《創(chuàng)新話舊》第8章

　　第八章 創(chuàng)新點(diǎn)（7）── 兩點(diǎn)知識(shí)創(chuàng)新

　　8．1 為大氣激光工程服務(wù)

　　8．1．1 知識(shí)創(chuàng)新與理論創(chuàng)新

　　本章所談的創(chuàng)新點(diǎn)全名叫“我國(guó)大氣湍流、大氣閃爍及其對(duì)激光工程影響的研究”。這是一個(gè)知識(shí)創(chuàng)新－與前面幾章所談的理論創(chuàng)新不同，它是應(yīng)我們?cè)诘谄哒轮兴�談的�?972年春天在安徽光機(jī)所時(shí)王大珩先生對(duì)我們提出的第二條要求,而創(chuàng)造出的一個(gè)成果，是直接為遠(yuǎn)程大氣激光工程研制服務(wù)的。前面幾章談到理論創(chuàng)新，是要發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的理論中存在的問題，并建立新的理論。但在為工程服務(wù)時(shí)，對(duì)理論所取的態(tài)度，卻與之相反。此時(shí)，我們首先要取的態(tài)度是，承認(rèn)現(xiàn)有理論的正確性。在此基礎(chǔ)上，使用現(xiàn)有理論來為工程服務(wù)，回答工程人員所提出的問題。這些問題的答案是現(xiàn)有知識(shí)中所沒有的，所以這仍然是創(chuàng)新，只不過它不是理論上的創(chuàng)新，而是在知識(shí)上的創(chuàng)新，這些新知識(shí)可以為工程的研制提供一些服務(wù)。因?yàn)樗�是工程人員所需要知道的。

　　由于1972年春天在安徽光機(jī)所， 我們向王大珩先生一行工程人員匯報(bào)時(shí)，所使用的大氣湍流數(shù)據(jù)是根據(jù)美國(guó)的資料計(jì)算出，它固然說明大氣湍流、大氣閃爍可以對(duì)激光雷達(dá)和激光大氣通訊有嚴(yán)重影響，但那畢竟來源于美國(guó)的資料，不能用以確切解決我國(guó)工程所面臨的問題。所以很自然以王大珩為首的工程人員就向我們提出了一個(gè)要求，要我們弄清楚我國(guó)大氣湍流分布的特點(diǎn)，以及它們究竟會(huì)對(duì)我國(guó)激光工程研制產(chǎn)生甚麼影響。這就產(chǎn)生了本章所要介紹的第七個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

　　8．1．2 現(xiàn)在輪到了我們

　　在接受王大珩先生所提出的任務(wù)同時(shí)，我們?cè)谡n題組內(nèi)開展了一次學(xué)習(xí)活動(dòng)。這次學(xué)習(xí)以塔塔爾斯基的《湍流大氣中波的傳播理論》為主。1971年我們接受王先生的任務(wù)之前，國(guó)內(nèi)還沒有人開展過這方面的研究工作。雖然我本人在大氣所105組搬遷之前，曾抓緊時(shí)間自學(xué)過一些，并因此在搬遷合肥之后，很快地就打開了局面。但我深知，為要在國(guó)內(nèi)開展這方面的研究工作，光靠我一個(gè)人的力量還不行，我應(yīng)該向以前帶領(lǐng)我們邊學(xué)習(xí)邊開拓新領(lǐng)域的老先生們學(xué)習(xí)，通過一邊學(xué)習(xí)這個(gè)新領(lǐng)域中的基本理論，一邊開展相應(yīng)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作。以此來鍛煉出我們自己的研究隊(duì)伍。這才能使這項(xiàng)新工作在我國(guó)的土壤中生根開花結(jié)果。既然105組中沒有老先生，那就輪到了我們來組織這項(xiàng)學(xué)習(xí)活動(dòng)了。確實(shí)，當(dāng)時(shí)安徽光機(jī)所是由一批更年輕的朋友們組成，我們這些人也就成了安徽光機(jī)所的“老同志”。

　　波在湍流介質(zhì)中的傳播理論，是湍流科學(xué)與無線電物理、天文學(xué)、激光物理、聲學(xué)以及大氣光學(xué)、大氣聲學(xué)等學(xué)科交叉的產(chǎn)物。早在塔塔爾斯基的理論之前，在20世紀(jì)的上半葉，就已有了這方面的研究，那是在無線電工程，光學(xué)工程，聲學(xué)工程的帶動(dòng)下發(fā)展起來的。這是一門應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。然而在塔塔爾斯基1959年工作之前，在這個(gè)領(lǐng)域中工作的專家對(duì)湍流研究并不熟悉，對(duì)在1941年創(chuàng)造出的柯爾莫果洛夫湍流理論更是無人知曉。因此大家對(duì)決定波動(dòng)在湍流介質(zhì)中傳播特征的湍流微結(jié)構(gòu)，也就做了很粗略的假設(shè)，它們是從一般概率論，隨機(jī)過程論引進(jìn)來的概念。因而不可能正確地反映出湍流微結(jié)構(gòu)的規(guī)律，也就不可能得到正確的結(jié)果。只是到了塔塔爾斯基1959年的工作，才系統(tǒng)地把柯爾莫果洛夫的湍流理論，結(jié)構(gòu)函數(shù)的2/3定律，以及一維湍譜的－5//3定律，三維湍譜的－11/3定律引入于本問題的研究。所得結(jié)果，自然就能正確地揭示出波動(dòng)在湍流介質(zhì)中傳播的規(guī)律性。例如，塔塔爾斯基所得到的大氣閃爍強(qiáng)度和傳播距離L成11/6次方的增長(zhǎng)關(guān)系；
和折射率湍流強(qiáng)度Cn2成正比增長(zhǎng)關(guān)系。在閃爍強(qiáng)度不太大時(shí)，已被實(shí)驗(yàn)證明正確。從此就確立了塔塔爾斯基理論在這一領(lǐng)域的權(quán)威地位。塔塔爾斯基的著作在1961年被翻譯成英文在西方出版�，F(xiàn)在已成為在這一領(lǐng)域中國(guó)際同行經(jīng)常要引用的經(jīng)典文獻(xiàn)。前蘇聯(lián)學(xué)者的著作在西方 也能得到公認(rèn)的并不多，前面第五章講的富克斯的《氣溶膠力學(xué)》是一本，這里塔塔爾斯基的書是又一本。

