《熵气象学》

自序

1957年当我从大学毕业时,记得我对自己说过由于熵这个词大神秘,把握不住它,今后在工作中尽可能对它敬而远之。

历史就是这么怪,30多年后的今天回首往事,我自感欣慰的工作竞是与熵有关的工作。近10(或20)年来,可以说把熵原理用于各个领域一直是我苦心思考的课题。

60年代起我在新疆从事天气预告工作。当天气没有报准时,就感到着急和痛心。为改善这种处境,记得我急切的想从众多的统计学方法中寻找对我们最有用的方法,这种努力持续了好多年,给我影响最大的是1968年有幸读了苏联的雅格格姆的《概率与信息》一书。它不仅从概率角度使我理解了什么是信息熵,还使我看到这些概念对分析天气预告问题十分有效。从此我扭转了对熵的冷漠态度,变成了努力用它分析问题的热心人。我逐步感到用熵去分析气候特征和天气预告是非常自然又很科学的作法,而用信息分析天气预告过程则可以从信息原理中得出很有力的结论来。

信息原理使我认识到有些场合并不是预告员拿不出好的预告方法而是根本不存在这种方法,巧妇难为无米之炊、工程师造不出永动机和预告员“创造”不了信息,这三者包含着同样深奥的哲理。

1973年我的这些工作在南京气象学院办的一个统计学习班上有幸受到鼓励,这促使我把有关成果和认识汇入《气象预告问题的信息分析》一书中(网页中有介绍--1999注)

1980年的一件事使我关注的中心从天气预告方法的信息分析又转到熵原理如何用来解释气象科学中的种种问题上去了。

当年廖树生给我看了他的一个手稿,其核心内容是他用统计力学的思路、方法论证了日降水量的概率分布应当是负指数分布。这不仅使我看到了一种新的推证概率分布的理论方法和模型,更重要是它使我早先知道的熵极大与概率分布的知识和统计力学知识融到一起去了。而这种融合加深了信息熵极大原理的物理根基。我从中感到统计力学和熵原理会促使我们对气象现象从新的物理基点得到说明,这好似为气象学找到一个新的理论园地。

我支持廖树生发表了那篇文章(1981年4月号《新疆气象》),此后我又沿其思路研究了降水的历时、面积和深度问题、多次降水的卷积问题。等庄面上的风速分布问题等等。1983年 年还在新疆气象学会主持下召开过“统计力学在气象上应用潜力讨论会”。而1987年新疆科协等单位出面在乌鲁木齐召开的全国首届熵与交叉科学研讨会则把熵的应用扩及气象学以外的其他物质科学领域。

80年代我们就此陆续地发表了一些文章,1986年提出了“熵气象学”一词。1988年还获准把熵在气象上的应用研究列为国家自然科学基金课题,而本书就是这些年间形成的思路和若干成果的综合介绍。

形成一个学科应当有其基本概念和基本理论,熵概念和熵原理则在这里居主导地位,形成一个学科还应当有特定的研究领域,在本书中我们将看到小至一片云中的各个云滴,大到全球大气的风速分布,这些气象学过去关注的现象也都是(不过观点变了)熵气象学的研究内容。

从具体处理问题的过程来评判,我觉得这里引用的假设的合理性(思路的严密性、数学处理的简明性。结论的普遍适用性和它与实际资料的拟合程度)使它有一定的资格跻身于“科学”的殿堂之中。

应当承认这里看待气象问题的基本观点与过去人们习惯的动力学观点有很大的差别。而完成这种观点的转变是要经历一番思考的。可是一旦理解了这种思路,余下的数学物理处理常常是较为容易的。

牛顿力学曾经是物理学的骄子,可它并不是物理学的独生子。今天,统计物理学也已在物理学中占有相当的地位了。

气象学是地球科学的骄子,动力气象学是气象学的骄子,可它也不应当永远是理论气象学的代名词。我们希望熵气象的研究能推进统计气象科学(不是单指气象统计方法)向理论阵地迈进一步。

这里还想补充一句,即本书介绍的分布函数的概念和如何通过它把熵原理用于对应的场合不仅仅是适用于气象学,它也同样适用于其他科学(含社会科学)。在笔者看来:

统计物理中的深刻思想,不应当仅供物理学家独享,它实际上也是众多学科共享的理论武器,它会帮助众多学科向理论阵地迈进一大步

本书第二章4-7节由马力执笔,3、9节为共同执笔。书中的大部分的计算、图表清绘和部分图表的制作,都由马力完成。

戴新刚曾在计算机上用全球逐日5层资料作了不少计算,书中的一些观点他也参与过讨论。郭爱卿也曾为本书做过一些计算工作。在此一并致谢。

我还要特别感谢丑纪范教授(现为院士,1999注)在序言中对我们的热情鼓励和积极评价。本书的出版得到了气象出版社、国家自然科学基金会地球科学部等单位的支持。在此顺致谢忱。

作者学识有限,书中错误之处诚望不吝指正。

张学文

1991年3月于乌鲁木齐新疆气象科学研究所