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《顾震潮谈科学研究》中的科学思想(二):特殊与一般

已有 1670 次阅读 2020-9-23 10:59 |个人分类:旧文新读|系统分类:观点评述| 顾震潮

《顾震潮谈科学研究》中的科学思想

   (二):特殊与一般

顾震潮先生的手稿全文链接是:http://www.iap.cas.cn/qt/zthd/oldzt/guzhengchao85/gzc85.htm

注解:1 顾先生对特殊性与一般性的讨论,前面部分主要是原则性的,而后面部分则是以新中国成立后特别有原创性的科学贡献为例子,由于在这些重大贡献中顾先生本人又是亲历者,所以一方面说出了别人不知道的重要历史细节,同时在总结经验时又特别地贴切。这些例子包括:(1)青藏高原对中国天气的影响; (2)数值天气预报;(3)云滴增长的起伏理论;(3)云滴谱(分布)的第二极大问题;(4)锋面问题。

2. 顾先生在文稿中特别强调从特殊性中找普遍性规律,这是尤为重要的。在这方面他和叶笃正先生都是典范。

2、但要搞出东西来,就要抓住中国气象的特殊性,抓住气象实践中发现的特殊性,个别性深入下去,并且提高到原则高度,从中看出普遍意义,也就是抓住特殊性提高到一般性,丰富一般性。

     我们有我们的特殊问题,我们要解决的问题是中国的问题,或在中国解决问题,或者问题不同,或者角度不同,我们所要解决的问题有它的特殊性,不是国外所遇到的那类问题,也不是他们那样角度所看到的问题。我们创造性地解决这些人家所没有的问题,我们就有特殊的贡献,特殊成就,把这种特殊成就进一步总结提高,就会丰富气象的普遍理论

    当然,我们需要把普遍的气象理论用到中国来,从一般到特殊,这十分重要,但要解决得好,就要看清特殊性。而且更重要的,还要从中国天气的特殊,总结出新东西,总结出普遍的东西来。我们过去就抓西藏高原,抓东亚寒潮,抓梅雨。任何气象普遍理论都是由特殊东西出来的,藤田的中尺度天气系统先是日本的,后是美国的,我们有的用了。同样中国的天气中的东西,也可搞出普遍性的,为什么总只有我们用他们的,验证他们的结果,永远跟在人家后面跑得满头大汗,又永远跟不上呢。这样做,跟不上是必然的。

    抓中国自己的气象问题也决不是什么都抓,而是要抓其中的特殊性。抓特殊性并不意味着片面,偏爱。或者只见树木,不见森林。抓特殊性就是抓具体,抓个别。再普遍的东西也从个别开始。不认识树木,见到森林也不知道是森林。只要分析时注意自己的目的,注意分析方法,即是要把这种个别性弄清楚并提高总结出普遍规律,而不是"有此一格"、“曾经有过这么一回事”而已,就不会犯错误,就不会抓错,就有普遍意义,[就]有作用。

   所以,天气要抓个案,不抓个案心中无数,大量资料也无法分析。看云雾资料要看到它的个例。几千个滴谱一平均,什么因素的作用都抵消了,看不清了。它有最概括,最普遍的一面,也有最不实际,最笼统的一面。相反的,有好些情况下云滴出现了平均谱所没有的特点,这是值得注意的。这个特点重复出现,那更重要。不要一概认为观测误差。就是误差也要具体分析,不要用"文科"的办法,有个资料也不谈误差,谈误差,也没有一个具体的分析,没有个定量估计,我们的天气学至今犯这个毛病,还要提高。误差是有的,但也可以分析的。决不是什么都是死无对证的。这次对证不了,提出来,大家注意,下次再对证。以锋面分析而论,大气平均探空曲线上难得见到锋面,可算是特殊的,但这特殊的探空曲线不平滑却是十分重要的特殊性。谁抹杀了它,许多天气也报不出来了。气候上也有平均锋面位置,但这概念远比个别锋面的锋空泛,锋上特有的垂直环流等等都模糊了。平均锋面位置重要,但它的重要性是由个别的锋面的研究得到了解的。

