《創(chuàng)新話舊》第9章

　　第九章 創(chuàng)新點(8) ── 一門新學(xué)科分支的建立

　　9．1 物理學(xué)中的尺度

　　物理學(xué)所研究的尺度跨越了42個數(shù)量級，最小到10－15米，（即飛米）這是核子（包括質(zhì)子和中子）的大小。按照趙凱華、羅蔚茵兩教授的著作《新概念物理教程》的《力學(xué)》卷中的說法，再往下的一個層次是夸克，每個核子由三個夸克組成， 但夸克間的相互作用有禁閉性質(zhì)。人們永遠(yuǎn)不可能分離出自由的夸克來，以致討論一個夸克有多大，就成為沒有意義的問題。核子再往上是原子，它是由核子和核外電子所組成，尺度比核子大五個量級到了10－10米（即到0.1納米）�？臻g尺度最大則是宇宙，已知宇宙的大小是1026－27米。這樣，從最小尺度到最大尺度，中間共跨越了42個數(shù)量級，叫做“宇宙的42個臺階”。

　　物理學(xué)中的規(guī)律有一個很重要的特征，就是變化規(guī)律和物體的空間尺度有關(guān)，會因尺度大小不同而改變。例如， 我們可把大小在人體尺度（數(shù)量級為1米）上下幾個數(shù)量級范圍的客體，叫做宏觀體系，而把原子尺度的客體叫做微觀體系。

兩者所服從的物理規(guī)律有根本不同。在宏觀體系中， 服從的是宏觀的、經(jīng)典物理的規(guī)律，如牛頓力學(xué)。而在微觀體系中，則 牛頓力學(xué)等規(guī)律不再適用，那里的問題需要用量子力學(xué)來處理，即它們服從于現(xiàn)代物理的規(guī)律。近年來由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已能制造出線長度為微米，寬度為幾十納米的粒子，這種尺度的粒子中所包含的原子數(shù)目其數(shù)量級為108－1011。所以它仍屬宏觀粒子，然而這種宏觀粒子在低溫條件下的實驗結(jié)果，卻表現(xiàn)出了微觀粒子才有的量子效應(yīng)，這種呈現(xiàn)出微觀物理效應(yīng)的宏觀系統(tǒng)叫介觀系統(tǒng)。它所服從的是介觀物理學(xué)的規(guī)律，這是介乎微觀與宏觀之間的第三種規(guī)律──介觀規(guī)律。這樣，在物理學(xué)中，就因空間尺度大小的不同，而有了三種規(guī)律：宏觀世界中以牛頓力學(xué)為代表的宏觀規(guī)律；
微觀世界中以量子力學(xué)為代表的微觀規(guī)律；
以及介乎這兩者之間的介觀世界之介觀規(guī)律。

　　9．2 流體運動的尺度

　　與物理學(xué)中因空間尺度不同，而有不同的規(guī)律相似， 在流體運動中，也有尺度大小的不同， 也會有不同的規(guī)律，并且還更敏感。流體運動時的空間尺度大小是由流動的非均勻性所確定。對于一個完全均勻，在流向、流速上不做任何改變的流場而言，就談不上該流場的空間尺度大小。但當(dāng)流場是非均勻時，情況就不同了，該流場就具有空間尺度大小的特征，且以其非均勻場的特征尺度為該流場的尺度。例如一個平行的均勻流場從無窮遠(yuǎn)處流過來時， 若空間中沒有任何障礙物，則流場始終能保持均勻，此時就不能談該流場的空間尺度問題。反之，若在空間中有障礙物，比如說有一個圓球，則該平行均勻流場在圓球附近就發(fā)生繞流現(xiàn)象，均勻流場轉(zhuǎn)化為非均勻流場。此時，非均勻流場的空間特征尺度就可以圓球的半徑來量度。半徑越大，非均勻流場的尺度越大；
反之， 則越小。當(dāng)流場在無窮遠(yuǎn)處流速一定，且流體的運動粘性系數(shù)一定時，則該非均勻流場性質(zhì)完全決定于圓球半徑。半徑不同流場尺度就不同，則繞流場的性質(zhì)就不同。其多樣性要比前面講的物理學(xué)的三大規(guī)律復(fù)雜得多。這種性質(zhì)上的不同，即規(guī)律上的不同，完全可以通過實驗表現(xiàn)出來。趙凱華和羅蔚茵在他們的《力學(xué)》卷中舉了一個圓柱繞流的例子。這是個以圓柱繞流圖形隨雷諾數(shù)變化而改變的例子。趙凱華給出了五張圖。雷諾數(shù)最小從10－2，最大到106，跨越了8個數(shù)量級，中間又給出了三個不同大小，包括20、100、104三種雷諾數(shù)。結(jié)果五張圖的流型各不相同，也就是說五種流場的性質(zhì)和規(guī)律各不相同。從最小的雷諾數(shù)10－2開始，此時流線在繞流時始終貼著圓柱不與之脫離，繞流前后對稱，圓柱后無渦旋。雷諾數(shù)增至20時，繞流場前后不對稱。圓柱后尾流區(qū)有固定渦旋出現(xiàn)。雷諾數(shù)增至100時，渦旋脫離圓柱漂向下游，然后另一側(cè)會有新的渦旋產(chǎn)生。這樣渦旋交替產(chǎn)生，交替脫體又交替向下游漂去， 叫卡爾曼渦街。當(dāng)雷諾數(shù)再增至104時 ，圓柱后的尾流中有湍流出現(xiàn)。最后當(dāng)雷諾數(shù)增至106時，圓柱的尾流區(qū)全部為湍流所充滿。流動性質(zhì)與前面層流狀態(tài)根本不同。大家知道，雷諾數(shù)與流體的非線性慣性力成正比， 而流體的非線性慣性力又和流體的特征尺度（此例中即是圓柱半徑）與特征速度之積成正比。因此， 當(dāng)上述實驗中上游來流速度保持不變，粘性保持不變。則上述流型隨雷諾數(shù)的變化，就完全可以看成是流型性質(zhì)隨空間尺度而做的復(fù)雜變化。此例中決定流場性質(zhì)的力有二，一是流體慣性力，另一個是流體的分子粘性力。流體的空間尺度越大，它的慣性力相對于分子粘性力就越大，流場的性質(zhì)就當(dāng)然應(yīng)該發(fā)生變化�？磥磉@要比物理學(xué)中的宏觀規(guī)律、微觀規(guī)律、介觀規(guī)律三大規(guī)律復(fù)雜得多。難怪物理學(xué)家趙凱華教授在講完這一實驗后，緊接著說：“這實在令人嘆為觀止！”。流體運動隨空間尺度變化的復(fù)雜性還不止于此。一般而言，同一個流場還不止有一個特征尺度，常常有幾個特征尺度，這就比物理學(xué)中的問題更要復(fù)雜得多。比如飛機(jī)的機(jī)翼繞流就比前面講的圓球繞流、圓柱繞流遠(yuǎn)為復(fù)雜。因為它的特征尺度不是一個，而是幾個，至少兩個。一個是機(jī)翼的弦長，一個是機(jī)翼厚度。即使圓柱、圓球繞流，看似是一個特征尺度，實際上這只有對無粘性理想流體位勢繞流而言才對。而對粘性流體繞流而言，就不行。此時除了這種幾何學(xué)上的尺度以外，又會因流體粘性大小不同，產(chǎn)生第二個內(nèi)在的特征尺度。對高雷諾數(shù)粘性繞流就會有一粘性邊界層出現(xiàn)，邊界層的厚度就構(gòu)成第二個特征尺度。對低雷諾數(shù)粘性繞流就會有一粘性臨界距離出現(xiàn)，這又構(gòu)成了第二個特征尺度，這顯然是一個十分復(fù)雜的問題。只是到了20世紀(jì)，流體力學(xué)才創(chuàng)造出對付同時具有兩個特征尺度的流場的特殊辦法──奇異擾動法。形成了一整套奇異擾動理論。而對于非微擾問題就只有訴諸于巨型計算機(jī)，讓計算機(jī)來解決問題了。

