博文
一门新学科的建立
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一门新学科的建立
《创新话旧》第9章（3）
温景嵩
南开大学 西南村 69楼 1门401号
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9．5 微大气物理学的建立
9．5．1 总结往事
本书第一章已经谈过“微大气物理学”这一创新点，并不是在几十年前，当我开始从事大气物理研究时，就已确立好的宏伟目标。事实上，它只是一项事后的总结，而不是在事情开始时的有目的、有计划的行动。当时间进入80年代，我以前在大气物理所工作的一些朋友已相继出版了一些学术专著。我也想出书，但是，我能出什么样的专著呢？回顾我几十年走过的道路，我搞的课题是够多、够杂的了，甚至我有一种“杂家”之感。什么课题都搞过一点，可什么问题似乎都不够专。云物理搞过，但我不能说自己是云物理学家。大气扩散搞过，但又不能说自己是大气扩散专家。大气光学也做了，但也不能说自己是大气光学专家。湍流搞过一点，但也不能说自己是湍流专家。说是气溶胶力学专家有点像了，但在当时时间又太短。而且那前几十年的工作又算甚麽呢？我有些茫然。不过“茫然”的时间不太长，当我冷静地坐下来，回顾分析了我这一生所走过的道路，我的头脑渐渐地清晰起来，原来在我所做过的工作中还是有一条清晰的线索。那就是微尺度大气运动。几十年来，虽然我的具体题目换来换去，但非常侥幸，虽然是不自觉，却都没有变到微尺度大气运动以外。而且我发现，在找到了这条线索以后，课题换的花样比较多就不是甚麽缺点，反而成为我的一个长处。它使我能够从更全面的角度来重新审视一下萨顿的《微气象学》。于是我就较为容易地发现我这几十年的工作已经在不知不觉中比较全面地突破了萨顿的两个局限性。在尺度范围问题上，我已经用几项气溶胶力学的突破性成果，突破了他的小尺度湍流区间范围，把对微尺度大气运动的研究扩展到了微米、亚微米尺度的粘性流范围。这是一个重要的突破，因为自萨顿之后直到现在，大家都接受了萨顿对微尺度的定义，认为所谓微尺度就是小尺度湍流。但是从我对气溶胶力学的研究经验看，这显然不够。既然大气实际上是一个气溶胶系统，那在大气中就必然存在由气溶胶粒子扰动引起的微米亚微米尺度的粘性流。否认在大气的微尺度运动中存在这样更小尺度的运动，显然站不住脚。另一方面，在小尺度湍流区间中我也突破了他的边界层气象研究范围，大大丰富了湍流区间中的研究内容。因此再用萨顿的《微气象学》来概括我这几十年的研究工作就不合适了，需要有新的概括，需要有提出新的学科概念的勇气。而这勇气也来自我在剑桥的研究经验，正是在剑桥使我破除了对科学的神秘感，增添了我在学科上也要有敢于创新的勇气。于是一个新的提法──“微大气物理学”，亦即“微尺度大气运动中的物理学”，也就由此应运而生。从基本精神讲，它继承了萨顿的《微气象学》的微尺度大气运动的研究。同时，在内容上它发展了人们对微尺度大气运动的认识，可以说是“微气象学”的新阶段。以下将进一步介绍这门新学科的内容和意义。
9．5．2 变化万千的世界
虽然，相对于大尺度和中小尺度运动而言，微尺度大气运动其尺度非常微小。但在其中发生的物理现象却是千变万化，复杂多样。应该说这是一个内容十分丰富的，奥妙万千、引人入胜的世界。本书前面几章讲的仅仅是其中一部分，本节将做一更全面的简要介绍。
