百年校庆








 
 
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巢纪平院士

2008-09-27  阅读:  作者:

 观测气象万千  预报风云变幻

 

    一个人要经得起挫折,摔倒了要有勇气爬起来,不要泄气。人的一生不会都是一帆风顺的。          

                                   ——巢纪平

 

 科学和人文犹如人的两腿。两腿健全的人就能健步如飞。出色的科学家,往往把感悟自然和感悟人生结合在一起,从而产生深刻的哲思。一位电视台的记者问中科院院士、我国出色的气象学家巢纪平:你学了气象和海洋,对你人生有什么启示?巢纪平回答说:天气变化万千,海洋汹涌澎湃,十分壮观,一个人有成就也好,有挫折也好,比起这些壮观的自然界来又多么渺小,所以有成就不必沾沾自喜,受挫折也不必灰心丧气,一个人的心胸虽然比不上天空、海洋,但还是宽广一些好,要容得下喜、怒、哀、乐,也许这样才能不断前进。

 

脱颖而出

    《三国演义》中的孔明“草船借箭”的故事,可算家喻户晓、妇孺皆知了,人们喜爱“借东风”的一段,把它编成折子戏,久演不衰,把孔明当成一个上知天文、下知地理的神明化身。其实,如果“借东风”是真有其事的话,并不是孔明从天上“商借”来东风,而是因为孔明比常人多一些气象知识,只是适时“凭借”东风之力,实施了他“草船借箭”的战略战术而已。不过孔明有一点是比常人高明的,在一千八百多年前,他就能预知气象变化了,这是很不容易的。从今天的科学来看,气象预报算不上什么尖端科学了,而在那时确实难能可贵。也许,孔明借东风故事的出现,跟我国悠久的天文学有关。我国是世界上农耕最早也最发达的国家之一,伴随农耕文明出现了一门新的学问——天文学。古人对天象的观测、天文知识的普及非常重视。明末清初的著名学者顾炎武说:“三代以上,人人皆知天文。”这在古籍史料中,有很多记载。从古到今,我国民间有许多关于天文气象预报的谚语,就是明证。

 在这样的国度里,出现许多伟大的天文和气象学家是必然的。二十世纪末我国又出现了一位气象学家,他就是曾在江苏省南通中学就读的巢纪平先生。

 巢纪平,1954年毕业于南京大学气象学系。1984—1989年任国家海洋环境预报研究中心主任,现为该中心名誉主任,中国科技大学研究生院、南京大学大气科学系、南京气象学院兼职教授,《海洋学报》主编,《中国大百科全书·大气科学·海洋科学·水文科学卷》动力气象主编。曾当过中国海洋学会常务理事。1995年当选为中国科学院院士。从事动力气象和海——气相互作用的研究和教学工作。主持了国家“七·五”科技攻关项目“海洋环境数值预报研究(1985—1991)”、“中、美热带西大平洋海气相互作用研究(1985—1991)”、“中、美TOCA—COARE试验(1992——1994)”等科研项目,1991年获国家计委、国家科委、财政部“国家科技攻关荣誉证书”。代表性著作有《积云动力学》、《厄尔尼诺和南方涛动动力学》等,其中积云动力学和长期数值天气预报理论和方法获1978年全国科技大会重大成果奖,海气相互作用的研究获国家科技进步二等奖。发表论文100余篇,主要有《斜压西风带中大地形有限扰动的动力学》、《层结大气中热对流发展的一个非线性分析》、《论小尺度过程动力学的一些基本问题》、《一种长期数值预报的物理基础》;《长期数值预报的滤波方法》、《长期数值预报和大尺度海气相互作用》、《热带大气和海洋中的适应过程和发展过程》等。

 巢纪平于1932年10月19日生于江苏无锡县。出身于一个贫困家庭。祖父母是农民,父母亲是中、小学教师。巢纪平四岁开始接受母亲的启蒙教育。由于早年丧母,且处于抗日战争年代,生活动乱,多次转学。1937年巢纪平的父亲在崇英女中(今南通市一中)教书,他跟随父亲到了南通,进了幼稚园(即今幼儿园)。1938年抗日战争开始,全家离开了南通。抗日战争胜利后,全家又回到南通。巢纪平初中就读于江苏省南通中学。他对这一段生活充满了无限的眷恋,在回忆录中写道:“……抗战胜利后的1946年底又回到南通,那时我已经是一个少年,并进了省立南通中学(以下简称“通中”)。通中在江苏是很有名的(当时被誉为全国最好的四座名中学之一),当时由于语言不通,底子又薄,我的学习成绩一直名列‘后’茅,但能进入有名的通中,自我感觉仍然是十分不错的。在通中一年半的学习,收获很大,留下终身难忘的的印象。”

 

巢纪平在通中印象最深、对思维方式发生重大影响的是在通中对平面几何的学习。

教巢纪平平面几何的是陆颂石教师。陆颂石毕业于南京高师,数学功底很厚实,知识面很宽。教学严格,逻辑性强。上课时,他只带两支粉笔,把数学课教得生动有趣。他反对学生死记硬背,总是强调学生应在吸收消化所学内容后取得真正的理解。巢纪平在他的谆谆教导下,逐步养成了严密的数学思维。

起初巢纪平不喜爱平面几何,特别是证明题,感到很棘手,很麻烦,甚至产生讨厌情绪,还写了这么一首打油诗:“人生在世有几何?何必苦苦学几何!不学几何几何好,学了几何又几何?”

