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                                --作者:胡伯威

第四章 高年级生(一)

1、天气学和动力气象学

十九世纪初欧洲在不少地方建立了气象观测站,这时好奇的人自然想看一看某个时间在一个广大地区(比如欧洲的一大部分)笼罩我们的大气总的状况是什么样子。1826年根据许多气象站同时观测的结果画出了世界上第一张“天气图”(当然是只能观测到近地面大气的情况,对高空只能描绘出肉眼看到的云、电和光现象),后来逐渐发现了大小以千公里计的,随时间发生、发展、移动或消亡着的高气压区、低气压区、“气旋”(逆时针涡旋)、“反气旋”(顺时针涡旋)、冷空气团、暖空气团以及它们之间气温陡变的界面--“锋面”等“天气系统”。从此好奇的气象学家对“看得见”的大气端详了将近一百年,积累了经验,发现了规律,可以用这些知识来预测未来的天气变化。到这个一百年的末期刚好是第一次世界大战以后,产生了关于天气分析和预报的一种学说,在依靠海洋渔业生存的挪威出现了一个“卑尔根学派”,它的创始人是V?皮叶克尼斯。他们根据揭发和积累的事实和规律开始探求天气系统产生和演变的物理原因,建立了在现在看起来过于粗糙但却具有经典意义的“锋面气旋”模型。后来用橡胶皮的氢气球带着无线电探空仪器升天去测量高空的温度、气压、湿度和空气运动速度,对地球大气获得了立体的知识。第二次世界大战以后地面气象观测站和探空观测站已经分布到世界广大地区而且有了一定的密度。至少北半球大气的结构和运动的各种重要现象粗粗地展现出来了,这时作为基础性科学的流体力学、热力学和热辐射学已臻成熟,气象学家已按捺不住理论探究的冲动,要根据物理学原理和数学物理方法对已获知的大气演变现象作出理论解释。瑞典人罗斯贝在芝加哥大学创建了大气长波理论和他自己的学派,成了“动力气象学”的开山鼻祖。

我们那时候物理系负责气象专业的副主任谢义炳教授和我们这一年级入学前在系里讲授动力气象学的叶笃正(我们入学时他刚调到中国科学院大气物理研究所)都是罗斯贝带的研究生。谢先生和仇永炎讲师先后讲授我们班的天气学课程。当时北大气象专业的方向主要是培养研究人才,因此天气学课程深入到理论方面,包含了一些动力气象学的内容,但同时还专门开设动力气象课程,叶笃正离开后由杨大升讲师讲授。

谢先生是一个很有个性的人,他讲课没有讲稿,也不写讲义,有时只把派到我们专业来的苏联专家阿基莫维奇老太太写的讲义由两个刚毕业的助教翻译出来油印了发给我们参考。他很健谈,课堂上滔滔不绝,不拘泥于条理,倒是在其中常发表自己的看法和评论,十足的美国人作派。但有时候漫无边际扯得离题太远。他喜欢踢足球,有好几次讲着、讲着就眉飞色舞扯起了足球经。他还喜欢射击运动,四年级他附带教了我们半年的数理统计学课,讲概率问题的时候打靶的偶然性恰恰是一个很好的例子,但他一扯起来就扯得太远了些,对他自己的射击技巧十分得意。他对自己的老师罗斯贝分外推崇,把这个名字经常挂在口头上,同学们背地里干脆叫他“谢斯贝”。那个时代的地面和高空气象观测站毕竟还很稀疏,根据这些观测纪录描述天气系统结构还远不完善,所以要靠预报员和气象学家根据自己的知识和经验来推敲分析,难免包含着主观成分。需要活跃的,富有想象力的思维,这可能正是他的特长,在这方面他还有所创造,例如用包含湿度因子的“假相当位势温度”代替位势温度,很漂亮地解决了夏季副热带系统不好分析的问题,成功描绘出“梅雨锋”的物理图像。

但也许有时他的想象力发挥得过头了一些,再加上他在联合天气预报中心进行天气预报会商的时候常常喜欢和他那一辈的同事们争论抬杠。所以有人就揶揄他说:“谢义炳有本事凭两个站的观测纪录画出一张天气图,还可以把这样画的理由说得头头是道”。听说在1954年一次学术会议上他发表的学术观点受到大多数人的反驳和“围攻”,他仍抖擞精神舌战群儒。那时我们还没有学天气学,对此事具体内容未知其详。