　　塔塔爾斯基用平緩擾動(dòng)法求解馬克斯威爾（Maxwell）的波動(dòng)方程，從而得到了波動(dòng)方程的統(tǒng)計(jì)解。所謂平緩擾動(dòng)是指擾動(dòng)量可以很大、很強(qiáng)，但擾動(dòng)量在空間的分布變化卻比較平緩，也就是說它的梯度很小。很明顯這種方法意圖解決比一般小擾動(dòng)方法更為普遍的強(qiáng)擾動(dòng)問題。但后來的實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)擾動(dòng)強(qiáng)度比較大，例如閃爍強(qiáng)度增長(zhǎng)達(dá)到0.6時(shí)，就不再繼續(xù)按塔塔爾斯基的公式增長(zhǎng)而達(dá)到了飽和。這是塔塔爾斯基平緩擾動(dòng)理論失效的地方，叫做“閃爍飽和”。從理論上看，這是一個(gè)十分艱難復(fù)雜的問題，至少到我們工作的70年代還沒有解決。但從應(yīng)用上看這倒使問題變簡(jiǎn)單了。一旦我們碰到閃爍量達(dá)到0.6時(shí)，就使之停下來。放棄塔塔爾斯基的公式，使不再隨傳播距離L的增加而增加，也不再隨湍流強(qiáng)度Cn2增加而增加，而是保持在飽和值0.6的水平即可。

　　此外塔塔爾斯基的書研究平面波球面波在穿過湍流大氣時(shí)所受到的擾動(dòng)影響，但激光工程使用的都是束狀波，這要比平面波與球面波復(fù)雜得多。為使塔塔爾斯基的理論能應(yīng)用倒60年代以后才發(fā)明的激光工程中去，1967年美國(guó)學(xué)者舒梅爾澤（ Schmeltzer）與弗里德和1969年伊勢(shì)馬魯(Ishmaru)先后都研究了束狀波在湍流大氣中的傳播過程。他們的基本方法沒有變，仍然使用了塔塔爾斯基的平緩擾動(dòng)法，而舒梅爾澤與弗里德1967年的方法和伊勢(shì)馬魯1969年的方法在細(xì)節(jié)上又有所不同。就中已伊勢(shì)馬魯?shù)臑樽詈�。我們就采用了他的結(jié)論。然而由于束狀波并非絕對(duì)平行光束，它們還是有發(fā)散角，雖然很小。大量的理論計(jì)算又表明，當(dāng)光束傳播距離大于100公里以后，束狀波的計(jì)算趨于和球面波一致，所以對(duì)于中長(zhǎng)距離的激光工程而言，仍然可以使用球面波來近似。

　　為了鞏固這次學(xué)習(xí)成果，鑒于塔塔爾斯基這本書已成為國(guó)際上在這一領(lǐng)域中影響深遠(yuǎn)的經(jīng)典著作，我們就組織了力量 一邊學(xué)習(xí)，一邊把這本書翻譯成中文，參加翻譯工作的還有宋正方、曾宗泳、顧慰渝。打倒“四人幫”后，我們把它交給科學(xué)出版社，于1978年出版。翻譯按照1961年英文版進(jìn)行，在翻譯過程中還參照了它的1959年俄文原著。塔塔爾斯基在1967年時(shí)，對(duì)原書做了修正，出了第二版。我們當(dāng)時(shí)限于條件，搞不到手。于是在我們1978年中文版的《譯者的話》中除了介紹這本書的重要意義和它的國(guó)際影響以外，還講到該書的缺點(diǎn)錯(cuò)誤之處。特別是“閃爍飽和”一事，塔塔爾斯基對(duì)此曾在該書1959年第一版中有不恰當(dāng)?shù)慕忉?，當(dāng)時(shí)他沒有認(rèn)識(shí)到這是他的平緩擾動(dòng)方法的局限性。對(duì)此我們?cè)?978年中文版的《譯者的話》中給予了更正，介紹了在1970－1975年間國(guó)際上三篇新的重要工作給讀者。對(duì)于光學(xué)接收系統(tǒng)使用大口徑接收來光滑、降低大氣閃爍強(qiáng)度，我們也給出了新的理論分析和計(jì)算�？傊�，我們盡力使我國(guó)讀者能夠跟上時(shí)代前進(jìn)的步伐，不但能了解到這一領(lǐng)域中的基本理論，也能了解到這一領(lǐng)域當(dāng)時(shí)的最新動(dòng)態(tài)。

　　沒有想到我們70年代于安徽光機(jī)所做的這一小小的工作，后來在我國(guó)的相關(guān)領(lǐng)域中產(chǎn)生了有益影響。90年代，因一次偶然的機(jī)會(huì)，我有幸參加了北京大氣物理所的一次會(huì)議，鄰座一位部隊(duì)來的朋友和我互通姓名后說，他早就知道我的名字，對(duì)我表示出相當(dāng)大的熱情。我因自1971年離開大氣所后就和大氣物理學(xué)界的人基本上沒有來往，對(duì)這位朋友的舉止不太理解。后來他講起，他是因?yàn)閷W(xué)習(xí)過塔塔爾斯基的書而得知我的名字。我才恍然大悟，原來那本書居然在部隊(duì)中也起了良好的作用。進(jìn)入21世紀(jì)后不久，在天津理工大學(xué)工作的幾位朋友，把他們?cè)谔祗w物理領(lǐng)域的一些工作送給我看。拜讀之下，才發(fā)現(xiàn)他們的論文也引用了我們翻譯的塔塔爾斯基的著作，而且經(jīng)常引用。從70年代我們學(xué)習(xí)并翻譯這本書開始，到現(xiàn)在已過去三十多年。想到這本書居然能經(jīng)受了三十多年時(shí)間的考驗(yàn)，其影響能夠及于現(xiàn)在，這不能不使人感到欣慰。