       特殊的个别的东西如何看到它的普遍意义?从气象问题来看也很明白,还是抓住它的本质,它的发生发展的条件,它的形成发展的过程,这些过程中矛盾的转化。这些东西是有普遍意义的,而具体现象本身则抓得再紧也不一定有普遍意义。起码从实际情况中先分析发生发展的实际条件,与个别的现象的联系。以云滴谱来说,[观测出现的]第二个极大,这第二极大的现象一定要抓住,我们还不能够马上解释它,但是我们可以先研究它出现的条件,出现时的天气,研究第二极大与谱宽,浓度等等的关系,了解这些关系,就进了一步,也就为了寻找理论上更普遍的分析提供了条件。比起只指出有第二极大存在就已经大为提高了一步。总之,要从特点中再回到普遍规律。
  会不会抓错了?一定会有抓错的,过去气象史上是如此,以后也会有这种情形。但是,抓特殊性会找错,分析错。我们发现抓错了,改正了就行了。不是因此不抓它。只抓平均数,只抓一般的,这样是不够的,最后问题[会]更大。人家发现雨滴谱是指数谱,我们也平均一下得个指数谱,人家说盐核海上来,扩散上传,我们也凑这个理论来分析,[这]又会说明什么问题?所以一定要抓中国的特殊气象问题,中国自己的气象现象。在这些现象中又要抓住现象中的特殊性,揭露本质,用来指导一般分析,丰富一般理论,研究才真有成果。 


关于特殊性与一般性的讨论,顾先生补充了很多具体例子。

  (1)气象学是带有很大地方性的科学,而研究的总首先是本国的天气,地方性明显。过去解放前或解放初开口就说中国天气与美国相像,有的是我国自己情况不了解,要借用美国研究结果,有的是进行理论研究变化,想强调它的一致性。但是实际上没有一个客观天气研究,一个普通的天气结论不是同当地的特殊性联系的。挪威学派1920年前后抓住锋面气旋(锋面上的低气压)提出了锋面学说,建立了挪威学派,因为在挪威那边气旋特别清楚,特别多,发育得完全。那几年西风比较强,容易有锋面气旋。1933/34年也是如此,甚至出现"快跑气旋"(移动特快)。到1935-36年德国人大研究大型过程,强调"东方型"。47-48年Rossby研究阻塞流型,因为在那几年欧洲暖高压很强,阻塞明显,提出的又另是一类天气。再是美国1940年前后大大研究急流,不但当年西风强,并且美洲急流也强(仅次于东亚)。所以这些研究及提出的相应的理论,都是有地域性甚至有当时流行天气的影响的。我们在中国必然也要注意到本地的特殊天气,不能贸然搬用,搬用必然解决不了问题。我国西南的预报员不会搞出锋面学说的气旋理论,因为这类气旋在那边很少。在那边只会搞出西南准静止锋的研究,如1947年张丙辰同志所注意的。搬了挪威学派的锋面气旋模型来也用不上。当然一般的气象原理能结合中国天气实际来用也是好的。可惜解放前不多。天气上尤其少。吕炯的"极面(锋面)学说与长江下游之风暴"与刘匡南,程纯枢讨论中国高空低槽演变与锋系特征的文章可算是与众不同的(后来叶笃正同志研究西藏高原影响是更出色的更有系统的)。

