投身于人工降水的飛行作業(yè)

　　在三年困難時(shí)期，大氣所貫徹執(zhí)行中央的“調(diào)整，鞏固，充實(shí)，提高”八字方針，落實(shí)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(lǐng)導(dǎo)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(diào)出來，調(diào)入由顧震潮先生領(lǐng)導(dǎo)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(wù)帶學(xué)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(yán)重，中央集中了一批力量，調(diào)集了八架運(yùn)輸機(jī)在湖南搞大面積人工降水實(shí)驗(yàn)。由軍區(qū)參謀長親自指揮，科學(xué)院作為合作單位參予。于是，我們在顧先生帶領(lǐng)下參加了這項(xiàng)大規(guī)模人工降水實(shí)驗(yàn)。參謀長很緊張，說八架大飛機(jī)同時(shí)在一個(gè)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(jī)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(jī)遇到積雨云只能繞著走，禁止靠近，更不得進(jìn)入。而人工降水作業(yè)飛機(jī)，不但要靠近，而且要進(jìn)入云內(nèi)實(shí)行催化作業(yè)。這就十分危險(xiǎn)，每次進(jìn)入積雨云作業(yè)時(shí)，受對流暖云劇烈的云中湍流影響，飛機(jī)都顛簸得十分厲害。使催化作業(yè)和觀測云的微物理結(jié)構(gòu)工作難以順利地進(jìn)行。但是顧先生對自己要求非常高，他并不因?yàn)樽约菏且晃粍倧奈鞣交貋淼目茖W(xué)家，而把自己僅僅擺在指揮員的位置，相反，他既當(dāng)指揮員，又當(dāng)戰(zhàn)斗員。他不怕飛行作業(yè)危險(xiǎn)，飛機(jī)顛簸厲害，每次作業(yè)，他都和我們年輕人一樣上飛機(jī)，撒鹽粉，還要去觀測云的微結(jié)構(gòu)。我卻不行，我因患有暈機(jī)病，每次進(jìn)入積雨云作業(yè)時(shí)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(lǐng)我們又在上海地區(qū)實(shí)行人工降水飛機(jī)催化作業(yè)。顧先生看我實(shí)在吐得厲害，有一次就讓我坐在飛機(jī)上停止作業(yè)工作，只靜靜地坐在座位上不動，看能否適應(yīng)，結(jié)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(jī)作業(yè)飛行以來，最嚴(yán)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(jī)被云中氣流一下子打下幾百米，幸好飛機(jī)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(shí)行過飛機(jī)人工降水作業(yè)，直到現(xiàn)在人們實(shí)行作業(yè)時(shí)，都改為由地面，使用高炮、火箭對天空的積云射擊，實(shí)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(jī)，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(shí)在太危險(xiǎn)，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(shí)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(jié)果發(fā)生了我們自飛行以來，最為嚴(yán)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(jī)場進(jìn)行飛行催化作業(yè)時(shí)，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(cái)、資本家辦事的帳房叫先生，你們的顧震潮居然還是共產(chǎn)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(xué)院，也包括在高等學(xué)校，大家對學(xué)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(dá)了我們對有學(xué)問的長輩的尊敬，稱他為顧先生是表達(dá)了我們對他的敬意�！眳⒅\長這才表示理解。

