)的效果檢驗是一個更復雜也是一個更重要的大難題，不僅如此，效果檢驗還是所有人工影響天氣工作的一個很關鍵的大難題，至今還沒有很好地得到解決。對此，顧先生不是回避問題，也不是用一些空話或套話來敷衍了事。而是正面面對這一難題，千方百計地又是實事求是地加以解決。例如在湖南人工降水抗旱作業(yè)的總結中，他就想盡辦法，利用當時所能提供的客觀條件，從幾個不同的方面，證實了那次人工降水的客觀效果，很有說服力，至今仍是我們學習的范例。

　　建立湖南衡山高山云霧站

　　按照《十四條》精神，人工降水工作對科學院大氣所講，不是目的，目的是帶出云物理學科。因此，與開展人工降水的同時，甚至更早一些時候，大氣所就開始籌建高山云霧站，以取得對云物理結構的感性認識。雖然我們開展人工降水飛行作業(yè)時，也同時在飛機上對云物理的微結構進行觀測，但那不能有系統(tǒng)、有組織、有計劃大量地進行。在當時條件下，只有建立高山云霧實驗站，才能對我國云霧微物理特征進行有系統(tǒng)、有組織、有計劃的大量觀測。為此有關領導從當時蘇聯(lián)請來了一位高山云霧實驗專家蘇拉克維里澤（Сулаквелидзе Г. К.），經過他在我國各地考察選定了在湖南南岳衡山建立云霧實驗站。他認為衡山的地形和云霧條件是他所見到的最理想的觀測云物理結構的好地方。于是，我們這些前兩年在朱崗崐和高由禧兩位先生帶領下登上了西北祁連山的青年人，現(xiàn)在又被召在顧震潮先生帶領下登上了南岳衡山云霧之鄉(xiāng)。不過那次在祁連山是搞融冰化雪作業(yè)，根本沒有想到要帶出什么學科，要出什么科研成果。而這次卻有著明確的目的，要進行研究，研究我國云霧物理實際情況，要出科研成果。建立南岳高山云霧試驗站仍然是在顧先生領導下進行。和在人工降水飛行作業(yè)相同，他仍然是既當指揮員，又當戰(zhàn)斗員。當時的條件很差，山上沒有糧，就要自己背糧上山。山上沒有住的地方，就借住在和尚廟里。顧先生則和我們年輕人一樣，一樣爬山，一樣背糧，一樣住和尚廟，一樣在高山條件艱苦，又常處在潮濕的云霧環(huán)境中堅持。至于實驗場地，就借氣象局的高山氣象觀測站。沒有實驗設備，就自己動手。還是土法上馬，那時人們的政治熱情都非常高，只要說是黨的號召，人民的需要，馬上就會挽起袖子來動手干。在顧震潮先生的領導下，很快研制出觀測云霧的基本設備──三用滴譜儀，它既能觀測云滴微結構（包括云滴的數(shù)密度和云滴隨其半徑大小的分布），又能觀測大氣凝結核和云中含水量。在動力上既可手動，又可電動，解決了當時的觀測云霧的基本設備問題。幾年下來，積累出我國第一批高山云霧微結構資料。顧先生又帶領我們對這些來之不易的寶貴資料，進行了仔細認真的分析，得到了我國高山云霧微結構的基本特征，由科學出版社出了一本專刊，為開展我國云霧研究打下了初步基礎。特別應當提一下的是，我的北大老同學許煥斌所作的貢獻。他畢業(yè)以后被分配到中央氣象局，然后被保送到蘇聯(lián)進修云物理�；貒�后，以中央氣象局的專家身份參加了科學院大氣所建設高山云霧實驗站的工作。當時他還兼做蘇聯(lián)專家蘇拉克維里澤的翻譯，許煥斌教授的思想活躍，具有敏銳的物理洞察力。他對云霧站的貢獻是多方面的。前面提到的三用滴譜儀就是他設計發(fā)明的。此外，他還是我國最早認識到云物理參數(shù)存在不均勻的起伏狀態(tài)，并且會對云的微物理過程有重要作用的人。在衡山高山云霧站工作期間，他有意識地進行了一系列的云中含水量的連續(xù)觀測，測出了第一批云中含水量起伏的數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)顯示在層積云的底部，在幾米到十幾米的尺度上，云中含水量確實存在著起伏狀態(tài)，起伏強度為10％到30％。這是非常寶貴的重要資料，然而當時人們并沒有認識到許煥斌的這個工作的重要性而被停了下來，直到后來早期的云滴隨機增長理論和我的“對流暖云大云滴隨機生長的馬爾柯夫過程理論”出來以后，才認識到許的工作重要性。不過這時他已回到中央氣象局，他所取得的數(shù)據(jù)就由顧先生交給我整理出來，在1964年仍然以他的名義發(fā)表在《氣象學報》上，1965年又發(fā)表在《中國科學》（英文版）上，應該承認這是那幾年在南岳高山云霧試驗站上所取得的最重要的成果。除此以外，顧先生自己也從我國自己的云滴譜，雨滴譜觀測資料中，提煉出一個重要的科學問題，即與國際公認的單峰的云滴譜不同，它存在著第二極大，反映出一個尚未被人認識到的重要的微物理過程。雖然這問題的物理機制到現(xiàn)在還沒有弄清楚，但這并不奇怪。一個重要的物理現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后，常常需要幾代人的努力才能搞清楚，例如我們1972年發(fā)現(xiàn)的湍流不連續(xù)性，到現(xiàn)在就還沒有搞清楚它的物理機制，雖然這三十幾年來，國際上有不少科學家對它絞盡了腦汁。因此應該說，顧先生從南岳高山云霧站資料中提出的滴譜存在第二極大問題，仍然是云的微物理中的重要進展。