　　9．3 大氣運動的尺度

　　大氣是一種流體，大氣運動是一種特殊的流體運動。問題又要比上述的典型的理想流體繞流運動以及粘性流體繞流運動復(fù)雜得多。原來它的空間尺度不是一個兩個的問題，在空間尺度上它是一個非常廣闊的廣譜，尺度最大到103－104公里，可與地球半徑相比擬；
最小到微米、亞微米粘性流。尺度譜跨越了13－14個數(shù)量級，其復(fù)雜程度相對于上一節(jié)所講的只有兩個特征尺度的粘性流體繞流運動而言，又是后者所無法比擬的。對此，氣象學(xué)家的辦法是分區(qū)間處理。

一般共分四個區(qū)間。即：大尺度大氣運動，尺度在103－104公里，可與地球半徑比擬；
其次是中尺度大氣運動，尺度范圍大致在102公里；
再往下是小尺度大氣運動，尺度在1－10公里；
最后是微尺度大氣運動，尺度范圍從小尺度湍流區(qū)間開始（注：研究大氣湍流的學(xué)者常把大尺度和中小尺度大氣運動也看成是湍流，叫大尺度湍流。與此不同，把尺度最大到100米，最小到厘米、毫米的內(nèi)尺度耗散區(qū)間的湍流，叫小尺度湍流，就是本書講的微尺度大氣運動區(qū)間中的最大一端）；
從小尺度湍流往下還有更加微小的尺度，這就是微米、亞微米粘性流，這個尺度比大尺度大氣運動小了1013－1014個數(shù)量級，它是否在大氣運動中真正存在？ 回答是肯定的。因為本書在第二章中已經(jīng)講過，地球大氣實際是一個氣溶膠系統(tǒng)，由于氣溶膠粒子的存在，就必然會在大氣中引起與氣溶膠粒子尺度大小相當(dāng)?shù)母鞣N各樣的擾動流場。典型的氣溶膠粒子尺度是微米、亞微米量級，因此在地球大氣運動中必然會存在有微米、亞微米這樣微小尺度的運動。當(dāng)然，再往下，氣溶膠粒子還有更小的納米級的粒子。但那時粒子尺度已經(jīng)小于空氣分子自由路徑的尺度。此時的大氣就不再能被認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)，對于納米級的氣溶膠粒子，或者高空空氣稀薄時的微米級粒子，或是在制造大規(guī)模與超大規(guī)模的集成電路的超凈工作間中的真空室中的微米級氣溶膠粒子而言，四周空氣都可以視為一個自由分子體系，而非連續(xù)介質(zhì)，其運動規(guī)律就已離開流體力學(xué)，屬分子動力學(xué)范圍了。

