原子弹的爆炸和“文革”的爆发

《创新话旧》第7章（1）

 

 

温景嵩

南开大学 西南村 69楼 1门 401号

（2007年11月7日 于南开园）

 

 

 

 

 

第七章 创新点（6）──湍流不连续性的发现

 

 

7．1 我国第一颗原子弹的爆炸

 

 

7．1．1 组建了大气扩散课题组

 

1964年我国第一颗原子弹爆炸了， 这是件振奋人心的大事，其情景就犹如不久前我国发射第一艘载人宇宙飞船一样令人鼓舞，中国人开始扬眉吐气。大气所也有反应，马上组建了大气扩散课题组。仍然由顾震潮先生领导，现在他的任务更重了，除了负责这个新组建的课题组以外，还领导着原来的云物理和人工降水课题组。按照十四条的精神办事，“任务带学科”，我国的大气物理事业就这样通过一个一个的国民经济建设任务，国防建设任务，从无到有从小到大逐步逐步地建立起来。在这个过程中顾震潮先生功劳最大，可以说是我国大气物理事业的一位创始人。他不幸在文革中受到冲击，并于1976年病逝，是我国大气物理事业的一大损失。

顾震潮先生在开拓我国的湍流大气扩散事业时，也和他开拓我国云物理事业一样，首先组织我们学习英国著名的大气扩散专家帕斯奎尔（Pasquill）刚出版不久的著作《大气扩散》一书。 那时虽处在闭关锁国时期，但也不是绝对与世界隔绝，西方的科技图书、刊物还是很快就能传入到国内。由于空气污染扩散问题随着现代化经济建设的发展，随着现代化军事技术的发展而日益严重，所以湍流大气扩散问题，也随之而成为一个国际上非常活跃的课题。帕斯奎尔1962年出书以后的十二年，即在1974年他又修订过出了第二版，九年以后，1983年又扩充修订出了第三版，可见这个课题在国际上发展之迅速。因为第三版补充了以前两版所没有的中尺度和大尺度的扩散问题，所以作者也增加了一位，叫史密斯（Smith）。《大气扩散》第三版则是由他们合著成书。1989年大气所曲绍厚等人把第三版翻译成中文，由科学出版社出版。60年代大气所组建大气扩散组时，我还在云物理课题组，但顾先生在组织新成立的大气扩散组学帕斯奎尔书的时候，叫我也参加了。学了一阵子以后，顾先生叫我干脆全部调离云物理组而参加到大气扩散组中来，成为那个组中的正式成员。所以可以说我参加了顾先生组织的学习帕斯奎尔书的全过程，还要补充一句，那个时代是“服从分配”的时代，没有“自由选题”一说。领导上对我们的教育是：“专家的意见，就是党的决定。”所以尽管我刚刚在云物理上做出了有意义的成果，可以就此深入下去，向纵深发展，但我还是服从了顾先生的调动。而且，能够为我国原子弹氢弹研制事业做一些事情，是一件多么令人高兴的事。因此，我毅然决然，而且十分愉快地接受了这次调动。

帕斯奎尔书的头几章讲的是湍流的ABC，因为原子弹爆炸以后产生的放射性烟团，以及工厂烟筒里冒出来的烟羽，它们的宽度都随时间而不断加宽，影响范围不断加大。其原因主要是由于有湍流的存在，所谓大气扩散实质上就是湍流扩散，特别是近距离扩散问题。所以在帕斯奎尔的书中头几章必然要讲湍流的基本理论，这是我第三次接触湍流。第一次是在1960年我们原气候大组中的高山冰川融冰化雪组按照《十四条》精神改建成为近地面物理组，那时在朱岗崐先生的领导下，我们学了前苏联学者莱赫特曼的近地面物理，由于湍流是近地面大气活动的支配因子，所以那是我第一次接触到湍流，从中认识到普朗托（Prandtl 1925），冯卡尔曼（1930），普朗托(1933)的半经验混合长湍流理论。及由此而导出的水平平均风速随距地面的高度成对数分布的规律。当然这是中性条件无热力因子时才成立。当近地面大气中有热力因子存在时，还要加以订正。后来，由于大气所进一步收缩战线，近地面物理组被撤销。我就调到云物理组，这方面的学习就没有能继续进行下去。第二次是我在云物理组中研究对流暖云的云中湍流对大云滴（即戈顿的降水胚滴）随机生长过程的作用时，自学了有关湍流的基本知识。在这之中使我第一次学习了前苏联著名概率论学派代表人物，柯尔莫果洛夫的局地各向同性的湍流统计理论，并成功地用它来否定了湍流加速起伏场在大云滴，乃至雨滴生长中会有重要作用的错误理论。我对柯尔莫果洛夫湍流理论的认识由此开始。现在在大气扩散组随顾震潮先生学帕斯奎尔 的书，又使我第三次到接触到湍流，亦即第二次接触到柯尔莫果洛夫的湍流理论。从这次学习中我又知道湍流扩散有两种理论，一种是前面讲的普朗托的混合长理论，这个理论可以确定湍流输送时的扩散系数，又叫输送理论。普朗托是冯卡尔曼老师。第二种理论是统计理论，这个理论是巴切勒的老师G.I.泰勒在1921年建立的。比普朗托半经验混合长理论的建立还要早四年，但是由于统计理论在应用上的困难，直到1934年英国著名学者萨顿成功地把G.I. 泰勒扩散的统计理论应用到近地面、短距离的扩散问题中来时，泰勒的理论才确立了它在大气扩散中的地位。到了1957年和1959年帕斯奎尔和他的合作者哈伊（Hay）根据他们的实验观测又提出了一个更方便的假说，通过这个假说人们可以把在地面固定地点上观测到的湍流能谱分布，换算成扩散烟团中某个随烟团一起运动的代表性粒子的湍流能谱。这样，他们就可以简单地把地面固定地点的湍谱观测代入到G.I.泰勒 的扩散公式中去，从而可以得到烟团宽度随时间的演变规律了。哈伊和帕斯奎尔的这个工作已得到实验观测证实。于是就确立了帕斯奎尔在大气扩散领域中的地位。同时也就更加牢固地确立了G.I. 泰勒湍流扩散统计理论的优势地位。