在微尺度最大的一端，即小尺度湍流区间中，首先是湍流的微结构问题。其中湍流的不连续性（即间歇性），以及湍流的相干结构都是意义十分重大的前沿课题。其次电磁波和声波在湍流大气中的传播时的散射过程；短波在湍流大气中传播时的参数起伏（如振幅起伏和相位起伏）；光波在湍流大气中传播时产生的光强之大气闪烁现象，光束的漂移，到达角的起伏，像点的抖动，聚集光束的散焦作用等，这些都是重要的研究课题。再次，在湍流起伏条件下，对流云中的云滴随机增长问题，包括了随机凝结增长与随机重力碰并增长两大研究课题。烟羽的湍流大气扩散，尤其是在非均匀地形中的湍流扩散问题，都是近年来十分引人注目的新课题。而边界层气象，近地面物理这样一些传统的微气象学，由于大气污染等社会问题的紧迫需要，也都大大加强了对它们的研究。
另一方面在微尺度大气运动中的最小一端，即由气溶胶粒子的存在引起的微米、亚微米尺度粘性区间，内容也十分丰富。首先是，在气溶胶多粒子流体动力相互作用下，所引发的低雷诺数扰动流场结构，这问题涉及到多体问题同样是十分重大的前沿课题。其次是与此直接有关的气溶胶的一些力学过程。这包括了气溶胶粒子在外力作用下，粒子和介质的分离过程；又如气溶胶粒子在外力、外流场力、粒子间相互作用势力；以及来自介质分子无规撞击的布朗热动力，在以上这些力的作用下，粒子间发生相对运动，最后发生碰撞或粘连或并合在一起，从而从体系中消失的过程（粒子被障碍物捕获的过程也包括在内）；再如气溶胶粒子和介质之间的质量与热量的交换过程；还有气溶胶整体作为一个均质流体看，它的力学性质发生了改变而与纯净流体不同，如体系的有效粘性，有效热传导率等，这也是一个有重要意义的研究课题；气溶胶粒子谱在各种微观与宏观动力过程作用下的演变过程，也是当前气溶胶科学中的一个研究热点；最后，气溶胶光学效应，声学效应，气溶胶与辐射传输，气溶胶的气候效应等也都是一些意义十分重大的研究课题。由此可见，微尺度大气运动的空间尺度虽十分微小，但发生在其中的物理过程，却丰富多彩，奥妙万千，在微小的空间尺度中存在着种类繁多千变万化的世界。
9．5．3 微大气物理学的三大共同特征
在研究课题如此多种多样的微大气物理学中存在以下三个共同特征。
第一，直接在国民经济建设与国防建设以及社会发展中的应用价值。大尺度与中小尺度的研究， 是通过对天气预报和气候变化预测来为国家服务。而微尺度则与此不同，它直接服务于国家建设的某一方面的特殊需要，它的研究成果目前一般还看不出和天气预报这个气象界的核心问题有何联系。但它们大都有自己的直接的服务对象。近半个世纪来对光波在湍流大气中传播过程的大量研究，是在以激光武器为代表的各类激光大气工程，以天文台站建设为代表的各类光学工程，以大气科学中的大气探测工程等的促进下才蓬蓬勃勃地发展起来。同样近半个世纪来对边界层气象和大气扩散的大量研究是在大气污染、防原子战防化学战、防细菌战等社会问题的需要以及军事问题的需要促进下才十分迅猛地发展起来。人工影响天气，包括人工增雨、人工防雹等工作是对云物理研究的有力促进。对于环境污染的控制与监测，对于各种工业气溶胶技术的开发和利用，对于研制大规模集成电路与超大规模集成电路的超净工作间，对于与人体健康密切相关的气溶胶粒子在人体呼吸系统中的沉淀问题，都是半个世纪来气溶胶力学发展的强大动力。所有以上情况说明了直接的在国家建设和社会发展各个领域中的应用价值正是微大气物理学的各分支领域的一个共同的特征。