有一次老师布置课外作业,其中有这么一道证明题:试证任意三角形三条边的垂直平分线交于一点。他把几何图形一画,兀自摇头说:“明明交于一点嘛,为什么要证明呢?”他想来想去,觉得没有证明的必要,他去办公室找陆老师,说:“我觉得学这种几何没有多大的意思,三角形三条边上的垂直平分线明明交于一点,为什么还要花大力气去证明呢?再说,这种知识在平常生活中也用不上。不知道我的想法对不对?”

陆颂石说:“三言两语我说不清,马上我还要去上课,下午第三节课后,你如果有空的话,我在荷花池旁边等你。有好几个同学对平面几何的想法跟你一样,我要跟你们讲讲。”

下午第三节课是学生的自由活动时间,几个同学在校园茅亭里簇拥陆老师周围,听他讲述:

我们现在所学的几何是公元前三百年左右,古希腊数学家欧几里得创立的几何学。简称“欧氏几何”。欧几里得系统地总结了古代的几何和数的知识,分析研究了各种图形和实践经验,采取演绎方法写成了十三卷巨著《几何原本》,在科学史上第一个建立了公理化几何体系。他提出了二十三个定义、五条公设、五条公理,然后从这些定义和公理出发,通过演绎方法研究各种空间形式及其数量间的关系,建立起宏伟的几何知识大厦。“欧氏几何”体系成为演绎科学的一个典范。

古希腊哲学家柏拉图(公元前427—347年)有句名言:“上帝是一位几何学家。”他在他办的学校门口有一块牌子,上面写道:“不懂几何的人不得入内。”近代科学家爱因斯坦说:“如果欧几里得几何未能激起你少年时代的热情,那么,你就不是一个天生的科学思想家。”

陆老师说,几何学是研究现实世界的空间形式的科学。涉及到点、线、面、体的度量关系和位置关系。它的问题,都可以借助图形表述,显得比数学的其他分支更直观、更具体。我国古代数学家很重视几何的作用。与利玛窦合译《几何原本》的徐光启曾说过:“人具上资而意理疏莽,即上资无用;人具中材而心思缜密,即中材无用。能通几何之路,缜密甚矣。故率天下之人而归于实用者,是获其所由之道也。”

陆老师介绍到这里,忽然转了话题,说:“我们中国古代的数学还有其他科技是领先世界的,可是从十六世纪以后就渐渐落后于西方了,为什么呢?”陆老师把目光转向了巢纪平,巢纪平瞪大眼睛,他不知道,他很想知道。

陆老师意味深长地说:“经济方面、政治方面、哲学思想方面的原因我不想多说了,因为教文史的老师将来会告诉你们的。我要告诉你们的,不知你们注意到没有,我国古代科技具有两个鲜明的特点:一是实用性,绝大部分的科技发明都是‘实用’需要的产物,古代数学都以解决实际问题而著称,例如《九章算术》的内容,都是跟实际生产生活密切相关的。实际需要固然是科技生长的基点,但是过于偏重实用,忽视理论升华,没有完整的理论体系,会影响科技向更高层次的进步;二是经验色彩很浓,缺乏西方近代科技的‘实证’精神,我国古代各种科技著作多属对生产经验的直接记载或对自然现象的直观描述,很少有关科技原理实证性研究文献。这两个特点都是一个表现,缺乏理论的逻辑推理。我们现在学的几何证明,正是一种逻辑演绎推理的练习,你们说是吗?”

这些话,巢纪平从来没有听到过。这番话好像打开了巢纪平求知心灵的大门,使他看到一个更为广阔的世界;也像一阵春风吹融了巢纪平封闭的坚冰,激发了他对学习几何的兴趣。

后来,巢纪平把他那首打油诗改成:人生在世有几何?不学几何枉几何。学了几何几何好,学问无穷探几何。

 

 巢纪平在回忆通中学习生活时写道:“记得那时英文课本很深,学的是“New  China",以后就再没有好好学过英文,1979年准备去美国的普林斯顿大学工作,要突击学英语,靠的就是在初中学的那点“New  China”作基础。我能写隶书,虽然只能算涂鸦,但这点毛笔字是在通中学的,那时每天都要交两张字,全校书法比赛,我得了第三名。我现在身体还不错,这点底子也是在那时打下的,我是班上的篮球队员,打右前锋。说这些琐事,是说南通中学对学生的培养不是只教他们死念书、念死书,而是十分注意智育和体育的。至于德育,撇开当时社会的政治背景,在“公民”课里也是教人正直,要为社会作一些公益事业的。由于种种原因,1948年我拿到一张初中毕业文凭后就告别了南通中学。这当然是很遗憾的事。”

     其中谈到他学写隶书的事情,我们自然想到1998年他为母校南通中学的隶书题辞:“为科技兴国培养精英。”他说“我能写隶书”,“只能算涂鸦”,显然这是自谦之词,其实这几个隶字很见功力。

     那时,在通中执教中国语文的老师都是地方著称的文化名流,如徐益修、陈士一、卢心竹、范子愚先生等,他们在古典文学、传统文化方面都有很深的造诣。他依稀记得,一天下午课外活动时间,卢心竹老师凝神屏息在办公室里写毛笔字的情景。巢纪平爱好书法,悄悄地站在卢老师旁边看他写,卢老师一点也没有发觉他,直到卢老师用笔蘸墨时,发现有个十三、四岁的学生为他磨墨,才发现他站在旁边多时了。

     “你是几班的同学?叫什么名字?”

     “我是初二的,叫巢纪平。”

     “你也喜欢写书法吗?喜欢临什么帖?”