　　8．2 知識(shí)創(chuàng)新之一

　　這個(gè)新知識(shí)是指我國(guó)大氣湍流強(qiáng)度在整層大氣中分布的一個(gè)模型，它是王大珩先生在1971年提出的一個(gè)基本要求。要我們弄清我國(guó)大氣湍流分布的實(shí)際情況，以此作為討論問題的出發(fā)點(diǎn)。通常人們可以通過兩種手段來獲取這方面的知識(shí)。一是靠直接和間接的大氣湍流探測(cè)；
另一個(gè)途經(jīng)則是根據(jù)一定的理論設(shè)想，從常規(guī)的氣象要素的平均場(chǎng)探空觀測(cè)資料中來估算大氣湍流場(chǎng)的分布特征。第一種湍流大氣的探測(cè)方法，當(dāng)然最好，它所獲取的資料可靠性更大，精度也高。缺點(diǎn)是費(fèi)用昂貴，要使用飛機(jī)做大量的飛行觀測(cè)，而這一般不可能。所以我們?cè)诋?dāng)時(shí)也就選取第二條道路。走這條道路，首先就要解決好對(duì)柯爾莫果洛夫和塔塔爾斯基理論取什么態(tài)度問題。我們?cè)谏弦还?jié)已經(jīng)談到，塔塔爾斯基的成功是他把柯爾莫果洛夫1941年湍流理論第一次全面系統(tǒng)地引入于波動(dòng)傳播問題中來，而取得的結(jié)果。然而根據(jù)我們?cè)诘谄哒峦牧鞑贿B續(xù)性的發(fā)現(xiàn)中已經(jīng)談到，柯爾莫果洛夫理論的湍流模型有問題，湍流理論需要重新塑造。在這種情況下，我們還能繼續(xù)跟著塔塔爾斯基去使用柯爾莫果洛夫理論嗎？對(duì)此，我們 認(rèn)為仍然可以。第一，到現(xiàn)在為止基礎(chǔ)研究工作者還沒有創(chuàng)造出一個(gè)能為大家所公認(rèn)的新理論來。因此應(yīng)用工作者就只能在原有的柯爾莫果洛夫理論的基礎(chǔ)上，去解決工程應(yīng)用中提出的實(shí)際問題。第二，上一章中談到湍流的不連續(xù)性發(fā)現(xiàn)，也沒有全盤否定柯爾莫果洛夫理論，只是否定了他的物理模型，而柯爾莫果洛夫理論所預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)函數(shù)2/3定律、一維湍譜－5/3定律卻仍然正確�，F(xiàn)在，在使用塔塔爾斯基理論時(shí)，對(duì)描述湍流強(qiáng)度的特征量，例如溫度脈動(dòng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)CT2，以及折射率起伏的結(jié)構(gòu)函數(shù)Cn2，仍然是由柯爾莫果洛夫理論所導(dǎo)出的上述湍流微結(jié)構(gòu)的2/3定律才得到。既然2/3定律和－5/3定律仍然正確，那么使用由此導(dǎo)出的描述溫度湍流場(chǎng)強(qiáng)度CT2，以及折射率起伏的湍流強(qiáng)度Cn2就仍然有充分根據(jù)。第三，我們?cè)谏弦还?jié)中已經(jīng)談到，塔塔爾斯基理論本身關(guān)于閃爍強(qiáng)度隨距離增長(zhǎng)關(guān)系，關(guān)于它和折射率湍流強(qiáng)度Cn2的增長(zhǎng)關(guān)系，在閃爍未達(dá)到飽和之時(shí)都已有實(shí)驗(yàn)證明。那么我們?cè)诖朔秶鷥?nèi)應(yīng)用塔塔爾斯基理論就完全可以允許。萬一閃爍達(dá)到飽和以后，我們只需放棄塔塔爾斯基的增長(zhǎng)關(guān)系，保持閃爍強(qiáng)度為飽和值即可。

　　還余下一個(gè)更重要的問題，那就是如何根據(jù)常規(guī)氣象要素平均場(chǎng)的探空觀測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出大氣溫度和折射率湍流場(chǎng)強(qiáng)度CT2和Cn2的分布規(guī)律。這個(gè)問題也已由塔塔爾斯基所解決。

　　波動(dòng)的傳播所需要知道的是大氣折射率湍流強(qiáng)度Cn2 ，直接觀測(cè)它是不可能。由于大氣折射率起伏強(qiáng)度Cn2主要決定于溫度湍流場(chǎng)的強(qiáng)度CT2，而CT2與Cn2的關(guān)系又是已知，所以一旦CT2已定，Cn2就能計(jì)算出來。與此相同，從常規(guī)氣象要素場(chǎng)，也不能直接導(dǎo)出Cn2的計(jì)算公式，它同樣只能導(dǎo)出CT2的計(jì)算公式。

然后根據(jù)相同的關(guān)系可以計(jì)算出Cn2數(shù)值。而溫度湍流強(qiáng)度CT2和常規(guī)氣象要素場(chǎng)的關(guān)系公式，則仍然是塔塔爾斯基根據(jù)由大尺度平均溫度梯度場(chǎng)在單位時(shí)間里所能產(chǎn)生出來的溫度起伏不均勻量，在平衡時(shí)候，與在分子尺度上，由空氣分子導(dǎo)溫率單位時(shí)間里所平滑掉的溫度不均勻量相等的原理導(dǎo)出。