从顾先生领导的这次学习中，我还知道了大气湍流扩散本身也可分为两类，即绝对扩散和相对扩散。当原子弹爆炸后 所产生的放射性烟团随时间其宽度会不断加大，这是相对扩散，从工厂烟筒里冒出的烟羽其宽度也会不断加宽，这也叫相对扩散。这种扩散是由尺度小于烟团，或者尺度小于烟羽宽度的小尺度湍涡引起。但是大气湍流是一个广谱，除去比烟团或烟羽宽度小的湍涡以外，在湍流大气中还存在着比烟团、烟羽宽度更大尺度的湍涡。这种大尺度的湍涡作用与小尺度湍涡作用不同，它不是使烟团、烟羽宽度变得更宽，而是使烟团、烟羽本身绕着平均风速方向做上下左右的随机摆动。于是从固定地点的横截面上长时间观测到的烟团、烟羽宽度它是烟团、烟羽本身变宽，并加上上下左右摆动的结果。而前面普兰托半经验混合长理论和G.I. 泰勒的统计理论预测的都是这种扩散，叫绝对扩散。很明显，绝对扩散所测出的烟团、烟羽宽度，要比相对扩散所测出的宽度要更宽，因为它还加上了烟团、烟羽的摆动。于是，绝对扩散的理论预测所给出的烟雾浓度要比照相对扩散预测所给出的烟雾浓度要小。这样按照普朗托的半经验混合长理论和G.I.泰勒统计理论来预告原子弹爆炸后所产生的放射性烟团的危害范围就出了问题。因为它们预测的是绝对扩散的稀释过程，这种稀释过程当然速度比较快，按这种稀释过程预测出的临界危害距离就比较小。但实际上被危害的人们所接受到的是某一瞬时的烟团的浓度，这显然是烟团本身宽度 造成的烟雾浓度大小，而不应把烟团摆动的效应包括进来。因此这是相对扩散所决定的，它的浓度显然要比绝对扩散理论所预测的浓度要大。这里就会产生一个严重问题，顾先生举了一个例子，因为人类对相对扩散的理论认识是50年代以后的事，所以第二次世界大战以后，50年代以前的几年时间 美国气象专家为美国在太平洋比基尼岛原子弹实验发布放射性烟雾的危害警报区域比实际小，结果就出了严重事故。有的船只在预报的危害区域外活动，但实际还在相对扩散危害区之内，因此受到放射性烟雾的伤害，产生致命的后果，这是一个惨痛的教训。由此人们开展了对相对扩散的研究，终于在50年代有了突破。做出这个突破性工作的是巴切勒（1950）以及他和他的合作者汤森德（Townsend，1956），沿着他们的老师G.I.泰勒的统计理论的路线前进，把G.I.泰勒的一个粒子的绝对运动的统计理论，换成两个粒子的相对运动的统计理论。这样就可把G.I.泰勒的绝对扩散理论，推广到现在的相对扩散理论。因为一个粒子的绝对运动包含了从大到小所有尺度湍涡的信息。而两个粒子的相对运动，只能反映出尺度比两点距离小的小湍涡的信息，所得到的是相对扩散。然后，他们把柯尔莫果洛夫的局地各向同性湍流理论应用到相对扩散问题中来。因为柯尔莫果洛夫理论给出的就是两点速度差的均方值，正可以用来计算在经历了相对扩散后烟团宽度的大小。于是，烟团宽度的均方值与时间关系，除去初始时刻有一个按原来老泰勒理论所预测的随时间平方增长关系，在扩散时间远大于相关时间后，有一个随时间成一次方增长关系外，中间紧接初始时段之后，有一个按时间成三次方增长关系。这是由柯尔莫果洛夫理论中的“惯性子区间”之特点所决定的。这是巴切勒把泰勒理论和柯尔莫果洛夫理论结合起来得到的新结果。这个加速增长的关系已被实验所证实，由此进一步确立了柯尔莫果洛夫湍流理论在烟团扩散问题中的地位，并确立了巴切勒在烟团扩散中的地位。这也是第二次使我认识到柯尔莫果洛夫湍流理论的重要性，并第一次认识到巴切勒工作的重要性。因为烟团扩散问题正是原子弹爆炸实验中所迫切需要知道的。