     “喜欢。我也喜欢写隶书。”

     卢老师一边写着,一边和他聊着,当听到“我也喜欢写隶书”时,不由把笔搁下,感兴趣地跟巢纪平聊起来:“学写隶书最好临碑,不要临帖。你可知道,隶书是谁创造的吗?”

     卢老师自己倒了一杯茶,跟巢纪平聊起了隶字出现的故事:

     秦代有个狱吏叫程邈,因罪坐狱,他在狱中将大篆、小篆的笔划和结构作进一步简化,又将圆转改为方折,以便书写。这种字体首先由誊录公文的官员徒隶使用,渐次推广开来,所以被称为“隶书”。由秦至两汉、三国,隶书使用范围日益广泛,形体也略有变化。早期的秦隶,笔划没有点划俯仰之势。到了汉代,笔划呈“波折之势”,东汉后期,更趋工整精巧,结构扁平,形成汉书的楷模。

     卢老师说:“你学写隶书,要临摹汉隶,因为东汉刻碑之风大盛,不仅要请有名的学者撰文,还要请书法家来写,因此就给后世留下了许多宝贵的东汉书法艺术资料。”卢老师说着便从自己的抽屉里取出《荡阳令张迁碑》的拓本给巢纪平看,说:“你看这上面的字,运笔矫健,结体方正,你注意到没有,这种字棱角分明的方笔,已开魏碑之先河。”巢纪平看着看着,羡慕不已,卢老师说:“你如果喜欢的话,就送给你临摹练习吧。”

     从此,巢纪平学写隶书的兴趣完全给激发出来,一辈子喜欢上隶书。1998年,是他68岁的时候,写给母校的题辞用的是隶书,而且明显地表现出汉隶的风格,这可以说是对当年学写隶书的追忆和怀念吧。

 

钟情气象

     巢纪平曾进入南通崇敬中学念高中。1950年在南通敬儒中学读了一年高中即毕业,考入南京大学,被分配到气象系。

     巢纪平从小立下的志愿和抱负是学电机、学航空,当一名工程师。但是后来进入南京大学学习的,是当时都没有人听说过的气象学系。他对气象学(更宽泛的概念,就是气候学)的认识也有一个过程。

     气候学是19世纪开始出现的一门新的学科。1817年,德国一位科学家根据全球57个气象站的观测资料,首先提出等温线的概念,绘制出世界上第一幅全球年平均温度分布图,并借助等温线图得出欧洲大陆东岸气候和大陆西岸气候的差异。然后根据植物与气候的关系,把全球划分为16个气候区,他的工作被认为是近代气候学的开创者。之后,德国的另一个科学家于1845年绘制世界降水量分布图,并于1849年出版第一部月平均等温线图和温度分布图。这样,气候学中一些比较简单但又非常有用的概念出现了。1869年,英国一位科学家根据盛行风资料首次绘制全球等压线分布图。1884年《地球气候与俄国气候》出版了。同年,德国的又一位科学家首次提出气候分类并对全球气候进行分类尝试,接着气候的经典著作《气候学大纲》出版了,于是气候学作为一门自然科学的基本轮廓确立了。第二次世界大战以后,气候学的发展进入一个崭新的阶段。到了20世纪60年代,人造地球卫星的出现,尤其是气象卫星的发射,使人们对气候的探测手段又先进了一步,气候学加速发展起来……

     我们中国是一个具有四千多年文字记载的文明古国,发达的农耕文明使我们在气象方面拥有丰富的文字记录和实物资料,为研究历史时期气候变化提供了可靠的依据。我国有关太阳黑子的观测记录,比西方早千年以上。但是进入近代,当西方建立系统的气候学的时候,我们对气象的研究的却没有多大的进展。二十世纪中期,我国著名的气象学家竺可桢在1972年发表了《中国近五千年来气候变迁的初步研究》,第一次全面而又系统地描述了中国五千年来气候变化的事实。这一切标明我国对气象的研究也是有一定基础的。但是较之发达国家,无论是科研深度和科研手段,还是落后的。我国现在还是一个农业大国,在很大的程度上还要靠天吃饭、靠地吃饭。

     只要对生态环境和气候系统稍有关注的人都知道我国的森林覆盖率只有13.92%,这个数字远远低于26%的世界平均水平,根据联合国粮农组织的排名,我国的森林覆盖率排在世界第123位。这是十分令人忧虑的。人类学家说,森林是人类的摇篮;历史学家说,森林是历史盛衰的象征;经济学家说,森林是绿色金库;物理学家说,森林是太阳能的储存器;土壤学家说,森林是土壤的保育员;水利学家说,森林是天然的储水器;生态学家说,森林是生物的制氧所;而地理学家则说,森林是地球的肺。综合比较以上的说法,地理学家的说法既形象又贴切。因为森林具有净化空气、吸烟滞尘、涵养水源、保持水土、防风固沙、调节气候、美化环境、减弱噪声等功能。1万平方米的森林每天能吸收二氧化碳1000千克,放出氧730克,净化空气1.8亿立方米;一年可吸收50—70吨尘土;使阳光的有害影响缩小到十分之一,使噪声降低26%。森林使人类有足够的氧气得以生存,所以说,森林是地球之肺,祖国之肺。可是我国森林覆盖率如此之低的生态危机,严重地影响了正常的气候。

     我国的土地沙漠化现象也很严重,我国的沙漠与沙漠化土地,已由1949年的66.7万平方公里,扩大到1985年的130万平方公里,约占国土总面积的13.6%。沙漠化是一种环境退化现象,它使土地滋生能力退化,农牧生产能力降低,生物生产量下降,可供农牧的土地面积减少。沙漠的形成,固然有自然方面的原因;但考古学家发现,有些沙漠从前曾经是森林、草地或良田,如我国西北现在的沙漠,有许多地方本来也是肥美的耕地和草原,但是后来因为人为的破坏,让沙漠侵占了良田。尤其是近几百年来,这种现象越来越严重。巢纪平面对此类现象,忧心如焚。

