锐意创新 熠熠生辉

——点评张学文研究员五十年的气象生涯

 

张家宝

(原新疆维吾尔自治区气象局局长)

(2003 发表于《新疆气象》第3期45-46页)

 

1991年,被国务院授为有突出贡献的气象学家张学文研究员,回族,1935年2月出生于天津市,1953年就读于北京大学物理系气象专业,从此开始了他的气象生涯,到今年恰是“五十大庆”。在北大,他是比我高一届的学兄,在新疆气象局,他是比我早一年(1957年)工作的师兄,我们俩相识很早,相知颇深,相濡以沫,相得甚欢。因此,我比较了解他的五十年,这是充满坎坷的五十年,是顽强拼搏的五十年,是硕果累累的五十年,是为推动气象科技进步、为开发建设新疆做出重要贡献的五十年。他可圈可点之处很多,而给我印象最深、让我最为敬佩的一点,就是他敢于创新、善于创新、坚持创新、锐意创新,用“十六大”后中国最流行的词汇来表述,那就是与时俱进,开拓创新,这已成为他五十年气象生涯永恒的主题。

创新是科学研究的生命源泉。气象科技创新分两个层面:一是发现全新的科学原理;二更多的是老原理的新引申,老方法的新应用。具体表现为四个方面:揭示新现象、新事实;应用新资料、新方法;开拓新领域、新方向;提出新观点、新理论。

张学文的创新是从20世纪50年代末期当自治区气象台天气预报员开始的。当时,世界通行的业务应用的短期天气预报方法是半理论、半经验的天气图方法,报准天气形势的演变过程是报准天气现象变化的前提和基础,“外推法”则是预报员预报形势演变的“看家法宝”,张学文也是这么做的,但他比别人高明的一点,就是不满足于主观“外推”的现状,开始思考“外推法”为什么能够经常取得成功?经过数学推导,揭示出“变高(通常指500hpa等压面图上高度场24小时的变化)保守性”现象,随之自治区气象台增加了一张北京时08500hpa24小时变高图,并试作图解法预报图,受到预报员普遍欢迎。“变高图”成功地应用了20多年,直到预报员能够普遍熟练地应用欧洲中期数值预报产品才结束了它的历史使命。

张学文转到新成立的中、长期预报组后,对原苏联的自然天气周期、自然天气季节的中、长期预报方法作了新引申、新应用:以500hpa锋区(特征等高线)的演变动态为主要依据,并以第一自然天气区为主来划分天气周期,同时,还根据实践经验,与其他同志一起提出以5—6个周期为单位的,平均时间长度为30天的“综合周期”概念。根据对周期平均图的分析,综合周期主要分为纬向型和经向型,而经向型又分为稳定长波类和移动长波类,后者又细分为东移和西退两种。综合周期概念的提出和应用,对分析、预报候、旬、月尺度天气过程是很有意义的。而侯、旬、月尺度天气过程的演变又都有其特定的“气候背景”,他在气候分析中,率先提出了新疆划分四季的指标和四季天气气候特征,以及用树木车轮分析气候变化,用辐射量计算蒸发能力等,这些早期的创新,对提高当时的天气分析与预报水平以及进行气候科研工作起到了重要作用。

1961年底,张学文被调往自治区气象科学研究所天气研究室,从此担当起“职业研究者”的光荣使命。他的研究视野悄然发生了变化,从仅仅面向新疆气象业务技术进步拓展为直接面向新疆经济建设和气象科技进步,并在从事应用研究的同时,还进行“自选”型和定向型基础研究以及技术开发研究,从而赢得了更大的创新空间,取得几项重大的突破性的创新成果。

一、率先开展了《新疆的水分循环和水分平衡》的研究

新疆属干旱和半干旱气候区,绿洲经济,灌溉农业,生态环境特别脆弱。水是新疆社会经济发展的最大制约因素,水资源处于生态环境系统的核心位置。他敏锐地紧紧抓住“水”这个核心不放,尖锐地提出新疆的水源是什么?水源会真的枯竭吗?为此,1960年代初他刻苦自学了冰川学、水文学和地下水的知识,通过定量计算,得到:新疆年均降水量2400亿吨这一重要降水总资源数据。40多年来,资料补充了很多,但计算结果仍然与此相差无几。其中占新疆总面积40%的山区约占总降水量的85%(约2040亿吨),而年均地表径流量仅约有900亿立方米。计算表明:山区降水量远大于河水流量;自然降水才是新疆的根本水源;冰川和永久积雪是地形与气候的产物,它们是水分循环过程中的一个环节;水源枯竭论是“杞人忧天”,也不符合新疆几千年来有绿洲、有草地、有人类活动的历史事实。

