3月23日,是世界气象日。这个日子,对于中国科学院院士、南京大学大气科学学院教授伍荣生来说很不一般。毕竟,他与“晴雨冷暖、风云变幻”已相交、相伴60余载。
作为思想活跃、颇具影响的大气科学家、教育家,他认为,要想“遨游”在大气科学里,扎好数理根基很重要,而创新则是他一以贯之的追求。他用“咬定青山不放松”的永不懈怠的钻研精神,获得了多项出色的理论研究成果,推动我国大气科学“风起云涌”。
“遨游”大气,要扎好数理根基
风霜雨雪露雾虹,听起来诗情画意,但大气科学研究更多的却是枯燥的理论和数据。从事研究教学60余年,伍荣生一直十分注重数理知识的积累,曾多次向学生提到过数学物理基础知识的重要性。
在招收研究生时,他非常重视学生的基础知识,尤其是数学物理基础。他的学生韩瑛回忆当年报考研究生时说:“伍老师说如果我看不了数学公式就不要跟他(有的学生一看数学公式就头疼),而我是挺喜欢数学公式的,所以我就跟着伍老师学习了。”韩瑛感慨:“他们老一辈学者的数理基础特别扎实,好多问题一下就能看到本质。”
“大气科学学科的学生一定要注意数学和物理知识的学习。”伍荣生说。为此他早在1997年就特地为研究生开设了《大气科学中的数理基础》这一把大气科学与数学和物理联系起来的课程。“专门请数学和物理领域的专家来为研究生上课,讲授梳理学科中的经典理论和最新发展。”与此同时,伍荣生自己也会结合自己从事大气动力学研究的经验,“帮助学生建立大气科学与经典数学物理理论的联系”。例如讲到最优化理论时,就会结合台风移动路径的耗能来介绍这个理论,或者说从最优化理论的角度出发,与学生一起分析何种移动路径会使台风移动耗能最小。他一直强调用数理理论解决大气科学中的实际问题。他曾说:“天气图一画,可以看到的就是一个波动。这个波动是怎么演变的?怎样影响到我们的?这是我们需要解决的实际问题。”后来,伍荣生与黄思训合著了《大气科学中的数学物理问题》,这本书成为了普通高等教育“九五”国家级重点教材。
伍荣生一直提倡学科间的相互交叉、渗透和综合研究,认为大气科学不是一个孤立的学科,它的进一步发展与一些相关学科的发展密切相关,因此,在科学研究中,要注意其与其他学科的交叉,积极引入新思想、新技术和方法,只有这样才能促进大气科学的发展,开辟新的研究领域和方向。
“伍老师特别喜欢接受新的东西,希望新的东西能为我所用。”他的学生方娟说,“前几年他和我说过物理里的急动度jerk,就是加速度的加速度。他也在思考jerk对我们气象研究有什么样的帮助。他正在与学生一起尝试用jerk的相关理论来分析讨论台风路径的突然变化。”
风云路上,“创新”是一贯追求
“创新”是伍荣生在科学研究中的一贯追求,这不仅体现在他对大气科学中新问题的孜孜以求,而且对一些看似成熟的问题,他也能独辟蹊径,从中得到新认识和新观点。他提出的四力平衡的边界动力学理论,就是突破了前人的三力平衡理论,创新性地把惯性力引入到边界层动力模型中,更好地描述了边界层内的大气运动。
大气边界层,通俗来说,即从地面到距地面大约一公里间的大气。人类的活动主要集中在这一层,它对天气和气候的变化有着十分重要的影响。由于地表起伏与湍流等因素的影响,这个层面的气流运动非常复杂。
1905年,奥地利气象学家Ekman提出了边界层内气流运动的三力平衡模型:摩擦力+折向力+气压力=0,由于它能较好地描述边界层风速随高度变化的规律,被学术界奉为圭臬,并一直被沿用。但随着科学技术的发展,人们在实践中发现Ekman理论与大气实际运动常常存在一些偏差,尽管有不少曾学者尝试解开这个谜,但大都浅尝辄止,没有实质性突破。
1982年,伍荣生与他的团队大胆提出了四力平衡的边界层动力学模型:惯性力+摩擦力+折向力+气压力=0。大胆假设,小心求证。添一个“惯性力”,貌似很简单,其实不然。为了验证这一新模式,伍荣生埋头钻研几个月却毫无进展,研究陷入了困境。