　　然而在塔塔爾斯基導(dǎo)出的CT2和常規(guī)氣象要素平均場(chǎng)梯度關(guān)系中仍有一個(gè)湍流場(chǎng)的未知量，即湍流交換系數(shù)K。對(duì)此，塔塔爾斯基使用了1958年馬特維也夫（Matviev）對(duì)湍流交換系數(shù)K的觀測(cè)結(jié)果。但馬特維也夫1958年的觀測(cè)僅僅由32次飛行觀測(cè)做出，代表性不大，以后并未被普遍接受。1964年美國(guó)學(xué)者赫弗納蓋爾（Hufnagel）和斯坦利(Stanley)建議，把塔塔爾斯基關(guān)系式中的湍流交換系數(shù)K用另一個(gè)湍流場(chǎng)的特征量，即 湍能耗散率e的資料代替，因而得到了一個(gè)新公式。而e的觀測(cè)數(shù)據(jù)，他們則建議采用1961年博爾（Ball）的工作。該工作比較有代表性，比馬特維也夫的K分布更可靠。1964年 被湍流領(lǐng)域中著名的美國(guó)學(xué)者蘭姆利（Lumley）和帕諾夫斯基（Panofsky）收入他們合著的《大氣湍流結(jié)構(gòu)》一書。因而博爾的e分布，取代了馬特維也夫的K分布而為波動(dòng)傳播領(lǐng)域的同行們所采用。我們也不例外，采用了赫弗納蓋爾和斯坦利新導(dǎo)出的CT2和常規(guī)氣象要素平均場(chǎng)梯度的關(guān)系式，式中的e分布也就同樣采取了博爾的1961年的數(shù)據(jù)。

　　然而，按照以上方案，由常規(guī)氣象要素平均場(chǎng)的梯度計(jì)算出來的CT2分布，(點(diǎn)擊此處閱讀下一頁)

　　以及相應(yīng)的Cn2分布偏大。赫弗納蓋爾于1966年，由實(shí)測(cè)出的大氣閃爍量和按從常規(guī)氣象要素場(chǎng)導(dǎo)出的Cn2分布計(jì)算出的大氣閃爍比較后才發(fā)現(xiàn)此問題，幸而柯爾莫果洛夫湍流理論是用量綱分析法導(dǎo)出。前已指出用這種方法導(dǎo)出的結(jié)果其中的比例系數(shù)要由實(shí)驗(yàn)決定，不可能像低雷諾數(shù)流體力學(xué)以及氣溶膠力學(xué)那樣嚴(yán)格和精確。這本來是柯爾莫果洛夫理論的缺點(diǎn)，現(xiàn)在應(yīng)用中卻成了這理論的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一直以來人們使用的這一系數(shù)值是2.40，這是根據(jù)近地面觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的。1966年赫弗納蓋爾就根據(jù)實(shí)測(cè)的大氣閃爍數(shù)據(jù)反推出柯爾莫果洛夫理論中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正值，這當(dāng)然要比2.40小。不過2.40既然是近地面實(shí)測(cè)結(jié)果，并非理論確定的嚴(yán)格值。所以也就應(yīng)該允許赫弗納蓋爾對(duì)此按照實(shí)測(cè)大氣閃爍值來修正了。

　　赫弗納蓋爾1966年對(duì)柯爾莫果洛夫理論中的系數(shù)2.40的修正，當(dāng)然不能拿來應(yīng)用于我們中國(guó)的問題中來，因?yàn)槟鞘歉鶕?jù)美國(guó)的大氣閃爍實(shí)測(cè)值進(jìn)行的修正。幸而當(dāng)時(shí)上海的佘山天文臺(tái)對(duì)星光抖動(dòng)角和天頂距q的關(guān)系有一批觀測(cè)數(shù)據(jù)。在塔塔爾斯基理論體系中，除大氣閃爍有理論公式外，他也得到了星光抖動(dòng)和天頂距q的理論關(guān)系。使用這個(gè)關(guān)系也可以反過來推出柯爾莫果洛夫理論經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的修正值。在反推時(shí)，我們對(duì)近地面20米以內(nèi)仍然使用通常的公認(rèn)值2.40，只是反推20米以上的值,所得的這個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的平方值等于0.127 ，顯然也比2.40 的系數(shù)值為小。在這一條件下，由我們從上海常規(guī)氣象要素平均場(chǎng)梯度導(dǎo)出的折射率湍流場(chǎng)的Cn2分布，可以與上海佘山天文臺(tái)對(duì)星光抖動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致。于是，根據(jù)這個(gè)用上海星光抖動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)校正過的系數(shù)值，我們就得到了上海地區(qū)大氣折射率湍流場(chǎng)強(qiáng)度Cn2的分布。

　　這工作是在1972年我們接受了王大珩先生的任務(wù)后進(jìn)行，所以采用了那時(shí)還是最新的氣象資料。即從1968年到1972年五年間上海氣象臺(tái)的探空資料，當(dāng)時(shí)還沒有復(fù)印機(jī)，我和新到所的從清華大學(xué)來的顧慰渝一起到上海氣象臺(tái)專程出差，用手工抄錄他們這五年來，冬季1月07時(shí)和19時(shí)，夏季7月07時(shí)和19時(shí)，對(duì)氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速，從地面一直到距地面20公里的高空中隨高度變化的資料。探空資料一般也就到20公里高空為止，以上的氣象要素是未知。然而，一般天氣變化都發(fā)生在這20公里以下，叫對(duì)流層。做為天氣預(yù)報(bào)，這些資料也就夠用了。遠(yuǎn)程激光工程傳輸距離在1000公里，乍看起來，似乎探空資料限于20公里以內(nèi)，還不夠用。但是湍流活動(dòng)主要限于近地面大氣層，往上湍流強(qiáng)度衰減得很快。從我們得到的上海資料看，20公里高空的湍流強(qiáng)度已比近地面的減小了7個(gè)數(shù)量級(jí)。所以20公里以上的湍流強(qiáng)度我們可假定它為0。