他的美国作派也常常不经意地表现在举止动作上的不拘小节,例如和人说话时可以随便往桌子上一坐。但是另一方面至少从我们见到他的第一天起,他的穿着是彻底的解放区革命化的,蓝布“人民装”单衣或蓝布列宁装棉衣,盖脚背的“解放式”黑布鞋。他们这一代回国的留学生大多有这样一个特点,有意识地尽量抹去身上的“洋气”,但西方文化以至生活习惯上的影响这条“尾巴”常在不经意中露了出来。

教我们动力气象课的讲师杨大升那时才三十岁左右,小个子四川人。他比较适合于讲授这门建筑在数理基础上的理论性课程,话语严谨,条理清晰,但感觉有些拘谨刻板,这也许和他内向而低调的性格有关。五十年代的动力气象学还处在起步阶段,内容支离而单薄,还称不上有一个像样的体系。把流体力学用在大气上面有一个关键的特点,那就是地球本身是在不停转动的,在地球上观察到的大气运动是一种相对运动,而且是对于加速运动着的参考系的相对运动,因为转动着的地球上每一点都在作曲线运动,曲线运动在任何情况下都是加速运动。动力气象学(或者更广一些说“地球流体力学”)在普遍性的流体力学基础上别开生面的起点就在这里,气象学家当然一开始就会想到这一点,但我想那时怎么也意想不到这一点有多么重要,它会产生出一整套意义重大而引人入胜的学问来。

动力气象学和天气学(当然还有气候学)是分不开的,因为它除了要解释天气学发现的种种事实,还一开始就意识到本身负有把天气预报放到严格的科学基础上来的任务。要跨出初期的艰难的一步,需要有在繁复得令人眼花缭乱的实际现象中抽出简单的最重要的东西的能力。谢先生常说自己最推崇罗斯贝的理由就在于他有这个天赋。根据观察和判断找出现象中最重要的方面,把次要的现象权且一概撇开,对大气假设一个简单的理想模型,就可以用严谨的数理方法推导出某种结果。罗斯贝的著名的长波理论就是这样导出的一个极简单的公式,它相当符合实际观测到的规律,可以用它对大范围天气系统演变的重要方面做出大体的定性推测。英国气象学家设特克里夫的天气系统发展理论也具有类似的特色,在天气动力学历史上也颇有经典意义。

苏联在许多领域常常有自己的一套,特别是在一个处在粗糙不成熟阶段的学科领域,可以各有千秋。早年在中、长期天气预报方面美国用罗斯贝的长波理论;英国有瓦克的大型浪动理论;德国有鲍尔的统计学方法;苏联则有帕加瓦着眼欧洲“变形场”建立一种周期趋势变换的中期预报方法。各走各的路,可以说基本上各不相干。在动力气象方面虽然同样以流体力学(以及热力学)为基础,但是就因为还不得不作一些带有主观创意的简化处理,也可以走出不同的路子来。德国人弗里德曼加盟俄罗斯科学院给俄-苏的流体力学打下了很坚实的基础。二次大战前后他们以季别尔、布里诺娃为代表建立了自己的动力气象学派,提出了“平流动力理论”。那时提倡一切向苏联老大哥学习,动力气象也必须重点讲授这个学说,我现在都忘记了,留下的唯一印象是它比较繁琐。