　　 顧先生在親身參加危險(xiǎn)的人工降水作業(yè)同時(shí)，也沒有忘記他作為一位科學(xué)家的責(zé)任。他是一位非常善于在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，并善于從實(shí)踐中提煉出科學(xué)問題來進(jìn)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(shí)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(jīng)驗(yàn)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(jìn)行了初步的論證。后來的發(fā)展使他又認(rèn)識到問題的復(fù)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(jìn)行了更細(xì)致、更全面的分析和計(jì)算，最后證實(shí)確實(shí)存在著最佳撒法，并得到了一個(gè)當(dāng)時(shí)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(yàn)是一個(gè)更復(fù)雜也是一個(gè)更重要的大難題，不僅如此，效果檢驗(yàn)還是所有人工影響天氣工作的一個(gè)很關(guān)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(jì)地又是實(shí)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(jié)中，他就想盡辦法，利用當(dāng)時(shí)所能提供的客觀條件，從幾個(gè)不同的方面，證實(shí)了那次人工降水的客觀效果，很有說服力，至今仍是我們學(xué)習(xí)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(xué)院大氣所講，不是目的，目的是帶出云物理學(xué)科。因此，與開展人工降水的同時(shí)，甚至更早一些時(shí)候，大氣所就開始籌建高山云霧站，以取得對云物理結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識。雖然我們開展人工降水飛行作業(yè)時(shí)，也同時(shí)在飛機(jī)上對云物理的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，但那不能有系統(tǒng)、有組織、有計(jì)劃大量地進(jìn)行。在當(dāng)時(shí)條件下，只有建立高山云霧實(shí)驗(yàn)站，才能對我國云霧微物理特征進(jìn)行有系統(tǒng)、有組織、有計(jì)劃的大量觀測。為此有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)從當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)請來了一位高山云霧實(shí)驗(yàn)專家蘇拉克維里澤（Сулаквелидзе Г. К.），經(jīng)過他在我國各地考察選定了在湖南南岳衡山建立云霧實(shí)驗(yàn)站。他認(rèn)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(jié)構(gòu)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(lǐng)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(lǐng)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(xué)科，要出什么科研成果。而這次卻有著明確的目的，要進(jìn)行研究，研究我國云霧物理實(shí)際情況，要出科研成果。建立南岳高山云霧試驗(yàn)站仍然是在顧先生領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行。和在人工降水飛行作業(yè)相同，他仍然是既當(dāng)指揮員，又當(dāng)戰(zhàn)斗員。當(dāng)時(shí)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(jiān)持。至于實(shí)驗(yàn)場地，就借氣象局的高山氣象觀測站。沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，就自己動手。還是土法上馬，那時(shí)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(lǐng)導(dǎo)下，很快研制出觀測云霧的基本設(shè)備──三用滴譜儀，它既能觀測云滴微結(jié)構(gòu)（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(jié)核和云中含水量。在動力上既可手動，又可電動，解決了當(dāng)時(shí)的觀測云霧的基本設(shè)備問題。幾年下來，積累出我國第一批高山云霧微結(jié)構(gòu)資料。顧先生又帶領(lǐng)我們對這些來之不易的寶貴資料，進(jìn)行了仔細(xì)認(rèn)真的分析，得到了我國高山云霧微結(jié)構(gòu)的基本特征，由科學(xué)出版社出了一本�？�，為開展我國云霧研究打下了初步基礎(chǔ)。特別應(yīng)當(dāng)提一下的是，我的北大老同學(xué)許煥斌所作的貢獻(xiàn)。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(jìn)修云物理�；貒�后，以中央氣象局的專家身份參加了科學(xué)院大氣所建設(shè)高山云霧實(shí)驗(yàn)站的工作。當(dāng)時(shí)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(xiàn)是多方面的。前面提到的三用滴譜儀就是他設(shè)計(jì)發(fā)明的。此外，他還是我國最早認(rèn)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(jìn)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(shí)存在著起伏狀態(tài)，起伏強(qiáng)度為10％到30％。這是非常寶貴的重要資料，然而當(dāng)時(shí)人們并沒有認(rèn)識到許煥斌的這個(gè)工作的重要性而被停了下來，直到后來早期的云滴隨機(jī)增長理論和我的“對流暖云大云滴隨機(jī)生長的馬爾柯夫過程理論”出來以后，才認(rèn)識到許的工作重要性。不過這時(shí)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(xué)報(bào)》上，1965年又發(fā)表在《中國科學(xué)》（英文版）上，應(yīng)該承認(rèn)這是那幾年在南岳高山云霧試驗(yàn)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(gè)重要的科學(xué)問題，即與國際公認(rèn)的單峰的云滴譜不同，它存在著第二極大，反映出一個(gè)尚未被人認(rèn)識到的重要的微物理過程。雖然這問題的物理機(jī)制到現(xiàn)在還沒有弄清楚，但這并不奇怪。一個(gè)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(jī)制，雖然這三十幾年來，國際上有不少科學(xué)家對它絞盡了腦汁。因此應(yīng)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(jìn)展。