　　微尺度大氣運動的規(guī)律與大中小三種尺度的大氣運動有重大區(qū)別，其中最重要的一個區(qū)別就是空氣粘性所起的作用。我們知道，空氣粘性系數(shù)非常小，在厘米、克、秒單位制中，它的數(shù)量級為10－4，僅有萬分之一大小。在大尺度、中小尺度大氣運動中它都可忽略不計。在大尺度大氣運動中起作用的主要是地球自轉(zhuǎn)偏向力和大氣溫度的穩(wěn)定層結(jié)，這種穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)成一種負(fù)浮力，使熱對流發(fā)展不起來。在中尺度運動中，起作用的主要是地球自轉(zhuǎn)偏向力和大氣的不穩(wěn)定層結(jié)，這種層結(jié)構(gòu)成一種正浮力，可以使熱對流發(fā)展起來。甚至可以形成非常強的熱對流，構(gòu)成百公里尺度的災(zāi)害性天氣如暴雨、冰雹和雪暴等。到了小尺度的運動則地球自轉(zhuǎn)偏向力也可忽略不計了，只剩下大氣溫度的不穩(wěn)定層結(jié)，可以形成熱對流。適宜條件下，也可形成很強的熱對流，造成局地1－10公里范圍的災(zāi)害性天氣。對于以上三種尺度的大氣運動而言，一個共同特點即是在這類尺度中運動的大氣，其空氣粘性均可忽略，可把它們看成是事實上的無粘性的理想流體。這個特點在微尺度大氣運動中就不復(fù)存在了。與此相反，從微尺度大氣運動中最大的一端，即小尺度湍流開始， 空氣粘性的作用就開始顯著起來。湍流雖然是一種高雷諾數(shù)運動，其中流體的非線性慣性力起主要作用，流體的分子粘性力貢獻(xiàn)居第二位。但它卻是一個非微擾問題，對它甚至不可采用奇異擾動方法處理。在奇異擾動問題中可以在邊界層里保留分子粘性，但在湍流場中，流體的分子粘性卻處處不可忽略，不單是在邊界層中要保留它，否則就無法理解湍流的耗散性質(zhì)。湍流是一個耗散系統(tǒng)，如果沒有能源補充它就可自行衰變?yōu)橐?guī)則的層流。而大氣中由于風(fēng)切變的經(jīng)常存在，不穩(wěn)定層結(jié)也常有機(jī)會存在，所以大氣湍流才可經(jīng)常存在。除非在風(fēng)力十分小且逆溫層存在，層結(jié)十分穩(wěn)定條件下，此時才可以有靜風(fēng)的無湍流的存在，這正顯示出了空氣分子粘性的十分主要的耗散作用。

　　以上討論的小尺度湍流區(qū)間的運動，它只是在微尺度運動的最大一端，這一端它最小到厘米、毫米內(nèi)尺度粘性耗散區(qū)間。根據(jù)我們的經(jīng)驗，微尺度到此還沒有到頭，往下還有更小的，最小就到了 本書前面幾章中所說的，由氣溶膠粒子引起的微米、亞微米尺度的擾動流場。雖然前面已指出，空氣的粘性系數(shù)十分小，在厘米、克。秒單位制中僅為10－4。但當(dāng)流場尺度縮小到氣溶膠粒子尺度時，由于它的尺度在厘米、克、秒單位制中與分子粘性相當(dāng)，甚至更小，為10－5－10－4，所以在這個尺度上分子粘性不但不可忽略，而且反客為主，起主導(dǎo)的支配作用，這種尺度的運動就完全服從于斯托克斯的粘性流運動方程了。不僅如此，原來在大尺度、中尺度中起主導(dǎo)作用的地球自轉(zhuǎn)偏向力，以及大中小三種尺度都起重要作用的大氣溫度層結(jié)，這兩種因子，當(dāng)尺度小到從湍流的慣性子區(qū)間開始一直到微米、亞微米尺度粘性流，就都不起作用，完全可以忽略了。大氣運動的性質(zhì)隨空間尺度大小不同而有如此驚人的變化，可才真是令人嘆為觀止。

　　人類對大氣運動的研究首先從大尺度運動開始，事情在20世紀(jì)上半葉。1920年前后挪威氣象學(xué)家V.皮亞克尼斯（V. Bjerkness）和J.皮亞克尼斯(J. Bjerkness )提出鋒面氣旋學(xué)說，1939年美國芝加哥大學(xué)的國際氣象學(xué)大師羅斯貝提出了長波理論。至此人們對大尺度運動的三維結(jié)構(gòu)與運動規(guī)律有了一個比較科學(xué)的認(rèn)識。以皮亞克尼斯為首的挪威氣象學(xué)派和以羅斯貝為首的芝加哥氣象學(xué)派對大尺度動力學(xué)做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)， 為數(shù)值天氣預(yù)報打下了基礎(chǔ)。到了1950年美國著名學(xué)者恰尼（Charney）等人首次成功地作出數(shù)值天氣預(yù)告，開辟了數(shù)值天氣預(yù)告的業(yè)務(wù)。在我國，也是從大尺度大氣運動研究開始，不過比發(fā)達(dá)國家晚一些。在50年代，我國開始建立了大規(guī)模的氣象觀測網(wǎng)，重點開始研究東亞的大氣環(huán)流，從青藏高原對東亞環(huán)流和對中國天氣影響入手，并且很快地達(dá)到了相當(dāng)高的水平。1956年由葉篤正和顧震潮兩位先生 做出的成果贏得了我國大氣科學(xué)界的第一項國家自然科學(xué)獎。這點我們已在本書前面有關(guān)章節(jié)中講過，打倒“四人幫”以后，這方面工作進(jìn)一步有了很大的發(fā)展。到了1987年，由葉篤正、陶詩言兩位先生和他們的合作者朱抱貞、陳隆勲兩位教授完成的“東亞大氣環(huán)流”重大成果贏得了國家自然科學(xué)一等獎，形成了我國大氣科學(xué)研究中的頂峰式成就，是我國建立國家自然科學(xué)獎制度后，近五十年來我國大氣科學(xué)界榮獲的唯一一項國家自然科學(xué)一等獎。

　　由于大尺度的大氣運動是產(chǎn)生各種天氣變化的主導(dǎo)因子，(點擊此處閱讀下一頁)