在此期间,他还提出了估算最大可能降水量的科学方法,比“75.8”暴雨后全国气象、水文部门普遍进行的这项“浩大工程”所采用的外国人提出的类似方法要早10多年。1970年代他还结合新疆农业生产实际,提出衡量农业的指标不应当用每亩地的产值,而应当用每方水的产值。气象研究所的气象专家去搞水研究,这在当时就是一项创举。他提出的新观点和取得的新成果,被40年的实践证明是十分重要和正确的,并逐渐成为新疆科技界的共识,为各级领导和有关部门关于合理开发利用水资源决策提供了重要的科学依据。

原国务委员、国家科委主任宋健院士曾在1987年亲切接见过张学文,对他的观点和成果给予了充分肯定和赞誉。恩格斯指出:“社会一旦有技术上的需要,则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进”。张学文创新的一个有效途径,是从新疆的经济建设、社会发展和气象科技发展的实际中寻找课题,有独创性地分析、解决问题。

二、率先将信息论应用于气象预告

1960年代后期,对“史无前例的文化大革命”已经从厌倦而进入麻木状态的张学文,一个偶然的机会,买到一本对他有重要影响的书,即原苏联学者雅格洛姆写的《概率与信息》的中译本。他开始自学信息和熵理论,钻研信息和熵理论,从“文革”的混沌世界进入“信息和熵”的忘我境界,正是“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。从此,踏上了学习、认识、掌握和应用信息与熵理论的漫长而艰辛的道路。

1970年代,他把信息论用于分析气象预报问题:把气候变化的大小和天气预报任务的大小问题科学地概括为信息熵的大小问题,指出天气预报员制作预报的过程,实质上是在进行信息的加工、转换;从信息在变换中不能使信息增殖的原理出发,揭示了对不含预报信息的预报因子的任何数学加工,都不可能使它提供预报信息;指出提高气象预报准确率的有效途径是增加预报信息,提高信息传输速度,提高信息加工、转换水平和能力,以减少预报信息量的耗损和避免浪费宝贵的信息资源。事实上,这为1980年代气象部门之所以要急迫地解决通信和计算机两大制约气象科技发展的“瓶颈”问题,提供了理论依据,培育了气象科技发展新的生长点。1981年,科学出版社出版了他的专著《气象预告问题的信息分析》。

三、率先推进气象观测数据处理的现代化

张学文善于捕捉和牢牢抓住机遇,这和他精细而敏锐的观察力、发现的兴趣和才能、准确的判断力、创造性思维和丰富的想象力是分不开的。

1980年代初,世界上出现了可以编程序的计算器,张学文敏锐地看到它在气象观测上的应用潜力,认为可以用来推进气象观测业务的现代化。他满腔热情地投身于这个影响面很大的工作,先后主持编写了探空、测风、地面观测和日射程序,并汇编成袖珍计算器上的气象观测程序集。在新疆气象局的大力支持下,组织对PC-1500计算器软硬件的开发,许多成果居全国领先地位,很快在全国一些省(市、区)气象部门得到推广应用,在全国袖珍计算机界也有较高声誉。国务院有关专业机构负责人还到新疆气象局考察,对这项开拓性工作给予了充分肯定和高度评价。这不仅推进了我国气象观测现代化步伐,开拓了气象科技发展的新方向、新领域,也推动了社会对计算机的广泛应用。

四、创立气象学新分支——熵气象学

在很多方面,虽然科学家与特别是居于领袖地位的思想家、政治家不能相提并论,但“返本还源”、“返朴归真”经常是思想家、政治家、科学家实现理论创新的共同表征。邓小平在有了科学社会主义理论、在原苏联搞了70多年社会主义、在中国搞了40多年社会主义后,提出一个大家似乎很明白其实很不明白的“原始”问题:什么是社会主义?怎样建设社会主义?并作出科学的回答,从而创立了邓小平理论——建设中国特色社会主义理论;江泽民在有了党建理论、在中国共产党建党长达80周年的前一年,也提出了一个很“原始”的问题:建设什么样的党和怎样建设党?从而提出“三个代表”重要思想,作出了科学的回答。

