当代大气科学方法论及其发展趋势

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                               丁 裕 国

2007.08

                             

      “确定论”与“随机论”,历来是科学界关于方法论问题争论的焦点。一般说来,方法论(methodology)不同于方法(method),它是具体方法的总和与升华,它往往代表了人们对一门具体学科的思维定势和知识结构及其教育模式的总体认识,由此而产生其研究方法的主导思想,以致形成该学科领域的各种具体的研究方法和方案。在科学发展史上,方法论具有举足轻重的地位和作用。实践表明,许多学科领域的进展,转折或突破几乎都与一种新的方法论的建立悉悉相关(1)。在大气科学的发展历程中,关于“确定论”与“随机论”的争论更比其他学科突出,由于其内涵的复杂性,迄今仍值得探讨。众所周知,一切科学的发展总是经历着:纯经验 → 半经验 → 定性规律 → 定量规律 → 理论(数学)模型 → 实验(物理或数值)方案 →新事实(新定律、新理论) → 再实践 → 再认识,……这样的发展过程。大气科学也不例外。

       自从牛顿力学建立以来,大气科学已不再是半经验的经典气象学了。随着大量观测事实的积累,传统的气象学早已派生出各种分支学科并有了长足的进展。例如,动力气象学、辐射气象学、大气热力学、大力动力学、数值天气预报等。尤其是牛顿力学应用于旋转流体而导出的Navie-stokes方程及热力学第一定律所导出的热力学方程,迄今已成为确定论的大气体科学方法论的坚实基础。近二十多年来,在大气动力学基础上发展起来的动力气候数值模拟更加支持了确定论的研究方法和思想。

        然而,事实上,任何一门科学,人们所考察的都只是“有限现象”。自然辩证法认为,一切有限现象都包含有偶然性的成分,因此,科学所研究的一切(物理、化学、生物)过程都包含着偶然性成分。“偶然性”并不阻碍对于各种现象的科学认识,它是相对于必然性的新的生长点,随着人类认识世界的深化,各个必然过程的交叉点上所出现的偶然性将逐渐减少,但是,人类对于无穷世界的认识,永远不可能到达那个“终结真理”的顶点。换言之,在我们周围发生的一切过程,其中包括天气、气候变化过程,都有确定性的一面,可预(知)报的一面,又都存在着不确定性的一面,不可预(知)报的一面。如何正确认识“确定性”与“不确定性”,以便正确处理其相应的方法论,是一个值得探讨的问题。近几十年来,学界时有“确定论”与“随机论”之争论,导致某些领域或学科,片面强调“某某”方法的重要性,以致“以偏盖全”。笔者认为,确定论与随机论的方法论应是对立统一的辩证关系。事实证明,国际大气科学的发展正是沿着这样的技术路线发展的。那种轻“统计”重“动力”,轻“观测事实”,重“模式模拟”的观点,固然不妥,而片面强调一切全为“随机”或“混沌”现象的思想也是错误的。现分析如下:

一、确定论的方法论及其缺陷:

     所谓确定论,就是依据那些支配现象的物理定律,借助于描述这些现象的确定性数学模型,实现各种物理的或数值的试验,达到某种研究目的。确定性的数学模型实质上是对所研究现象的一种理想化描述。在确定论思想的框架内,数学模型将现象描述为“一一对应”的演化,即一组确定的初值必然对应于未来的一种确定的演变。例如,对于天气预报,认为只要建立足够精细的控制天气演变的微分方程,在给定足够准确的初始场条件下,求解方程所获得的唯一解(一般为数值解)必然就是对未来天气的准确预报;同样,对于气候状态的演变,类似的思路下,只要给定足够准确的初始状态场和符合实际的边界条件,加入必要的物理过程,必然可由控制方程,通过长时间积分,求解出唯一的气候演变结果即模拟出未来气候。由此类推,只要方程绝对精确,初值绝对准确,逐步积分,天气预报就可无限期地做下去,模拟气候状态也可类似地、以确定性数学模式无限期地模拟下去,从而完全准确地再现真实天气和气候。确定论认为,世界终究要描述成一个确定性模型,所有能用微分方程描述的系统,都属于这种模型。然而,事实并非如此(2)