　　最后還有一個(gè)重要問題，就是如何定義氣象要素的平均場(chǎng)問題。我們的定義是取五年氣象要素場(chǎng)的平均值，然后再用塔塔爾斯基公式計(jì)算湍流強(qiáng)度分布。我們的理由是，塔塔爾斯基關(guān)于平均場(chǎng)和湍流場(chǎng)的關(guān)系式之導(dǎo)出，其基礎(chǔ)是平均場(chǎng)和湍流耗散場(chǎng)之間取得了平衡，而湍流耗散場(chǎng)反映的是分子導(dǎo)溫率引起的耗散，是一個(gè)分子尺度上的特征。而探空氣象資料反映的是大尺度，即1000公里尺度的特征。為要在這兩種尺度相差達(dá)10多個(gè)數(shù)量級(jí)的過程達(dá)到平衡，其時(shí)間尺度應(yīng)十分巨大。所以我們才取五年氣象要素的平均值作為平均場(chǎng)。實(shí)即認(rèn)為在這樣長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，千公里尺度平均場(chǎng)與分子尺度的湍流耗散場(chǎng)才會(huì)達(dá)到平衡。曾經(jīng)在這一問題上有過不同意見。認(rèn)為按我們的定義計(jì)算出的折射率湍流強(qiáng)度Cn2在隨高度降低時(shí)存在起伏現(xiàn)象，有的起伏還相當(dāng)大，這不應(yīng)是五年平均湍流場(chǎng)應(yīng)該有的特征。他們認(rèn)為按常理，五年平均后得到的湍流強(qiáng)度隨高度分布應(yīng)該十分光滑。這里，分歧的實(shí)質(zhì)在于，我們五年平均的是常規(guī)氣象要素場(chǎng)，并不是平均的湍流強(qiáng)度分布。我們五年平均的氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速隨高度分布確實(shí)是光滑的，無起伏現(xiàn)象，但由此導(dǎo)出的湍流強(qiáng)度卻確實(shí)有起伏。因?yàn)榘此�塔爾斯基的理論，溫度湍流�?qiáng)度CT2是由氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速平均場(chǎng)的梯度產(chǎn)生的，雖然本身值連續(xù)、光滑，但其梯度值卻完全可以有起伏。這在數(shù)學(xué)上是完全合理的，在物理上也可以解釋為高空中存在晴空湍流所致。相反，若按他們的要求，求取五年湍流場(chǎng)的平均值，那勢(shì)必就要認(rèn)為，五年中每一天的探空資料都與分子耗散尺度取得了平衡，從而可以導(dǎo)出當(dāng)天的氣溫湍流強(qiáng)度CT2分布。然后五年平均下來，這樣的CT2就會(huì)光滑、無起伏了。然而我們已在前面指出，每天的探空資料與氣溫湍流耗散場(chǎng)兩者之間尺度相差十分巨大，不可能設(shè)想它們?cè)诿恳惶於紩?huì)達(dá)到平衡。我們承認(rèn)這樣算的氣溫湍流CT2分布，以及由此而計(jì)算出的折射率湍流強(qiáng)度Cn2分布要比我們的光滑得多，但在物理上這種計(jì)算方法站不住腳。

　　以上的工作，雖是在70年代“文革”結(jié)束之前即已完成，然而由于“文革”時(shí)期所有學(xué)術(shù)刊物都已�？�。所以這個(gè)上海地區(qū)整層大氣湍流強(qiáng)度分布的計(jì)算數(shù)據(jù)，直到打倒“四人幫”，并且《氣象學(xué)報(bào)》已恢復(fù)出版后，才在1980年發(fā)表在該學(xué)報(bào)的第38卷第2期上。作者有三人，除當(dāng)時(shí)還在安徽光機(jī)所工作的顧慰渝和我以外，還有計(jì)算所的魏公毅，他承擔(dān)了全部計(jì)算程序的設(shè)計(jì)與上機(jī)計(jì)算工作。

　　8．3 知識(shí)創(chuàng)新之二

　　這一方面的知識(shí)創(chuàng)新就是要告訴工程界的朋友們，在上述上海整層大氣湍流強(qiáng)度分布條件下，它對(duì)我國(guó)的遠(yuǎn)程激光雷達(dá)，和深空光通訊工程會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。

　　大氣湍流對(duì)激光大氣工程的影響多種多樣， 與大氣分子，大氣氣溶膠對(duì)激光大氣工程的影響比較單一不同，在那里主要是通過大氣分子，和大氣氣溶膠對(duì)激光光束能量的吸收和散射，使光束的能量衰減。而大氣湍流的效應(yīng)卻是多種多樣，對(duì)不同的激光大氣工程有不同的影響。例如，對(duì)激光武器而言，它會(huì)使光束漂移和抖動(dòng)，對(duì)聚焦光束還會(huì)起到湍流散焦的作用。對(duì)激光雷達(dá)而言，它會(huì)增加雷達(dá)追蹤靶標(biāo)時(shí)的丟靶概率。對(duì)激光大氣通訊工程而言，它會(huì)增加通訊中的誤碼率，對(duì)于外差接收系統(tǒng)而言，它會(huì)降低系統(tǒng)外差接收效率。我們則要研究湍流對(duì)遠(yuǎn)程激光雷達(dá)和深空光通訊的影響，所謂遠(yuǎn)程，即作用距離達(dá)到1000公里。