第二个共同的特征就是微尺度大气运动都服从黏性流体运动的规律，不论是微尺度中最大的小尺度湍流区间，还是最小的微米、亚微米粘性流区间，都服从于黏性流体运动的纳维-斯托克斯方程，而与大尺度、中小尺度有根本的不同。那里的大气运动却可以近似成无粘性的理想流体。其中地球大气的各种特有的作用力，如地球自转偏向力等却突出起来。此外，微尺度大气运动是微尺度范围各种物理现象的主导因子而且具有理论性和定量性。这点又与大尺度、中小尺度大气运动不同，大尺度、中小尺度运动虽然也是发生各种天气现象的主导因子，但它不具有理论性和定量性，而往往带有经验性质。于是，发生在微尺度范围中的各种物理过程的规律，就常常带有相应尺度大气运动的“印记”。柯尔莫果洛夫的局地各向同性湍流理论和2/3定律，决定了烟团扩散中弥散度随时间3次方增长关系。又决定了光波在短距离湍流大气中传播时，大气闪烁强度随距离的11/6次方成正比的关系。另一方面，在微米、亚微米粘性流区间，由于此时黏性流体运动的纳维-斯托克斯方程可以线性化为斯托克斯粘性流方程，许多问题可以严格求解，从而存在着比小尺度湍流区间更加严格的定量规律，那里的一些系数往往就可以直接从理论中解出，而不像湍流理论中往往含有只能从实验测定出的经验系数。例如巴切勒的单分散沉降公式，巴切勒和我的多分散沉降公式。与此同时，气溶胶力学中的一些问题往往也是由于斯托克斯粘性流的慢衰减特点，又使它的有关积分常成为发散积分，是气溶胶力学研究中的一个严重障碍。对比大尺度天气预报工作中，气象台站预报员在预报出大尺度流场变化以后，主要还是根据预报员的经验来预报相应的天气现象，微大气物理的这一特点就更加使人印象深刻。
第三个共同特征是，它们都具有随机性质。因此，概率论和随机过程论，以及随机场论就成为解决微大气物理问题中共同的强有力的数学工具。在小尺度湍流区间，随机性源于流动在高雷诺数条件下自发的不稳定性。由此，发生在湍流中的各种物理过程，就无不带有随机过程的特点。在微尺度大气运动中最小的微米、亚微米尺度粘性流范围，那里的流动虽然因分子粘性起支配作用而使流动是稳定的，不带有随机性。但是当物体小到像气溶胶粒子那样微米、亚微米尺度时，来自四周流体介质中的分子热运动的无规撞击就显著起来，随机的布朗运动就成为气溶胶粒子运动的一个主要特征。与气溶胶粒子有关的一切物理现象，也就都具有随机性质。概率论与随机过程论也就成为解决这一领域中物理问题的主要数学工具。当然，我们在第一章中已经讲过，在把概率论与随机过程论应用到微大气物理问题中来时，常会产生出一些难于求解的数学方程，这时还主要是靠把物理思想注入于数学之中来解决问题。可以说一部微大气物理的发展史，正是物理思想和数学理论相互结合相互促进的历史，单纯的数学技巧是不能解决问题的。
基于以上几点认识，从黏性流体力学角度出发，对微大气物理的发展做了一次系统、全面的总结，1989年我们出版了微大气物理的第一部专著──《微大气物理学导论》（科学出版社，北京），这本书的重点放在气溶胶力学，把湍流大气物理放在第二位。随后，我们又从概率论、随机过程论和随机场论出发，对微大气物理学的发展做了又一次总结，1995年出版了微大气物理的第二部专著──《概率论和微大气物理学》（气象出版社，北京），与第一本不同，这本书的重点放在湍流大气物理，而把气溶胶力学放在第二位。这两部书的出版，标志着微大气物理学这门新学科分支的建立，开辟了一个新的研究和应用领域。当然它是否能站住脚，还有待大家的检验，有待时间的考验。 回顾往事，我这一生在朋友们的帮助下解决了微尺度大气运动中特别是气溶胶尺度中的一些问题，对此我很高兴。当然还有更多的问题有待解决。自1953年萨顿开创了微尺度大气运动的研究后，半个世纪来它已经有了很大的发展。由于国家建设的需要和社会发展的需要，又由于它拥有许许多多引人入胜的科学问题，相信在未来的岁月中，对于微尺度大气运动的研究，尤其是对气溶胶这样微小尺度的研究，无论在理论上和实验上，也无论在基础领域和应用领域，都会吸引更多的年轻朋友投身到这里来，从而使它有一个更大的发展，对此我充满了信心。
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