     巢纪平还看到,我国是世界上自然灾害最严重的少数国家之一,灾害种类多,发生频率高,灾变强度大,影响范围广,成灾比率高,气象灾害、海洋灾害、洪水灾害、地质与地震灾害、生物灾害等五大灾害都曾经肆虐地在我们这片美丽的土地上兴风作浪。建国以来,每年仅气象、海洋、洪水、地质、地震、农业、林业等七大类自然灾害所造成的直接经济损失达200亿—400亿元以上,平均每年有数万人死于各种自然灾害。

     巢纪平认识到环境科学与国民经济、人民生活的密切关系,不再为没有念电机、航空而遗憾了。他深深地感到学习气象专业,这是祖国的需要,这是人民的重托,这是一个炎黄子孙不可推卸的责任。他对气象发生了浓厚的兴趣,深深地爱上了气象专业。

     于是他发愤:一定要学好气象专业!

     巢纪平带着崇高的使命感和高度的责任感,刻苦而忘我地,富有创造性地投入了气象专业的学习。

     1954年南京大学气象专业毕业,他被分配到中国科学院地球物理研究所工作时,是一名技术员。由于他在科研工作中的优异成绩,1964年被中国科学院破格提拔为副研究员。1978年被提升为研究员。1980年应邀赴美国普林斯顿大学地球物理流体力学实验室任高级访问科学家。1984—1989年任国家海洋局国家海洋环境预报中心主任,1989年任名誉主任。

     巢纪平在国家海洋环境预报中心任职期间担任国家“七五”重大科技攻关项目“海洋环境数值预报研究”的科技负责人,同时还担任中、美两国政府间“热带西太平洋海气相互作用研究”的中方组长和首席科学家,这一合作项目是中国对国际“热带海洋和全球大气研究计划”的一个重大贡献。巢纪平曾先后在国际科学组织中任国际气候委员会(ICCL)委员,气候变化和海洋委员会(CCCO)委员,热带大气和全球大气科学指导小组(TOGA╱SSG)成员,世界气象组织国际热带和全球大气计划执行局中国代表。

     由于巢纪平在科学研究和科学活动中的贡献,1988年国家人事部授予他有突出贡献的中青年专家证书,1991年国家计委、国家科委、财政部授予他国家科技攻关荣誉证书,1991年国务院授予他政府特殊津贴证书。

 

     巢纪平在气象科研方面,主要是对于大气层的研究。

     地球表面附着的大气层可以分为几个层。从最底层依次向上分别是对流层、平流层、中间层、热层、电离层。对流层是从地面到10—12千米以内的这一层空气,这是跟人们生活最密切的部分。在对流层里,下面的热空气不断上升,上部的冷空气不断地跑下来补充,他们来来往往,不停地对流着。对流层里水汽最集中,尘埃也多,受地面的影响最大,主要的天气现象如云、雨、雪、雹等都发生在这一层里。巢纪平在这个领域里作出了大量有益于人类生存的研究。他的贡献集中在这几个方面:

     一、大气环流动力学

     二十世纪50年代,我国老一辈的气象学家叶笃正、顾震潮和陶诗言等,致力于研究青藏高原对大气环流和东亚气候的影响。为研究青藏高原的动力作用,1957年巢纪平在不用小扰动假定下,得到了三维斜压位势涡度的守恒方程,并由此算出了青藏高原(和落基山)的有限振幅解,所得到的西风带中槽、脊的分布与观测基本一致,当时这个工作在国内外都是具有创造性的。即使在现在除用计算机作数值模拟外,仍然是一个好的解析解。此文的结果于1958年曾作为“On  the  general  Circulation  over  Eastern  AsiaⅢ(Telhs,10,299—312)”一部分结果在国外发表,并收集到叶笃正、朱抱真《大气环流若干基本问题》一书中(科学出版社,1958年)。

     二、中小尺度运动和积云动力学

     从1958年起我国广泛地开展了人工降雨和人工消雹工作,迫切需要开展云雾物理和中小尺度运动的研究。在参加人工降雨和消雹的实践基础上,巢纪平同时进行了有关中、小尺度运动和积云动力学的理论研究,其主要成就如下:

1、    建立了中、小尺度运动的基本方程

     在研究中、小尺度运动时,静力平稳假定已不能适用,因为垂直速度和垂直加速度已大到不能忽略的程度,但如果考虑垂直加速度的作用,则在可压缩大气中将激发出高频的声波,这类高频波的存在,必将像“噪音”那样影响所研究的频率较低的运动。巢纪平1962年在《论小尺度过程动力学的一些基本问题》一文中,提出了三种不同的方法。这一工作与国外著名气象学家Ogura、Charne(1962,Qroc.ht,Symp.NWP,Jokyo,Meteo.Japan 431—459),Phillip和Ogura,(1962,JAS,19,173—179)是同年独立发表的,但他们提出的过滤声波的方法只是巢纪平论文中精度最低的一种,即所谓弹性近似。大百科全书大气科学卷在公元1962年附的大事记中记有巢纪平建立的中小尺度运动方程组。