　　衡山云霧實驗站搞了幾年，最后終于停了下來，條件實在太差了。高山上空氣潮濕，洗出來的衣服幾天都干不了，過冬尤其艱苦，濕冷難忍，一位在山上堅持了兩個冬天的同志終于得了嚴重的關節(jié)炎。另一方面，高山云霧站也有局限性，所測得的都是云底部的情況，測不到更重要的云內部情況，包括云內部的上升氣流和湍流以及溫度、壓力、水汽、含水量時空四維的結構，以及相應的云滴、大云滴、雨滴時空四維結構。所以后來也就撤銷了。

　　抓住云的微物理的中心問題

　　顧先生帶領我們搞云物理最大的功績，就是引領我們抓住了云的微物理的中心問題──暖云中雨滴的形成問題。并進而抓住了當時國際上的焦點和熱點，對流暖云中大云滴的形成問題。云物理中要研究的問題很多，從大的方面來講，就分兩大類，動力學和微物理。動力學又分積云動力學、層狀云動力學，中尺度氣象等。微物理方面則又包括氣溶膠凝結核的核化，云滴，大云滴，雨滴，冰晶，雪晶，冰雹，起電，電結構，閃電，大雨滴的形狀和破碎等許多問題。在這眾多的問題當中，就微物理方面講，中心問題就是雨滴形成問題，而當時國際上的焦點就是對流暖云中大云滴的形成問題。一個雨滴，從凝結核核化開始凝結增長成對流云的云滴，半徑增大了兩個量級（從0.1微米長到10微米），體積增加了100萬倍。再從云滴開始長成一個雨滴，半徑又增加了兩個量級（從10微米長到1000微米），體積又增加了100萬倍。這過程主要由云滴碰并完成，則可知道要有100萬個云滴才能合并成一個雨滴，過程的艱巨性可以想見。如何解釋自然界降水過程中，是什么因素推動著降水云中不斷地從大量云滴里在足夠短的時間產生足夠量的雨滴，就成為云的微物理中一個中心問題。這一問題的難點是在如何穿越20－30微米半徑區(qū)間，這一半徑區(qū)間對凝結增長過程而言太大了，因之，靠凝結穿過這一區(qū)間要幾個小時，對重力碰并增長過程而言又太小了，靠它來穿越這一區(qū)間需要十幾個小時。這都無法解釋自然界降水為什么可以在更短的時間內形成，特別是陣雨從云的形成到產生降水最快半小時即可。于是就吸引了眾多的云物理學家進行了大量的探索工作，以求解開這個謎。1935年貝吉龍（Bergeron）提出了一個冷云降水學說。他的學說假定當云層伸展到相當高的高度時，在那里會出現(xiàn)大量的過冷水滴，在這種過冷云中，一旦出現(xiàn)少量的冰晶，則因為在冰水共存條件下，在冰面會出現(xiàn)非常驚人的高強度的水汽過飽和，當溫度為攝氏－10度時，冰晶表面的過飽和度會達到10％，當溫度進一步降到攝氏－20度時，冰晶表面水汽過飽和度會進一步加大到20％。而通常暖云條件下，人們公認的云滴表面的水汽過飽和度只有0.05％，比貝吉龍的冷云條件下的小200倍到400倍。因此，在貝吉龍的冷云條件下，過冷云滴向冰晶上轉移凝華，使冰晶長大的速率，要比通常暖云凝結增長速度快好幾百倍，完全可以解釋陣雨的形成。1939年芬代森（Findeisen）發(fā)表了在德國的降水云觀測資料，芬代森從數(shù)以千計的降水云的觀測證明，其云頂溫度都降到攝氏－20度以下，使貝吉龍的假說得到了證實。此后，人們就稱為貝吉龍-芬代森冷云降水學說，(點擊此處閱讀下一頁)