 

 

7．1．2 北京天堂河农场实验

 

1966年5－6月我们学习了帕斯奎尔的《大气扩散》后，进行了一次北京南郊天堂河农场烟团扩散实验，其目的是用以检验巴切勒（1950）以及他和汤森德（1956）烟团扩散理论。经过短短一年多的努力，这实验终于得以在北京南郊的天堂河农场实现，主要是靠了陈章昭的努力，他也是我的北大的一位校友。工作很努力尤其长于实验工作。这次实验中的两个关键问题，一是烟团发生装置，另一个是照相取样设备，都是在他的努力下解决的。实验在1966年6月下旬结束，我们回到大气所，开始分析资料数据。在初步分析实验资料中，我惊异地发现实际烟团扩散情况，要比巴切勒的烟团扩散理论复杂得多。最特别的是，烟团宽度并不总是随时间增长变宽。相反，它还会出现随时间而使烟团的宽度缩小的反常状况。这是巴切勒的理论所无法解释的。问题很重要，因为烟团宽度如果缩小了，它的放射性烟雾浓度就会变得更大，对人体危害就更大，发布危害区警报的范围就应更大。否则按现有理论来发布预报，同样会发生严重事故。看来巴切勒的理论还存在漏洞，他只考虑了比烟团尺度小的湍流作用，以及比烟团尺度大的湍流作用，但还有第三种大小的湍涡，即尺度和烟团宽度大小相当的湍涡，在适当的条件下，这种尺度的湍涡可能就会构成一个辐合流场，使烟团收缩，考虑这种尺度湍流的作用，应该是湍流扩散理论的一个前沿课题。但是可惜，还没有等我们把全部实验资料分析完，“文革”就爆发了。大气所和全国一样，马上陷入一片混乱之中。一切工作都停了下来，一场灾难开始了。

 

 

 

7．2 “文革”爆发

 

 

7．2．1 “修正主义苗子”

 

在文革中，我被批判为“修正主义苗子”，大字报还说我“恶毒攻击三面红旗”，“恶毒攻击伟大领袖”，随后停止了我的研究工作，被迫写检查交待问题，在小组中接受批判。还好没有在全所大会上批斗，也没有被关进“牛棚”，是“走读”。就在一场更为严厉的“风暴”即将对我刮来之际，军宣队和工宣队进驻大气所了，形势有了好转，没有再恶化下去。可能来的人政策水平较高，看了材料，了解了情况后改变了对我的处理办法。原来我在“大跃进”以及“三年困难”时期，还是团小组长，是团结在党支部周围的积极分子。无论在“大跃进”时，还是“三年困难”时，都能够积极地响应党的号召，努力贯彻执行党的各项政策和党支部的各项决定。只是在“三年困难”时，除了努力执行党的各项克服困难的措施外，还在党进行社会主义教育中，响应党的号召，向党交心。我向支部领导谈了虽然自己在行动上能够积极执行党的各项政策，但自己对“三面红旗”确实还有弄不清楚的问题。比如究竟有没有大跃进，是不是一场“浮夸”“虚报”。否则，如果“大跃进”真像报上所宣传的那样，在农业生产上取得了那么伟大的成绩，后来天灾，就不可能带来那么严重的后果，人们不可能把“大跃进”时所生产出来的粮食全部吃光。在经过多次讨论、辩论以后还无法解决问题。有一次，在和党支部书记个人交心时，就说到：“我怀疑是否在国内存在对伟大领袖的个人崇拜”，所以才不敢承认“大跃进”错了。党支部书记是一位部队转业的老干部，有相当高的政策水平，他听我说出这样的想法时，吓了一跳。马上给我敲了警种，他说：“你必须马上停止再往下想，这很危险。再往下想要带来严重后果。”于是那次社会主义教育就到此为止，我不再往下想了，也不再交心了，但实际问题并没有解决。这就是后来在“文革”中批判我为“恶毒攻击三面红旗”“恶毒攻击伟大领袖”的真实内容。