　　大氣湍流對(duì)激光雷達(dá)和激光大氣通訊的影響，主要通過它使光束的光強(qiáng)發(fā)生忽亮忽暗的閃爍而形成，叫大氣閃爍。大氣閃爍與大氣分子，大氣氣溶膠引起的衰減不同，它并不會(huì)使光束總能量衰減。在大氣湍流作用下，平均的光束能量并不會(huì)改變，但它會(huì)使光束能量做隨機(jī)的再分布。有的地方有的時(shí)候能量大一些，有的地方，有的時(shí)候能量小一些。這種光束的大氣閃爍就會(huì)使雷達(dá)的丟靶概率大為增加，使光通訊的誤碼率大為增加。原來沒有湍流時(shí)，工程中的丟靶概率和誤碼率是系統(tǒng)內(nèi)部的電子噪音造成。對(duì)此工程技術(shù)界已經(jīng)發(fā)明出一整套的信號(hào)檢測(cè)理論來對(duì)付它，使之能工作在最佳狀態(tài)。電子噪音無法根除，所以不可能做到0丟靶概率和0誤碼率，只能做到在一定條件下，使丟靶概率和誤碼概率保持最小狀態(tài)。這種信號(hào)檢測(cè)理論，應(yīng)用到有大氣閃爍存在時(shí)的激光雷達(dá)和激光通訊工程時(shí)，就需要進(jìn)行一些修正。把通訊工程和雷達(dá)工程中的信號(hào)檢測(cè)理論引入激光工程中來的是，美國(guó)著名學(xué)者弗里德等人在1967年的工作。可以說弗里德等人是有大氣閃爍存在時(shí)的激光大氣工程中的信號(hào)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)理論的創(chuàng)始人。他的理論后來又在70年代得到一些學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展和完善。我們的工作就是應(yīng)用這些理論于我國(guó)的工程實(shí)際。首先以上一節(jié)得到的上海大氣湍流強(qiáng)度的分布為基礎(chǔ)，應(yīng)用塔塔爾斯基等人的大氣閃爍理論于上海的這個(gè)分布，于是就得到了遠(yuǎn)程激光束，在以不同的天頂距穿過上海的湍流大氣層時(shí)，得到的閃爍強(qiáng)度隨天頂距的分布。（天頂距即90度減仰角。天頂距為0度時(shí)，仰角為90度，激光束垂直發(fā)射；
天頂距為90度時(shí)，發(fā)射仰角為0度，激光束水平發(fā)射。）由這個(gè)分布可以看出，激光束的閃爍強(qiáng)度隨天頂距的增加而增加。垂直發(fā)射時(shí)閃爍強(qiáng)度最小，水平發(fā)射時(shí)閃爍強(qiáng)度最大。業(yè)已講過，湍流大氣只有20公里厚，20公里以上，湍流強(qiáng)度可假定為0，高層大氣處在無湍流狀態(tài)。因此，遠(yuǎn)程激光束在垂直發(fā)射時(shí)，所經(jīng)歷的湍流大氣層只有20公里，余下的980公里均為無湍流影響的大氣，它所產(chǎn)生的大氣閃爍應(yīng)該最小。而隨著天頂距的不斷增加，遠(yuǎn)程激光束所經(jīng)歷的湍流大氣層之光程越長(zhǎng)，光束的閃爍的強(qiáng)度就應(yīng)越來越大。直到天頂距為90度，激光束水平發(fā)射時(shí)，它所穿過的湍流大氣層的光程應(yīng)該最長(zhǎng)，達(dá)到500公里以上，無湍流之光程最短，此時(shí)的光束的閃爍強(qiáng)度應(yīng)該達(dá)到最大。得到了這個(gè)上海地區(qū)遠(yuǎn)程激光束的閃爍強(qiáng)度隨天頂距的變化后，再以此為基礎(chǔ)，把弗里德等人的在大氣閃爍條件下雷達(dá)工程與通信工程的信號(hào)檢測(cè)理論應(yīng)用過來，就得到這兩種工程損失因子的天頂距分布。所謂損失因子，系指在湍流大氣形成了大氣閃爍的條件下，為維持原定工程性能指標(biāo)（包含雷達(dá)的丟靶概率和光通訊的誤碼率）所需要增加的發(fā)射光束的信噪比之分貝數(shù)。此時(shí)所增加的發(fā)射功率，不會(huì)使工程的性能指標(biāo)進(jìn)一步提高，因?yàn)檫@個(gè)功率消耗在抵消大氣閃爍的影響以維持原定的性能指標(biāo)。很明顯大氣閃爍越強(qiáng)，原定的性能指標(biāo)越高，損失因子就越大。把弗里德等人的信號(hào)檢測(cè)理論應(yīng)用到前面得到的上海地區(qū)遠(yuǎn)程激光束的大氣閃爍強(qiáng)度隨天頂距變化分布時(shí)候，就得到了損失因子隨天頂距增加而單調(diào)上升的分布，其原因是由于 大氣閃爍強(qiáng)度隨天頂距的增加而單調(diào)上升地增加。損失因子的這種上升趨勢(shì)，當(dāng)天頂距越接近90度水平發(fā)射時(shí)，增加得越快。另一方面，激光器的發(fā)射功率又不可能無限制地增加，所以當(dāng)損失因子增加到一定數(shù)值時(shí)，就有可能達(dá)到了現(xiàn)有激光器發(fā)射功率的極限，而使該激光工程無法再按原定性能指標(biāo)工作下去。此時(shí)的損失因子就叫臨界損失因子，相應(yīng)的天頂距叫臨界天頂距。就此 形成了一個(gè)“盲區(qū)”，這是大氣湍流通過大氣閃爍造成的激光雷達(dá)或激光通訊的“盲區(qū)”。可見情況嚴(yán)重。以發(fā)射功率增加10分貝為臨界損失因子，則可從損失因子的分布曲線上找出這個(gè)臨界天頂距的量值。不同的工程有不同的性能指標(biāo)，性能指標(biāo)定得越高，則相應(yīng)的臨界天頂距越小，“盲區(qū)”的范圍越大。冬季與夏季也不相同，以夏季的臨界天頂距為最小，“盲區(qū)”的范圍最大。這是由于夏季的大氣湍流強(qiáng)度要比冬季強(qiáng)一個(gè)量級(jí)之故。以遠(yuǎn)程激光雷達(dá)為例，當(dāng)丟靶概率被確定為0.5時(shí)， 冬季的臨界天頂距可到89.5度，“盲區(qū)”仰角只有半度；
但夏季的臨界天頂距就縮小到82度，“盲區(qū)”仰角增加到8度了。又如當(dāng)我們把丟靶概率定得更嚴(yán)格一些，提高到0.01，則情況就更不妙。此時(shí)冬季的臨界天頂距就縮小為86度，“盲區(qū)”仰角擴(kuò)大到4度；
夏季臨界天頂距則更縮小到只有64度，“盲區(qū)”仰角擴(kuò)大到26度，已是相當(dāng)嚴(yán)重了。再以深空光通訊為例，當(dāng)誤碼率規(guī)定為10－4（每一萬次發(fā)碼，允許錯(cuò)一次）。則冬季臨界天頂距為85度，“盲區(qū)”仰角是5度；
夏季臨界天頂距為51度，“盲區(qū)”仰角擴(kuò)大到39度。但若規(guī)定誤碼率為10－6，要求更高，限定每發(fā)射一百萬個(gè)碼，才允許錯(cuò)一次。則冬季臨界天頂距為82度，“盲區(qū)”仰角擴(kuò)大到8度；
夏季則更為嚴(yán)重，臨界天頂距是33度，“盲區(qū)”仰角擴(kuò)大到57度，情況已十分嚴(yán)重。

