在国际上掀起了一场风波

《创新话旧》第6章（3）

 

 

温景嵩

南开大学 西南村 69楼 1门 401号

（2007年 11月 6日 于南开园）

 

 

 

 

 

6．5 在国际云物理舞台上引发的一场风波

 

 

6．5．1 巴特莱特（Bartlett） 的发难

 

在我第一篇工作1966年用英文发表以后的两年，国际上引发了一场风波。首先发难的是英国气象局学者巴特莱特, 1968年他在加拿大多伦多举行的国际云物理会议上第一次对我们的理论提出了挑战。随后梅森就在他1971年《云物理学》第二版中，对巴特莱特的挑战给予了强有力的支持，紧接着在1972年巴特莱特和琼纳斯（Jonas）又联合在《英国皇家气象学会季刊》上正式发表论文，充分阐明了他们的观点。原来他们对云中水汽过饱和起伏场的来源，和我们有完全相反的观点。他们认为湍流场不是水汽过饱和起伏场的根源。相反，它是起伏场的“汇”（注：即把起伏场平滑掉的过程）。他们认为湍流的作用，对起伏场而言，起的是混合作用，通过湍流混合，把不同大小水汽过饱和度的微团混合起来，最后把起伏平滑掉。因此，他们认为我们把对流云中各种起伏场的根源归之为湍流的作用是完全弄错了。那么在对流暖云中实际存在的水汽过饱和起伏场又是从何而来呢？他们认为那是由于对流云中上升气流存在着起伏的缘故。上升气流与湍流不同，前者是规则有序，后者则无规无序。虽然如此，他们却认为上升气流仍然可以有起伏，正是这种上升气流起伏造成了对流云中水汽过饱和度的起伏。云中水汽过饱和场的最初来源的确是上升气流，由于空气不直接吸收太阳的短波辐射，所以在上升气流的作用下，高处气压低，低处气压高。气块在上升时会因绝热膨胀消耗自己的内能而降温，随着气块温度的降低，气块的饱和水汽压也就一起降低，直到达到饱和状态，气块再上升，再降冷时水汽就达到过饱和状态。可以证明上升气流越强，水汽过饱和越大。上升气流越弱，水汽过饱和越小。在巴特莱特的上升气流起伏是对流云中水汽过饱和起伏的唯一根源观点下，巴特莱特和琼纳斯1972年就能根据上升气流起伏的大小，计算出相应的对流云中水汽过饱和起伏大小。由水汽过饱和起伏情况，他们就能计算出云滴凝结增长的不同效果，过饱和大的地方，云滴长得大，反之云滴就长得小。由于他们认为这是上升气流起伏造成的，不是湍流。所以云滴在这种条件下，在云中运动的确切位置可以计算出来。他们假设在开始时刻，在云底有一个单分散的云滴群体，然后各自随不同大小的上升气流而做上升运动，一边运动，一边因凝结而长大，但长大的速度不同。上升气流强的地方，水汽过饱和大，那里的云滴长得快，另一方面上升气流弱的地方，水汽过饱和也小，那里的云滴长得就慢。过了一段时间以后，云滴大小就不再是原来的单分散谱，而成多分散“谱”。然而新形成的谱要打上一个括号，因为它实际上不可能在同一高度上观察到。在同一时刻，它们分散在整个云中不同高度。遭遇到强的上升气流的云滴跑到云的上部，遭遇到弱的上升气流的云滴，还留在底部。然后巴特莱特和琼纳斯考察实际滴谱分散度的情况。他们把考察点放在某一高度上。结果很有趣，虽然在同一时刻原来的单分散滴谱可以分散得比较开，云滴大小具有相当大的分散度，半径有大有小。但那是分散在整个云中。而在某一给定的高度上，情况却恰恰相反，在那里我们看到的滴谱却几几乎还是单分散的，云滴大小几乎仍然相同，没有分散开。这是因为在高度给定时，遭遇上升气流强的云滴，只经历了很短时间就到达那里。反之，遭遇上升气流弱的云滴，要经历很长时间才运动到那里，这个时间长短的因素和所遇到的水汽过饱和度大小不同的因素，两者刚好抵消，所以大家在给定高度上所看到的云滴的半径大小都差不多，分散不开来。于是巴特莱特和琼纳斯在1972年的论文中就宣布，水汽过饱和起伏场虽然在对流云中确实存在，但它对云中某一高度上的云滴谱加宽没有作用。