 

 

7．2．2 两度第一批“五七”干校生

 

“死罪可免”，但“活罪难逃”。不久伟大领袖就发出了“五七”指示。中国科学院总部掌权的造反派头头，选定在湖北潜江沙洋劳改农场组建中国科学院的“五七”干校，把我们这些“犯了错误”的“臭老九”送去改造。于是我被大气所掌权的造反派头头指定为第一批中国科学院“五七”干校生。到了湖北沙洋农场之后，我们才知道那里原来是血吸虫病的重灾区。劳动将近两年，从1968年秋到1970年夏。果然科学院的人就有染上了血吸虫病的。还好，老天爷保佑，我幸免于难，没有被传上这种恶病,尽管那时我们还冒着危险,下过水田。在那里，我们大气所的小组表现还不错大家虽身处险境和逆境，但都无所畏惧，干劲很高。在当时一位年轻朋友带领下，大家团结得很好，士气很旺，大家都有一股拼劲，还评上了先进班组。这位青年人出身很好，贫下中农出身，为人中肯，待人热诚。看人不走极端，较全面。不是“一棍子把人打死”。能团结我们这帮“犯了错误”的人。在劳动中还能身先士卒，起到表率的作用。在年青人中，外号叫“老右”。这样在他的领导下，大家的心情还是相当舒畅地渡过了这两年的考验。等我们回京后，又有了第二批，乃至第三批需要“改造”的人，陆续到达。看来，在科学院需要“改造”的人很多。大家排起队来，等候轮换。没有想到，在这种情况下，在大家还没有轮换完时，我这个第一批“五七”干校生，后来又当了一回安徽光机所的第一批“五七”干校生。那个所在合肥西北郊区一个水库旁的董舗岛上，岛子很大，上面还有自己的一个农场。利用这农场安徽光机所办起了自己的“五七”干校。我又很荣幸的被选中为第一批干校生。一年以后，我们回到所里，又有第二批“学员”在安徽光机所的“五七”干校报到，接受改造。

“四人帮”倒台后，在我国改革事业的总设计师邓小平同志的领导下，拨乱反正，1978年中央召开第一次全国科学大会。小平同志在会上做了重要讲话，他代表中央正式宣布“科技是第一生产力”、 “我国知识分子已是我国工人阶级的一部分”的著名论断。这是一个转折点，从此彻底推翻了戴在知识分子头上的大帽子，他们不再被称做“臭老九”，而被看做是领导阶级的一部分。他们不再永无休止地被要求改造思想，去下放劳动，开批斗会。没完没了的政治运动就此结束，我们祖国迎来了科学的春天，在我国开启了一个新的时代。不久前在纪念小平同志百年诞辰时，《中国青年报》登载了当年负责起草小平同志讲话稿的吴明瑜披露的一段不为人知的内幕。他说，当时中央领导层在讨论这个讲话稿时，有人还有不同意见，认为小平同志对知识分子的论断偏离了伟大领袖的指示，应予修改。意见反映到小平同志那里后，小平同志斩钉截铁地说：“一个字也不要改”，事情才最后定下来。从那时起到现在已过去快三十年了，今天的年轻朋友们可能已不再会理解，那个时代的知识分子背了这么沉重的包袱，怎么还能搞科研啊。饮水思源，小平同志拨乱反正，扭转乾坤解放生产力的伟大功绩确应永载史册。

 

 

7．3 重新发现北京实验的价值

 