　　衡山云霧實(shí)驗(yàn)站搞了幾年，最后終于停了下來，條件實(shí)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(jiān)持了兩個(gè)冬天的同志終于得了嚴(yán)重的關(guān)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(nèi)部情況，包括云內(nèi)部的上升氣流和湍流以及溫度、壓力、水汽、含水量時(shí)空四維的結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的云滴、大云滴、雨滴時(shí)空四維結(jié)構(gòu)。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(lǐng)我們搞云物理最大的功績，就是引領(lǐng)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(jìn)而抓住了當(dāng)時(shí)國際上的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，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(xué)和微物理。動力學(xué)又分積云動力學(xué)、層狀云動力學(xué)，中尺度氣象等。微物理方面則又包括氣溶膠凝結(jié)核的核化，云滴，大云滴，雨滴，冰晶，雪晶，冰雹，起電，電結(jié)構(gòu)，閃電，大雨滴的形狀和破碎等許多問題。在這眾多的問題當(dāng)中，就微物理方面講，中心問題就是雨滴形成問題，而當(dāng)時(shí)國際上的焦點(diǎn)就是對流暖云中大云滴的形成問題。一個(gè)雨滴，從凝結(jié)核核化開始凝結(jié)增長成對流云的云滴，半徑增大了兩個(gè)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(gè)雨滴，半徑又增加了兩個(gè)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(gè)云滴才能合并成一個(gè)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(shí)間產(chǎn)生足夠量的雨滴，就成為云的微物理中一個(gè)中心問題。這一問題的難點(diǎn)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(jié)增長過程而言太大了，因之，靠凝結(jié)穿過這一區(qū)間要幾個(gè)小時(shí)，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(gè)小時(shí)。這都無法解釋自然界降水為什么可以在更短的時(shí)間內(nèi)形成，特別是陣雨從云的形成到產(chǎn)生降水最快半小時(shí)即可。于是就吸引了眾多的云物理學(xué)家進(jìn)行了大量的探索工作，以求解開這個(gè)謎。1935年貝吉龍（Bergeron）提出了一個(gè)冷云降水學(xué)說。他的學(xué)說假定當(dāng)云層伸展到相當(dāng)高的高度時(shí)，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?yàn)樵诒�水共存條件下，在冰面會出現(xiàn)非常驚人的高強(qiáng)度的水汽過飽和，當(dāng)溫度為攝氏－10度時(shí)，冰晶表面的過飽和度會達(dá)到10％，當(dāng)溫度進(jìn)一步降到攝氏－20度時(shí)，冰晶表面水汽過飽和度會進(jìn)一步加大到20％。而通常暖云條件下，人們公認(rèn)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(zhuǎn)移凝華，使冰晶長大的速率，要比通常暖云凝結(jié)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(jì)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(shí)。此后，人們就稱為貝吉龍-芬代森冷云降水學(xué)說，(點(diǎn)擊此處閱讀下一頁)