　　以上數(shù)據(jù)表明，大氣湍流產(chǎn)生的激光束大氣閃爍對(duì)遠(yuǎn)程激光雷達(dá)和深空光通訊有著不容忽視的負(fù)作用。因此，如何降低大氣閃爍影響，就是一個(gè)值得探討的問題。其中的一個(gè)方法就是使用大口徑接收系統(tǒng)以平滑閃爍強(qiáng)度。前面講的閃爍都是點(diǎn)接收系統(tǒng)的閃爍強(qiáng)度，增大接收系統(tǒng)的口徑，當(dāng)然可以降低閃爍強(qiáng)度。理論上，當(dāng)接收口徑為無窮大時(shí)，激光束的能量全部接收下來了，這當(dāng)然就不再會(huì)有閃爍的現(xiàn)象產(chǎn)生。這種大口徑接收的平滑閃爍的效應(yīng)，也可以由信號(hào)檢測(cè)理論計(jì)算出。我們計(jì)算表明，這對(duì)夏季工作狀況可望有較大改善。當(dāng)遠(yuǎn)程激光雷達(dá)使用80厘米口徑的接收系統(tǒng)，丟靶概率規(guī)定為0.01時(shí)，夏季“盲區(qū)”的仰角范圍可望從26度降低到14度。對(duì)于深空光通訊，若同樣使用80厘米口徑的接收系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)誤碼率規(guī)定為10－6，則夏季的“盲區(qū)”仰角范圍可望從57度降低到31度。這就是我們把塔塔爾斯基的大氣湍流與氣象要素的平均場(chǎng)關(guān)系的理論，以及他的大氣閃爍理論，連同弗里德的湍流大氣中激光束信號(hào)檢測(cè)理論應(yīng)用到我國(guó)上海地區(qū)時(shí)，所得到的一系列數(shù)據(jù)。這是一種知識(shí)創(chuàng)新，它使得以往還是空白，一無所知的我國(guó)大氣湍流狀況，大氣閃爍狀況，遠(yuǎn)程激光工程所可能受到的具體影響等問題，現(xiàn)在終于能初步的為人們所認(rèn)識(shí)，有了一個(gè)初步的答案。這個(gè)知識(shí)創(chuàng)新的成果，得到了當(dāng)時(shí)相關(guān)工程界朋友們的重視，(點(diǎn)擊此處閱讀下一頁)

　　為他們解決了一些問題。對(duì)理論工作者而言，則是為工程界作了一次服務(wù)，是與理論創(chuàng)新具有同樣重要意義的工作。

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　　8．4 同樣強(qiáng)的生命力

　　我必須承認(rèn)，我對(duì)上述知識(shí)創(chuàng)新，為大氣激光工程服務(wù)的工作之意義，認(rèn)識(shí)上有一個(gè)過程，并不是一下子就認(rèn)識(shí)到。由于這成果不是理論上的創(chuàng)新，乍看起來，它的學(xué)術(shù)價(jià)值不大。所以，在最初我剛開始構(gòu)思本書內(nèi)容時(shí)，甚至還沒有準(zhǔn)備把它放進(jìn)來。只是后來在動(dòng)筆寫起來以后，有一天天津理工大學(xué)黃寅亮教授課題組的付元芬老師，把她們和北大毛節(jié)泰教授課題組合作研究的成果送給我。該成果的系列論文，從1999年到2003年共有9篇，分別發(fā)表在《應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)》，《天文學(xué)報(bào)》，《天體物理學(xué)報(bào)》，《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊文摘（科技快報(bào)）》，《天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)》等五種刊物上。拜讀之后，我才發(fā)現(xiàn)，他們引用了本章所談的創(chuàng)新點(diǎn)（7）。這有力地說明 這個(gè)知識(shí)創(chuàng)新，和我前面所講的幾個(gè)理論創(chuàng)新成果具有同樣強(qiáng)的生命力。我們?cè)?0年代所完成的這個(gè)應(yīng)用性的工作，居然也經(jīng)住了二、三十年時(shí)間的考驗(yàn)，到現(xiàn)在人們還在引用它，使它也跨入了21世紀(jì)。這使我再次感到十分欣慰。

　　原來她們所承擔(dān)的課題也是應(yīng)用性，不過不再是為激光大氣工程服務(wù)，而是為我國(guó)天文臺(tái)站網(wǎng)建設(shè)中的選址工作服務(wù)。在我國(guó)天文臺(tái)選址工作中，需要?dú)庀蠊ぷ髡吲浜�，利用我�?guó)氣象系統(tǒng)臺(tái)站網(wǎng)的大量數(shù)據(jù)。找出云量少，大氣視寧度好的地方來建設(shè)天文臺(tái)。所謂大氣視寧度是由弗里德參數(shù)r0來表征的，這里的弗里德就是本章前面所講的美國(guó)著名學(xué)者弗里德，可以說他是一位應(yīng)用湍流光學(xué)的權(quán)威人物。他在研究湍流大氣中的光學(xué)成像理論時(shí)，提出了大氣相干長(zhǎng)度r0的概念。這概念的物理意義是在達(dá)到理論衍射極限條件下，所能使用的光學(xué)儀器的孔徑的上限，r0當(dāng)然和折射率湍流大氣強(qiáng)度Cn2有關(guān)，與光路上Cn2成某種積分關(guān)系，和這個(gè)積分的3/5次方成反比。人們?yōu)榧o(jì)念弗里德的這一貢獻(xiàn)，就把r0稱之為弗里德參數(shù)。它不僅是天文臺(tái)選址，以及天文觀測(cè)中需要了解的一個(gè)基本參數(shù)，而且是航空、航天器的測(cè)量、跟蹤與控制的基本參數(shù)，其重要性非比一般。可以預(yù)期，這成果的重要性，還會(huì)隨著我國(guó)航空、航天等高科技事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，而 日益顯著起來。