    随着现代物理和数学各分支的迅速发展,尤其是本世纪中叶以后出现的“耗散结构论”、“协同论”和“突变论”等新三论的异军突起,确定论方法遇到了严峻的挑战。例如,Lorenz(1963)在研究热对流现象时的重要发现,阐明了确定性系统对初值的极其敏感性,提出了著名的Lorenz系统,证明自然界普遍存在的现象:一个确定性系统具有“内在随机性”行为。20世纪70年代以来,非线性科学和统计物理的最新发展告诉我们,即使是一个很小的随机力,它也并不仅仅对原有的确定性方程结果产生微小的改变,它往往能出人意料地产生重要得多的影响.在一定的非线性条件下,它能对系统演化起决定性作用,甚至改变宏观系统的命运. 同时,这类无规的随机干扰,也并不总是对宏观秩序起消极破坏作用,它在产生相干运动和建立”序”上起到十分积极的创造性作用(3).

     大气是一个强迫耗散的非线性系统,它对初值极为敏感,以致于在确定性基础上构建的大气动力学方程,不附加任何随机因素,其解即可表现出类似于随机性的“混沌”现象。在大气科学中,关于微小的随机效应形成重大影响的例子也逐步为观测和理论研究所证实.

从辩证唯物自然现来看,确定论的数学模型,只是纷繁复杂的大自然现象因果规律的一种理想化描述,在现实世界中,“量”的方面的数学的无穷性,比起“质”的方面的无涯无尽性来说,实在是极为粗浅的。无论怎样复杂的方程式都不可能是实际现象的无限复杂性的等价反映,它们充其量不过是相对精确或相对逼真地描述了现象,而不是现象本身的全部写照(2)。恩格斯在其著名的《自然辩证法》中曾这样认为,谁见过几何上真正的“圆”,人们只是看到各种各样现实的“圆”,而现实中却并不存在那个真正的抽象的“圆”。因此,他断言,没有“纯粹的必然性”。具体现象是必然性和偶然性的统一,偶然性是必然性的表现和补充(2)。

二、随机论的依据:

    与确定论的科学思想相反,随机论的方法论认为,以大气为中心的地球气候系统的各个子系统的运动和变化,本质上具有概率性,即”不确定性”。天气和气候状况的变化可以通过各种统计描述,建立相应的统计模拟和预报模式来研究。随机论思想是将现象的演化描述为“一多对应”的统计数学模型,即一组给定的初值,对应于未来,多种可能的演变结局,每一结局都有一定的概率性。因此,现在的记录信息,并不足以确定未来的状况,只能在概率意义下对未来状况的演变作出估计。

     随机方法论由来已久,在气候学发展史上,随机现象的统计学概念几乎无处不见,仅从气候的定义本身也可得到充分的印证,即使在当代气候学迅速发展的今天,气候的内涵也仍然离不开统计学。按照现代气候学概念的框架,Houghton(1984)就曾在他的《全球气候》论著中指出,天气振动可视为一种多元随机过程,而在某一足够长时间域上,天气振动所表现出来的各种统计特征的总和(如平均值、方差,时空相关函数、极值概率等)即是”气候”,由此详细地解释了”气候”的统计学涵义(4)。他认为,可以将地球气候变化的全过程考虑为一个无限长时间的全部地球总体(即假定同时存在多个与地球气候系统很类似的行星),在相同的外部强迫下,各个地球上可出现不同的天气型,它们随时间而变化,对于某一适当的概率分布(例如正态分布)来说,全部地球的总体保持平稳性,而如果以这个总体平均来定义气候,则气候将维持常态。应当指出,这一颇费推敲的概念正可用来研究当外界影响(如入射太阳辐射)具有给定的变化时,全球平均气候的演变。当然,假定外界影响不随时间变化,则任一给定时刻的总体(地球)平均气候将与该总体中任何一个现实(即任一地球上)的无限长时间平均所获得的“气候”相同,这正好符合平稳过程各态历经性假定。简言之,认为存在着一个平稳的气候过程(地球气候总体),而用无限长时间平均取极限就可逼近这个气候过程的各个现实。由此可见,对地球上某一地点或区域甚至全球,唯一可行的气候统计值应该是对时间的平均或在时间域上的统计特征。这就是当代气候学为什么将气候定义为”一个相当长时间内的天气状况统计特征”的理论依据。