　　這個(gè)學(xué)說得到了國際云物理界的承認(rèn)。然而進(jìn)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(gè)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(dāng)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(shí)云物理國際舞臺上大家所矚目的一個(gè)熱點(diǎn)，是當(dāng)時(shí)的一個(gè)國際前沿課題。雖然在當(dāng)時(shí)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(xué)里學(xué)過云物理，就是顧先生等老一輩氣象學(xué)家也沒有學(xué)過。顧先生本人一直都在從事天氣動力學(xué)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(dá)到了很高的水平，因此而獲得1956年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)。它是我國大氣科學(xué)界所獲得的第一個(gè)國家大獎(jiǎng)，也是“文革”前大氣科學(xué)界所獲得唯一的一項(xiàng)大獎(jiǎng)。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(lǐng)域，帶領(lǐng)我們這幫當(dāng)時(shí)還毫無經(jīng)驗(yàn)的年輕人勇敢地挑起了開創(chuàng)我國云物理事業(yè)的重?fù)?dān)。他找來了當(dāng)時(shí)英國著名的云物理學(xué)家梅森（B.J.Mason）1957年英文原著《云物理學(xué)（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(xué)》譯成中文由科學(xué)出版社出版）組織我們學(xué)習(xí)。除此之外，他還找來大量當(dāng)時(shí)國際上研究暖云中大云滴形成的文獻(xiàn)，把它們分給我們這幫年青人，分頭學(xué)習(xí)，然后各自向大家報(bào)告。輪到我報(bào)告時(shí)，我把所分到的文獻(xiàn)的大致內(nèi)容介紹過后，把它們評論了一番，這個(gè)也不對，那個(gè)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(rèn)為我這個(gè)報(bào)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(xué)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(fēng)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(jīng)驗(yàn)，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(xué)習(xí)云物理的一位研究生已經(jīng)找到解決問題的辦法，他現(xiàn)在已學(xué)成回國。他把隨機(jī)過程論引入云物理中暖云云滴增長研究，結(jié)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(jī)增長理論。馬上它得到了國內(nèi)有關(guān)方面很高的評價(jià)。被認(rèn)為是解決了暖云降水難題的重大進(jìn)展。同時(shí)還要我們認(rèn)真學(xué)習(xí)他的理論，于是我們這幫在學(xué)校中從沒有學(xué)過云物理也沒有學(xué)過隨機(jī)過程論的人，就掀起了一個(gè)學(xué)習(xí)這個(gè)新理論，學(xué)習(xí)隨機(jī)過程論的熱潮。然而經(jīng)過一段認(rèn)真的學(xué)習(xí)后，我驚異地發(fā)現(xiàn)原來這個(gè)云滴隨機(jī)增長的新理論，在對隨機(jī)過程的相關(guān)系數(shù)處理上，存在概念性的錯(cuò)誤，糾正了那個(gè)錯(cuò)誤以后，也就糾正了他那個(gè)夸大湍流起伏場作用的錯(cuò)誤結(jié)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(dāng)時(shí)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(xué)家為主的一些科學(xué)家，先后用數(shù)值試驗(yàn)，垂直風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以及野外對流云的實(shí)地觀測，對我們的理論進(jìn)行了反反復(fù)復(fù)的檢驗(yàn)，最后它終于得到了國際同行的認(rèn)可，贏得了劍橋科學(xué)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(xué)家）為一個(gè)學(xué)派，這個(gè)學(xué)派在國際云物理學(xué)界開辟了一個(gè)新的研究方向，其影響一直及于現(xiàn)在，而這卻是當(dāng)年我在大氣所開始研究云物理時(shí)所未曾料及的。

　　為什么當(dāng)時(shí)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(chǎn)生這樣大的影響呢？現(xiàn)在回想起來第一要?dú)w功于 《十四條》，沒有周總理和聶副總理的這一及時(shí)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(chǎn)任務(wù)，而不知道科學(xué)院的首要任務(wù)是出科研成果，是要搞研究在學(xué)科上有所創(chuàng)新。第二就是要?dú)w功于顧先生。我很幸運(yùn)在我進(jìn)行我人生中第一次科學(xué)研究時(shí)就遇到了顧先生這位好老師。是他為我抓住了當(dāng)時(shí)國際云物理最前沿的課題。在科學(xué)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(shí)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(jiān)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(dāng)時(shí)國際云物理界所關(guān)注的焦點(diǎn)。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(dǎo)。沒有他為我選定這樣好的一個(gè)題目，我人生中的第一個(gè)理論創(chuàng)新，就不可能在國際上產(chǎn)生這樣大的影響。顧先生如果地下有知，在得知在他的引導(dǎo)下，在當(dāng)時(shí)還是閉關(guān)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(shí)，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(yáng)眉吐氣。大氣所也有反應(yīng)，馬上組建了大氣擴(kuò)散課題組。仍然由顧震潮先生領(lǐng)導(dǎo)，現(xiàn)在他的任務(wù)更重了，除了負(fù)責(zé)這個(gè)新組建的課題組以外，還領(lǐng)導(dǎo)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(wù)帶學(xué)科”，我國的大氣物理事業(yè)就這樣通過一個(gè)一個(gè)的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)任務(wù)，國防建設(shè)任務(wù)，從無到有從小到大逐步逐步地建立起來。在這個(gè)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?jīng)_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(kuò)散事業(yè)時(shí)，也和他開拓我國云物理事業(yè)一樣，首先組織我們學(xué)習(xí)英國著名的大氣擴(kuò)散專家帕斯奎爾（Pasquill）剛出版不久的著作《大氣擴(kuò)散》一書。

