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《顾震潮谈科学研究》中的科学思想(五):提高与简化

已有 994 次阅读 2020-10-1 18:26 |个人分类:旧文新读|系统分类:科研笔记| 顾震潮

《顾震潮谈科学研究》中的科学思想

    (五):提高与简化


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:这部分是顾先生手稿的最后一部分。即使放到现在看,针对性也是很强的。因为缺乏对问题的简化和提高,必然导致研究深度的缺乏和对问题更一般意义挖掘的明显不足,从而失去研究在更大范围内的影响力。当然反过来说,二十世纪五-六十年代叶笃正和顾震潮先生等领导下的大气科学各个方面的研究之所以能产生广泛和深远的影响,也和他们对问题提法的提高和简化大有关系。这突出表现在《大气环流的若干基本问题》、暖云降水的起伏理论、地转适应理论、中小尺度运动方程组的提出等高度原创的工作当中。]

(5)提高问题的提法

        5、要从大处着眼,对问题的提法上尽量提高了来看。作具体研究时很容易就事论事,钻在某一问题中陷在固定的看法,固定的角落,固定的作法里,而且常常在这里面碰了壁,走入死胡同,又出不来,是愈弄愈不通,至少愈弄愈复杂,繁琐。因此,很重要的是,不但在工作之先要抓住问题,把问题的提法提对,并且在工作过程中遇到问题后,再回过来考虑一下问题的提法也是很有帮助的。 
  问题的提法不对,会使研究得不到解答,或得不到好的解决,这是常有的。寒潮南下常常由一些小槽发展并入大槽使大槽发展或"转向"造成。如果问题提成,如何报出这小槽何时出现,或者,归结成小槽为何产生的问题,那末至少对中期预报来说,问题就解决不了,而陷入Sutcliff的迷阵中去了。实际上,并不是小槽出现不出现的问题,主要因子还在大槽内部,槽本身形成这种结构,使得这时小槽出现就要发展。而小槽出现是常有的,只不过发展条件不具备时它常常不发展,不引起大槽的变化而已。问题这样提法,预报的是大槽及其附件本身温压场风场结构的变化,这一般是范围较大的现象及其附近,比小槽本身出现不出现这问题不一样,就可以预报。
  又如中小尺度雷暴问题,如果仅仅提成如何追踪雷暴高压系统的问题,不但雷暴本身会反而不被注意,并且最后雷暴预报也会落空。雷暴高压追到最后即使了解它常在那些地区形成,但是雷暴高压的初期总还是不清楚的,如果不了解它的形成、发展条件,那末即使追踪到老窝,也不能知道什么时候会出现雷暴高压。而且雷暴高压是在雷雨发展到相当晚期的现象,即使抓到雷暴高压,雷暴也已经发展到极盛期了。因此,仅仅把中小尺度雷暴问题提成雷暴高压的追踪显然是容易走进死胡同的。
  在数值天气预报问题上也是如此,整整60年以来,一直提成所谓初值问题,因为60年以前近代的流体力学方程组才开始引入到气象学中来讨论具体天气系统的发展问题,而那时候这些流体力学的偏微分方程组也总是提边值问题、初值问题等等。因此,问题提得十分之狭,在这种提法上固然也建立了数值天气预报的一整套理论和方法,发展出了现在的一套数值预报技术,对预报起了不少作用。但是它不但与预报员的预报方法完全不同,与实际预报方法形成差异很大的两个对立面,并且,在数学理论上来说,它也不是什么真正的初值问题,因为这时初值(连同初始倾向)就满足方程本身。所以这样的提法无论在实际上还是在理论上都有很大的缺陷。把问题提得高一些,为什么数值天气预报只是这样提法,从另外的角度来提,使它与天气图方法统一起来,不是更好吗?不只是用当时的天气图,而可以像预报员一样把最近几天的图都用上不是更好吗?当然这首先要相信预报员的作法有道理,要结合实际,拜人家为师,也要相信天气学,不是动力气象唯我独尊,天气方法不在话下。但也需要在这思想基础上改变问题提法。这样的提法改变后,就有可能利用近年来二三十年来泛函数论上的成就把天气预报不是提成一个初值而提成一个泛函极小的问题,结果就跳出原来外国的数值预报理论和方法的圈子,就大大的前进了一步,也改进了预报,这就是丑纪范同志[工作]的重要意义。当然,在这方面可能性还很多,例如可以进一步把数值天气预报问题提成随机进程问题,即是一个有误差的资料及随机边界条件下,有的物理因子随机地发生作用时,对合乎某一随机微分方程的天气过程如何处理以求出未来天气的过程(随机函数形式)。对于线性问题困难也要少些。总之,在技术上,研究问题的提法上,也要站得高、看得远,不能被人家圈住了,套住了。这与新概念、新方法的引入一样也是敢想、敢干的一个方面。 
  怎样才能在提法上站得高看得远,更高的提问题呢,关键仍是在看清主要矛盾和主要矛盾方面,在于看到矛盾的斗争的一面,对立的一面,也要看到相互转化,相互渗透,即统一的一面。单纯地看到各种矛盾,光抓外部的、次要的;光看到对立,说不通走不通的一面,抓不到主要的,抓不到内在的,就谈不上提高了来提问题。所以归根结蒂也仍是学习毛主席思想,特别是学好矛盾论,结合到气象研究上来运用的问题。 