　　所以對大尺度運動的研究始終居大氣科學(xué)領(lǐng)域的核心地位。近年來又有了新的發(fā)展，由于70年代以來出現(xiàn)了世界范圍的氣候異常，人類面臨著日益嚴(yán)重的糧食、能源和水資源危機(jī)。這就使得大尺度的研究，在時間上向更長的氣候尺度前進(jìn)。氣候變化的動力學(xué)研究做為一個新的重大的前沿課題，擺在了氣象界面前。在我國又是葉篤正先生承擔(dān)了開辟并發(fā)展氣候動力學(xué)的任務(wù)。不僅如此，全球氣候變化還涉及到多國國際合作，和多學(xué)科合作研究的問題。不是一個國家一個單獨的氣象學(xué)科所能完成。因此，1986年國際科學(xué)聯(lián)合會決定要制定一個宏偉的國際地圈-生物圈研究計劃（IGBP），并成立了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)該計劃的組織、規(guī)劃、實施和協(xié)調(diào)。1988年由中國氣象學(xué)會、中國環(huán)境學(xué)會、中國水利學(xué)會、中國林學(xué)會、中國自然資源學(xué)會、中國生態(tài)學(xué)會以及中國礦物巖石和地球化學(xué)學(xué)會聯(lián)合組建了上述國際地圈-生物圈研究計劃（IGBP）的中國委員會。葉篤正先生又理所當(dāng)然地被選為該委員會的主席。由此可見，大尺度大氣運動研究現(xiàn)在已經(jīng)演變?yōu)橐粋�規(guī)模十分壯觀、十分宏偉的超巨型的大科學(xué)研究規(guī)劃了。這當(dāng)然是在人類社會發(fā)展所面臨的危機(jī)推動下促成的。

　　然而單單的大尺度研究還不能滿足人類社會的全部要求。由于現(xiàn)有的氣象臺站網(wǎng)，尤其是探空臺站網(wǎng)是為了捕捉大尺度大氣運動而建立起來的，它的網(wǎng)距尺度數(shù)量級就是102公里，用這樣粗的網(wǎng)當(dāng)然無法捕捉到比大尺度小的中小尺度的天氣系統(tǒng)。不幸，一些災(zāi)害性天氣往往是和中小尺度，特別是中尺度系統(tǒng)相聯(lián)系。因此就常會有災(zāi)害性天氣已經(jīng)發(fā)生，但是在反映大尺度運動的一般天氣圖上卻找不到它的蹤影。于是開展中小尺度大氣運動的研究勢在必行。這事的起步大體在20世紀(jì)中葉。對中小尺度系統(tǒng)的動力學(xué)研究，國際上大體上始于50年代，我國則從60年代開始，到現(xiàn)在它已成為一個相當(dāng)活躍的，又一個重要前沿課題，與大尺度運動，和氣候動力學(xué)一起，是氣象學(xué)中的三大前沿重點課題。單單拿中小尺度系統(tǒng)所形成的一個冰雹問題而言，就吸引了眾多的科學(xué)家的注意。在我國，由于我國是一個雹災(zāi)多發(fā)地區(qū)，研究者就更多，工作就更加活躍。我們在本書前面已提到我的老同學(xué)許煥斌教授等人的《雹云物理與防雹的原理和設(shè)計》是最新的一項成果，發(fā)表于2004年。在此之前，早在1978年已故氣象學(xué)家雷雨順等人就出版了《冰雹概論》一書。緊接著在1979年徐家騮又出版了《冰雹微物理與成雹機(jī)制》一書。然后，1980年黃美元等人又出版了《人工防雹導(dǎo)論》。1994年王雨增等人出版了《人工防雹實用技術(shù)》。1999年段炎等人又出版了《冰雹》一書。這樣，從1978年開始到2004年為止，26年來就相繼出版了6本包括冰雹微物理、宏觀動力學(xué)與人工防雹等課題的專著，可見這方面工作之活躍，由中小尺度系統(tǒng)引發(fā)的冰雹災(zāi)害之嚴(yán)重。除此之外，還有暴雨和雪暴災(zāi)害等等。因此中尺度大氣系統(tǒng)之所以能成為氣象界的一個前沿重點問題就是理所當(dāng)然了。

　　9．4 微尺度大氣運動的研究

　　科學(xué)總是在不斷向前發(fā)展。國家和人民對氣象學(xué)的要求更是多種多樣。除了要求氣象界能報出未來的天氣變化和氣候變化以為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)外，國家還有著更多更直接的要求。這些問題都要大氣科學(xué)工作者給以回答。于是20世紀(jì)的中葉，與人們向中小尺度問題進(jìn)軍同時，人們還開始了比小尺度還要小的微尺度大氣運動的研究。其創(chuàng)始人則是英國著名氣象學(xué)家薩頓。這位國際氣象界的著名學(xué)者以他在1953年發(fā)表的《微氣象學(xué)》一書開辟了人類對微尺度大氣運動研究的新時代。半個世紀(jì)以來，這本著作在國際大氣科學(xué)界已經(jīng)成為一本影響深遠(yuǎn)的經(jīng)典著作。那一年剛好是我考入北京大學(xué)的一年，1957年我畢業(yè)于北大物理系的氣象專業(yè)。

兩年以后， 在1959年這本書則由南京大學(xué)已故著名氣象學(xué)家徐爾灝教授和他的合作者吳和賡翻譯成中文由高教出版社出版。50年代是氣象界經(jīng)典著作接二連三地涌現(xiàn)時代，1953年是薩頓發(fā)表了《微氣象學(xué)》；
1955年是富克斯的《氣溶膠力學(xué)》；
1957年是梅森的《云物理學(xué)》；
巴切勒的“均勻各向同性湍流理論”則發(fā)表在1953年；
1959年 則是塔塔爾斯基的《湍流大氣中波的傳播理論》。確切地說，都屬于微尺度大氣運動的范圍。半個世紀(jì)以來，也都成了影響深遠(yuǎn)的經(jīng)典名著。而薩頓的書則成為微尺度大氣運動研究的開路先鋒。