那時(shí)雖處在閉關(guān)鎖國時(shí)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(nèi)。由于空氣污染擴(kuò)散問題隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，隨著現(xiàn)代化軍事技術(shù)的發(fā)展而日益嚴(yán)重，所以湍流大氣擴(kuò)散問題，也隨之而成為一個(gè)國際上非�；钴S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?jǐn)U充修訂出了第三版，可見這個(gè)課題在國際上發(fā)展之迅速。因?yàn)榈谌�版補(bǔ)充了以前兩版所沒有的中尺度和大尺度的擴(kuò)散問題，所以作者也增加了一位，叫史密斯（Smith）�！洞髿鈹U(kuò)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(xué)出版社出版。60年代大氣所組建大氣擴(kuò)散組時(shí)，我還在云物理課題組，但顧先生在組織新成立的大氣擴(kuò)散組學(xué)帕斯奎爾書的時(shí)候，叫我也參加了。學(xué)了一陣子以后，顧先生叫我干脆全部調(diào)離云物理組而參加到大氣擴(kuò)散組中來，成為那個(gè)組中的正式成員。所以可以說我參加了顧先生組織的學(xué)習(xí)帕斯奎爾書的全過程，還要補(bǔ)充一句，那個(gè)時(shí)代還是“服從分配”的時(shí)代，沒有“自由選題”一說。領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)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(diào)動。那時(shí)候人們的政治熱情很高，能夠?yàn)槲覈�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(diào)動。

　　帕斯奎爾書的頭幾章講的是湍流的ABC，因?yàn)樵�子彈爆炸以后產(chǎn)生的放射性煙團(tuán)，以及工廠煙筒里冒出來的煙羽，它們的寬度都隨時(shí)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(kuò)散實(shí)質(zhì)上就是湍流擴(kuò)散，特別是近距離擴(kuò)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(shí)在朱崗崐先生的領(lǐng)導(dǎo)下，我們學(xué)了前蘇聯(lián)學(xué)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(rèn)識到普朗托（Prandtl 1925），馮卡爾曼（1930），普朗托(1933)的半經(jīng)驗(yàn)混合長湍流理論。及由此而導(dǎo)出的水平平均風(fēng)速隨距地面的高度成對數(shù)分布的規(guī)律。當(dāng)然這是中性條件無熱力因子時(shí)才成立。當(dāng)近地面大氣中有熱力因子存在時(shí)，還要加以訂正。后來，由于大氣所進(jìn)一步收縮戰(zhàn)線，近地面物理組被撤銷。我就調(diào)到云物理組，這方面的學(xué)習(xí)就沒有能繼續(xù)進(jìn)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(jī)生長過程的作用時(shí)，自學(xué)了有關(guān)湍流的基本知識。這使我第一次學(xué)習(xí)了前蘇聯(lián)著名概率論學(xué)派代表人物，柯爾莫果洛夫的局地各向同性的湍流統(tǒng)計(jì)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(cuò)誤理論。我對柯爾莫果洛夫湍流理論的認(rèn)識由此開始。現(xiàn)在在大氣擴(kuò)散組隨顧震潮先生學(xué)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(xué)習(xí)中我又知道湍流擴(kuò)散有兩種理論，一種是前面講的普朗托的混合長理論，這個(gè)理論可以確定湍流輸送時(shí)的擴(kuò)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(jì)理論，這個(gè)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(jīng)驗(yàn)混合長理論的建立還要早四年，但是由于統(tǒng)計(jì)理論在應(yīng)用上的困難，直到1934年英國著名學(xué)者薩頓成功地把G.I. 泰勒擴(kuò)散的統(tǒng)計(jì)理論應(yīng)用到近地面、短距離的擴(kuò)散問題中來時(shí)，泰勒的理論才確立了它在大氣擴(kuò)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(shí)驗(yàn)觀測又提出了一個(gè)更方便的假說，通過這個(gè)假說人們可以把在地面固定地點(diǎn)上觀測到的湍流能譜分布，換算成擴(kuò)散煙團(tuán)中某個(gè)隨煙團(tuán)一起運(yùn)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(diǎn)的湍譜觀測代入到G.I.泰勒 的擴(kuò)散公式中去，從而可以得到煙團(tuán)寬度隨時(shí)間的演變規(guī)律了。哈伊和帕斯奎爾的這個(gè)工作已得到實(shí)驗(yàn)觀測證實(shí)。于是就確立了帕斯奎爾在大氣擴(kuò)散領(lǐng)域中的地位。同時(shí)也就更加牢固地確立了G.I. 泰勒湍流擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論的優(yōu)勢地位。