2、    过山运动非线性方程的分支解

     1964年巢纪平(主要作者)发表了《二层模式中小地形对于气压跳跃形成的初步研究》,提出在非线性情况下,当来流速度大于某一临界值后,可出现两个定常的平稳态,其中一个态将在背风面形成气压跳跃。这是大气非线性运动存在多平衡态中的最早例子。多平衡态是动力气象学和动力海洋学中的重要问题,大尺度运动的多平衡态理论到1979年才发表(Charney,JAS,1979,1205—1216)。Blumen和Washington在介绍中国1949—1966大气动力学和数值天气预报一文中,认为这是一篇在英语文献中常被引用的文章(见Blumen&Washington文,1973,BAMS,54,502—518)。著名流体力学家Long也有过引用和评论(见Ann,Rev  Fluid  Mech4,69—92)。

3、    积云动力学研究 

     巢纪平在1965年发表了《层结大气中热对流发展一个非线性分析》,这是国际上最早发表的积云动力学论文之一。接着又首次给出超级风暴非对称环流的非线性解,指出这是对流和风切变相互作用的结果。巢纪平有关积云动力学方面的研究已写入《积云动力学》一书中,该书在国内外有一定的影响。Blumen和Washington认为中国气象学家在书中列举的各个章节中都有自己的贡献,并以较多的篇幅介绍了该书的内容,该书已被美国空军实验室译成英文(AFCRL—69—002F,AD687087,1969)。

4、    对流和环流的非线性相互作用 

     巢纪平在1962年一篇《小尺度对流的发展和环境间的相互作用的一个近似分析》中提出了一个描写相互作用的非线性模型,并研究了相互作用后的平衡态。这篇文章近年已被用来研究大气热力湍流发生的非线性机制,并称为Burger—巢方程(大气科学,1988,1—7;中国科学,1989,553—560;苏联科学院院报,大气与海洋物理,1988,1155—1162;Chaos,1993,305—313)。巢纪平在另一篇相互作用的论文中,指出对流的能量可以反过来向大尺度的背景场输送,并改变大尺度背景场的局地状态。

     巢纪平注意理论概念的实际应用,他和他的小组于1965年参加了空军在南苑机场的雷暴业务预报试验,受到了好评。

     三、长期天气过程和长期数值天气预报

     我国的洪涝、干旱灾害严重,迫切需要提高长期天气预报的水平。巢纪平在1972年继我国气象学家吕炯教授后,提出应用黑潮的冷暖来作夏季旱涝的长期预报,1973年后在长办某单位开展实时预报,取得了较好的预报效果。   

     巢纪平是我国也是国际上从动力学的方法入手来研究长期天气过程的学者之一。早在1961年,他和许有丰发表的《二层线性模式长期气象过程的一些计算》中,就指出当有热源存在时,大气环流将向热源适应,适应时间约在10天左右。事实上,这也是Rossby波的频散时间,适应后的大气环流与热源一致进入到缓变的过程。

      从上面的概念出发,巢纪平及其小组于1977年建立了我国也是国际上最早的长期数值预报,这个模式在概念和实践上有以下特色和创新:

     a)这是一个简单的海气(包括陆气)相互作用模式,是国际上最早的海气相互作用模式之一。

     b)巢纪平认为由于受可预报性的限制,预报某一段长时间后(例如一个月后)大气某一天的瞬时状态是困难的。考虑到农业和其它经济建设中需要的是某一时段的平均状态,例如月平均气候状态,巢纪平提出可预报未来某一个月的对气候平均的距平状态,这是最早的距平模式。

     c)考虑到目前对气候状态的数值模拟水平尚不够理想,特别在一个海气相互作用模式中,易出现“气候飘移”(即偏离了实际状态),巢纪平提出,可用实际观测的气候状态作为背景场的影响来考虑,这样就避免了气候飘移的问题,同时通过实际背景场的作用,使预报的距平量受到地理和季节的约束,这样使预报能更好地反映实际情况。

     d)考虑到中国是发展中国家,缺少巨型计算机,同时也从实际的物理过程出发,他把相对于月、季尺度是高频的Rossby行波,作为一类噪音过滤掉,但保留了定常的Rossby驻波,这样就给模式的计算量量级性地减少。

     距平模式经过多次的完善和改进后,已具有季节预报的能力,并可作为业务预报试用。

     距平模式的提出,曾受到国内外长期数值预报学家的重视。在美国普林斯顿大学的地球物理流体力学实验室(GFDL)曾对同一个例子用GFDL的全球大气环流模式和距平模式的预报能力作了比较,用同样的计算机,作一个月的预报用GFDL的模式需机时60小时,而用巢纪平的距平模式只需15秒,所得的结果与GFDL模式基本相似(J.Meteo.Soc.Japan,292—309,1982)。

      四、热带海气相互作用的热带动力学

     近几年来,巢纪平转向研究影响全球气候变化的ELNino和南方涛动现象(ENSO)。事实上他的长期数值预报模式是最早的海气相互作用模式之一,到1979年又开始研究热带海气相互作用的动力学,他在海气相互作用的研究中,主要研究Rossby波的线性和非线性相互作用,指出大气和海洋中的Rossby波经相互作用后,可以不稳定地向东和向西传播,在非线性情况下可产生2—3年的振荡。这可能是对认识ENSO现象东传的一种新的机制。巢纪平在热带海气相互作用方面的研究成果已收入他写的《厄尔尼诺和南方涛动动力学》一书。

     在海气相互作用研究中,他注重实际。他是中、美两国政府关于热带西太平洋海气相互作用研究这一为期5年的大规模双边合作的中方组长和首席科学家。这一合作计划是对国际全球气候研究计划中的TOGA计划的一个重大贡献,在国际上有很大的影响,观测结果已整理成书出版。其中关于1986—87年的ELNino全过程的资料,揭露了一些新的现象,是目前最完整的一个ELNino发生、发展和消亡的资料。