　　在黃寅亮、毛節(jié)泰、付元芬等人的工作中，主要引用了我們?cè)诒菊轮薪榻B的知識(shí)創(chuàng)新之一，即1980年在《氣象學(xué)報(bào)》復(fù)刊以后的38卷第2期上《關(guān)于上海整層大氣湍流強(qiáng)度Cn2隨高度分布的一個(gè)模型》一文。看來，我們那時(shí)所使用的方法有說服力，可以讓人們接受和采用。天津理工大學(xué)的黃寅亮教授課題組，和北京大學(xué)的毛節(jié)泰教授課題組正是采用了這一方法，解決了他們所面對(duì)的實(shí)際問題。在應(yīng)用這一方法于實(shí)際時(shí)，重要的一個(gè)問題仍然是要確定柯爾莫果洛夫湍流理論中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)量值。他們使用了比我們當(dāng)年更好的、更多的資料。其中包括了云南天文臺(tái)的于建明等人在麗江高美古天文候選點(diǎn)的視寧度觀測(cè)資料（1996）；
另一個(gè)是安徽光機(jī)所曾宗泳等人在北京天文臺(tái)的興隆站所做的大氣湍流氣球探測(cè)出的弗里德參數(shù)r0（1996）。把這兩組實(shí)測(cè)弗里德參數(shù)共27個(gè)樣本和相應(yīng)的氣象資料對(duì)比，（氣象資料則分別取自云南氣象臺(tái)和北京氣象臺(tái)從1986－1995十年的氣象探空資數(shù)據(jù)。）在對(duì)比中使用了通常的統(tǒng)計(jì)方法。得到了柯爾莫果洛夫湍流理論的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值為0.3532，其統(tǒng)計(jì)置信度通過千分之一的檢驗(yàn)�？吹竭@兩個(gè)課題組所得的新的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值后，我內(nèi)心十分高興，因?yàn)樗�和我們�(cè)诙�十多年前從上海得到的量值一致。前�?jié)指出，我們得到的該系數(shù)平方值是0.127，開平方后是0.356，與黃寅亮得到的值相差不到千分之八�？磥磉@一數(shù)據(jù)確有其代表性，這是在我國(guó)不同地點(diǎn)（一個(gè)在西南地區(qū)，一個(gè)在華北地區(qū)，一個(gè)在華東地區(qū)），不同時(shí)期（一個(gè)是在1968－1972五年平均，另兩個(gè)是1986－1995十年平均），用不同的方法（我們用上海星光抖動(dòng)角的數(shù)據(jù)訂正，他們是用實(shí)測(cè)弗里德參數(shù)訂正）得到的，而其結(jié)果又符合得這樣好，令人感到我們?cè)?0年代所做的工作不僅方法上有普遍意義，而且在上海地區(qū)所得到的那個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值也有普遍意義，這些數(shù)據(jù)確有其權(quán)威性，可以代表我國(guó)湍流大氣的真實(shí)特征。在此基礎(chǔ)上，黃寅亮等人把他們得到的數(shù)據(jù)推廣到全國(guó)81個(gè)探空氣象站上總數(shù)為兩千萬個(gè)數(shù)據(jù)（71個(gè)站有十年數(shù)據(jù)，10個(gè)站有五年數(shù)據(jù)），由此得到了弗里德參數(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)的地理分布、季節(jié)變化的特點(diǎn)，以及它們和我國(guó)大氣環(huán)流形勢(shì)變化特征的關(guān)系。從而完成了這一十分宏偉的我國(guó)應(yīng)用湍流光學(xué)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究工作。這一工作為我國(guó)天文臺(tái)站網(wǎng)的選址以及其他光學(xué)工程提供了很好的服務(wù)。是我國(guó)大氣湍流工作者為工程服務(wù)的又一個(gè)成功例子。

　　在結(jié)束本章時(shí)，還應(yīng)講一下對(duì)應(yīng)用基礎(chǔ)理論的評(píng)價(jià)問題。從本章講的我們?cè)?0年代的應(yīng)用工作，以及黃寅亮和毛節(jié)泰兩教授的課題組在90年代的工作，可以清楚地認(rèn)識(shí)到柯爾莫果洛夫湍流理論的一個(gè)方面的應(yīng)用價(jià)值。他的理論不是純理論，而是應(yīng)用基礎(chǔ)理論，這一點(diǎn)應(yīng)確定無疑，盡管該理論有著很艱深的內(nèi)容。然而我們?cè)诳疾爝@一理論的重要意義時(shí)，卻不能從應(yīng)用價(jià)值出發(fā)來考察。設(shè)想在1941年，當(dāng)柯爾莫果洛夫發(fā)表他的湍流理論時(shí)，若我們就追究這理論的應(yīng)用價(jià)值，肯定柯爾莫果洛夫就會(huì)目瞪口呆，無法說清楚他的理論的價(jià)值。因?yàn)閮H就我們這個(gè)例子看，柯爾莫果洛夫理論的這一應(yīng)用價(jià)值不僅在當(dāng)時(shí)還看不出，就是在后來還必須經(jīng)過幾代人的努力，經(jīng)過塔塔爾斯基在50年代的成功工作，和弗里德60年代的成功工作才能看清楚。爾后才會(huì)有我們的應(yīng)用工作，才會(huì)有黃寅亮，毛節(jié)泰等人的應(yīng)用工作，而這已是三十年甚至是五十年后的事了。由此可以看出，對(duì)于應(yīng)用基礎(chǔ)理論應(yīng)該和純理論一樣，主要應(yīng)考察它的學(xué)科價(jià)值，看它在學(xué)科上解決了甚麼大問題。至于應(yīng)用，則應(yīng)有耐心，有遠(yuǎn)見。既然湍流相當(dāng)普遍地存在于自然界和工程領(lǐng)域，那麼一個(gè)成功的湍流理論，就早晚必然會(huì)有它的應(yīng)用價(jià)值，其真實(shí)價(jià)值是無可估量的。

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