　　這個學說得到了國際云物理界的承認。然而進一步的研究表明，歐洲的緯度太高。在歐洲以外的中緯度和低緯度地區(qū)，降水云層常常整個云體溫度均高于攝氏0度，在這里，貝吉龍的冷云降水過程失效。而在我國開展人工降水、云物理的觀測也表明，即使積雨云，云頂在冰晶化以前，當它還處于全暖的濃積云階段就已出現(xiàn)了20─30微米的大云滴。對此，貝吉龍的冷云降水過程也無法解釋。因此暖云降水問題就成為那時云物理國際舞臺上大家所矚目的一個熱點，是當時的一個國際前沿課題。雖然在當時我國云物理還是一片空白，不僅我們這些年輕人沒有在大學里學過云物理，就是顧先生等老一輩氣象學家也沒有學過。顧先生本人一直都在從事天氣動力學的研究。他和葉篤正先生合作，對于“西藏高原對東亞大氣環(huán)流及中國天氣的影響的研究”，達到了很高的水平，因此而獲得1956年度國家自然科學獎。它是我國大氣科學界所獲得的第一個國家大獎，也是“文革”前大氣科學界所獲得唯一的一項大獎。盡管如此，一旦國家需要顧先生還是毅然決然地放棄了他所熟悉的領域，帶領我們這幫當時還毫無經驗的年輕人勇敢地挑起了開創(chuàng)我國云物理事業(yè)的重擔。他找來了當時英國著名的云物理學家梅森（B.J.Mason）1957年英文原著《云物理學（The Physics of Clouds）》（梅森的書，在1971年出了修訂的第二版，1979年大氣物理所的同行們把第二版的《云物理學》譯成中文由科學出版社出版）組織我們學習。除此之外，他還找來大量當時國際上研究暖云中大云滴形成的文獻，把它們分給我們這幫年青人，分頭學習，然后各自向大家報告。輪到我報告時，我把所分到的文獻的大致內容介紹過后，把它們評論了一番，這個也不對，那個也有問題，在我的評論下，它們一無是處。顧先生聽了后挺高興，認為我這個報告很好。接著又問我，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。這是我的短處，我長于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有學說和現(xiàn)有理論中的問題，具有王國維先生所說的搞研究所需要的居第一位的“西風凋碧樹”的精神，但缺乏找到新的辦法來解決問題的創(chuàng)新經驗，這是我的短處。