　　當(dāng)然人們對微尺度的研究嚴(yán)格地說，還要開始得更早。早在20世紀(jì)上半葉就已有了萌芽，例如對大氣邊界層的研究應(yīng)該起始于20世紀(jì)初。在1905年由�？寺�（Ekman）發(fā)現(xiàn)的著名的�？寺�螺線層，在這層中的風(fēng)速向量，從邊界層底的地面向上逐漸向右偏轉(zhuǎn)，一直到邊界層頂達(dá)到與自由大氣中的地轉(zhuǎn)風(fēng)一致。和流體力學(xué)中的邊界層的定義基本相同，在大氣邊界層中湍流粘性應(yīng)力不可忽略，起重要作用（在流體力學(xué)中則是分子粘應(yīng)力不可忽略起重要作用），在大氣邊界層上空則湍流粘應(yīng)力可以忽略，所以叫自由大氣（在流體力學(xué)中則在邊界層之上為無分子粘性力的理想流體），這一大氣邊界層厚度數(shù)量級是1公里。在這一邊界層的底層還有一個更薄的，尺度為50－100米的近地面層，在這一層中，湍流粘應(yīng)力起著支配作用，在溫度層結(jié)為中性條件下，可以得到風(fēng)速隨高度呈對數(shù)變化規(guī)律。這實際上就是在普朗托1925年混合長理論基礎(chǔ)上，1933年還是由普朗托本人假定湍流混合長隨高度成正比，從而導(dǎo)出的風(fēng)速變化的對數(shù)規(guī)律。所以可以說湍流大氣邊界層中的風(fēng)場結(jié)構(gòu)早在20世紀(jì)上半葉就已有了初步的研究成果。另一方面，近地面層中的湍流大氣擴(kuò)散，正是在1934年由薩頓本人，把泰勒1921年一般的湍流擴(kuò)散的統(tǒng)計理論，推廣到近地面湍流擴(kuò)散中來。根據(jù)中性溫度層結(jié)條件下的近地面湍流擴(kuò)散實驗得到了在初始階段以后煙團(tuán)彌散尺度隨時間有一個7/4次方增長階段。顯然泰勒定理也好，薩頓的7/4次方的冪次擴(kuò)散關(guān)系也好，這都是在20世紀(jì)上半葉發(fā)生的事。然而把20世紀(jì)上半葉大氣邊界層研究成果以及近地面短距離湍流擴(kuò)散研究等成果綜合在一起，正式在氣象學(xué)中引入了微尺度大氣運動的概念，并以“微尺度大氣運動中的氣象學(xué)”，即“微氣象學(xué)”的提法來概括這一新的發(fā)展，那還是由1953年薩頓專著所完成。因此人們可以1953年為微尺度大氣運動研究的開創(chuàng)年。薩頓則為微尺度大氣運動研究的創(chuàng)始人。

　　與一切學(xué)說無不具有局限性一樣，薩頓的微尺度大氣運動的研究也不例外。概括說來，其局限性有二。第一，在薩頓的微尺度運動中，他僅限于微尺度運動的最大一端──即小尺度湍流運動區(qū)間，而把微尺度運動最小的一端──即微米、亞微米尺度的粘性流區(qū)間排除在外。到現(xiàn)在薩頓的《微氣象學(xué)》幾乎已成為大氣湍流，特別是大氣湍流邊界層研究的同義語。第二個局限性在于，在小尺度湍流區(qū)間中，他僅限于大氣湍流邊界層的研究，而把其它的湍流大氣物理現(xiàn)象排除在外，以至于到現(xiàn)在，微氣象學(xué)幾乎僅僅成為邊界層氣象的同義語。1973年美國氣象學(xué)會新編了一本《微氣象學(xué)》，其內(nèi)容就都是關(guān)于邊界層氣象的研究。這就把微尺度大氣運動的研究局限在過去狹小的范圍之中。

　　在總結(jié)我們過去幾十年走過的歷程時，我驚異地發(fā)現(xiàn)，在不知不覺中，我已全面地突破了薩頓的《微氣象學(xué)》的這兩個局限性，雖然我們的研究確實仍然屬于微尺度大氣運動范圍。于是我感到有必要突破薩頓的“微氣象學(xué)”的概念，從而提出新的提法，那就是“微尺度大氣運動中的物理學(xué)”（英文可譯為：The Physics in Micro –Scale Atmospheric Motions ）進(jìn)一步簡化的提法，就是“微大氣物理學(xué)”（英文可譯為：Micro-Atmospheric Physics）。