1979年底1980年初，在英国的剑桥大学，巴切勒的应用数学和理论物理系。巴切勒建议我和亨特接触一下，看在湍流的领域中有没有什么问题好做。亨特对我说，他们不做湍流的基本问题研究。因此，我原来申请到巴切勒那里去做湍流的不连续性问题，只好排除在外。亨特又说他是搞湍流应用的，具体来说是做大气扩散。他问我，不知我对大气扩散问题有没有兴趣，有没有想法。这一下子让我想起66年“文革”爆发前夕我们进行的北京南郊天堂河农场扩散实验。虽然事情已过去了十几年，虽然那个实验没有最后完成。但是，从那次实验中所发现的现象，却一直没有忘怀。这就是烟团可以违反巴切勒的相对扩散的理论，不但不会一直扩展下去，反而会有阵性的收缩的现象，这是现有理论所无法解释的。我说，我以为巴切勒的理论，虽考虑了尺度比烟团小的湍涡的作用，也考虑了尺度比烟团大的湍涡的作用，唯独没有考虑尺度和烟团大小相当的湍涡的作用，而这种尺度的湍涡在一定条件下，可能会对烟团提供一个非均匀的辐合流场背景。在这种背景下，烟团宽度应是可以收缩的。因此，理论应进一步发展。我在向亨特介绍了我们66年那次实验所发现的现象及我的想法后，向他说，不幸那次实验因“文革”爆发而中断，现在因为亨特在搞扩散，所以才旧事重提，不知亨特对此有何看法。这现象会不会是实验误差，有没有价值把它继续做下去。亨特马上表示了肯定态度，认为这问题很重要，值得进一步做下去。非常巧，亨特说，他在70年代，做了一系列非均匀流场中的烟团扩散研究，从这系列研究中，也发现了在适当条件下烟羽可以收缩而不会扩张的反常现象，从此形成了亨特自己的非均匀流场中烟羽扩散理论，他把他70年代这方面资料介绍给我，他要我看一下是否能把他这个理论推广到我的问题中来，从而可进一步发展烟团扩散理论。我看过亨特的文献以后，才知道大气扩散在70年代有重要进展，这就是亨特和他的合作者所创造的非均匀流场中的扩散理论，不论是普朗托的半经验混合长理论，也不论是G.I.泰勒的统计理论，都是在均匀流场的背景下做出的，所以预测的烟羽宽度都是随时间而不断扩展。但这只能适用于平坦地形，当地形为非平坦地形时，比如下游方向上出现一个障碍物，或者一座建筑物，或是一个小的山丘，气流就会出现绕流现象。此时，即令来流为均匀流，但到了障碍物附近就会发生弯曲，成为两维绕流，或是三维绕流。于是，障碍物附近流线不再是平行流，有的地方呈现出辐合状态，有的地方呈现出辐散状态。在这条件下，污染物的扩散就会与均匀流场中的情况有很大差别。在气流辐合的地方，烟羽扩展速度就会比均匀平直流场中慢，甚至会出现烟羽宽度减小，被压缩状态，这是均匀平直流场条件下所不可能出现的景象。另一方面，在气流发生辐散条件下，烟羽宽度又会以比均匀平直流场中更快的速度扩展开来。亨特和他的合作者对此进行了一系列的计算，在计算中他们考虑了两个因子，一是由背景流场辐合与辐散带来的影响，第二是当气流在障碍物绕流时，其内部的湍流结构特征会发生的变化。只有全面地考虑了这两个因子以后，才可能建立起非均匀流中烟羽扩散的理论来。其中第一个因子，即流场的辐合和辐散作用还比较容易解决，但第二个因子却难得多。幸亏这方面已有前人做过一系列探讨。最早是普朗托在1933年做的，然后是1935年由G.I.泰勒做的。再过了十九年由巴切勒和普劳德曼（Proudman）在1954年又做了进一步的发展。形成了所谓的“湍流迅速变形理论”，可以解决风洞中湍流在风洞收缩段因流场收缩而使湍流结构发生改变的问题。然后又过了十九年，从1973年起，一直到1979年亨特和他的合作者又做了一系列的推广工作，使之能应用到障碍物附近流场发生变化时，湍流结构发生改变的现象。于是亨特就能在70年代建立起一个新的湍流扩散理论──非均匀流中的烟羽扩散理论，这个理论果然预测出和均匀平直流的扩散大不相同的结果。有的地方会以超常扩散速度扩散，有的地方会低于均匀扩散速度，甚至也出现了和均匀扩散完全相反的现象──烟羽宽度收缩。显然，这是扩散理论在70年代的一次重要进展。看了亨特70年代的系列工作以后，感到我在66年烟团扩散实验中所发现的现象，确实是烟团扩散中的一个前沿课题，既有重要科学意义，又有重要的应用价值，而且比亨特还早了好多年。但是与此同时我也看到了问题艰难的一面，特别是对于我这个流体力学新手，湍流研究的新手，对于普朗托（1933），G.I.泰勒(1935),巴切勒和普劳德曼（1954）,以及亨特等人（1973－1979）这四、五十年所发展起来的湍流迅速变形理论一无所知。另外一方面，我的问题是烟团扩散，是相对扩散。它的背景非均匀辐散、辐合流场都是随机的，概率论型的，而亨特的问题是障碍物附近烟羽连续点源扩散，它的背景非均匀辐散、辐合流场是非随机的，确定论型的，与我的问题截然不同。因此，不能照搬亨特的工作，还要下力气花功夫另辟途经。问题要比亨特的复杂得多。由于当时和巴切勒合作的有关悬浮体力学，气溶胶力学课题已经开始有了眉目。我一个人无法同时兼顾两方面的工作。权衡之下，与巴切勒合作更加重要。所以我只好向亨特说了声对不起，这工作就只好再次到此为止，仍然是个未完成的工作。然而通过和亨特接触，使我认识到1966年北京天堂河农场烟团扩散实验中所发现的现象，确很有意义，这一点应是无可怀疑了。