     从根本上说,随机方法论是建立于气候不确定性基础之上的,而不确定性的客观存在已经为愈来愈多的科学事实所证明。气候系统是一个非线性的强迫耗散系统,其本身具有不可避免的内在随机性,而如果用一种确定论模型来描述该系统,不但内在随机性不可克服,即使确定论模型在现阶段已考虑得相当完善,其外部的随机因素仍无法完全转化为确定性变量,例如目前人们不断改进的各种参数化方案,与精确的数学描述相比仍有相当差距。正如文献(2)所指出,用动力方法来研究实际过程时,理想化是不可避免的,在描述物理过程时,要考虑到过程的基本特点而不能无例外地考虑到所有的各方面,这不仅会使问题复杂化,而且在大部分情形使得问题的解决成为不可能。但是,从实际过程抽出主要特征之后,就会遗留下一些残余的东西,这些残余就被看作随机的,这是外在随机性。……只有计入外在的随机性,才能对运动有“完全”的描述(2)。

三、发展趋势与现状评述:

       由于非线性动力学,非平衡态热力学的发展,尤其是以耗散结构论、协同论和突变论为代表的“新三论”的迅速发展,科学界愈来愈认识到,确定论不可能包缆科学研究的一切领域,即使在某些学科领域,原先以确定论方法研究问题的思想也受到了巨大的“冲击”。现在,可以毫不夸张地说,确定论不再是唯一占统治地位的方法论。那种认为“只要给出宇宙中所有质点的初始条件,我就能算出将来的一切”的传统的确定论观点已经过时[2]。世界并非是“宿定论”或“宿命论”的。“过去的信息并不完全包含未来”。因此,用确定论模型将“初始”向“未来”的演化描述为“一一对应”,未必是明智的。科学实验的大量成果已经证明,任何过程的演化既有确定性的一面,更有随机性的一面。从某种意义上说,确定性演化只是随机性演化或“混沌”演化中的一个特例。确定论与随机论作为两种方法论本来就应是辩证统一的。应该看到,两者各有所长,不可偏废。对此,我们更不应厚此薄彼,而应努力实现其有机结合。这正是现代各学科相互渗透,协同发展和辩证综合的科学发展之大趋势。

当前,大气科学已取得显著进展,基础理论研究中出现了一系列重大突破,先进的技术装备,特别是大气遥感技术和高速计算机技术,既推动了气象科技和业务的发展,又促进了相关学科的进步。据美国气象学会(AMS)第78届年会所报告的信息表明,当前大气科学研究领域中,模式研究和机制研究仍离不开对观测资料和观测事实的分析研究。在观测研究中,任何一个课题,任何一个领域都离不开“统计学”的分析方法,因为无论如何“全球变化”中不确定性实在是不可避免不可逾越的。例如,通过长序列资料分析或新的观测手段所获取的分析结果,已有更多的海气相互作用事实被揭露出来,如澳洲热带气旋发生次数与SOI的关系,美国西南部降水与ENSO的关系、印度南部雨量与阿拉伯海水汽通量及风速的关系等,都是新的观测事实,它们已成为统计诊断分析的基础和模式模拟印证的对象,至于其它研究领域的例子更举不胜举。如季节年际尺度气候变率,十年一百年尺度的气候变化,短期气候预测等等(5),都基本上经历着“观测事实→诊断分析→模式模拟→机制成因研究→新的观测事实→……”的认识过程。

     总之,从方法论意义上说,大气科学的研究离不开观测事实的研究,而只要有观测记录,就必然有不确定性因素,加之动力学方法本身又必然产生内在随机性。因而在大气科学研究中,确定性方法和随机性方法必须有机结合,才能取得更为符合实际的成果。

 主要参考文献(略)

本文引用地址:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=5824