还需要补充两点说明。第一，我们在60年代所建立的起伏凝结生长大云滴的理论，是一个生长过程理论，并不是云滴谱形成和加宽的理论。这两者虽有联系，但却是两个不同的问题。后者要更复杂，从巴特莱特和琼纳斯的工作看，由云滴生长理论发展到云滴谱加宽理论，至少就要加进云滴在云中运动的情况，而巴特莱特和琼纳斯所考虑的云滴在云内运动情况又太简单了。他们只研究了云滴在上升气流作用下在云中运动，而没有考虑湍流，而如果我们再把湍流加进来后，云滴在一定的时间后就不再可能运动到确定的高度，那将是又一个随机过程，问题要复杂得多，能否还达到与巴特莱特和琼纳斯1972年相同的否定结论，就大成问题。第二，本书前面已经讲过，基本上和我们同时，甚至更早一些，从1961年开始，前苏联学者别利亚耶夫就已经有了起伏凝结的理论工作。随后一直持续到1976年，陆续有前苏联学者从事起伏凝结理论工作。不过他们确是用来解释云滴谱的形成展宽，而不像我们仅仅用起伏凝结解释大云滴的生成。看来西方学者批判的主要矛头是指向前苏联学者的云滴谱加宽理论，但就我们和前苏联学者的基本思想而言，确是一致。我们双方都肯定云中湍流起伏场是云中过饱和起伏场的根源，所以西方学者在批判前苏联学者同时，捎带着把我们也批判了。回顾这一往事，使我想起当时中国和前苏联在政治上正处于紧张对立，甚至发展倒珍宝岛的武装冲突事件。然而在云物理的基础研究方面，中苏双方的学者却无意之中走到一起，而且都成了西方批判的对象。另一方面，就是在这一时期，特别是从70年代开始，西方和我国在开始了友好往来。这种政治和学术并不一定永远一致的情况，看起来很有意思。

在巴特莱特和琼纳斯1972年的工作发表后的两年，梅森 和琼纳斯在1974年又发表了两篇类似的论文，进一步论证了，湍流混合是对流云中水汽过饱和起伏场的“汇”，而不是“源”。看来梅森对这个问题十分重视，他不满足于1971年简单地对巴特莱特1968思想的支持，以至于在1974年直接投入了战斗。又过了四年，1978年美国著名云物理学家普鲁帕克和克莱特两人发表他们的专著《云和降水的微物理》时再度引了巴特莱特          和梅森等人的工作，并再次肯定了他们对我们的批判。所以，在当时的国际云物理舞台上，一时间真可以说是“西风压倒东风”了。

 

 

6．5．2 转折点──莱塞姆（Latham）的实验

 

然而“西风”并非铁板一块，以梅森和普鲁帕克为代表的国际云物理界也不可能搞“一言堂”，终于在1977年还是在英国，不过这次是由曼彻斯特大学的教授莱塞姆和他的合作者里德提出了不同的意见。这篇论文同样发表在《英国皇家气象学会季刊》上，讲的是莱塞姆和里德（Reed）在室内用垂直风洞进行的一次实验。根据这次实验，莱塞姆和 里德向梅森和巴特莱特否定我们理论的基本出发点──湍流混合乃是使起伏场均匀化的“汇”，而非起伏场的“源”，这一基本观点提出了质疑。他们指出湍流混合并非像梅森和巴特莱特所设想的那样是一种均匀混合。相反，莱塞姆根据他们的实验提出，对流云湍流混合乃是一种非均匀混合，它的确是如我们60年代所设想的那样，湍流场是云中起伏场的“源”而不是“汇”。从而形成了一个转折点。

