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《顾震潮谈科学研究》中的科学思想(三):学科交叉与大气过程的控制观

已有 973 次阅读 2020-9-23 20:47 |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

   (三):学科交叉与大气过程的控制观

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

3、大家研究气象,我们怎样比前人,比外国一定研究得好?除了抓对问题之外,还要有一个必然的不同之点,就是我们一定要有新材料、新观点、新理论、新工具、新仪器,总之有一些新东西。即使是老问题,必有新的方法来搞。不然,方法、观点、材料、工具、无一不是与人家一样,那末一定不会比人家更好。对国外来说,由于人家工业基础好一些,器材仪器等物质条件一般说来也要好些,结果,我们还可能搞不过人家。愈搞愈落后,愈赶差距愈大。这不是笑话,而是十分可能的。
       在这点上,首先像前面所说,要抓我国自己气象实践的问题,因而是新的问题,也要取得自己的新材料,但分析中运用新方法、新观点、新工具也是很重要的。
  新方法、新观点、新工具那里来?这要靠自己来创造。问题不同,要求不同,分析方法也自然有不同。这是必然的。但另外一方面,也得靠虚心学习,向气象上别的分支,尤其向别的科学学习。换一句话说,要引进其它科学的东西。引进新技术、新理论。

       搞气象与搞别的学科一样,要靠集思广益。但是即使全世界来看,搞气象的才有多少呢。搞我现在所搞的问题的人才有多少呢,不用说只是少数,很少数,譬如搞闪电机制,搞气象射电,世界上就这么几个人,开起国际会议来也不过这几个人。再集思广义也难办。在国内从事这方面研究的人更是其中的一小部分。因为气象又不比物理、化学、数学、生物、更不像工、农、医,人总是少得多。别的学科集中了那末多人力、物力,搞出了许多东西,只要我们肯学,有许多东西可以搬来用,更有许多东西可以启发我们。有的学科像流体力学、无线电、海洋学、空气动力学当然与气象关系密切,即使看来不相近的学科,也有许多方面我们可以学,像化工、自动控制、量子力学等许多原则的、具体的对我们有用处。量子力学中方阵力学抓光谱线或能量差的做法对天气分析可有启发,天气分析也要抓可以测到的东西,化工上的许多传输问题与气象上遇到的相似,而控制论或自动控制方面的许多概念方法对气象分析十分有用,但至今还没充分利用。总之,可学、可用上的很多。

        ......

        所以应用其它学科的方法来研究气象问题与其说是例外,不如说是常规。以为没有多大用处的想法是不对的,以为"杂"也是不对的。一定要注意别的学科事物,特别是新事物、新技术、新分支。
  实际上,
学科的杂交点常常引起新分支,引起新的生长点。按理说来也正因如此。因为事物本来有多方面的联系。比如,
数值天气预报,不能不是计算数学、计算技术、天气预报、动力气象、统计学(时间数列、动力预报理论等),许多分科的结合射电气象就不得不是云雾物理、无线电物理和技术、大气电学,乃至原子物理、电动力学、等离子体物理,等等的结合。将来我们要控制天气,这必然又至少包括数值预报、大气环流、各种尺度的天气学、气候学、云雾物理、控制论、运筹学、遥控技术等等一系列的学科的结合。想不管这些学科只搞一个局部分支是搞不出来的。一定要互相学习,互相渗透。现在有许多与气象很有关系的非线性振动理论的东西,函数逼近论的东西,还没有用上,甚至连张驰时间的概念在天气动力学中也没有,实在是很值得注意的。
  这些可以有新东西引入的其它学科,可以分几个方面:
  (1) 是
基本学科,如数理化、无线电技术、计算机技术、实验技术。
  (2) 是姊妹学科,如流体力学、海洋学、高层大气物理等。
  (3) 是
近代尖端学科、新技术。如火箭、原子能、自动化等。这是投入人力物力最多,发展最快的技术。新东西也特别多,引入这些结果可以引起气象上的革命性变化。
  (4) 其它可以触类旁通的、有启发的学科,如科学史射电天文振动理论等等。


在补充材料里,顾先生对学科交叉的问题做了进一步说明:

         (1)对新概念、新方法的引入、结合,气象上一向是最差,国内差,国际上也不妙。气象学是一门比较落后的科学,一方面是难,更主要方面是到底不是直接生产,直接服务国防,终是第二位的事。与天文学来比,气象学与天文学都是古老的科学,而且各国从事天文的人,天文研究上花的钱不会比气象更多,但天文学上新技术、新方法的引进就一向比气象好多了。......天文上早在牛顿,Laplace时代就引了数学上的最新成就,许多数学发展来自天文问题,而气象学到1950年后才在日常研究中用上数值解法,椭圆型偏微分方程等等,相形之下,实在落后多年了。至于国内更差。解放前不用说新技术,老技术也不会,气象仪器只会买不会拆修,也不会检定。气象理论则几乎没有动力学的研究。能引用流体力学方法的也极少。解放后在技术上能会检定、拆修,但高级一些的像微气压计,阴天测风都还没自造自用,更不必说雷达,实验气象学基本空白。理论上赶上了国外,但国外基本上到运用偏微分方程数值积分为止,我们基本上也未突破。所以要有新方法、新工具的引入有特别强调的必要。把气象学上一般的日常工作情况总结一下可以说是:19世纪的仪器(水银温度表,水银气压表,甚至风标,已比19世纪还古。好一些的是温度等自记计(钟表装置!),是上世纪的东西,气压自记计1862年,雨量自记1869,湿球温度表测湿度是1880-1890间搞起的)。20世纪初期的理论(二阶二维偏微分方程(非混合型)为主是Richmann, Dirichlet,时代的东西,但20世纪的计算数学及技术以及数学分析方面,用了不少。),21世纪的问题和要求(例如人工控制天气,又是100%的预报准确率)。矛盾很大。
  以观测来说,不用说别的,光是观测布局就是一大问题。像气象那样所牵涉的是三维场的问题即大气整个空间(离地小于100公里)中的各种物理性质分布,然而观测从来是逐点的,没有面的观测,更没有立体的观测。所以测到的是各个地点的天气,联不起来,漏洞很多。用了雷达及气象卫星后情况大有不同,但是最主要的气流场仍不能测到,雷达则国内还极少,卫星则才开始经常化。(顺便提到,现在美国气象卫星天气观测狠抓我国全境天气情况包括云、温度,并可看出天气系统,实际上在我国西部如西藏青海,美国对这些地方天气已了解得比我们自己更清楚!)。
  但新方法等的引入也不是随便引的,这里也有讲究。气象动力理论方面有个Ertel(注:民主德国前科学院副院长),他从不看天气图,从不参加天气实践,只凭数学物理知识,拿了一个小本子,到散步时有"灵感"就记下来,搬用数学物理上的一些方法,如"推迟势"(电动力学上搬来)"奇异平流"等等。但计算了一大堆,站住脚的很少,经不起考验。因为他主观地认为气象学目前方法已不行,但实际情况、实际问题是什么,不知道,旧的方法对解决实际问题有什么不足,也不知道,引用新方法自然也是主观硬搬,二次大战前日本也有这类学者。这样谈不到解决问题,更谈不到融合。
  ......
  我所说的引入新方法、新观点、新理论、新技术等等都是为了解决气象本身的问题,发展气象学,有问题、有目的。如果对气象上有什么问题不了解,想解决什么问题不明确,提什么问题也提不出,那末引入新技术、新观点理论等等也会落空。有人用了泛函分析证明的是冷空气总要下沉,这也是常识,不成问题,引用了也改变不了什么面貌,引不引都一样。