 除海气相互作用外,巢纪平还研究热带大气的海洋动力学,如热带海洋热源的尺度与遥相关现象的关系,季节内振荡的一种新的机制等。最近,他提出了热带大气和海洋运动的半地转适应过程,这是对中、高纬度经典的地转适应问题的一个发展。 

     以上是对巢纪平科技研究贡献的介绍,也许太专业了,一般人难以看懂。但是从巢纪平的科技实践及其贡献来看,我们可以从中得到一些启示:

     公元15世纪以前,我国科学技术的总体水平领先于世界,这是举世公认的事实。但是15世纪以后,我国科技很快地丧失了这种先进地位,被后来居上的西方取而代之。这里有经济结构(小生产)方面的原因,有社会制度(封建社会)的原因,也有民族文化性格(天人合一)的原因,这里不想详述。这里要说的是,我国古代科技在近代的落伍,跟我国古代科技的实用性特征和经验型特征是分不开的。我国古代的科技都是强调实用,忽视理论升华,难以建构完整的理论体系;还有,我国古代科技“经验”色彩很浓,缺乏西方近代科技的“实证”精神。而我们从巢纪平的科研实践中,可以清楚地看到,他研究的内容,用一句简单通俗的话来说,就是“天气预报”,关于天气预报之类,由于我国是个传统的农业国家,有许许多多的农谚、民谚,民间有十分丰富的经验,但是在巢纪平的研究中,我们丝毫看不到此类的影子,这说明他的研究已经完全摆脱了传统科技研究的窠臼,融入了世界科技的研究之中,他的许多研究是跟世界对话,跟世界上科技最发达的美国对话,他的研究有许多是独创于世界的,这是我们中国科技走向世界的一个侧影,这是我们实现伟大民族复兴的一个端倪,也是我们通中培育新型人才的一个佐证。

 

真知灼见

      1997年夏天,距美国本图拉海岸80多公里的圣米格尔岛上出现了凄凉惨淡的一幕:一只幼小的海狮移动着瘦弱的身体,颤抖着向天空伸脖颈。在它的周围,还有许多骨瘦如柴、营养不良的小海狮正在尽力地吸吮着它们母亲的最后几滴奶水。它们周围到处都是正在腐烂的海狮、海豹。这个夏季,死亡了6000多只海狮海豹。以前,这座几乎与世隔绝的原始小岛有大量丰富的海洋动植物,提供给海狮海豹食用,可现在怎么发生了这样的悲剧?

     自1991年以来,印度尼西亚加里曼丹热带雨林的森林大火,就已经演变成为无法扑灭的大火,火灾的烟尘已经超越了国界,殃及了新加坡、马来西亚、菲律宾、文莱等临近国家。1997年8月蔓延于印度尼西亚苏门答腊岛和加里曼丹热带雨林的熊熊大火又燃烧起来,加里曼丹热带雨林的地下煤层也燃烧起来,火魔在哪里呢?

     世界上许多地方都发生了诸如此类的怪现象,是不是大自然发疯了?

     且看我们中国,黄河本来是一条灾害频繁的河流,根据统计从先秦到建国以前的3000年中,黄河决口泛滥1593次,平均每3年决口2次;改道26次,平均每百年一次改道。而1972年以来,黄河屡屡断流,差不多每年旱季都断流,而且一年比一年严重。断流的持续时间从最初的一、二十天扩大到226天。断流的里程,从最初的一、二百千米,扩大到683千米,占黄河下游流程的81%,1997年的黄河断流是历年黄河断流时间最早的一年,也是断流时间最长的一年,这是不是厄尔尼诺带来的灾难?

     1998年5月13日下午,一场惊雷将内蒙古兴安盟境内的大兴安岭林管局阿尔山的兴安林场的森林草原点燃引发了一场巨大的火灾,火势猛烈,很难扑救,火灾面积超过8000公顷,损失非常惨重,这场火灾与1997—1998年度的第14次厄尔尼诺有着怎样的关系?

     1998年夏季,长江出现了类似1954年全流域性大洪水,直接经济损失达384亿元,这是不是厄尔尼诺引起的长时间的连降暴雨造成的?

     富有高度责任感的气象科学家巢纪平看到国内外一系列现象,引起密切的关注和深深的思考。

     尽管现在世界上有许多科学家对厄尔尼诺都进行了研究,但对厄尔尼诺的形成机理、预测方法、影响因素以及厄尔尼诺和异常气候之间的定性关系还没有一个确切的定论。而巢纪平根据他的研究,写了一篇科普文章发表自己的见解。

     他在文章中说:

     “……19世纪末航海学家发现在秘鲁沿岸有一支从北向南的暖流,它产生的时间正好在圣诞节前后,因此被命名为厄尔尼诺流(厄尔尼诺是西班牙语,意为“圣婴”)。这支洋流在有的年份温度会超过一般年份很多,暖的表层海水造成秘鲁沿岸地区的暴雨、洪灾,并致使海洋和大气的生态失去平衡,鱼群、鸟类大量死亡。当地居民把这种暖水现象称为厄尔尼诺现象。

    “到了60年代,海洋观测资料增多,海洋学家发现秘鲁沿岸暖的表层水可以向北扩展到赤道附近,并沿着赤道两侧向西延展到几千公里的范围。同时也认识到赤道东太平洋大范围海水变暖是海洋对风的变化调节的结果。在热带太平洋上空,常年吹的是东北和东南信风,在信风的驱动下,赤道附近形成了向西的南、北赤道洋流,由于洋流是向西离开美洲大陆的,因此在美洲沿岸附近表层下的冷水就要上升,形成赤道东太平洋表层的大面积冷水,这是正常情况下的海洋状态。有的年份,信风减弱,甚至改吹西风,这样就致使赤道东太平洋的冷水相应减弱,出现了在距平意义下的暖水,现在在海洋学上把赤道东太平洋大范围持续的增暖现象(升温高于1.5℃)称为厄尔尼诺现象。