　　終于有一天顧先生非常高興地對我們說，我們在蘇聯(lián)學習云物理的一位研究生已經找到解決問題的辦法，他現(xiàn)在已學成回國。他把隨機過程論引入云物理中暖云云滴增長研究，結果發(fā)現(xiàn)此過程不僅可以很容易地解釋暖云大云滴的形成，而且可以容易地解釋暖云降水中雨滴的形成過程。這就是早期的云滴隨機增長理論。馬上它得到了國內有關方面很高的評價。被認為是解決了暖云降水難題的重大進展。同時還要我們認真學習他的理論，于是我們這幫在學校中從沒有學過云物理也沒有學過隨機過程論的人，就掀起了一個學習這個新理論，學習隨機過程論的熱潮。然而經過一段認真的學習后，我驚異地發(fā)現(xiàn)原來這個云滴隨機增長的新理論，在對隨機過程的相關系數(shù)處理上，存在概念性的錯誤，糾正了那個錯誤以后，也就糾正了他那個夸大湍流起伏場作用的錯誤結果。我證明出，對流暖云中的湍流起伏場，不可能直接在形成雨滴中有作用，但它卻可以直接形成大云滴，從而建立起我自己的“對流暖云大云滴形成的馬爾可夫過程理論”。由于這一理論解決了當時云物理中的中心難題，從而引起了國際同行的濃厚興趣。三十多年來以英國云物理學家為主的一些科學家，先后用數(shù)值試驗，垂直風洞實驗以及野外對流云的實地觀測，對我們的理論進行了反反復復的檢驗，最后它終于得到了國際同行的認可，贏得了劍橋科學家們的喝彩，并兩次載入國際云物理發(fā)展史冊，稱我們（也包括一些前蘇聯(lián)的云物理學家）為一個學派，這個學派在國際云物理學界開辟了一個新的研究方向，其影響一直及于現(xiàn)在，而這卻是當年我在大氣所開始研究云物理時所未曾料及的。

　　為什么當時我能從對云物理的無知狀態(tài)，一步就跨入國際云物理的最前沿，作出成果，并在國際上產生這樣大的影響呢？現(xiàn)在回想起來第一要歸功于 《十四條》，沒有周總理和聶副總理的這一及時的英明決策，我們恐怕還一直會在那里忙于上山下鄉(xiāng)搞生產任務，而不知道科學院的首要任務是出科研成果，是要搞研究在學科上有所創(chuàng)新。第二就是要歸功于顧先生。我很幸運在我進行我人生中第一次科學研究時就遇到了顧先生這位好老師。是他為我抓住了當時國際云物理最前沿的課題。在科學研究中選題是首要的有決定意義的大事，題目選得好不好決定了你將來取得成就的大小。那時沒有自由選題一說，我們所受的教育是：“專家的意見就是黨的決定，大家要堅決執(zhí)行”。幸而我所遇到的專家是顧先生，他為我選定的課題，正是當時國際云物理界所關注的焦點。成果出來后自然會引起國際同行的注意研究和討論，也就不足為怪了。因此在這里我要特別感謝顧先生對我的英明引導。沒有他為我選定這樣好的一個題目，我人生中的第一個理論創(chuàng)新，就不可能在國際上產生這樣大的影響。顧先生如果地下有知，在得知在他的引導下，在當時還是閉關鎖國的條件下所取得的這一成果，居然還會在國際上起了這樣大的影響，其影響甚至能延續(xù)幾十年時，也必定會十分欣慰了。

　　我國第一顆原子彈的爆炸

　　1964年我國第一顆原子彈爆炸了， 這是件振奮人心的大事，其情景就猶如不久前我國發(fā)射載人宇宙飛船一樣令人鼓舞，中國人開始揚眉吐氣。大氣所也有反應，馬上組建了大氣擴散課題組。仍然由顧震潮先生領導，現(xiàn)在他的任務更重了，除了負責這個新組建的課題組以外，還領導著原來的云物理和人工降水課題組。按照《十四條》的精神辦事，“任務帶學科”，我國的大氣物理事業(yè)就這樣通過一個一個的國民經濟建設任務，國防建設任務，從無到有從小到大逐步逐步地建立起來。在這個過程中顧震潮先生功勞最大，可以說是我國大氣物理事業(yè)的一位創(chuàng)始人。他不幸在文革中受到沖擊，并于1975年病逝，是我國大氣物理事業(yè)的一大損失。

　　顧震潮先生在開拓我國的湍流大氣擴散事業(yè)時，也和他開拓我國云物理事業(yè)一樣，首先組織我們學習英國著名的大氣擴散專家帕斯奎爾（Pasquill）剛出版不久的著作《大氣擴散》一書。