　　從顧先生領(lǐng)導(dǎo)的這次學(xué)習(xí)中，我還知道了大氣湍流擴(kuò)散本身也可分為兩類，即絕對擴(kuò)散和相對擴(kuò)散。當(dāng)原子彈爆炸后 所產(chǎn)生的放射性煙團(tuán)隨時(shí)間其寬度會不斷加大，這是相對擴(kuò)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(kuò)散。這種擴(kuò)散是由尺度小于煙團(tuán)，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(gè)廣譜，除去比煙團(tuán)或煙羽寬度小的湍渦以外，在湍流大氣中還存在著比煙團(tuán)、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(tuán)、煙羽寬度變得更寬，而是使煙團(tuán)、煙羽本身繞著平均風(fēng)速方向做上下左右的隨機(jī)擺動。于是從固定地點(diǎn)的橫截面上長時(shí)間觀測到的煙團(tuán)、煙羽寬度它是煙團(tuán)、煙羽本身變寬，并加上上下左右擺動的結(jié)果。而前面普蘭托半經(jīng)驗(yàn)混合長理論和G.I. 泰勒的統(tǒng)計(jì)理論預(yù)測的都是這種擴(kuò)散，叫絕對擴(kuò)散。很明顯，絕對擴(kuò)散所測出的煙團(tuán)、煙羽寬度，要比相對擴(kuò)散所測出的寬度要更寬，因?yàn)樗�還加上了煙團(tuán)、煙羽的擺動。于是，絕對擴(kuò)散的理論預(yù)測所給出的煙霧濃度要比照相對擴(kuò)散預(yù)測所給出的煙霧濃度要小。這樣按照普朗托的半經(jīng)驗(yàn)混合長理論和G.I.泰勒統(tǒng)計(jì)理論來預(yù)告原子彈爆炸后所產(chǎn)生的放射性煙團(tuán)的危害范圍就出了問題。因?yàn)樗鼈冾A(yù)測的是絕對擴(kuò)散的稀釋過程，這種稀釋過程當(dāng)然速度比較快，按這種稀釋過程預(yù)測出的臨界危害距離就比較小。但實(shí)際上被危害的人們所接受到的是某一瞬時(shí)的煙團(tuán)的濃度，這顯然是煙團(tuán)本身寬度造成的煙霧濃度大小，而不應(yīng)把煙團(tuán)擺動的效應(yīng)包括進(jìn)來。因此這是相對擴(kuò)散所決定的，它的濃度顯然要比絕對擴(kuò)散理論所預(yù)測的濃度要大。這里就會產(chǎn)生一個(gè)嚴(yán)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(tuán)的擴(kuò)散問題，所以顧先生要我們要特別注意研究煙團(tuán)的相對擴(kuò)散問題。顧先生舉了一個(gè)例子，因?yàn)槿祟悓ο鄬�擴(kuò)散的理論認(rèn)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(shí)間中,美國氣象專家為美國在太平洋比基尼島原子彈實(shí)驗(yàn)發(fā)布放射性煙霧的危害警報(bào)區(qū)域比實(shí)際小?點(diǎn)擊此處閱讀下一頁)