莱塞姆的垂直风洞实验中，从5米长，直径为25厘米的风洞底通进一股饱和水汽的气流，气流中含有水滴，水滴滴谱各参量，包括平均半径、滴谱宽度、分散度，含水量、水滴浓度等特征量均为已知。然后在垂直风洞下半部的侧面再通进一股湿度仅为90％的不饱和的干空气与原风洞内含有水滴的饱和水汽气流发生湍流混合，显然这种干空气混合会使水滴蒸发，莱塞姆在风洞的上半部对混合蒸发后的水滴滴谱进行了观测，同时又和梅森,巴特莱特的均匀湍流混合的理论进行比较。按照均匀混合的理论，两种气流混合后湿度降低的程度可以计算出来。显然混合气流已变成不饱和状态，水滴要蒸发，蒸发后的滴谱改变也可以计算出。其结果应是，滴谱宽度变窄，平均半径、分散度都变小。同时水滴浓度和含水量也变小，这是均匀蒸发的结果。然而，这却与垂直风洞中实际观测到的混合蒸发后的滴谱特征不同，实际观测到滴谱宽度、平均半径、滴谱分散程度却都没有改变，和混合前相同。不同之点仅在于水滴浓度和含水量显著变小。莱塞姆和里德据此提出了一个湍流非均匀混合的理论。这个理论说，当湍流混合时，两种干湿不同的气流并非一下子均匀地混合在一起，恰恰相反，莱塞姆和里德说，这种混合的效果是干空气打碎成微小的干空气块，与湿空气搅在一起，气流变成了干湿两种微小气块的混合物，落在干空气气块中的水滴就完全蒸发，而保持在湿空气块中的水滴则完全没有发生变化。这样就会形成滴谱平均半径不变、宽度和分散度不变，仅仅水滴总浓度和含水量变小。然后当这股气流再遇到合适的条件，比如由于温度降低而再度达到过饱和状态时，就会因凝结增长而使滴谱加宽、分散度加大、平均半径长大的情况。而不会像均匀蒸发那样，当遇到凝结增长有利条件时，谱的宽度只能恢复到原来大小而不能进一步加宽了。以上就是1977年莱塞姆和里德的著名实验。否定的否定，原来否定者梅森和巴特莱特的理论基础──湍流均匀混合被新的实验否定了。对流云中的湍流混合乃是非均匀混合，我们60年代所提出的理论的基本思想，在国际上的地位就有了根本改变，初步地恢复了名誉。

 

 

6．5．3 曼顿（Manton） 的新发展

 

在莱塞姆和里德 1977年的起了转折作用的著名实验发表后两年，1979年澳大利亚学者曼顿发表了一个新的计算，在他这个计算中，曼顿同样从云底送进一组初始云滴，初始云滴谱宽度比较窄，分散度只有0.2。 然后在云中水汽过饱和起伏场的条件中，一边向上运动，一边经历了起伏凝结长大的过程。在计算中，对水汽过饱和起伏场强度的计算，他改变了巴特莱特和琼纳斯1972年的方法。根据莱塞姆和里德 1977年的非均匀湍流混合理论，曼顿加进了湍流起伏的因子，巴特莱特和琼纳斯的上升气流唯一地决定了水汽过饱和起伏的错误理论被抛弃了，现在曼顿认为对流云中水汽过饱和起伏是由上升气流起伏和湍流起伏两个因子决定，而且上升气流这个因子还要打上一个折扣，乘以一个a的因子，这个因子的大小与上升气流起伏强度、湍流强度、滴谱分布的一些特征量有关。这样一来，云滴所遇到的水汽过饱和度的大小，和上升气流强度大小的的紧密联系就被打破，曼顿计算出来的云滴滴谱宽度随高度就展现出加宽的特征来，而不再有巴特莱特和琼纳斯1972年云滴滴谱宽度随高度不变的结局。曼顿的计算表明，加进湍流非均匀混合因子以后，云滴谱宽度到了距云底2公里高的高度上有显著加宽，其滴谱之分散度可从云底的0.2 增加到2公里高处的0.45。这个数据与瓦尔纳1969年的观测一致。曼顿的这个工作同样发表在《英国皇家气象学会季刊》上，是湍流起伏凝结过程理论的一个新的发展，进一步确立了湍流起伏凝结理论的地位。原来60年代我们的理论仅能解释大云滴的生长过程，现在经过莱塞姆，里德和曼顿的努力，它也可以解释对流云中云滴谱展宽的过程了。

 

 

6．5．4 莱德尔（ Ryder） 说：对不起

 