 (2)现在的情况是,这毛病还有,研究危险天气中小尺度系统一味模仿藤田(Fujita,留美日本气象工作者,中小尺度系统研究权威),一味画雷暴高压(次生的,后期的,少预报价值及理论意义),不谈生成机理。研究湍流扩散的,一味崇拜Колмогоров理论,只谈局地各向同性问题(局限性很大,扩散上基本是没能用上),如法炮制,不想在我们这边测一测湍流扩散,其实即使先找一找经验规律再上升,或者根据我们对湍流扩散的要求,从扩散本身下手,另辟我们的途径更好,这是现在正在开展的工作,已具体作了三种可能的途径,或三个阶段的考虑,已讨论而未开始作。但洋迷信还很不少。讲得再远一些。我们的气象业务中日常观测的规范还是洋的,观测报告的电码也是洋的。欧洲人根据欧洲天气,为欧洲天气的预报制订出要观测什么,报告什么,我们至今照抄,岂非怪事。这套观测电码,最后一次大改还是挪威派盛行时的事情,至今已有三十年了。什么报能见度等等,都是为了气团分析,实际上早已不用。当然航空上还要能见度,这是另一回事。作为天气分析方法,我们的天气分析有我们的特点,为何不有计划地准备一下,调研一下,进行一下改革呢?实际上美洲低纬等地已加上24小时气压变化,美国对热带的天气还重新分为几类,拟了新电码,(专用,是科学家提出的),东亚为何没必要?实际上西藏高原上的观测是已自发的改了教条式的雷雨云定义(上部冰晶化)改变了报云的电码!1950年时我国天气分析基本上仍照挪威学派的方法办事,当时针对这问题,大大的用力指出挪威学派的方法的局限性,要按我们天气实际情况来分析,不是硬套几个阶段,几个模式。经过了四、五年挪威派影响算基本上不硬套了。观测则没有经过这一阶段。当时硬抄苏联,而苏联的天气观测及预报分析方法完全抄挪威派的(请了挪威派专家去了几次,前后二、三年)。


 (3)以西藏高原影响问题为例,地形对天气有影响大家知道,大地形如落矶山对天气有影响,影响至槽的形成当时也已有理论研究,但是西藏高原如此大的高原该有更大影响,却很少有人注意,叶笃正首先注意了这问题,把大地形影响的问题具体到西藏高原来考虑!指出了我国高空气流的某些特点与此有关,这是与中国具体天气结合了起来。另一方面,1950年联合天气中心成立后不久在中国天气预报实践里就发现中国天气的好些特点,低压在中国陆上很不容易发展(东北除外),上游(西边)也很少深而强的天气系统进来等等,而地面上的具体天气也有着相应的特点(一般变化慢,少,静止锋多,持久),可以联系到西藏高原的影响来了解。这样,可以对了解中国天气形成的规律有帮助。作为总的背景。这是提炼出来的问题,具体的某一个天气系统的发展则还不能研究,因为当时资料远为不够。但西藏高原影响问题看来虽是一般大地形影响原理用到中国来,实际上我们从中国天气各方面来研究了这问题,联系到地面天气,联系到中国整个和各地区的特征,联系中国天气系统发展,联系到气候形成理论,结果问题内容就充实了许多。同时高由禧同志把它扩充,把高原作为冷热源,朱抱真同志又反过来再从动力理论上把大地形影响的理论推广成地形与冷热源对高空平均流场形成理论。这样,问题就从原来的一般原理又回来扩充和充实了原来原理,水平也大大提高一步。可以说在解决中国天气实践过程中及基础上又提高丰富了气象学的一般原理。所以以研究中国天气为中心、西藏高原影响为中心,我们在1957年总结解放后对东亚大气环流的研究写成连载三期的长文(瑞典Tellus杂志发表,应邀去开会时报告用,所务会议通过同意)时国际上都很注意,至今沿用引用[注3]。到去年访问日本时,他们还问起现在进一步作得如何了。可见把气象学一般原理结合中国天气实际,不但可以解决了中国实际天气,又可提高总结,回过来丰富气象学。这是完全应该和可以做到的。
  
  (4)从天气预报实践来说,1950-55年在联合中心作预报,当时的任务在建立天气图方法的预报技术。1955以后我们还要加强它,但我们回到科学院后应该注意更长远一些的问题。当时数值天气预报在国外已在作"中间工厂试验"。看来比1949年我在国外时的情况更有苗头,这是一个天气预报工作的方向问题。当时我们的预报单位还顾不到,但我们得搞起来。另一方面,数值预报把原先难于验证的天气动力理论结果,通过计算,成为可以验证的。在这里又必然大大的推动天气动力理论发展,它不但加速了天气动力学理论回到天气实践的工作,并且在数值天气预报中又发现许多本来不注意的新问题,例如超长波问题,因此又促进了天气动力学的发展。所以,那时就应该开展数值预报的研究。非但能直接帮助我国天气预报的进一步提高,并且也能促动天气动力学的发展。这目前对它重视还不够。