 

 

7．4 105组和搬迁

 

7．4．1 调入105组

 

我一生遇到多次转折，前面已谈到几次。这一节要谈的转折对我的一生影响比较大，而且这次转折对我究竟是福是祸，我到现在也还没有搞清楚。这里先从调入大气所的105组开始讲起。

这次调动时间发生在“文革”之中，67年与68年之交。这个组的全称为“激光大气传输课题组”，“105”是它的代号。组建于“文革”之中。当时由一批年轻人组成，没有老先生领导，因为那时老先生都已被当作“反动权威”而被关进“牛棚”。60年代初，国际上发明了激光，当时在国际科学界引起轰动。于是各国竞相投入力量研究激光的各种应用，其中军事应用成为各国，特别是美国和前苏联的主要研究重点。最引人瞩目的应用就是利用激光的高能量、高功率特点来摧毁敌方来袭导弹，被称做“死光”的激光反导武器。此外还有激光雷达，激光大气通讯等。然而要使激光应用于军事领域，就离不开大气对各种激光束传输时的影响研究。因此，美国和前苏联都大力开展了激光大气传输的研究。我国也不例外，人们要弄清楚大气对激光束的传播究竟有何种不利影响，能否避免，能否克服，这都是研制激光装备所必须解决的问题。这就是成立105组的背景。开始他们研究大气对激光束的吸收、散射，由此引起的激光束能量衰减效应，这是首先要弄清楚的问题。为此他们做了许多实验，也进行了计算。然而随着工作的进展，他们发现，除去大气吸收和散射的影响外，大气湍流也对激光束的传播有重要影响。对此美国和前苏联的大气湍流专家已经开展了好多研究。我国不应置身于事外。但是105组没有搞湍流的人，于是他们向大气所的领导提出了要求，要求从湍流大气扩散组抽人来支援他们。于是我就被调入105组。没想到的是，这次调动最终就使我调离了大气所来到另一个学部另一个学科的安徽光机所。

 

 

7．4．2 搬迁合肥

 

中国科学院安徽光机所位于安徽省会合肥市西北郊董舗水库上游的一个半岛上，依傍大蜀山，山清水秀，风景迤逦。它的前身是一片基建工地。最早是在1958年“大跃进”年代，当时安徽省委书记曾希圣为了争取中央同意把计划中的中共第九次代表大会搬到合肥来开，未经中央批准就在董舗岛上，从农民手中征用了一大片土地，大兴土木建高级宾馆。时值三年困难时期，安徽省发生饿死人的严重问题，此事被中央发觉后，即被勒令下马。但是地基已经做了，这一大片工地（方园上千亩，有北京中关村那么大。）如何善后就成了问题。这时中国科学院正在为小三线选址，1965年1月6日曾希圣陪同当时的中国科学院副院长党组书记张劲夫乘直升机考察，张劲夫考察后即拍板定案，由科学院接管这片土地，成立了6516工程处。“文革”时期这片土地曾一度被国防科委接管，后来又归还给科学院，随后就准备组建一个新的安徽光学精密机械研究所。没有人才，光有地盘、房子不能成为研究所。于是安徽光机所筹建组的成员就到处 “招兵买马”，大气所激光传输课题组也就成了首选对象。按理说激光大气传输问题属大气科学范畴，放在大气所研究是天经地义的事，完全没有必要搬到其他单位去搞。可是当时正好在“文革”中期，林彪一伙作垂死挣扎，发了“第一号通令”，全国处在动荡之中，搬迁成风。在这种大的环境下，当时科学院和大气所的领导决定把大气所的105组集体搬迁到合肥安徽光机所。我虽然对这个决定有不同看法，认为那个所属于光学界，不是大气科学界，连学部都不一样，分属两个不同的学部。这种跨学科跨学部的搬法不对。但我们那一代的人都是受着服从组织的教育长大的，既然组织上决定了那只有服从。最后，在1971年6月，只有极少数人留在大气所，基本上是整个105组连人带设备带家属还带户口集体搬迁到安徽光机所。