　　結(jié)果就出了嚴(yán)重事故。有的船只在預(yù)報(bào)的危害區(qū)域外活動，但實(shí)際還在相對擴(kuò)散危害區(qū)之內(nèi)，因此受到放射性煙霧的傷害，產(chǎn)生致命的后果，這是一個(gè)慘痛的教訓(xùn)。由此人們開展了對相對擴(kuò)散的研究，終于在50年代有了突破。做出這個(gè)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(jì)理論的路線前進(jìn)，把G.I.泰勒的一個(gè)粒子的絕對運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)理論，換成兩個(gè)粒子的相對運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)理論。這樣就可把G.I.泰勒的絕對擴(kuò)散理論，推廣到現(xiàn)在的相對擴(kuò)散理論。因?yàn)橐粋�(gè)粒子的絕對運(yùn)動包含了從大到小所有尺度湍渦的信息。而兩個(gè)粒子的相對運(yùn)動，只能反映出尺度比兩點(diǎn)距離小的小湍渦的信息，所得到的是相對擴(kuò)散。然后，他們把柯爾莫果洛夫的局地各向同性湍流理論應(yīng)用到相對擴(kuò)散問題中來。因?yàn)榭聽柲�果洛夫理論給出的就是兩點(diǎn)速度差的均方值，正可以用來計(jì)算在經(jīng)歷了相對擴(kuò)散后煙團(tuán)寬度的大小。于是，煙團(tuán)寬度的均方值與時(shí)間關(guān)系，除去初始時(shí)刻有一個(gè)按原來老泰勒理論所預(yù)測的隨時(shí)間平方增長關(guān)系，在擴(kuò)散時(shí)間遠(yuǎn)大于相關(guān)時(shí)間后，有一個(gè)隨時(shí)間成一次方增長關(guān)系外，中間緊接初始時(shí)段之后，有一個(gè)按時(shí)間成三次方增長關(guān)系。這是由柯爾莫果洛夫理論中的“慣性子區(qū)間”之特點(diǎn)所決定的。這是巴切勒把泰勒理論和柯爾莫果洛夫理論結(jié)合起來得到的新結(jié)果。這個(gè)加速增長的關(guān)系已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，由此進(jìn)一步確立了柯爾莫果洛夫湍流理論在煙團(tuán)擴(kuò)散問題中的地位，并確立了巴切勒在煙團(tuán)擴(kuò)散中的地位。這也是第二次使我認(rèn)識到柯爾莫果洛夫湍流理論的重要性，并第一次認(rèn)識到巴切勒工作的重要性。因?yàn)闊焾F(tuán)擴(kuò)散問題正是原子彈爆炸實(shí)驗(yàn)中所迫切需要知道的。

　　北京天堂河農(nóng)場實(shí)驗(yàn)

　　按照顧先生的意圖，我們研究的重點(diǎn)應(yīng)該是煙團(tuán)的相對擴(kuò)散，這才能對我國原子彈試驗(yàn)提供服務(wù)。于是1966年5－6月我們學(xué)習(xí)了帕斯奎爾的《大氣擴(kuò)散》后，就進(jìn)行了一次北京南郊天堂河農(nóng)場煙團(tuán)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，其目的是用以檢驗(yàn)巴切勒（1950）以及他和湯森德（1956）煙團(tuán)擴(kuò)散理論。經(jīng)過短短一年多的努力，這實(shí)驗(yàn)終于得以在北京南郊的天堂河農(nóng)場實(shí)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(shí)驗(yàn)工作。這次實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是煙團(tuán)發(fā)生裝置，另一個(gè)是照相取樣設(shè)備，都是在他的努力下解決的。實(shí)驗(yàn)在1966年6月下旬結(jié)束，我們回到大氣所，開始分析資料數(shù)據(jù)。在初步分析實(shí)驗(yàn)資料中，我驚異地發(fā)現(xiàn)實(shí)際煙團(tuán)擴(kuò)散情況，要比巴切勒的煙團(tuán)擴(kuò)散理論復(fù)雜得多。最特別的是，煙團(tuán)寬度并不總是隨時(shí)間增長變寬。相反，有的時(shí)候它還會出現(xiàn)隨時(shí)間而使煙團(tuán)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?yàn)闊焾F(tuán)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(bào)的范圍就應(yīng)更大。否則按現(xiàn)有理論來發(fā)布預(yù)報(bào)，同樣會發(fā)生嚴(yán)重事故�？磥戆颓欣盏睦碚撨�存在漏洞，他只考慮了比煙團(tuán)尺度小的湍流作用，以及比煙團(tuán)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(tuán)寬度大小相當(dāng)?shù)耐臏u，在適當(dāng)?shù)臈l件下，這種尺度的湍渦可能就會構(gòu)成一個(gè)輻合流場，使煙團(tuán)收縮，考慮這種尺度湍流的作用，應(yīng)該是湍流擴(kuò)散理論的一個(gè)前沿課題。但是可惜，還沒有等我們把全部實(shí)驗(yàn)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(zāi)難開始了。于是很遺憾，我在顧先生領(lǐng)導(dǎo)下所進(jìn)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(wù)的工作就還在進(jìn)行，正是在這時(shí)候，大氣所組建了一個(gè)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(yīng)用，我國也不例外，例如激光武器，激光雷達(dá)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(chǎn)生甚麼影響有透徹了解，105組于是應(yīng)運(yùn)而生。那時(shí)所有老先生或是受沖擊或是靠邊站，于是這個(gè)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(yīng)，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(kuò)散組求援，我被看中是懂得湍流的人，于是就被調(diào)進(jìn)105組，從此就離開了顧先生。1971年6月，這個(gè)組集體搬遷到合肥，到了中國科學(xué)院合肥分院安徽光機(jī)所。從此我不但永遠(yuǎn)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(shí)未能參加對他的追悼會，是一憾事。

