道路仍然曲折，前景必定光明！

《创新话旧》第6章（6）

 

 

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）

 

 

 

 

6．6．2 曲折的道路，光明的前景

 

1935年贝吉龙的冷云降水学说，比起我们和前苏联学者这一学派60年代提出的暖云学说要顺利得多，他们只用了4年时间，到1939年芬代森 的德国观测资料发表，贝吉龙的学说就得到了大家的承认。而我们的学说所经历的发展道路却比贝吉龙的道路曲折得多。到现在经历了四十年的风风雨雨，大家虽已承认湍流起伏场是形成暖云降水胚滴的重要因子。但湍流究竟以何种方式在起作用，却众说纷纭。1979年曼顿新发展的理论，认定对流暖云中湍流具有很强的垂直相干性，而且云滴谱的一个特征量──云滴的累积半径，或平均半径的起伏与上升气流的起伏呈负相关的关系。这是导出曼顿理论的一个重要依据，可惜，到了1985年奥斯丁（Austin）等人根据他们对对流暖云的实际观测，证明曼顿所假定的负相关并不存在。于是，曼顿的79年理论就失去了依据。1980年莱塞姆和他的合作者巴克尔直接根据莱塞姆与里德 1977年的风洞实验，提出一个云外干空气从云顶或云侧夹卷进云中与云内湿空气发生了一种他们称之为两阶段的非均匀湍流混合，使云滴先产生了非均匀蒸发，最后再次凝结会使云滴谱加宽产生了大云滴。1984年巴克尔和另外一些人合作，进一步改进了他们的理论模式，使之更精确化。但干空气夹卷进云中，产生了非均匀混合和非均匀蒸发的基本假定不变。1980年泰尔福德和柴提出了另一种被叫做气流的再循环模式，其基本点和曼顿的上升气流与下沉气流垂直相干相同。但是吸收了巴克尔,莱塞姆与云外干空气发生非均匀湍流混合以及随之而来的云滴的非均匀蒸发过程。1984年泰尔福德，柴和凯克（Keck）合作进一步发展了云外干空气夹卷进云中产生非均匀湍流混合的理论，并为此和梅森发生了争论，批评了梅森的湍流均匀混合的观点。但是1984年， 国际云物理界组织了一次大规模的对流云观测试验，试验名称叫“对流降水协作试验”（CCOPE）, 从中人们发现大云滴并不发生在与干空气混合最多，被干空气稀释最厉害的部位，相反人们发现最大的云滴常发生在最湿的，最少与干空气混合的迅速上升的云塔之中。（希尔（Hill）和乔拉顿（Choularton）1985, 帕卢奇和奈特1986）帕卢奇和奈特与泰尔福德在1987年为此还发生了一场争论。

1983年梅森在公开回答泰尔福德对他的批评时，对泰尔福德以及莱塞姆等人的干空气夹卷进云中经过非均匀湍流混合，非均匀水滴蒸发从而产生大云滴的理论进行了反批评。梅森尖刻地指出：“不管这种理论的细节如何，企图用干空气的夹卷过程来解释大云滴如何加速增长的理论，听起来永远会使人们感到，他们是想用关小煤气的方法来加速烧开一壶水！”我很同意梅森对于干空气夹卷理论的批评，但这并不意味着人们要倒退到梅森的均匀湍流混合理论上去。问题在于云外干空气夹卷进云中的非均匀湍流混合，只是湍流非均匀混合的一种方式，不可能是唯一的方式。与此同时，云内不同水汽过饱和的云泡之间必定会有另一种是“湿”的而非“干”的非均匀湍流混合存在，这种“湿”的非均匀混合产生的就不是非均匀水滴蒸发，而应是非均匀水滴凝结，由此所产生的大水滴就必定比梅森均匀混合、均匀凝结所产生的水滴更大。可惜，不知为什么1977年莱塞姆在他的垂直风洞试验中，只从风洞外送进去干空气，结果就陷入非均匀蒸发的不合理的概念之中而无法自拔。其实只要莱塞姆在他的试验中从风洞外送进一股比风洞内湿度更大的气流进去，人们就必定能够看到这种“湿”的非均匀湍流混合，这种混合必定会产生非均匀凝结，而不再是非均匀蒸发，梅森的反批评就可解决了。