以下我們就來談一下“微大氣物理學(xué)”的產(chǎn)生過程，它的主要內(nèi)容和意義。

　　9．5 微大氣物理學(xué)的建立

　　9．5．1 總結(jié)往事

　　本書第一章已經(jīng)談過“微大氣物理學(xué)”這一創(chuàng)新點，并不是在幾十年前，當(dāng)我開始從事大氣物理研究時，就已確立好的宏偉目標(biāo)。事實上，它只是一項事后的總結(jié)，而不是在事情開始時的有目的、有計劃的行動。當(dāng)時間進(jìn)入80年代，我以前在大氣物理所工作的一些朋友已相繼出版了一些學(xué)術(shù)專著。我也想出書，但是，我能出什么樣的專著呢？回顧我?guī)资�年走過的道路，我搞的課題是夠多、夠雜的了，甚至我有一種“雜家”之感。什么課題都搞過一點，可什么問題似乎都不夠?qū)�。云物理搞過，但我不能說自己是云物理學(xué)家。大氣擴(kuò)散搞過，但又不能說自己是大氣擴(kuò)散專家。大氣光學(xué)也做了，但也不能說自己是大氣光學(xué)專家。湍流搞過一點，但也不能說自己是湍流專家。說是氣溶膠力學(xué)專家有點像了，但在當(dāng)時時間又太短。而且那前幾十年的工作又算甚麼呢？我有些茫然。不過“茫然”的時間不太長，當(dāng)我冷靜地坐下來，回顧分析了我這一生所走過的道路，我的頭腦漸漸地清晰起來，原來在我所做過的工作中還是有一條清晰的線索。那就是微尺度大氣運動。幾十年來，雖然我的具體題目換來換去，但非常僥幸，雖然是不自覺，卻都沒有變到微尺度大氣運動以外。而且我發(fā)現(xiàn)，在找到了這條線索以后，課題換的花樣比較多就不是甚麼缺點，反而成為我的一個長處。它使我能夠從更全面的角度來重新審視一下薩頓的《微氣象學(xué)》。于是我就較為容易地發(fā)現(xiàn)我這幾十年的工作已經(jīng)在不知不覺中比較全面地突破了薩頓的兩個局限性。在尺度范圍問題上，我已經(jīng)用幾項氣溶膠力學(xué)的突破性成果，突破了他的小尺度湍流區(qū)間范圍，把對微尺度大氣運動的研究擴(kuò)展到了微米、亞微米尺度的粘性流范圍。這是一個重要的突破，因為自薩頓之后直到現(xiàn)在，大家都接受了薩頓對微尺度的定義，認(rèn)為所謂微尺度就是小尺度湍流。但是從我對氣溶膠力學(xué)的研究經(jīng)驗看，這顯然不夠。既然大氣實際上是一個氣溶膠系統(tǒng)，那在大氣中就必然存在由氣溶膠粒子擾動引起的微米亞微米尺度的粘性流。否認(rèn)在大氣的微尺度運動中存在這樣更小尺度的運動，顯然站不住腳。另一方面，在小尺度湍流區(qū)間中我也突破了他的邊界層氣象研究范圍，大大豐富了湍流區(qū)間中的研究內(nèi)容。因此再用薩頓的《微氣象學(xué)》來概括我這幾十年的研究工作就不合適了，需要有新的概括，需要有提出新的學(xué)科概念的勇氣。而這勇氣也來自我在劍橋的研究經(jīng)驗，正是在劍橋使我破除了對科學(xué)的神秘感，增添了我在學(xué)科上也要有敢于創(chuàng)新的勇氣。于是一個新的提法──“微大氣物理學(xué)”，亦即“微尺度大氣運動中的物理學(xué)”，也就由此應(yīng)運而生。從基本精神講，它繼承了薩頓的《微氣象學(xué)》的微尺度大氣運動的研究。同時，在內(nèi)容上它發(fā)展了人們對微尺度大氣運動的認(rèn)識，可以說是“微氣象學(xué)”的新階段。以下將進(jìn)一步介紹這門新學(xué)科的內(nèi)容和意義。

　　9．5．2 變化萬千的世界

　　雖然，相對于大尺度和中小尺度運動而言，微尺度大氣運動其尺度非常微小。但在其中發(fā)生的物理現(xiàn)象卻是千變?nèi)f化，復(fù)雜多樣。應(yīng)該說這是一個內(nèi)容十分豐富的，奧妙萬千、引人入勝的世界。本書前面幾章講的僅僅是其中一部分，本節(jié)將做一更全面的簡要介紹。

　　在微尺度最大的一端，即小尺度湍流區(qū)間中，首先是湍流的微結(jié)構(gòu)問題。其中湍流的不連續(xù)性（即間歇性），以及湍流的相干結(jié)構(gòu)都是意義十分重大的前沿課題。其次電磁波和聲波在湍流大氣中的傳播時的散射過程；
短波在湍流大氣中傳播時的參數(shù)起伏（如振幅起伏和相位起伏）；
光波在湍流大氣中傳播時產(chǎn)生的光強之大氣閃爍現(xiàn)象，光束的漂移，到達(dá)角的起伏，像點的抖動，聚集光束的散焦作用等，這些都是重要的研究課題。再次，在湍流起伏條件下，對流云中的云滴隨機(jī)增長問題，包括了隨機(jī)凝結(jié)增長與隨機(jī)重力碰并增長兩大研究課題。煙羽的湍流大氣擴(kuò)散，尤其是在非均勻地形中的湍流擴(kuò)散問題，都是近年來十分引人注目的新課題。而邊界層氣象，近地面物理這樣一些傳統(tǒng)的微氣象學(xué)，由于大氣污染等社會問題的緊迫需要，也都大大加強了對它們的研究。

　　另一方面在微尺度大氣運動中的最小一端，即由氣溶膠粒子的存在引起的微米、亞微米尺度粘性區(qū)間，內(nèi)容也十分豐富。首先是，在氣溶膠多粒子流體動力相互作用下，所引發(fā)的低雷諾數(shù)擾動流場結(jié)構(gòu)，這問題涉及到多體問題同樣是十分重大的前沿課題。其次是與此直接有關(guān)的氣溶膠的一些力學(xué)過程。這包括了氣溶膠粒子在外力作用下，粒子和介質(zhì)的分離過程；
又如氣溶膠粒子在外力、外流場力、粒子間相互作用勢力；
以及來自介質(zhì)分子無規(guī)撞擊的布朗熱動力，在以上這些力的作用下，粒子間發(fā)生相對運動，最后發(fā)生碰撞或粘連或并合在一起，從而從體系中消失的過程（粒子被障礙物捕獲的過程也包括在內(nèi)）；
再如氣溶膠粒子和介質(zhì)之間的質(zhì)量與熱量的交換過程；
還有氣溶膠整體作為一個均質(zhì)流體看，(點擊此處閱讀下一頁)

　　它的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變而與純凈流體不同，如體系的有效粘性，有效熱傳導(dǎo)率等，這也是一個有重要意義的研究課題；
氣溶膠粒子譜在各種微觀與宏觀動力過程作用下的演變過程，也是當(dāng)前氣溶膠科學(xué)中的一個研究熱點；
最后，氣溶膠光學(xué)效應(yīng)，聲學(xué)效應(yīng)，氣溶膠與輻射傳輸，氣溶膠的氣候效應(yīng)等也都是一些意義十分重大的研究課題。由此可見，微尺度大氣運動的空間尺度雖 十分微小，但發(fā)生在其中的物理過程，卻豐富多彩，奧妙萬千，在微小的空間尺度中存在著種類繁多千變?nèi)f化的世界。