对于搬迁到董舗岛,离开大气所一事，究竟是福还是祸?我在本书第一章中已经讲了是负面的影响，它使我从此离开了大气物理学界，一生都处在专业不对口的环境之中。但是，没想到还有人对此作了相反的回答，而且不是一般人，就是我在本书“缘起”中讲到的中国科学院资深院士，大气物理所陶诗言老先生。他是我国著名的天气动力学专家，一生颇多建树。是我国天气动力学和天气预报领域影响力十分大的权威学者。他2000年给我写了封贺信，祝贺我当年荣获1999年度国家自然科学奖。在表达了他的热情祝贺之后，老先生又笔锋一转，提到我1971年离开大气所搬迁合肥一事。他说他在想，如果我当年不是离开大气所，也许还得不到今天这样大的成就。也就是说，陶先生认为我离开大气所对我是福，而不是祸。我并没有和陶先生进一步讨论这问题。我现在的想法是可能我应该重新审视一下离开大气所的这三十多年。可能陶先生指的是“近亲繁殖不好”的意思。离开母所，到更多单位去吸收更多不同的养分，可能更好，这也是国际上的经验。所谓“塞翁失马,焉知非福” 。 世界上没有十全十美的事，同样世界上也没有十不全十不美的事。应该承认，在不对口的学术环境中，事业的发展确很困难。但另一方面，支持我的工作向前发展的，不仅在南开大学有许多人，在安徽光机所也大有人在。正是在安徽光机所的朋友们支持下，我才得到去剑桥大学巴切勒那里进修的机会。这是我一生中碰到的最好的机遇。本书所谈到的“闪光的8个创新点”中，有7个都是在南开大学和安徽光机所取得。在这两个单位中支持我的朋友们很多，本书不可能一一列举，借此机会，我还要向这些朋友再次表示由衷的感谢。感谢他们多年来对我的一贯支持。

 

 

7．5 引出光学界的一位大人物

 

 

7．5．1 来自河南某单位的请求

 

7．5．1．1 在逆境中坚持学习

 

从67、68年之交我调入105组起，一直到71年6月搬迁到合肥安徽光机所为止，这四年对我而言，正是在“文革”中受冲击最剧烈的时期。然而即使在这最困难的逆境中，我也没有放弃工作，没有放弃为开展当时在国内尚属空白领域的激光大气传输中的湍流效应研究，所需要的准备工作，就是学习。与以前学云物理和大气扩散时，有顾震潮老先生带着的情况不同，现在105组没有老先生，我自己就成了“老”同志，所以完全靠自学，靠自己来开辟前进的道路。我找来了湍流大气中激光传输效应领域里的权威著作──前苏联学者塔塔尔斯基（Tatarski）的《湍流大气中波的传播理论》来自学，同时也找来当时美国在这个领域中的权威学者弗里德（Fried）的有关论文进行学习。从塔塔尔斯基的著作中，我第四次接触了湍流，并第三次接触到柯尔莫果洛夫的湍流理论。由于塔塔尔斯基书中的前三章还是讲的湍流的基本知识，因而使我对柯尔莫果洛夫湍流理论中的基本概念有更清晰更深刻的认识。塔塔尔斯基是在把柯尔莫果洛夫理论引入到波动（包括光波、电磁波、声波等）传播领域中获得了很大成功，并且赢得西方学者的承认，被这一领域中国际同行公认为权威。于是这既使我认识到塔塔尔斯基的工作在湍流大气中波动传播领域中的重要性，又使我更加深了对柯尔莫果洛夫湍流理论重要性的认识。对美国学者弗里德的文献学习，对我的收获则是另一方面，是在应用上。它使我认识到湍流对激光束产生的效应，对各种激光工程的影响确是相当复杂而多方面的。有的还有争议，本身仍是个研究课题。例如由湍流引起的激光光束的大气闪烁，对于激光雷达和激光通讯究竟如何在影响，就有争论。而在这一场争论中，弗里德的研究成果，看来正确。弗里德的工作证明了，湍流引起的激光束光强的闪烁会对激光雷达的丢靶概率或激光大气通讯的误码率这些关键性能指标有严重影响。这涉及到自动控制工程中信号检测的统计理论问题。已经超出了大气物理的范围，但是它的基础仍然是概率论的随机过程论。由于我在云物理工作和大气扩散工作中也多次学过，所以对我而言，弄懂自动控制中信号检测的统计理论也没有太大的困难。这样，当我随105组搬迁到合肥安徽光机所时，我就已经做好了各项必要的理论上的准备，可以为有关工程做点服务了。

 

 

7．5．1．2 初步的回应

 