     “厄尔尼诺现象的出现,其原因看起来在大气环流的变化上,如信风的减弱,但大气环流的变化在一定程度上又受到海洋加热的影响,因此厄尔尼诺现象实际上是大尺度海洋和大气相互作用的结果。正因为这样,对厄尔尼诺现象的预测是一个正在解决的复杂的科学问题。  

     “但厄尔尼诺现象的出现是有规律的,一般3—5年出现一次,从50年代以来,1951、1953、1957、1963、1965、1969、1972、1976、1982、1986、1991、1992和1994都是厄尔尼诺年,其中以1982年的厄尔尼诺为较强的一次。但从1997年4月份开始的厄尔尼诺现象,其发展的速度和强度都超过了1982年那一次。1997年12月中旬赤道东太平洋有一些地区的月平均海水温度高于4℃,海洋表层温度的增高,将给其上空的大气提供大量的热量,致使大气环流发生异常的变化而造成气候异常。资料分析表明,由厄尔尼诺造成的气候异常不仅出现在美洲,也不仅出现在热带地区,而是全球性的,只不过美洲和热带地区离厄尔尼诺现象发生的源地近,气候异常的规律易于掌握,而全球其他地区气候异常的分布就不那么简单了。特别是我国,位于东亚季风区,季风气候的特征明显,气候的变化不单由厄尔尼诺造成,还受其它因素的制约,如青藏高原夏季的加热就对中国的气候变化有相当的影响。

     “另外需要指出的是,赤道东太平洋大范围暖的表层海温即厄尔尼诺现象结束后的1—2年,赤道东太平洋也会出现比正常海水温度冷得多的现象,这种现象被称为反厄尔尼诺现象,或拉莉娜(西班牙语意为“圣女”)现象,也同样会对全球气候造成异常,所以仍值得注意,只是人们对其印象不如对厄尔尼诺那么深。这次厄尔尼诺过程至1998年2月,东太平洋的表层海水温度已降到2℃左右,估计到1998年5—6月份可恢复到正常。但到1999年有可能出现拉莉娜现象并对气候产生异常的影响。   

     “为了进一步研究厄尔尼诺现象产生的原因对全球气候异常的影响,从1985年开始,在世界气象组织等制定的《全球气候研究计划》中,特别制定了为期10年的“热带海洋和全球大气”研究计划。我国的海洋和气象部门是这一计划积极的参与者和支持者,如由国家海洋局、中国气象局和中国科学院联合参加的“中美热带西太平洋海气相互作用研究”  (1985—1991)、“海洋和大气相互响应研究”  (1991—1992)以及中国科学院的“热带西太平洋调查研究”等。   

 “现在中国气象局、国家海洋局和中国科学院的气象和海洋学家除了在积极地研究厄尔尼诺的成因和对中国气候的影响外,并已开展对厄尔尼诺现象的业务性预报。目前,各有关国家的科学家对厄尔尼诺的出现已有一定的预报能力,如已经用数值预报方法在半年多前成功地预报出1982年、1986年的两次厄尔尼诺事件,我国有关部门也对1997年的厄尔尼诺事件事先做出了预测。但由于现象复杂,预测资料不够,特别是开展海洋观测投资很大,因此,目前预报准确率尚不能满足社会经济发展的需要。但随着对厄尔尼诺现象研究的深化,观测手段的加强,特别是海洋卫星的施放,会大大提高预报的准确率。”

     巢纪平的这篇科普文章使人们对厄尔尼诺有了一个比较清醒的认识。

 

眷恋之情

 巢纪平虽然不是南通人,但和南通很有缘份。他说,在南通“留下了童年、少年和青年时代的足迹,有着难以忘怀之情,可以算得上一个‘准南通人’。”

 当他回忆在南通的生活,特别是在南通中学那一段生活,充满了感情,于是情不自禁地为南通青年学子写了一篇题为《怀念与期望》的文章。

 在文章中回忆了一段在崇敬中学读了半年高中的一段调皮的往事。他说:“倒不是功课不好,我在班上的功课还算不错,主要是贪玩。”南通在中国近代文艺史上是有一定地位的,特别是“五四”以后,话剧演出在南通十分活跃,曾经出过不少明星,如赵丹、顾而已、韩兰根等。韩兰根是当时有名的深受人们欢迎的大笑星。巢纪平在回忆文章中写道:

 “南通要开一家电影院,请来韩兰根剪彩,机会难得,于是我就偷着去看了,没想到回来的时候被当时江苏教育厅的督学(当时正在崇敬中学检查督导)发现了,逃课自然是大逆不道的事,就为了这件事要开除我,后经我父亲托人再三说情,才逃过开除这一劫。学期终了我接到成绩单,上面注明‘下期毋庸来校’,被默退了。这自然是段不光彩的事,当时对我精神打击很大。我把它说给青年人听,是想说明一个人一生难免做错事,错了改了就好。事实上这件事对我一生都很重要,从此就开始用功,不再那么无谓地贪玩。我这里说的是‘不无谓地贪玩’,而不是不要玩,不要活动。另外,这件事对我后来当了导师和部门领导后的作风有很大帮助。我对学生和下属做学问和干工作都很严厉,但他们做错了事很少训斥,更不轻易处分。特别对年轻人更宽容一些,避免伤害他们的自尊和精神。我讲这件一般人不愿讲的丑事,丝毫没有责怪那位督学的意思,而是想说一个人好事坏事都可以谈,要正直、诚实。而最重要的是要经得起挫折,摔倒了要有勇气爬起来,不要泄气。人的一生不会都是一帆风顺的。”