那時雖處在閉關鎖國時期，但也不是絕對與世界隔絕，西方的科技圖書、刊物還是很快就能傳入到國內。由于空氣污染擴散問題隨著現(xiàn)代化經濟建設的發(fā)展，隨著現(xiàn)代化軍事技術的發(fā)展而日益嚴重，所以湍流大氣擴散問題，也隨之而成為一個國際上非常活躍的課題。帕斯奎爾1962年出書以后的十二年，即在1974年他又修訂過出了第二版，九年以后，1983年又擴充修訂出了第三版，可見這個課題在國際上發(fā)展之迅速。因為第三版補充了以前兩版所沒有的中尺度和大尺度的擴散問題，所以作者也增加了一位，叫史密斯（Smith）�！洞髿鈹U散》第三版則是由他們合著成書。1989年大氣所曲紹厚等人把第三版翻譯成中文，由科學出版社出版。60年代大氣所組建大氣擴散組時，我還在云物理課題組，但顧先生在組織新成立的大氣擴散組學帕斯奎爾書的時候，叫我也參加了。學了一陣子以后，顧先生叫我干脆全部調離云物理組而參加到大氣擴散組中來，成為那個組中的正式成員。所以可以說我參加了顧先生組織的學習帕斯奎爾書的全過程，還要補充一句，那個時代還是“服從分配”的時代，沒有“自由選題”一說。領導經常教育我們：“專家的意見， 就是黨的決定�！彼�以盡管我剛剛在云物理上做出了有意義的成果，可以就此深入下去，向縱深發(fā)展，但我還是服從了顧先生的調動。那時候人們的政治熱情很高，能夠為我國原子彈氫彈研制事業(yè)做一些事情，是一件令人高興的事。因此，我毅然決然，而且十分愉快地接受了這次調動。

　　帕斯奎爾書的頭幾章講的是湍流的ABC，因為原子彈爆炸以后產生的放射性煙團，以及工廠煙筒里冒出來的煙羽，它們的寬度都隨時間而不斷加寬，影響范圍不斷加大。其原因主要是由于有湍流的存在，所謂大氣擴散實質上就是湍流擴散，特別是近距離擴散問題。所以在帕斯奎爾的書中頭幾章必然要講湍流的基本理論，這是我第三次接觸湍流。第一次是在1960年我們原氣候大組中的祁連山高山冰川融冰化雪組按照《十四條》精神改建成為近地面物理組，那時在朱崗崐先生的領導下，我們學了前蘇聯(lián)學者萊赫特曼的近地面物理，由于湍流是近地面大氣活動的支配因子，所以那是我第一次接觸到湍流，從中認識到普朗托（Prandtl 1925），馮卡爾曼（1930），普朗托(1933)的半經驗混合長湍流理論。及由此而導出的水平平均風速隨距地面的高度成對數(shù)分布的規(guī)律。當然這是中性條件無熱力因子時才成立。當近地面大氣中有熱力因子存在時，還要加以訂正。后來，由于大氣所進一步收縮戰(zhàn)線，近地面物理組被撤銷。我就調到云物理組，這方面的學習就沒有能繼續(xù)進行下去。第二次是我在云物理組中研究對流暖云的云中湍流對大云滴隨機生長過程的作用時，自學了有關湍流的基本知識。這使我第一次學習了前蘇聯(lián)著名概率論學派代表人物，柯爾莫果洛夫的局地各向同性的湍流統(tǒng)計理論，并成功地用它來否定了湍流加速起伏場在大云滴，乃至雨滴生長中會有重要作用的錯誤理論。我對柯爾莫果洛夫湍流理論的認識由此開始。現(xiàn)在在大氣擴散組隨顧震潮先生學帕斯奎爾的書，又使我第三次到接觸到湍流，亦即第二次接觸到柯爾莫果洛夫的湍流理論。從這次學習中我又知道湍流擴散有兩種理論，一種是前面講的普朗托的混合長理論，這個理論可以確定湍流輸送時的擴散系數(shù)，又叫輸送理論。普朗托是馮卡爾曼老師。第二種理論是統(tǒng)計理論，這個理論是巴切勒（G.K.Batchelor）的老師G.I.泰勒(G.I.Talor)在1921年建立的。比普朗托半經驗混合長理論的建立還要早四年，但是由于統(tǒng)計理論在應用上的困難，直到1934年英國著名學者薩頓成功地把G.I. 泰勒擴散的統(tǒng)計理論應用到近地面、短距離的擴散問題中來時，泰勒的理論才確立了它在大氣擴散中的地位。到了1957年和1959年帕斯奎爾和他的合作者哈伊（Hay）根據(jù)他們的實驗觀測又提出了一個更方便的假說，通過這個假說人們可以把在地面固定地點上觀測到的湍流能譜分布，換算成擴散煙團中某個隨煙團一起運動的代表性粒子的湍流能譜。這樣，他們就可以簡單地把地面固定地點的湍譜觀測代入到G.I.泰勒 的擴散公式中去，從而可以得到煙團寬度隨時間的演變規(guī)律了。哈伊和帕斯奎爾的這個工作已得到實驗觀測證實。于是就確立了帕斯奎爾在大氣擴散領域中的地位。同時也就更加牢固地確立了G.I. 泰勒湍流擴散統(tǒng)計理論的優(yōu)勢地位。