在自然科学界,自R. Clausius(克劳修斯)于1854年确切使用熵这一概念100多年来,它已被广泛应用于几乎所有科学领域,正如著名的A. Einstein(爱因斯坦)所说:“熵理论,对于整个科学来说是第一法则”。凡是学过普通物理的都知道熵和热力学第二定律,看来,熵理论是“很成熟”了。尽管如此,1980年代张学文勇敢地提出:熵究竟是什么?熵理论能否应用于气象领域?怎么应用?经过科学论证,他指出:熵就是状态复杂(丰富)程度;无序与复杂是两个概念;生物进化也是熵加大。

他进而又把统计物理中的分布函数、热力学第二定律与信息论中的最大熵原理贯通并且用于降水分析。他把统计力学方法用于研究一场降水在面积上的分布和一场雨在测站上的雨强分布。这不仅为水文学中的降水时面深问题找到了理论依据,也为分布函数的概念渗入气象学给出了新事例,并创造性地提出了降水统计力学这一新概念。

他和他的同事们用大量的资料证实:最大熵原理可以有效地用于许多气象问题的分析中。这就促使他发展了分布函数概念,发现了一批气象要素的分布函数是指数分布或者是其他的解析函数。这些概念和知识,对气象学来说是创新性的,也是系统性的,充分显示了基础研究的基本特征。张学文、马力的合著《熵气象学》(北京,气象出版社,1992年),为气象学开拓、建立了一个新的理论分支。

1990年代他用最大熵原理推导出气象学中一个新的基本方程——大气密度方程,还把统计物理学中热扩散理论移植到气象上,得出水汽相对运动方程。他还为宣传熵理论知识和拓展新的研究领域,做了很多有意义的工作。其中,值得称道的一件事——1987年在有关部门的大力支持下,发起召开了全国熵与交叉科学研讨会,成立了全国熵与交叉科学专业委员会,发展成为中国自然辩证法研究会的一个二级学会,促进了我国科学事业的发展。另外,他还提出了盆地气象学和空中水文学两个研究方向。

五、创造性地提出了新的理论框架——组成论

美国著名学者J. Rifkin(里符金)称誉熵理论将成为21世纪文明观的基础。张学文对熵概念、熵理论在气象学中的应用作了深入研究后,必然地要走向探索熵理论的哲学意义,挖掘熵理论在自然科学、社会科学的广阔领域中应用的巨大潜力,综合地阐述应用途径与方法,进而设想搭建某种新的知识框架。据此,即将公开出版的张学文新著《组成论》,就是用新视角来讨论自然(社会)科学问题,综合地、横向地分析事物,为各个领域的科学研究提供一种共同的描述组成问题的模型、方法、技术、原理,这是一个综合性的新概念,是一个新的理论框架。

《新华词典》对“概念”的解释是:“反映事物本质属性的思维形式。是人们在实践的基础上,经过感性认识上升到理性认识而形成的”。而“理论”则“指概念和原理的体系”。创立泛系学说的吴学谋教授提出建立概念时要兼顾“相对普适性”、“相对确切性”和“形式的相对具体性”。组成论的三块基石是广义集合概念、分布函数概念和复杂程度概念。“广义集合”在描述很多组成问题时简单有效。每个明确的广义集合必然伴有一个具体的“分布函数”。对分布函数的一种运算(类似求平均值)就得到一个数值,它恰好描述广义集合(研究对象)的内部状态(组成、构成、成分)的“复杂(丰富)程度”。这样定义的三个基础概念都具有吴学谋指出的“三性”。

张学文还指出:客观事物(系统、总体)的内部组成(构成、成分)问题普遍存在于很多事物之中;对组成问题的一般规律性的研究很有必要;组成论是很多知识的一个新的很好的汇集点。

显然,张学文的组成论能否成功地、有效地指导人们的科研实践还有待实践的检验,现在来“点”,来“评”为时尚早,我只不过“鹦鹉学舌”式地介绍几句而已。但应该指出,这是他1998年退休后孜孜不倦、苦苦探索的新成果,正所谓:老骥伏枥,志在千里。年近古稀,壮心不已。

点评到此结束!