 (5)从中国实际出发也可以用云滴生长的起伏理论作例子。从1959年起我们就在黄山观测云雾。60年起又在南岳再建了一个云雾观测站。我们发现山上云雾笼罩时往往看到云忽浓忽淡起伏很大,风大时尤其明显。不刮风不下雨时不明显。60年秋天专门组织了观测证明云中水滴的确忽多忽少,有起伏,远不是均匀的。到61年我们又观测盐核(形成云滴的基础、核心)发现盐核也是忽浓忽淡,并非均匀的。所有这些现象在外国文献中基本没有人注意。事后查到少量资料也没有人着重指出来它的重要性。而我们认为这些事实很重要。因为,从理论上讲,这牵涉到许多问题,比如说牵涉到盐核来源,云滴生长等等问题。那时我们通过中国人工降水自己的实际,正着重搞暖的云(温度0℃以上云,一般理论不能很好解释暖云中如何能形成雨滴)如何会降雨。但门道不多,理论水平还差,才开始研究。但在61年底看到周秀骥告诉Беляев而由后者径自发表的云滴起伏凝结增长的论文时,(因而)就能认识到这个特殊处理方法的重要性。我们由自己的工作就体会到云中确有起伏。因此我们就用同样方法来处理更为重要的云滴碰并的问题。作了一些研究。此外也作了另一些同类问题(暖云中水滴长大,出现大水滴)的理论研究(李麦村的对流云泡降水章光锟的平衡谱)。到第三年,1962年我们就进一步观测云中水滴浓度起伏,进一步证明起伏量的大小。也在观测中找出云的起伏与云中水滴大小的关系,可以间接支持起伏生长理论。在这里面问题的提炼是先发现中国云雾的一些特殊现象。认识它的原则意义,又从自己的这实践体会从别的角度即自己的角度来研究中国提出的基本问题,而提出自己的理论,来丰富一般,普遍的规律。 


  (5)前面所说的云滴分布第二极大问题也是这个意思,人们在实践之前往往不承认特殊性,只见一般性,海洋学家在海底仔细探查之前总以为海底是平的,实际探查后才发现海底起伏比陆上还大得多。又如,以为湾流(gulf stream)是一股均匀的海流,仔细调查后才发现还有分支,还有蜿蜒曲折,中间一股流速又极快,都比想象的差别性大得多。天气上本以为高空是一样的西风,实践后才发现有风急流,又细又强。所以对我们来说,问题就在中国天气实际中发现特点,发现差异,并再提高认识。

    (6)我们已经谈到特殊性与一般性的问题。以锋面为例,锋面既然没有很经常的出现,以致大气温度向上[递减]变化的平均情况来说,往往[锋面的]一些影子也没有,又有什么重要性呢?这里就要有理论的指导。锋面这个个别性重要,因为它是冷暖两空气[团]之间的很清楚的界限、接口。在别的地方冷暖气[团]的界限没有如此清楚。换句话说,矛盾没有如此集中、尖锐。锋面上冷暖空气的对比明显,产生了一个重大的后果即冷空气与暖空气在锋上往往是不平衡的,冷的要下沉,暖的[轻]要上浮。这样,冷暖空气就要重新排列而释放位能,因而大大增加大气的动能,天气就大为变化。所以在理论上是十分重要的,大气运动靠它维持。没有这理论上的认识,又没敢承认特殊性,这现象就要被放过。事实上,英国著名气象学家Shaw就轻轻放过了它。(预报员们到现在还放过不少重要现象!)