　　9．5．3 微大氣物理學(xué)的三大共同特征

　　在研究課題如此多種多樣的微大氣物理學(xué)中存在以下三個共同特征。

　　第一，直接在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與國防建設(shè)以及社會發(fā)展中的應(yīng)用價值。大尺度與中小尺度的研究， 是通過對天氣預(yù)報和氣候變化預(yù)測來為國家服務(wù)。而微尺度則與此不同，它直接服務(wù)于國家建設(shè)的某一方面的特殊需要，它的研究成果目前一般還看不出和天氣預(yù)報這個氣象界的核心問題有何聯(lián)系。但它們大都有自己的直接的服務(wù)對象。近半個世紀(jì)來對光波在湍流大氣中傳播過程的大量研究，是在以激光武器為代表的各類激光大氣工程，以天文臺站建設(shè)為代表的各類光學(xué)工程，以大氣科學(xué)中的大氣探測工程等的促進(jìn)下才蓬蓬勃勃地發(fā)展起來。同樣近半個世紀(jì)來對邊界層氣象和大氣擴(kuò)散的大量研究是在大氣污染、防原子戰(zhàn)防化學(xué)戰(zhàn)、防細(xì)菌戰(zhàn)等社會問題的需要以及軍事問題的需要促進(jìn)下才十分迅猛地發(fā)展起來。人工影響天氣，包括人工增雨、人工防雹等工作是對云物理研究的有力促進(jìn)。對于環(huán)境污染的控制與監(jiān)測，對于各種工業(yè)氣溶膠技術(shù)的開發(fā)和利用，對于研制大規(guī)模集成電路與超大規(guī)模集成電路的超凈工作間，對于與人體健康密切相關(guān)的氣溶膠粒子在人體呼吸系統(tǒng)中的沉淀問題，都是半個世紀(jì)來氣溶膠力學(xué)發(fā)展的強大動力。所有以上情況說明了直接的在國家建設(shè)和社會發(fā)展各個領(lǐng)域中的應(yīng)用價值正是微大氣物理學(xué)的各分支領(lǐng)域的一個共同的特征。

　　第二，第二個共同的特征就是微尺度大氣運動都服從黏性流體運動的規(guī)律，不論是微尺度中最大的小尺度湍流區(qū)間，還是最小的微米、亞微米粘性流區(qū)間，都服從于黏性流體運動的納維-斯托克斯方程，而與大尺度、中小尺度有根本的不同。那里的大氣運動卻可以近似成無粘性的理想流體。其中地球大氣的各種特有的作用力，如地球自轉(zhuǎn)偏向力等卻突出起來。此外，微尺度大氣運動是微尺度范圍各種物理現(xiàn)象的主導(dǎo)因子而且具有理論性和定量性。這點又與大尺度、中小尺度大氣運動不同，大尺度、中小尺度運動雖然也是發(fā)生各種天氣現(xiàn)象的主導(dǎo)因子， 但它不具有理論性和定量性，而往往帶有經(jīng)驗性質(zhì)。于是，發(fā)生在微尺度范圍中的各種物理過程的規(guī)律，就常常帶有相應(yīng)尺度大氣運動的“印記”�？聽柲�果洛夫的局地各向同性湍流理論和2/3定律，決定了煙團(tuán)擴(kuò)散中彌散度隨時間3次方增長關(guān)系。又決定了光波在短距離湍流大氣中傳播時，大氣閃爍強度隨距離的11/6次方成正比的關(guān)系。另一方面，在微米、亞微米粘性流區(qū)間，由于此時黏性流體運動的納維-斯托克斯方程可以線性化為斯托克斯粘性流方程，許多問題可以嚴(yán)格求解，從而存在著比小尺度湍流區(qū)間更加嚴(yán)格的定量規(guī)律，那里的一些系數(shù)往往就可以直接從理論中解出，而不像湍流理論中往往含有只能從實驗測定出的經(jīng)驗系數(shù)。例如巴切勒的單分散沉降公式，巴切勒和我的多分散沉降公式。與此同時，氣溶膠力學(xué)中的一些問題往往也是由于斯托克斯粘性流的慢衰減特點，又使它的有關(guān)積分常成為發(fā)散積分，是氣溶膠力學(xué)研究中的一個嚴(yán)重障礙。對比大尺度天氣預(yù)報工作中，氣象臺站預(yù)報員在預(yù)報出大尺度流場變化以后，主要還是根據(jù)預(yù)報員的經(jīng)驗來預(yù)報相應(yīng)的天氣現(xiàn)象，微大氣物理的這一特點就更加使人印象深刻。

　　第三，第三個個共同特征是，它們都具有隨機(jī)性質(zhì)。因此，概率論和隨機(jī)過程論，以及隨機(jī)場論就成為解決微大氣物理問題中共同的強有力的數(shù)學(xué)工具。在小尺度湍流區(qū)間，隨機(jī)性源于流動在高雷諾數(shù)條件下自發(fā)的不穩(wěn)定性。由此，發(fā)生在湍流中的各種物理過程，就無不帶有隨機(jī)過程的特點。在微尺度大氣運動中最小的微米、亞微米尺度的粘性流范圍，那里的流動雖然由于分子粘性起支配作用而使流動是穩(wěn)定的，不帶有隨機(jī)性。但是當(dāng)物體小到像氣溶膠粒子那樣，微米、亞微米尺度范圍時，來自四周流體介質(zhì)中的分子熱運動的無規(guī)撞擊就顯著起來，隨機(jī)的布朗運動就成為氣溶膠粒子運動的一個主要特征。與氣溶膠粒子有關(guān)的一切物理現(xiàn)象，也就都具有隨機(jī)性質(zhì)。概率論與隨機(jī)過程論也就成為解決這一領(lǐng)域中物理問題的主要數(shù)學(xué)工具。當(dāng)然，我們在第一章中已經(jīng)講過，在把概率論與隨機(jī)過程論應(yīng)用到微大氣物理問題中來時，常會產(chǎn)生出一些難于求解的數(shù)學(xué)方程，這時還主要是靠把物理思想注入于數(shù)學(xué)之中來解決問題。可以說一部微大氣物理的發(fā)展史，正是物理思想和數(shù)學(xué)理論相互結(jié)合相互促進(jìn)的歷史，單純的數(shù)學(xué)技巧是不能解決問題的。