  我们读到这段文字时,往往会产生许多感慨。看到巢纪平披露这段学生往事,他在我们心目中的形象,不但没有降低,反而更加高大,我们对他更加敬重了。大科学家富兰克林曾经说过:“诚实和勤勉,应该成为你永久的侣伴。”人的一生不可能没有疵点,不可能没有挫折,愚者总是千方百计地隐藏疵点,讳莫如深,有的甚至因为挫折而一蹶不振;智者总是把疵点引以为自己的教训和财富,把挫折视作前进的铺路石,攀登的阶梯。这对于我们青少年学生的成长不是一个启示吗?

     当巢纪平回忆在南通的往事时,深情地写道:

     “半个世纪过去了,人过花甲,人老了易怀旧,而我对青少年时期的怀恋之情常常是南通。也因为如此,今年(1998)不管多忙也要到南通看看。自然今日的南通已非往昔可比,到了南通我仿佛置身于另一个陌生的新兴城市,这一切都令人兴奋,城市变了样,南通中学变了样。说句实在话,有的大学校舍也不过如此。当然校舍的好坏是次要的,这主要说明,南通人重视教育,重视江苏省南通中学,说明南通人非常懂得育人是根本的道理。事实上,南通人重教育的传统已经延续了将近一个世纪。南通出了个科举状元张謇,这是个思想很开明的状元,主张实业救国,办了有名的纱厂。在当时,爱国办实业的人别的地方也有,如无锡的荣家,但张謇值得尊敬的是他更重视育人。他知道实业是要人来办的,要有自己的工程师、管理专家,于是在南通办了南通中学,办了纺织学院,又办了医学院,一个中等城市有自己的大学,这在全国也是不多的。实际上这正是走的科教兴国之路。所以我为当一个‘准南通人’而自豪,自然也会对南通出更多英才寄以很大的期望。

     “我和南通的几所中学都有历史渊源,对这些学校的学生来讲,算是一个学长。作为一个学长,想讲三点期望:

     “第一,一个人在年轻时是要有志愿、有抱负的,如我年轻时就想念电机、念航空,当一名工程师。但后来我与工程师无缘,念了理科,而且念了当时都没有人听说过的气象。半个世纪过去了,我对气象也很感兴趣,认识到环境科学与国民经济、人民生活的密切关系,不再为没有念电机、航空而遗憾了。事实上,年轻人的志愿往往受当时环境、舆论等各方面的影响,并不是有很多理由一定对某样工作有深厚的兴趣,非念不可的。所以我认为,志愿要立得宽一点,只要告诫自己,要做一个对社会发展有贡献的人,要做一些对人民有益的事,经常以此自勉并不断努力就可以了。实际上,当今社会经济、文化、科学的发展,其速度、趋势往往难以预测,因此,也很难预测将来一定要干什么,也许将来要干的事,现在还没有成型。

     “第二,我主张年轻人的基础要广一些,多了解和学习一些新技术,如计算机、信息学等等。在这方面我就有体会。50年代初上大学时,做天气预报要填天气图,即把全世界的气象信息填在一张图上,进行分析,然后做出预报,把图填完至少要12小时,这样短时天气预报成为“马后炮”。当时我很天真,心想如果有一种技术,能把全世界的风云变化随时显示出来,看天气是怎么演变的这该多好。事实上,这并不是幻想,仅过了10年人造地球卫星上了天,并有了气象卫星,现在随时都可以看到全球的天气是怎么变化的了。再有一个例子,空气是一种流体,它的运动也受牛顿第二定理的制约,如果能把空气运动的方程解出来,这就是定量的天气预报。这件事在20年代有位科学家叫里恰逊的曾经做过,他雇佣了几千个人来解方程,最后终于把24小时天气变化的方程解出来了,但时间已过去了2—3年,这个预报还有什么用?!所以有人称这样做天气预报是不可能的,并称此为“里恰逊梦”。但里恰逊梦只过了30年就成为现实,到50年代初,大型计算机问世后,用解流体力学方程组的方法来预报天气已经普及。再举一个近期的例子,八十年代中期,我在国家海洋环境预报中心工作,为做好预报每天成千上万的资料都要保存下来,2—3年下来,就占了半个房间,长此下去,再大的楼也装不了,何况还要防潮、防火。但只过了3年,光盘出现了,几十年的资料一张光盘就记录下来了,而且随时可以用计算机调用,方便得很。我说这些的意思是,当前科学技术正以难以想象的速度发展,要适应这些变化,就不是过去那句‘学好数理化,走遍天下都不怕’所能应付的了。

     “最后我想说一段对话给年轻的学弟们听一听。一位电视台的记者问我:你学了气象和海洋,对你人生有什么启示?我回答说:天气变化万千,海洋汹涌澎湃,十分壮观,一个人有成就也好,有挫折也好,比起这些壮观的自然界来又多么渺小,所以有成就不必沾沾自喜,受挫折也不必灰心丧气,一个人的心胸虽然比不上天空、海洋,但还是宽广一些好,要容得下喜、怒、哀、乐,也许这样才能不断前进。”

     巢纪平的这篇文章使我们看到了他对南通的感情,对南通中学的感情,对南通中学师生的眷恋之情。

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