  我在1957年研究锋面时情况也类似。锋面是冷暖气[团]的界面,冷是冷,暖是暖,因此40年来一直认为锋面是一个物质面,即永远由同一批质点组成,不会改变,不然不成其为冷暖空气的界面了。人们承认冷暖空气会互相变化,但在锋面上就不承认它们的变化。其论点主要由所谓的剖面图上的保守量来证明,即用南北方向上(或其它方向),从上到下给大气切开来,看看它的冷暖空气分布,温度构造。而用的是所谓"相当位置温度",它是一个"保守量",尽管发生凝结,发生上下运动,这个量保持不变,可用来识别冷暖空气。这已成为日常锋面分析方法的核心。实际上,这种图不能搞清锋的演变。因为锋面每天在移动,同一地理位置上的剖面中,即使保守量分布类似也不能说明锋面的全面演变。为了了解锋面的数值预报处理方法,我与数值预报小组同志分析了这种保守量沿锋面的"水平"方向分布,看它究竟是否均匀,是否每天有变化,变化又有多大。研究是中国寒潮南下时的冷锋(冷空气推向暖空气的前锋)。结果发现锋面上不但这保守量不是同一数值,空间分布并不均匀,并且时间上也很快变化。由此具体了解到,锋面上的保守量其实天天在变,可见锋面不是物质面,锋面是不断发展的,是不断产生加强,又不断消灭、削弱的。这与过去的锋面概念十分不同,(过去是某地生锋,然后不变地移动,到末了忽然锋消)。这也表明冷空气暖空气即使在锋面上也是不断在转化的,不是互不来往的。暖空气会变成冷空气,冷空气也会变成暖空气。所以锋面也不可能是物质面。这问题中分析的是几个例子,但从理论上看这问题十分有意思,所以经过仔细分析,现象可靠,从理论识别,这是关键性的。这个锋面研究,国内外天气动力工作者不大提到,我自己则认为还是一个重要问题。要强调的还是理论上的认识,看出它的重要性。而这一点,又要认识锋面作为物质面的重要性何在,即原来的锋面本质上重要性是什么,否则管你什么物质面不物质面,稀里胡涂一笔勾过去(画天气图)什么也没有问题,结果什么问题也看不出来。特殊性固然看不出来,一般性其实也不了解。预报员天天接触具体天气,特殊的天气,但苦于搞不出好办法,主要原因还是不会总结好。而这又与理论修养不够有关,所以我是主张预报员是应该好好学学动力气象拿来结合天气问题,拿来用的(作为武器)。过去据说一看动力气象就归之为脱离实际,大家不敢看,现在好一些,也还不够。天气动力学理论脱离实际好办,结合就是了,没有天气动力学理论或者把它丢掉,那才是更大的错误。以学毛选为例,只有批评学毛选不联系实际,那有因而丢掉毛选的事呢。当然业务繁重有它自己具体事情和做法。
  所以说提炼问题还得有理论水平。首先是大量天气实践中了解重要的问题:对象是什么,然后分析典型的例子(已有普查基础),分析典型例子中的典型过程,找出关键,认识关键,还得有理论原则的指导。当然这原则是大原则(锋面是否物质面很重要),在这指导下搞出新的原则(锋面不是物质面),不是证明证明老规律。在锋面分析中不是证明锋面是物质面。在西藏高原影响问题则是首先了解中国天气的许多特点,也了解大地形一般对高空环流有影响(指导),说明的不只西藏高原对中国高空环流有影响而还对地面的许多中国天气特征、气候特征有重大影响,这就成中国天气上的一个新的原则了。


[注3]顾先生所说应邀参加的会议是1957年6月3-7日在斯德哥尔摩大学召开的数值天气预报会议。在会议的第二天(6月4日)晚上专门为顾先生开了一个分会,由顾先生介绍新中国气象学发展中的成就,其中包括应邀发表在当年和第二年的Tellus上的《东亚大气环流》三篇文章的内容,引起了参加会议者的赞叹。当时参加会议的有Rossby、Charney、Lorenz、Obukhov、Bolin、Smagorinsky、Doos等人。





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