搬迁到合肥安徽光机所后没多久，河南的一家研究机构就通过安徽光机所领导转来一张条子，上面写着他们对我们的请求。原来他们承担着一项远程激光雷达的国防工程任务，在研制过程中他们很需要了解大气对这项工程究竟会有何影响。条子上提出了两个问题。一是大气衰减问题。二是大气湍流的影响。这两个问题，正是原来105组研究的两个问题，完全对口，他们算找对了人。而我们这一边 却没有想到刚搬到合肥马上就来了任务。河南这家研究机构，原来大家都没听说过。不知道有什么来头。所以没有引起大家注意，把它放在一旁。但这条子传到我手中时，却引起我的注意。刚好我在搬迁前学到的前苏联学者塔塔尔斯基的理论，以及美国学者弗里德等人的湍流大气闪烁对激光雷达丢靶概率性能指标的影响的最新研究成果一致，完全可以把这些理论应用到来自河南的任务。我感到这是自己的责任，我有必要用自己刚学到的新理论对河南朋友们的问题给以积极的回应。为要把这些理论应用于激光雷达工程实际，首先需要知道大气湍流强度在整层大气中随高度的分布。当时我们自己没有中国的资料。于是我们找到了头一年，即1970年美国的学者洛伦斯（Lawrence）和斯特罗本（Strobehn）发表的综合述评中引用的一个资料，这是美国学者赫弗纳盖尔（Hufnagel ）和斯坦利（Stanley）先在1964年研究后又在1966年修正过的大气湍流强度在整层大气中的分布的资料。这个资料的来源又有三个，一是美国标准大气平均气温、气压和风速随高度分布的资料；第二是博尔（Ball）在1961年总结出的湍能耗散率e随高度分布的资料；第三是对夜空星光闪烁的观测资料。所以劳伦斯和斯特罗本1970年发表的赫夫纳盖尔和斯坦利的大气湍流强度随高度分布的资料有相当大的代表性。也是我们当时所能找到的最有用的数据。以此为基础，把塔塔尔斯基和弗里德的理论应用过来，果然发现由湍流大气引起的激光束光强闪烁对远程激光雷达有严重影响，它会大大降低激光雷达的丢靶概率，为维持原定性能指标需要大大增加激光光束的发射功率，到一定条件下，就有可能超过现有激光器的功能，而使工程失效。我把这个初步的计算结果，通过组织转回到河南那家研究机构。他们很快就派人到安徽光机所来和我面谈。原来他们并不清楚湍流大气对激光雷达会有这么大的影响，在听取了我的汇报以后，来人终于交了底。原来这项工程的真正主持人并不是他们，而是我国光学界的一位大人物王大珩先生。他当时是中国科学院技术科学部学部主任，长春光机所所长，是我国工程光学的创始人。其地位相当于大气科学界的赵九章老先生。在国内桃李遍天下，现在已是中国科学院院士的上海光机所几位光学专家还都是他的学生。所以王大珩先生的影响力在我国异常大，影响深远，且及于现在。打倒“四人帮”以后，我国著名的由邓小平同志亲自批准的“863”高科技发展计划，这个计划的发起人有四位大科学家，王大珩先生就是其中之一，可见他的影响力非比一般。当时大家都没有想到，这项原来不知其名的河南一个小单位的远程激光工程的真正主持人，原来就是这位在我国技术科学界名震遐迩的王大珩先生。

 

 

7．5．2 王大珩先生来了

 

河南那家研究机构的朋友接着告诉我，他回去以后要向王大珩先生汇报，然后由王先生来决定下一步如何办。这位朋友走了以后不久，我就收到王大珩先生的邀请，要我到长春光机所他那里，直接再向他汇报一次。那已是1971年的冬天，我第一次到了东北严寒下的长春，王大珩先生在听取了我的汇报以后对我说，这是一个很重要的问题，原来他们没有考虑过。因此，他准备第二年的春天来临之际，率领和这项工程有关的工程技术人员，亲自到合肥安徽光机所去一趟，让大家都听一下，通过交流讨论以确定下一步的工作。第二年，也就是1972年的春天，王大珩先生果然率领他的团队来了。这件事，当时在安徽光机所引起一次不小的轰动。前文已经讲过，在我们到安徽光机所之前，这个所实际只是一片基建工地，没有搞过科研，没想到我们这批北京来的人搬来后，还不到一年就打开了局面，所以大家都很高兴。这次汇报会原计划只是由我单独向他们做汇报，后因王大珩先生的到来引起人们的重视，临时又安排了一个大气衰减的报告。这次会议实际上就成了原北京大气所105组的人，向我国光学界最高权威的一次比较全面的汇报会。鉴于我所提出问题的重要性，会议决定了两件事。一是要搞野外实验，通过我们自己的实验以检验一下，塔塔尔斯基的大气闪烁的理论是否正确，会议决定实验就在当年的秋天在长春郊区进行。测量激光束的大气闪烁的实验设备由长春光机所的激光大气传输组负责（当时他们还没有搬迁到合肥，1977年他们也搬到合肥，与我们以及上海光机所搬迁来的人员一起组成一个激光大气传输研究室），实验中测量大气湍流强度的实验设备则由我们安徽光机所负责。会议决定的第二件事，就是利用我国自己的气象资料，从中计算出我国的大气湍流强度随高度分布，这件事则由我们与北京的中国科学院计算所合作来完成。这就预伏了我的两个创新点。以下先讲由王大珩先生带来的第一个创新点。

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