　　向顧震潮先生學(xué)習(xí)

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

　　第一要學(xué)習(xí)他的愛國主義精神。顧先生具有強(qiáng)烈的愛國主義精神，他有一顆熾熱的愛國心。正是在這種強(qiáng)烈的愛國心情鼓舞下，他能做到以身許國。每當(dāng)國家有事，需要他放棄他原有的已經(jīng)作出很好成績的專業(yè)，去開拓他不熟悉甚至是沒有學(xué)過的新事業(yè)時(shí)，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(dāng)年顧先生的要好多了，但是在這樣好的條件下，我們?nèi)匀恍枰�這種精神。我們要向顧先生那樣，為祖國的繁榮富強(qiáng)，為中華民族的偉大復(fù)興，特別是要為中華民族在科學(xué)事業(yè)上的偉大復(fù)興奮斗終身。

　　第二要學(xué)習(xí)他在研究方向上敢于抓大問題的大無畏精神。無論是國計(jì)民生上的大問題，或是學(xué)科發(fā)展上的大問題，顧先生都敢抓，敢于攻堅(jiān)。眾所周知問題越大難度越大，要付出更大精力，更長的時(shí)間，出論文就慢，甚至有更大的風(fēng)險(xiǎn)，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(jiān)上具有堅(jiān)定的意志，而不考慮個(gè)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(gè)單位和一個(gè)人的成績大小，其壓力之大可想而知。但中華民族在科學(xué)事業(yè)上的偉大復(fù)興，決不可能靠論文數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，只能靠我們在國計(jì)民生上解決了多少大問題，只能靠我們在學(xué)科發(fā)展上解決多少大問題來實(shí)現(xiàn)。因此在當(dāng)前為中華民族的偉大復(fù)興事業(yè)奮斗中，學(xué)習(xí)顧先生這種敢于抓大問題敢于攻堅(jiān)的精神是十分必要的。

　　第三要學(xué)習(xí)顧先生關(guān)心，愛護(hù)，培養(yǎng)青年人的精神。顧先生在開拓新學(xué)科時(shí)，不是一個(gè)人單干，他總是帶領(lǐng)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(xué)好的基本文獻(xiàn)。在學(xué)習(xí)中他善于引導(dǎo)我們抓住主要問題，他鼓勵(lì)我們在學(xué)習(xí)文獻(xiàn)時(shí)，要對現(xiàn)有學(xué)說現(xiàn)有理論持懷疑態(tài)度，要敢于批評現(xiàn)有的學(xué)說和理論，并且要敢于提出新的見解和新的理論。他特別強(qiáng)調(diào)要重視實(shí)驗(yàn)，要學(xué)會從實(shí)驗(yàn)觀測中去辨別真?zhèn)危�去提出新的觀點(diǎn)和新的看法。在實(shí)踐中他更是言傳身教，以自己的實(shí)際行動來告訴大家應(yīng)該怎么做。這樣，從無到有，在他的教導(dǎo)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(xiàn)。顧先生的這種培養(yǎng)年輕人的精神，在今天尤其應(yīng)該大力發(fā)揚(yáng)。中華民族偉大復(fù)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(rèn)的大師級人物，在我們偉大祖國的土地上涌現(xiàn)。因此，學(xué)習(xí)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。

　�。ū疚倪x自拙著《創(chuàng)新話舊――談科學(xué)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(guān)段落，加以必要的刪改補(bǔ)充而成，作者授權(quán)天益發(fā)布）

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