[补充部分]提法的正确,更好的解释研究结果。还是举一个例子。1951年我研究西北低槽,陶诗言同志很有兴趣,接下去研究这问题,研究完毕写成论文给我看,原来选的是产生西北低槽的大形势转成寒潮南下的形势,其中牵连着很重要的阻寒形势的崩溃过程。实际上已是东亚寒潮爆发这样更重大的问题,而且东亚寒潮的研究过去多就事论事,描写一番,究竟又如何爆发,大形势上有何变化,高空大范围的环流有何改变,一概不明白。因此陶诗言同志这篇论文开阔了从现代天气学角度研究东亚寒潮爆发的先河,也是国际上从这角度研究寒潮的创举,对天气预报十分重要。若是作为西北低槽如何结束来说显然不足,因为西北低槽解决一个天气分析方法,槽的存在来源问题,比起寒潮发展来还是小问题。所以我建议把这论文题目改成"东亚寒潮爆发前后大范围流型转变研究"(大意如此)。之后我国寒潮许多研究从这条线作下去,也影响到别的重要天气的研究。所以提法、解释研究结果还是很重要的。国外文献上也有好多研究结果作者并不充分知道它的意义的。例如测到了雷雨云在发展初期就发生了天电"干扰",但不能看出它的气象上的重要意义,只作为干扰。测到了盐核浓度的变化看出它反应了盐核发生发展机制上的重大差异,只作为一般现象描述一下,是不够的。
  当然,也有一些提[法]太夸大。界限是在是否足以说明问题,能解释什么问题,是否勉强,是否反映了它的本质。还没把握搞不清时不硬扯。

(6)简化问题

       6、要尽量简化问题,不要复杂,至少作为第一步先尽快的突破阵地,再巩固、扫荡,向纵深发展。不要胶着,求全。首先是突破,打开缺口。原来这问题多少年来解决不了,现在有一个新的提法做法,就是一大进步,在新的提法上做出本质上与过去完全不同的结果,得到证实。那末,不论结果多大,不论这里用的实验观测仪器或数学工具是多是少,是简是繁,都是次要问题,都该是重要贡献,都可以说突破了原来的圈子,研究就得了成就。初学研究的同志往往是理论计算愈一般,包罗的因子愈多愈好,用的仪器愈高级愈精愈好。总之是愈复杂愈好。固然,研究也是为了找事物的规律,找事物的联系。也是要求能概括,有普遍性。但是事物总还有主要矛盾和次要矛盾。把什么矛盾都包在一起,想"毕其功于一役",其结果,往往什么矛盾也不能解决。或者看来得到了结果,但自己也不了解自己作的是什么。
  以气象问题来说,气象上许多问题,特别是大问题,是非线性现象。但在了解某一个重要的物理因子所起的主要作用的时候,我们可以先分析一个线性问题,不处理预报问题而处理一个倾向问题,等等。以人工降水而言,云上方作业好还是下方作业好,是一个问题,但更普遍的提法,应该是如何作法最好,因而有最佳播撒问题,而具体解决最佳播撒问题时因为目前降水过程还不成熟,还没有办法全面来作,就必须从Langmuir或(Сулаквелице)理论为基础作几个例子,使这个提法或概念具体化,充实化。这些具体结果是在简化了模式下得到的,但这样的问题对更进一步的模式一样有意义,也还可以继续研究的。
      搞得尽量简化,不是把问题绕过去,不是偷懒,而是尽快前进,更好的回头来解决更复杂的。如果不通过这些第一步的研究,人们就不知道其中究竟有多少苗头,有多大意义起多大作用,因此也不可能下大力气,花大本钱来搞一个更复杂、更全面的问题。简化与全面也是统一的,不要这简化的只要全面的,最后全面的也要丢失。数值预报的历史发展就是如此,Richardson搞的全面又全面,结果作不出,根本无法解决,到后来数值预报还是在非常简单化,很狭隘的一个面上突破了缺口,开展起来的。那时搞只是准地转情况,只是大范围运动,只是线性模式,而且只是一维问题!粗看起来不但十分简化,甚至"脱离实际",然而这是外行的,不了解具体矛盾,不深入掌握情况的说法。现在,实际上由此发展出来的数值预报已经实际上使预报员不必作日常的一天、二三天乃至更长时间的天气形势预报了。这是一个很好例子。看来在中小尺度天气动力学方面正需要这类的突破。
  要能简化得恰当,就是有所不为以达到能有所为,就是要抓主要矛盾,抓矛盾的主要方面。糊胡涂涂的做,结果不是笼统的搞,便是丢掉了主要的,这不是简化,而是降低了问题的实质内容,改变了问题的基本性质,结果自然就解决不好,或者只解决一些鸡毛蒜皮的东西。要对所研究的问题来龙去脉,过去的问题困难何在,为何不能解决,现在的看法又有什么根本不同,既见树木,又见森林,把各种矛盾地位和关系分析得很清楚。这样才能对科学上的新鲜事物有敏锐感,才能简便地突破缺口,推动全面。