此外，我以为对湍流起伏场的作用还应在更大视野内加以考察。问题在于湍流的作用能够仅限于混合作用吗？按照常识，混合应该是小尺度湍流的作用，只有小尺度湍流才会使不同属性气块混合起来。但是云中的湍流特征尺度，却要大得多。早在60年代建立我们的理论时，就已指出对流云中湍流特征尺度可以云泡来估计。因此它的空间尺度应有100米，时间尺度应有几分钟。这样大尺度的云泡（湍涡）运动时，必定会有相当强的上升运动，尺度也可达到百米数量级。因此，必定会在局部地区产生更高的水汽过饱和，这对水汽过饱和起伏场当然起正的作用，而不是混合那样的负作用。而且这也不应该和1972年巴特莱特 和琼纳斯上升气流起伏相混淆，这里的云泡上升和下沉是随机性的，连带水滴的运动也是随机性的。一定时间后没有确定的位置。而巴特莱特和琼纳斯那里上升气流起伏是确定论型的，连带水滴的运动也是确定论型的。一定时间后，有确定的位置。因此，从我们这个想法出发，就不可能产生巴特莱特和琼纳斯滴谱无法变宽的结果，而是必然会有直接的降水胚滴产生出来，云滴谱会加宽。这条思路和前述的1985年希尔和乔拉顿，1986年帕卢奇和奈特的观测一致。因此，沿着这条思路，可望使问题得到最终的解决。

从以上的介绍和分析中，人们可以看到，我们的暖云降水学说是经历了怎样一个复杂而曲折的发展过程，和贝吉龙的冷云降水学说相比，真可以说是多灾多难。到现在看来还有一段相当长的路要走。虽然如此，前景光明却可以断言，正像戈顿和安塞斯在他们的著作之末的《后记》中所讲的那样，他们的降水性中尺度天气系统动力学虽然已取得了不少成就，但也还有不少问题有待进一步研究解决。在进一步改善对中尺度灾害性天气预报方面，也还有不少科学问题需要进一步处理。尽管如此，戈顿和安塞斯仍然认为前景光明。因为解决中尺度降水性天气系统的认识和理解问题，不仅本身具有重要的社会意义和科学意义，而且对进一步认识和理解全球尺度大气环流，气候的变化，全球的地球化学等相关问题具有重要价值。因此，这就构成一个强大的动力，促使人们去加强这方面的研究。戈顿和安塞斯在该书《后记》中就向人们预告了美国将在90年代展开名为风暴中尺度系统观测计划（STORM）,在计划中人们将使用更先进的观测系统，配备更加强有力的观测设备，完全可以预期，观测计划实现后，人们对降水性中尺度天气系统的认识会有进一步的飞跃，更多的科学问题将获得解决，因此前景必定光明。我们的事情则与他们相似。既然暖云微物理的研究已和降水性中尺度动力学挂上了钩，除人工影响天气以外，现在微物理的研究又多了一个更加强劲的动力。借着这股强劲的东风，可以期望一个被大家公认的暖云降水学说，最终应能产生。戈顿和安塞斯的书已把这个学说的前几十年所走过的历程记录下来，他们明确地把我们和前苏联有关的学者在20世纪60年代和70年代的工作载入了这段暖云降水学说历史的开端，承认是我们这个学派开启了暖云降水学说的新方向，并且肯定了这几十年的主要收获，即国际上已确认暖云中的湍流起伏场确是降水胚滴形成的重要因子。目前的问题是它怎样起作用的问题。这完全是前进中的问题，应该可以在前进中得到解决。其实不光是云中湍流，在下一章里读者将会看到一般的大气湍流，甚至是更一般流体运动中的湍流都是个大难题。对此，我们不能够太心急，要有足够的耐心。虽然大自然是复杂而无限的，但人类认识自然的能力也是无限的。可以预期，比如说再过若干个十年，经过理论和实验云物理学家的共同努力，经过全球各国云物理学家的共同努力，一个得到国际公认的由湍流起伏场引发的暖云降水学说必定会最后诞生，而这正是我们这一学派在20世纪60年代70年代的工作所播下的种子。想到这一点确使人感到十分欣慰！当然读者从前面引的这一学派的名单中可以看出，无论从人数上看，还是从延续的时间长短看，前苏联学者都是这一学派的主体，主流在他们那里，我只是很凑巧被《十四条》送入了这股思潮之中，并凑巧在其中有所发现，留下自己的痕迹，对此，我感到非常荣幸！

 

 

 

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