一位苏联专家,白发苍苍的老太太阿基莫维奇教授被派到了北大气象专业。我第一次看见她是在俄文楼前的小路上,老太太体态壮实,鹤发童颜,从她的面色到帽子、上衣、裙子,从上到下一律鲜红,就像一根特大的胡罗卜。在这之前系里已经派了两个高年级同学去苏联学习了一段时间,回来就专门跟她学习,而且主要是当她的翻译。其中一位就是我们刚进校的时候作为“迎新”工作来第二体育馆找我们谈心的王绍武,那时他还是他们那一斑的团支部书记;还有一位是和王同班的女生张玉玲,在校时我们没有接触过,直到1990年秋才一度有机会和她一同访问美国大气科学研究中心(NCAR)。我见过阿基莫维奇写的讲义,觉得她有比较强的理论思维能力。她没有和我们直接打过交道,但有幸听过她一次演讲,那次从她身上我充分感觉到了俄罗斯人的热情爽朗。一年级有一位身材娇小长着很好玩的孩子脸的女生,这时坐在教室第一排。老太太刚走上讲台眼睛就盯上这个女孩了,还没有开始讲话就忍不住面带慈祥的笑容一次次不断地把视线投过去,这种毫不掩饰的率真情绪被大家注意到了,终于下面发出了笑声。这时老太太干脆走下讲台拥抱那女孩,吻她的脸。全场热烈鼓掌。不知道老太太是不是布尔什维克,不过亲眼见此情景决不会认为这仅是一种“中苏友好”的政治表演。

后来我得知大概由于学术观点的歧异,谢先生对老太太一直抱着恭敬而疏远的态度。到短暂的“百家争鸣”时期,谢先生终于忍不住对“平流动力理论”和苏联受政治体制影响的屈从“权威”的学风直抒不满。

自从有了初步的探空站网以后,会动脑筋的科学家很自然地就想到:根据严格的热力学公式和流体动力学方程式,我们为什么不能从现在(观测时刻)的整个大气状况出发,计算出它下一分钟是什么样子,有了下一分钟的结果又可以计算再下一分钟,如此计算到一天、两天……,我们不是可以做出完全科学的天气预报了吗?这个想法原则上一点也不错,但稍为清醒一点的人马上就可以想到这件事该有多复杂。大气不是像机器或建筑物那样是由我们人设计制造出来的那样规则、整齐,用很有限的数据就可以描绘出来了。你要精确表述某一个时间整个大气的状况,严格说来需要无穷多个数据。而实际上隔那么大的距离才有一个观测站,能得到多少数据?我们掌握的“状况”本来就是粗糙的,计算也只好粗糙了。于是我们把大气划分成许许多多立方格子,用所有测站得到的数据来“差不离”地确定这些格子点上的数据,在每一个格子上都用那几个方程来作几次计算。数学上这叫做用粗糙近似的“差分”计算来代替严格的微分方程的解。那么就算只有一万个格子吧,做一分钟的预报要作多少计算?一天(24小时)有3600分钟,做一天的预报就要把上述大量的计算做3600次。哪怕再粗糙一些,每次计算的间隔时间再长一些,在那个时候(20世纪20年代)其工作量也是难以承受的繁浩。

科学上总有人情愿“第一个下地狱”,那时一位叫理查逊的下定决心动员组织了大批人员,用当时的手动计算器,马不停蹄算了许多个月,终于做出了一天的预报。上帝并没有对他的勇敢行为表示嘉奖和怜悯,他的“预报结果”令人啼笑皆非,错得荒唐至极。用一个简单通俗的道理来说,计算既然是粗糙的,那么每算一步都要错那么一点,在错的基础上继续算下去,每次错上加错,闭着眼睛往前走远了,结果终于发现“差之毫厘失之千里”。

后来气象学家逐渐发现在理查逊的失败中包含着许多重要的科学问题。首先,在不久以后就发现,在旋转地球的大气中的运动变化有一种自身不断适应调整而使得变化大体上保持相对平稳的机制,就是所谓“地转适应调整”。既然我们获得的观测资料和计算步骤都只能是粗糙的,还不如把我们用的方程式也精简一下,使得这组方程只反映那些决定“变化主流”的因素,于是就把那些无关大体的短时间扰动“滤除”了。大气中本来存在着滤除这些“噪音”的物理机制,而如果在我们的计算中却保留了噪音,由于计算又是粗糙的,这些本来是很快产生又很快消灭的“噪音”就会在计算中被夸大了,结果一发不可收拾。正当我们在北大学气象那个时候,美国气象科学家中有两颗新星升起,他们是恰尼和伊利阿森。他们比较透彻地研究了这个问题,并且针对性地制定了对大气运动方程组删繁就简的方案,显示了出色的智慧。对严密、精确的流体力学方程组进行一种人为的修改(简化)就等于为大气运动变化的行为机制塑造了一个“模型”。模型总是可以基本上表现实体,但又不完全与实体一模一样。就像作一幅画,杰出的画家没有必要把对象的所有细节描绘得丝毫不漏,他们往往是用简略的笔触把对象的主要特征和神采描绘得栩栩如生。加上了人为干预的这种大气动力学方程组就叫做“大气动力学模式”。如果再加上人为制定的一种近似的计算方法,把它用来做未来状况的预报,就叫做“数值预报模式”。正因为加入了人为设计的因素,所以可以有不只一种“模式”,每一种模式都是有个性的。