　　從顧先生領導的這次學習中，我還知道了大氣湍流擴散本身也可分為兩類，即絕對擴散和相對擴散。當原子彈爆炸后 所產生的放射性煙團隨時間其寬度會不斷加大，這是相對擴散，從工廠煙筒里冒出的煙羽其寬度也會不斷加寬，這也叫相對擴散。這種擴散是由尺度小于煙團，或者尺度小于煙羽寬度的小尺度湍渦引起。但是大氣湍流是一個廣譜，除去比煙團或煙羽寬度小的湍渦以外，在湍流大氣中還存在著比煙團、煙羽寬度更大尺度的湍渦。這種大尺度的湍渦作用與小尺度湍渦作用不同，它不是使煙團、煙羽寬度變得更寬，而是使煙團、煙羽本身繞著平均風速方向做上下左右的隨機擺動。于是從固定地點的橫截面上長時間觀測到的煙團、煙羽寬度它是煙團、煙羽本身變寬，并加上上下左右擺動的結果。而前面普蘭托半經驗混合長理論和G.I. 泰勒的統(tǒng)計理論預測的都是這種擴散，叫絕對擴散。很明顯，絕對擴散所測出的煙團、煙羽寬度，要比相對擴散所測出的寬度要更寬，因為它還加上了煙團、煙羽的擺動。于是，絕對擴散的理論預測所給出的煙霧濃度要比照相對擴散預測所給出的煙霧濃度要小。這樣按照普朗托的半經驗混合長理論和G.I.泰勒統(tǒng)計理論來預告原子彈爆炸后所產生的放射性煙團的危害范圍就出了問題。因為它們預測的是絕對擴散的稀釋過程，這種稀釋過程當然速度比較快，按這種稀釋過程預測出的臨界危害距離就比較小。但實際上被危害的人們所接受到的是某一瞬時的煙團的濃度，這顯然是煙團本身寬度造成的煙霧濃度大小，而不應把煙團擺動的效應包括進來。因此這是相對擴散所決定的，它的濃度顯然要比絕對擴散理論所預測的濃度要大。這里就會產生一個嚴重問題，由于我們面對的問題，正是原子彈爆炸后所形成的放射性煙團的擴散問題，所以顧先生要我們要特別注意研究煙團的相對擴散問題。顧先生舉了一個例子，因為人類對相對擴散的理論認識是50年代以后的事，所以第二次世界大戰(zhàn)以后，50年代以前的幾年時間中,美國氣象專家為美國在太平洋比基尼島原子彈實驗發(fā)布放射性煙霧的危害警報區(qū)域比實際小?點擊此處閱讀下一頁)