　　基于以上幾點認(rèn)識，從黏性流體力學(xué)角度出發(fā)，對微大氣物理學(xué)的發(fā)展做了一次系統(tǒng)、全面的總結(jié)，1989年我們出版了微大氣物理的第一部專著──《微大氣物理學(xué)導(dǎo)論》（科學(xué)出版社，北京），這本書的重點放在氣溶膠力學(xué)，把湍流大氣物理放在第二位。隨后，我們又從概率論、隨機(jī)過程論和隨機(jī)場論出發(fā)，對微大氣物理學(xué)的發(fā)展做了又一次總結(jié)，1995年出版了微大氣物理的第二部專著──《概率論和微大氣物理學(xué)》（氣象出版社，北京），與第一本不同，這本書的重點放在湍流大氣物理，而把氣溶膠力學(xué)放在第二位。這兩部書的出版，標(biāo)志著一門微大氣物理學(xué)新學(xué)科分支的建立，這在大氣科學(xué)中開辟了一個新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)然它是否能站住腳，還有待大家的檢驗，有待時間的考驗。

回顧往事，我這一生在朋友們的幫助下解決了微尺度大氣運動中特別是氣溶膠尺度中的一些問題，對此我很高興。當(dāng)然還有更多的問題有待解決。自1953年薩頓開創(chuàng)了微尺度大氣運動的研究后，半個世紀(jì)來它已經(jīng)有了很大的發(fā)展。由于國家建設(shè)的需要和社會發(fā)展的需要，又由于它擁有許許多多引人入勝的科學(xué)問題，相信在未來的歲月中，對于微尺度大氣運動的研究，尤其是對氣溶膠這樣微小尺度的研究，無論在理論上和實驗上，也無論在基礎(chǔ)領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域，都會吸引更多的年輕朋友投身到這里來，從而使它有一個更大的發(fā)展，對此我充滿了信心。

　　（注：我在上面已經(jīng)談到，我的“微大氣物理學(xué)”是否能站住腳，是否能為大家所接受，還有待大家的檢驗，有待時間的考驗。然而說實在的我確實有點擔(dān)心。我已經(jīng)說過微尺度大氣運動研究本來就不處于大氣科學(xué)研究的核心地位，何況它又是一個“標(biāo)新立異”的新說法，我本人又游離于大氣科學(xué)界之外。所以很有可能它經(jīng)不住時間的檢驗，很快就會被人們遺忘。然而又是非常幸運，近來我發(fā)現(xiàn)我的“微大氣物理學(xué)”新學(xué)科竟然經(jīng)受住了自它誕生以來這一段時間的考驗，逐漸為人們所接受，這不能不使我感到驚喜。

還是先由上一章最后講的《湍流，間歇性和大氣邊界層》一書的作者胡非先生給我的來信說起。在那封信里他除了說到我的“湍流不連續(xù)性”一文外，他還談到本章所講的“微大氣物理學(xué)”專著。他說：“您以前寫的“微大氣物理學(xué)”一書和您譯的塔塔爾斯基的書，長期以來都在我的案頭和身邊書架上，作為重要的學(xué)術(shù)參考書使用，從中我也受益極大”。胡非先生是我國大氣湍流研究中有成就的專家，知道我的微大氣物理學(xué)在大氣湍流研究中會有如此好的作用，這使我感到十分欣慰。

又如本書前面曾提到的我國著名的云物理學(xué)家許煥斌教授的名著《雹云物理與防雹的原理和設(shè)計》一書。這本書很受大家的歡迎，自2004年出版后短短的幾年來它已經(jīng)出了第二版，這在大氣科學(xué)界并不多見，是件了不起的事。很幸運地我發(fā)現(xiàn)該書也引用了我那第二本微大氣物理專著《概率論和微大氣物理學(xué)》。微大氣物理學(xué)的研究竟然可以應(yīng)用到雹云物理和防雹工程中來，這不能不使我感到十分欣喜。

再如前不久我在為《科技導(dǎo)報》審閱了一篇氣溶膠力學(xué)的文稿。該文的第一篇參考文獻(xiàn)就引了我的第一本專著《微大氣物理學(xué)導(dǎo)論》。那本書是1989年出的，經(jīng)歷了十八年時間的考驗，它還沒有被人忘記�？紤]到該文作者所在單位是北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，它的前身是北京鋼鐵學(xué)院，可以設(shè)想作者不可能是學(xué)大氣物理的，而他們也竟然知道這本微大氣物理學(xué)的書，并且還知道從這本微大氣物理書中可以找到有關(guān)氣溶膠力學(xué)的論述，從這件事我想到歷經(jīng)了十幾年的時間，該書的影響已擴(kuò)展到了大氣科學(xué)界之外，這又不能不使我感到十分高興。

究竟自己的研究成果有沒有生命力，這才是做研究的人所最關(guān)心的事啊。

　　溫景嵩2007年12月4日注于南開園）

相關(guān)熱詞搜索：一門 分支 匯集 誕生 新學(xué)科