以恰尼等为代表建立的那一类第一次使数值预报变得可行和有效的模式就叫做“准地转模式”。幸运的是那时候电子计算机开始发明和发展起来了,数值预报的“可行”和“有效”既是因为使用了简化的“聪明”的模式,同时也恰逢计算手段的革命性进步。当人们看到把一堆数据就这样放到机器里去计算,终于可以把大气里演变的故事一幕一幕地算出来了;和实际情况一对照居然“很有点儿像”,谁能够说这不是了不起的振奋人心的成就?

尽管这件事很了不起,但是离开实际需要的天气预报的准确性和及时性还是太远了。那时我就认为,数值天气预报要真正派上实际用途,还不知道要等到哪个猴年马月。然而由于气象理论的发展、观测技术的发展速度都比原先的预料的快,特别是计算机的发展更是使人类身历神话,发现自己可以做得出过去不敢企望的事情。“准地转模式”毕竟因为过于简单化而太不精确,逐渐成了珍贵的历史文物。现在已经有条件做到采用尽可能完全和严格的动力学方程组;并把各种实际存在而过去不得不忽略的物理因素考虑进去;使用高精度的数据处理和计算方法。在观测资料和计算精确度提高的情况下可以在很大程度上减小由于摒弃“准地转模式”而带来的“噪音”失控的问题,但更进一步解决这个问题还要采取一套科学的处理方法。所有这些革命性的改进都依靠经历半个世纪发展起来的已然蔚为大观的一整套物理的、动力学的和数学的精深理论。现在全世界的天气预报已经胜利走进了数值预报的时代,并由此取得巨大的进步,这是后话。

2、课程学习中对“平衡”的一个顿悟

从热力学、统计的分子动力学以及天气动力学(特别是其中关于地转适应平衡部分)这些课程的学习中的启示并联想到其它自然现象,我反复注意到一个看来平常,思想起来却很耐玩味的现实:原来我们所感知的世间各种事物往往都处在一种相对平衡,因而相对稳定的状况中。假如单纯按照人类已揭示的那些最基本和普适的物理法则(例如力学方面的牛顿三定律、关于电磁场的基本定律等)去设想和推断,那么世界的一切运动和变化应该会比实际上看到的剧速千百倍。于是我们可能根本无法从容观察、感觉、认知和定义某种特定事物、某种状态。因为场景的更替将目不暇接;发生的一切都将稍瞬即逝,不耐存留。小者不会存在稳定的原子和分子;大者不会存在稳定的银河系、太阳系,也没有地球;地球大气中没有前面说的可以让我们从容观察的天气系统。更不堪接受的结果是,也不可能存在稳定的生物及其各品种(这些东西一旦出现也会马上崩解),当然也不存在渐变地发展了几百万年的我们人类自己。

那么为什么我们最经常见到的却是和谐稳定的事物呢?上述课程给了一个共同的启发(也可以说“回答”):“是平衡”。现实情况往往是,在一定的空间范围内,影响运动变化的若干(甚至于众多的)因素基本相抗衡。于是在绝大多数情况下,现实事物的运动和变化总是悠缓而平稳,只在少数情况下发生急剧的“突变”。

开始时我感到耐人寻味的是:如果从“无条件概率”的观点看,在无数种可以设想的情况中,那种恰好让众多因素相互协调平衡的情况毕竟因为“难得凑巧”,应该只是机会(几率)很小很小的特例。那么为什么在现实中平衡反而是普遍的,时时处处可见的呢?思之良久顿然有悟:所有一切不平衡的情况都必定稍瞬即逝,像快镜那样一幕一幕在剧速变换着。而当偶尔出现一个平衡状态时,它就相对稳定而持续地“生存”下来。既然这些本属难能而应该稀少的情况恰恰却能存在很长的时间,所以我们能遇见它们的机会就很多了。我们已经掌握的知识和法则比较适合用于预测在局部的孤立条件下运动的事物,面对很复杂的大系统,在科学上广义地称为“动力学”的那种“决定论”的逻辑方法不够用。