　　結果就出了嚴重事故。有的船只在預報的危害區(qū)域外活動，但實際還在相對擴散危害區(qū)之內，因此受到放射性煙霧的傷害，產生致命的后果，這是一個慘痛的教訓。由此人們開展了對相對擴散的研究，終于在50年代有了突破。做出這個突破性工作的是巴切勒（1950）以及他和他的合作者湯森德（Townsend，1956），沿著他們的老師G.I.泰勒的統(tǒng)計理論的路線前進，把G.I.泰勒的一個粒子的絕對運動的統(tǒng)計理論，換成兩個粒子的相對運動的統(tǒng)計理論。這樣就可把G.I.泰勒的絕對擴散理論，推廣到現(xiàn)在的相對擴散理論。因為一個粒子的絕對運動包含了從大到小所有尺度湍渦的信息。而兩個粒子的相對運動，只能反映出尺度比兩點距離小的小湍渦的信息，所得到的是相對擴散。然后，他們把柯爾莫果洛夫的局地各向同性湍流理論應用到相對擴散問題中來。因為柯爾莫果洛夫理論給出的就是兩點速度差的均方值，正可以用來計算在經歷了相對擴散后煙團寬度的大小。于是，煙團寬度的均方值與時間關系，除去初始時刻有一個按原來老泰勒理論所預測的隨時間平方增長關系，在擴散時間遠大于相關時間后，有一個隨時間成一次方增長關系外，中間緊接初始時段之后，有一個按時間成三次方增長關系。這是由柯爾莫果洛夫理論中的“慣性子區(qū)間”之特點所決定的。這是巴切勒把泰勒理論和柯爾莫果洛夫理論結合起來得到的新結果。這個加速增長的關系已被實驗所證實，由此進一步確立了柯爾莫果洛夫湍流理論在煙團擴散問題中的地位，并確立了巴切勒在煙團擴散中的地位。這也是第二次使我認識到柯爾莫果洛夫湍流理論的重要性，并第一次認識到巴切勒工作的重要性。因為煙團擴散問題正是原子彈爆炸實驗中所迫切需要知道的。

　　北京天堂河農場實驗

　　按照顧先生的意圖，我們研究的重點應該是煙團的相對擴散，這才能對我國原子彈試驗提供服務。于是1966年5－6月我們學習了帕斯奎爾的《大氣擴散》后，就進行了一次北京南郊天堂河農場煙團擴散實驗，其目的是用以檢驗巴切勒（1950）以及他和湯森德（1956）煙團擴散理論。經過短短一年多的努力，這實驗終于得以在北京南郊的天堂河農場實現(xiàn)，主要是靠了陳章昭的努力，他也是我的北大的一位校友。工作很努力尤其長于實驗工作。這次實驗中的兩個關鍵問題，一是煙團發(fā)生裝置，另一個是照相取樣設備，都是在他的努力下解決的。實驗在1966年6月下旬結束，我們回到大氣所，開始分析資料數(shù)據(jù)。在初步分析實驗資料中，我驚異地發(fā)現(xiàn)實際煙團擴散情況，要比巴切勒的煙團擴散理論復雜得多。最特別的是，煙團寬度并不總是隨時間增長變寬。相反，有的時候它還會出現(xiàn)隨時間而使煙團的寬度縮小的反常狀況。這是巴切勒的理論所無法解釋的。問題很重要，因為煙團寬度如果縮小了，它的放射性煙霧濃度就會變得更大，對人體危害就更大，發(fā)布危害區(qū)警報的范圍就應更大。否則按現(xiàn)有理論來發(fā)布預報，同樣會發(fā)生嚴重事故�？磥戆颓欣盏睦碚撨�存在漏洞，他只考慮了比煙團尺度小的湍流作用，以及比煙團尺度大的湍流作用，但還有第三種大小的湍渦，即尺度和煙團寬度大小相當?shù)耐臏u，在適當?shù)臈l件下，這種尺度的湍渦可能就會構成一個輻合流場，使煙團收縮，考慮這種尺度湍流的作用，應該是湍流擴散理論的一個前沿課題。但是可惜，還沒有等我們把全部實驗資料分析完，“文革”就爆發(fā)了。大氣所和全國一樣，馬上陷入一片混亂之中。一切工作都停了下來，一場災難開始了。于是很遺憾，我在顧先生領導下所進行的這一最后的工作，也就成為一件未完成之作。但是在“文革”中，并不是所有工作都停了下來，特別是一些直接為國防服務的工作就還在進行，正是在這時候，大氣所組建了一個新的課題組，即105組。是研究激光大氣傳輸?shù)摹?960年代激光出現(xiàn)后，各國紛紛研究它的軍事應用，我國也不例外，例如激光武器，激光雷達和激光大氣通信等。研制這些裝備，都要求人們對大氣對激光傳輸會產生甚麼影響有透徹了解，105組于是應運而生。那時所有老先生或是受沖擊或是靠邊站，于是這個組就都由年輕人組成。開始他們研究大氣的吸收和散射形成的大氣衰減效應，后來他們發(fā)現(xiàn)大氣湍流對激光傳輸也有影響。就向大氣擴散組求援，我被看中是懂得湍流的人，于是就被調進105組，從此就離開了顧先生。1971年6月，這個組集體搬遷到合肥，到了中國科學院合肥分院安徽光機所。從此我不但永遠地離開了顧先生，也就離開了大氣所，以致1976年顧先生去世時未能參加對他的追悼會，是一憾事。