     [补充部分]简化问题。气象上有一些人专门把问题搞得主次不清,眉毛胡子一把抓,而自己也不知道抓到的是什么,物理意义何在。问问他,他会说物理意义不知道,或者说物理意义是算好了以后按上去的。甚至非天气学也是如此,计算的理论结果实际上繁琐到无法实际使用,而天气分类等等也名目繁多,主要之点淹没无余。苏联气象许多方面,像近地面物理等等也常常如此。又像Richardson首先努力于把天气数值预报工作具体化.为此写出一大本厚书,而始终没解决这问题。其主要原因也是把树叶反光到大洋影响(等)无所不包,最后形式上列出了算式实际上必然算不出。很多气象大师的本领在于把本问题看透,看清本质,把最主要的矛盾(或因子)抓住,数学也简单,而问题搞清了,肯定了进一步作什么,进一步把它精确化的工作也可以看出值得作了。Rossby的一些主要工作也简化得不错。但仔细看看他年轻时的工作,并不是如此的,他搞大气湍流时还有一些相当繁琐的东西,后来搞涡旋时,搞急流时又有烦琐的,主要是问题没搞清,没抓到,而硬要按上,就不好了。
  简化是否草率。这要看是否解决了问题。没掌握最主要的因子会形成草率,例如雷雨飑线突变,显然是非线性现象。如果简化成线性问题只会变成草率甚至牛头不对马嘴。把高低压移动化成质点力学问题或运动学问题也会流于失败。核心把握了才能真达到简化的目的。叶先生[注:叶笃正先生]是很能简化问题的。
  简化与全面搞并不矛盾,前者为后者开路,先简化搞有苗头,再进一步多考虑更复杂的,效率更高。数值预报由复杂到简单,现在又已很复杂。看来又得经过简化(长期过程本质),这是辩证的,不是机械对立的


[注:最后,所有的方法论能否起作用,当然在于真正的动手去做。]

七)多动手,在实践中提高

        7、要多作研究,多动手,在研究实践中总结提高。研究工作是有方法的,但这方法只有在研究实践中才会积累经验而形成,也只有通过研究实践才能体会到学到人家的研究经验和方法。因此要研究工作得法,也还得多作研究。这是质和量的统一。想不作则已,一鸣惊人的人,老是不作,大概一鸣惊人的大作最后也出不来的。恰恰相反,只要工作需要,我们要多作大大小小的研究,大的要作,小的也要作。李斯谏逐客书中说"泰山不让寸土,故能成其高,河水不让细流,故能成其大"。研究工作也是如此。"拳不离手,曲不离口",多练才会练出本领。如果懒,或是小问题不屑作,大问题作不了,大概也是不大可能掌握正确的或者良好的研究方法,自然也不可能出什么成果的。 
  在实际研究中总是会遇到很多问题的。具体的实践、计算、观测也好,数据数据的解释也好,机制的建立也好,乃至进一步如何开展、深入也好,对这些大大小小的问题一定要经常在头脑里用心想,认真把它想通、解决。自己一时不通的,通过讨论,反复的搞通。这种讨论、思考,本身就是一种研究过程。相反的,仅仅是打基础,抱了一本书死啃,无论如何充其量是准备,不能是研究本身。研究是解决问题,是动脑筋、动手的事。动脑筋、动手才有可能沾上研究的边。脑袋中没有问题,有问题又不愿下大力气动脑筋动手来解决它,那就没法作好研究。而且原来看看是小问题,在研究过程中仔细分析,有的也会逐渐发展成大问题。 
  这些问题有了一定的结果的话,千万还一定要写出来,具体总结。并不是一定要发表,更不是想出个名,问题是如果不具体总结写成文章,就往往不去仔细认真的从头到尾一一细抠。只有在写成文章时,才逼着你不得不细抠。因此,写成文章这过程本身又是帮助你作好研究的重要环节。应该看成是研究工作的一部分,应该鼓励总结。当然,没有材料,没有观点也是不能总结。有话要说,有资料可凭才能总结。
  古往今来,多少人写了多少做学问的方法,做研究的方法。有的人专看科学名人传学着他们作。但做研究归根到底是劳动,是实践,不勤下水光看游泳术不会成游泳家,光看研究方法不自己奋力研究,那也是不会善于进行研究的。游泳还有淹死的危险,作研究最多碰壁,没有生命危险,更无可怕之处。我想,不管任务中出现什么问题,抓住了问题多多研究,那怕小问题也好,也认真动手研究,我想,总会通过研究实践总结出自己本门的研究方法来的。而且就是研究工作本身,也是要通过具体动手才能找到门路来解决。有许多问题在动手搞以前不见得十分清楚,而是在动手做的过程中才逐渐搞清楚的。因此一定要多动手做。

[全文完]





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