我记得这个想法突然进入我脑子是在三年级的时候,有一天我去校医室来回的路上。这个“顿悟”使我兴奋了一些时,我觉得其中颇有点哲学意味。它和我在当时《辩证唯物主义》课程中听到的一些概念和范畴似乎有关,例如运动和静止、变和不变、渐变和突变等。但在那里,教员所讲的都使人感到模糊、空洞、武断,听了不知其所以然。令人不舒服的是很容易看出所有结论都有太强的主观意向,也就是有其明显的政治倾向,即所谓哲学的“党性”。无非是要说明暴力革命和粉碎旧世界是正理。

许多年以后,在我逐渐深入到气象学问题中去的时候,也许就是早年的这些想法使我很容易在研究问题时进入系统论、协同学、吸引子(或“目的点”)、耗散结构等思维方法(我在学校的那个时候这些理论还没有出现)。但仅仅是一个思维方法,数学上还只能处理极其简单的模型,离应用理论太远。我的工作单位和岗位不是做纯理论的象牙塔,所以我不可能把它专门作为一个研究方向,只是常常在思维中贯穿着这种概念。

但是我长时期都没有想到把它用在自然生态、社会生态和政治问题的思考上,面对各种问题我还是习惯于“动力学”的思想方法,所以前前后后不是陷入这种理想主义就是陷入那种理想主义。到了“知天命”之年以后才又逐渐扩展了对“平衡”思维重要性无所不及的认识。懂得如果不顾及大系统的平衡,纯粹以主观愿望去大幅度“改造大自然”;纯粹以主观的理念和道义标准去大幅度“改造人类社会”,过去行不通,今后也行不通。

(待续)

 

版权归广西师范大学出版社所有,欲转载请与广西师范大学出版社联系。

目录
第一部:火红的青春目录及第一章(一)
第一章 青春萌发时“换新天”(二)
第一章 青春萌发时“换新天”(三)
第一章 青春萌发时“换新天”(四)
第一章 青春萌发时“换新天”(五)
第二章 上海中学(一)
第二章 上海中学(二)
第二章 上海中学(三)
第二章 上海中学(四)
第二章 上海中学(五)
第三章 终生难忘慷慨激昂的一个月(一)
第三章 终生难忘慷慨激昂的一个月(二)
第三章 终生难忘慷慨激昂的一个月(三)
第四章 工作和学习(一)
第四章 工作和学习(二)
第四章 工作和学习(三)
第四章 工作和学习(四)
第五章 曙光绚丽(一)
第五章 曙光绚丽(二)
第六章 上中最后一学期(一)
第六章 上中最后一学期(二)
第二部:风云北大岁月目录及第一章(一)
第一章 “院系调整”后的新北大(二)
第一章 “院系调整”后的新北大(三)
第一章 “院系调整”后的新北大(四)
第二章 北大学习生活(一)
第二章 北大学习生活(二)
第二章 北大学习生活(三)
第三章 困惑-惊愕-消沉(一)
第三章 困惑-惊愕-消沉(二)
第三章 困惑-惊愕-消沉(三)
第三章 困惑-惊愕-消沉(四)
第四章 高年级生(一)
第四章 高年级生(二)
第五章 国际共运风波(一)
第五章 国际共运风波(二)
第六章 我想促使“我们党”改正错误(一)
第六章 我想促使“我们党”改正错误(二)
第七章 毕业学年走了心(一)
第七章 毕业学年走了心(二)
第八章 1957年早春
第九章 北大“五.一九”社会主义民主运动(一)
第九章 北大“五.一九”社会主义民主运动(二)
第九章 北大“五.一九”社会主义民主运动(三)
第十章 反右(一)
第十章 反右(二)
第十一章 我从“右派份子的辩护士”一步步升级为“极右分子”(一)
第十一章 我从“右派份子的辩护士”一步步升级为“极右分子”(二)
第十一章 我从“右派份子的辩护士”一步步升级为“极右分子”(三) 后话
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