　　向顧震潮先生學習

　　今天，當我們紀念顧震潮先生逝世三十周年時，我感到重要的事就是要好好向顧先生學習。緬懷先生為開拓我國大氣物理事業(yè)所做出的重要貢獻，我們應該認真學習先生以下三方面的精神。

　　第一要學習他的愛國主義精神。顧先生具有強烈的愛國主義精神，他有一顆熾熱的愛國心。正是在這種強烈的愛國心情鼓舞下，他能做到以身許國。每當國家有事，需要他放棄他原有的已經作出很好成績的專業(yè)，去開拓他不熟悉甚至是沒有學過的新事業(yè)時，他都能做到毅然決然地放棄原專業(yè)，義無反顧地并且是全心全意地投身于開拓新事業(yè)的工作中。而且能夠做到身先士卒，奮不顧身。今天我們的條件比起當年顧先生的要好多了，但是在這樣好的條件下，我們仍然需要這種精神。我們要向顧先生那樣，為祖國的繁榮富強，為中華民族的偉大復興，特別是要為中華民族在科學事業(yè)上的偉大復興奮斗終身。

　　第二要學習他在研究方向上敢于抓大問題的大無畏精神。無論是國計民生上的大問題，或是學科發(fā)展上的大問題，顧先生都敢抓，敢于攻堅。眾所周知問題越大難度越大，要付出更大精力，更長的時間，出論文就慢，甚至有更大的風險，有可能失敗作不出來。但顧先生都能把它們置之度外，迎難而上，在攻堅上具有堅定的意志，而不考慮個人的得失。這種精神在今天尤其可貴。今天的形勢雖好，但存在著出論文的壓力，尤其是要出《SCI》論文的壓力，一些地方一些單位在那里比論文數(shù)量，尤其是比《SCI》的論文數(shù)量，以此來衡量一個單位和一個人的成績大小，其壓力之大可想而知。但中華民族在科學事業(yè)上的偉大復興，決不可能靠論文數(shù)量來實現(xiàn)，只能靠我們在國計民生上解決了多少大問題，只能靠我們在學科發(fā)展上解決多少大問題來實現(xiàn)。因此在當前為中華民族的偉大復興事業(yè)奮斗中，學習顧先生這種敢于抓大問題敢于攻堅的精神是十分必要的。

　　第三要學習顧先生關心，愛護，培養(yǎng)青年人的精神。顧先生在開拓新學科時，不是一個人單干，他總是帶領年輕人一起搞。他往往是先走一步，為我們年輕人查找出為開展新課題研究所必須學好的基本文獻。在學習中他善于引導我們抓住主要問題，他鼓勵我們在學習文獻時，要對現(xiàn)有學說現(xiàn)有理論持懷疑態(tài)度，要敢于批評現(xiàn)有的學說和理論，并且要敢于提出新的見解和新的理論。他特別強調要重視實驗，要學會從實驗觀測中去辨別真?zhèn)�，去提出新的觀點和新的看法。在實踐中他更是言傳身教，以自己的實際行動來告訴大家應該怎么做。這樣，從無到有，在他的教導下，很快成長起來一批年輕人，成為我國年輕的大氣物理事業(yè)各方面的骨干，做出了重要的貢獻。顧先生的這種培養(yǎng)年輕人的精神，在今天尤其應該大力發(fā)揚。中華民族偉大復興的事業(yè)，呼喚著成千成萬優(yōu)秀的青年工作者出現(xiàn)，更呼喚著眾多的為世界公認的大師級人物，在我們偉大祖國的土地上涌現(xiàn)。因此，學習顧先生熱心培養(yǎng)青年人的精神，在今天仍然是一件很有意義的事。

　　（本文選自拙著《創(chuàng)新話舊――談科學研究中的思想方法問題》（氣象出版社，2005年8月出版）中第6章和第7章的有關段落，加以必要的刪改補充而成，作者授權天益發(fā)布）

相關熱詞搜索：逝世 十周年 紀念 領導下 溫景嵩