以上从1968年英国气象局巴特莱特的发难，到1979年澳大利亚学者曼顿的新发展，这段故事，我是1979年底到了剑桥才知道。本书前面已经提到，60年代初期，在我完成了云物理上的这次理论创新后，不久我就被调离云物理课题组，直到在剑桥，在巴切勒建议下，我又重新拿起云物理，以向他的悬浮体力学靠拢。之后我利用剑桥的图书、刊物、资料，查阅自我60年代离开云物理后在国际上究竟有什么新进展。这时，我才惊异地发现，我那第一次的理论创新，竟然在国际云物理舞台上掀起了这么一场风波，居然连梅森这样的大人物也卷入这场战斗。我感到了我那在云物理上的理论创新的重要价值，并为此而感到荣幸。

此后不久，1980年在英国皇家气象学会于伦敦举行的一次学术会议上，经剑桥朋友的介绍，我认识了英国气象局当时的云物理研究室主任 莱德尔博士。我向他自我介绍说：我就是当年被你们批判过的C.S.Wen（温景嵩之威托玛拼音法的缩写，因“文革”前还没有发明汉语拼音法，那时我是用威托玛拼音法发表英文论文，为避免混淆以后一直使用），不知道你们对这个问题现在有何看法，也不知道巴特莱特和琼纳斯现在何处？我想和他们做深入一步的讨论。莱德尔对我说：对不起，那时，我们考虑不周，现在我们对这个问题有新的看法。莱德尔还告诉我，巴特莱特已离开了英国气象局，琼纳斯也已离开了云物理研究室，但工作还在，还有人继续在做。他于是邀请我方便时去访问英国气象局他的云物理研究室。访问在当年顺利进行，在英国气象局，我才知道他们的学者考基（Caughey）和 基琛（Kitchen）当时正在野外对自然界的层积云中的湍流和云的微结构进行观测，工作虽然在我访问时尚未结束，但初步结果已经有了，他们发现在层积云内外确有湍流混合存在，干空气被夹卷进云中，其特征和莱塞姆和里德 1977年在垂直风洞中观测到的一样，这种湍流混合具有莱塞姆所提出的非均匀湍流混合性质，因而产生了非均匀蒸发。造成云滴浓度和含水量减少，云滴谱宽度却保持不变。平均半径和分散度都维持不变。因此莱德尔他们就放弃了梅森和巴特莱特 原来否定我们的理论时所持有的基本思想──湍流混合是均匀混合。尽管梅森还是当时他们的直接领导，英国气象局的局长，他们却有了和局长相反的观点。考基和基琛这一工作，后来在1984年正式发表，同样是在《英国皇家气象学会季刊》上。这样，这家英国自己的气象科学最高水平的刊物，就客观地“百家争鸣”式地报道了这场争论的全过程。

在我访问英国气象局的同时，我获知梅森已离开它原来的工作单位帝国理工学院，来到英国气象局，主持英国气象局的工作。我于是经过莱德尔向他提出了申请和他会面，交流一下对云物理的看法。他接受了我的请求，当天我们就会面进行了交谈。交谈使我很惊奇，原来梅森 仍然坚持他原来的均匀混合的观点，并未和他的下属莱德尔 一样放弃原有的认识。看来，要使一个大人物改变他的思想是很难的事。另外，使我很佩服的事，就是他并未利用他手中的权力来干涉他的下属 莱德尔，考基和基琛等人的工作。他不仅没有利用他在国际上的影响，在国际云物理舞台上实行“一言堂”，就是在他直接管辖的英国气象局内部，他也没有实行“一言堂”家长式管理，而是允许不同意见，甚至是与自己相反的意见。这种对不同意见的宽容态度，实在难得，令人起敬。当然，科学的发展需要“百家争鸣”式的民主管理。世界是复杂的，人类认识真理的过程也是曲折而复杂的。真理越辨越明，也只有充分支持并发展不同意见之间的“争鸣”，科学才能永葆青春，保持住旺盛的生命力。“一言堂”“家长制”只会阻碍科学发展，是十分危险的。那一天梅森还送了我一本他到气象局工作以后的新作，并签名留念。之后我愉快地结束了这一天的英国气象局之行。

 

 

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