顾先生关于《大气过程的控制观》一文来历的说明

  我在1949-50年时就对控制论有兴趣,那时翻了一下维纳新出的"控制论",那学科建立的过程特别有兴趣。但回国后工作很忙,一直到钱学森的书"工程控制论"出版才又看控制论。当时感到控制论上所要解决的问题(已有问题要解决!)与数值预报上天气模型的设计问题很相像。在数值预报中一定要把实际天气过程简化,形成一个天气模型或模式,否则天气过于复杂,无法计算。而天气模式的设计一定要用几个简单的天气过程、因子配合使模式所表现的天气与指定天气实践过程的几种重要性质符合。这问题显然与工程控制论中用已给定的"组件"设计自动控制系统的问题很相像。因此,可以引用。不但如此,推而广之,天气实际过程又何尝不可看成一个自行调整的系统呢?大气环流也罢,天气变化也罢,都不妨看成自动调整的过程或这些过程的结果。 因为大气环流过去大都由一个环节解释另一环节,把整个环节互相制约的看法不多。有好多问题包括长期预报中长期过程性质(线性还是非线性等等)谈不清。引用了自动控制的概念后,对大气整个变化可以统一的了解,可以用很简单的方法研究、了解长期天气过程的性质解决了一些问题。并且也对数值预报线性模式的设计也提出了非常简单的办法,效率大大提高了。实际上,这问题实际动手做也是为了解决后一问题。1958年10月所里用一个线性模式作一个月的长期预报,花了大约相当于100人工作一个月的人力,结果模式设计不当,[失败]了。但事前没法知道设计好不好,好不好仍是得实际算出来看。用了控制论的办法后根本不用实际计算出来,只要一个人花上几小时就可估计出来了。如果花上几天还可以了解如何选择参数更好。所以线性长期预报模式的问题基本上解决了。这工作就是"大气控制观"一文的基本内容。(之后陈雄山接下去又研究了一个时期)。它还是把控制论的观点方法与天气动力学结合了的。如果有意义,也在于此。1959年[我]去苏联时曾在苏报告。苏联Кибeль院士认为不过用了一下数学上的Laplace变换。这是只见技术不见概念,自动调整理论还不是用Laplace变换?但意义远不在于用一个数学技术。当然,目前"大气控制论"还很有局限。因为大气过程是三维的,而自动控制中没出现三维场的问题,所以没有现成技术可搬用,进一步就还要自己花力气搞。


顾先生又举了关于学科交叉的其他例子:包括丑纪范先生的基于泛函的数值预报方法、射电气象等

  同样,丑纪范同志(中央气象局)研究数值预报过去与我一起搞,引用了泛函数论,数学物理中直接方法等技术,解决了把预报员惯用的着重最近几天天气演变的天气图方法与作为初值问题的一般数值预报方法相结合的问题,也是已有这问题的概念,然后想到了引入泛函方法的,因此是有目的地引入的,而最后则打开一条新道路,可以说丢开了1904年以来数值预报理论的提法,搞出了中国的数值预报方法。这方法如果发表一定会很受注意,但我们还不发表,因为会被他们利用,对他们太有利(我们还没气象专用电子计算机只能用这方法试报,还没有大规模用这方法解决日常问题阶段)。[注:这一工作到1974年才发表]
  再说,射电气象(我们目前在开始的)射电气象不是标新立异,而确与无线电气象有区别。因为从来的无线电气象(不是雷达气象)顶多用无电来定雷雨位置,此外就不搞什么气象问题。虽说边缘科学,其实并没有形成杂交的新科学。我们的问题是要研究雷雨云中的前后过程,又很难进云去直接观测,就要求新的方法来搞。另一方面雷雨云形成前后本来就有不同"天电",干扰无线电通信。从大气物理上来说,这些不同的天电必然反应不同的过程和机制。如果我们测定不同频带的这种雷雨云射电,我们就有可能了解雷雨云的性质、过程、阶段等等,更不用说进一步改进找寻雷雨、侦察定位帮助航空了(航空上很迫切)。推广来说,大气中气象射电源很多,不只雷雨云,研究它们的频谱和变化来了解大气过程(这是气象问题!)可以搞出一个新的方向,在方法上也是新的,这便是射电气象。我想这样无线电与气象也进一步融合了,而且还是气象。这不是装饰而是研究雷雨、雷雨云所必不可少的。周秀骥把大气电学推陈出新方面,有许多例子可说明这类问题。
  引进新概念、新方法与开阔新领域是分不开的。这里面自然也有许多矛盾。自己就有矛盾。转搞一个新东西,不论多快,总有一段摸索时间,一段摸底了解当前情况的时间,总不如搞原来的成果更多。1955转搞数值预报,1959年搞云雾物理,去年开始搞雷雨云射电气象时都是有一段时期简直是十分狼狈的。方向尽管定了,问题不熟,要看的东西一大堆,头绪又没有,主要问题何在说不清,不少同志等着,也有不少年轻同志又显然比自己搞得更快。自己工作自己也见不到成绩。又着急,又费劲。但确"义无反顾"。好比打仗,目标在占泰山顶。好容易打到了南天门以为到了,结果发现玉皇顶更高,得占玉皇顶。如果不去攻玉皇顶,死守南天门,结果南天门也要丢掉。南天门还得有人守,玉皇顶还要有人去攻。问题就是如此。





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