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星光|坚守基础研究,一以贯之创新——伍荣生院士:让大气科学“风起云涌”
2021/03/23 20:12  新华报业网  

  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。

  “我从小就很固执,对没有解决的问题始终充满了执念,用现在的话来说,叫死磕。”经过无数次的反复推演,伍荣生与合作者终于完美地利用四力平衡模型揭示了惯性力对边界层大气运动的影响,为理解边界层动力学特征提供了新的动力学框架。后来他还在此基础上研究了地形、摩擦和锋生等的相互关系,形成了具有特色的系列研究工作,在国内外学术界产生了重要的影响,为国内外学者广泛承认和引用。

  在上个世纪80年代末,伍荣生意识到随着社会经济的发展,中尺度灾害性天气的影响会越来越大,非常有必要集中力量针对我国中尺度灾害性天气开展系统深入研究,为此他与他的同事们一起创建了“中尺度灾害性天气国家专业实验室”(现为“中尺度灾害性天气教育部重点实验室”),这是我国最早专门从事中尺度灾害性天气研究的机构之一。实验室在伍荣生的领导下,在中尺度领域锐意创新,在锋面动力学、边界层动力学、台风、强对流系统动力学等领域取得了一系列创新性研究成果,获得国内外同行的广泛关注,多次获省部级科技进步奖,极大提升了我国中尺度灾害性天气研究的水平。

  “捕风”途中,咬定青山不放松

  对伍荣生来说,摸清普通人眼中难以捉摸的气象规律,就如同一场捕风的旅程,不免经历千辛万苦,却充满对未知的好奇、探索与挑战。多年来,他一直致力于大气动力学的理论研究,密切注视国际研究动向和趋势,始终站在学科的前沿领域,不断开拓气象学的深化研究。

  “在科研过程中,有的问题以前很多人没有解决,通过他的努力解决了。每当遇到这种情况,他就特别高兴。”在学生们眼中,伍老师对科学是发自内心的喜爱,很纯粹、很淡泊,而一旦对某项研究感兴趣,不管遇到什么困难,他都会想办法去克服。

  “咬定青山不放松,立根原在破岩中。千磨万击还坚劲,任尔东西南北风。”这是伍荣生办公室里的一幅字,也是他最喜欢的一首诗。他时时以此诗句勉励自己钻研难题永不懈怠,也会教导学生做学问不能浮躁,一定要静下心来,要从头干到尾。而“坐下来,钻进去”这六个字对他来说,也一点都不难。“父亲有的时候做起事来,就会专注得忘了其他所有的事情。”他的儿子伍瑞新回忆,有一年除夕,母亲去看望外婆了,家里只有父子俩一起过年。“那天他就在一直看书,到下午五点半的时候让我一起去吃饭,吃完饭又看书去了。”

  伍荣生就像一块有魔力的磁铁,吸引着一群同样喜欢做科研的学生。他的学生很多都成长为有着丰硕成果的学者。对于承担了一些行政工作的学生,他也经常提醒他们“做行政的时候不能‘丢’了科研。”他认为,气象是应用基础学科,必须为国计民生服务,勤勤恳恳地搞学术研究,踏踏实实地干一些具体工作,积累多了,自然就会取得一些成绩;在科研上提出新观点,只要对社会有用就行了,而不能为了得到多少利益才去做。

  “一个人的生活追求,应该像大千世界中的天气现象一样,无论如何变化,都是有规律的,始终要保持一颗平常心。”伍荣生云淡风轻地说,“一个人要身心愉悦,对社会有所贡献,应该要做到‘五然’:处人蔼然,自处超然,得意淡然,失意泰然,无事悠然。”

  【个人简介】

  伍荣生,1933年出生于浙江,现为南京大学大气科学学院教授、博士生导师、中国科学院院士,曾担任南京大学大气科学系系主任。

  伍荣生在大气动力理论方面做出了系统而有一定创新性的研究成果,特别对边界层动力学与锋生理论的发展作出了重要贡献。在大气波动动力学中,弄清了大地形对波动移动与不稳定的作用,从理论上解释了气象观测中的某些实际现象。在非线性波动共振的研究中,最早提出共振周期与大气中的中期天气过程有相应关系。在边界层动力学研究中,建立了四力平衡条件下的边界层动力学模型,提出了Ekman动量近似概念,并在此基础上研究了地形、摩擦与锋生等的相互关系,提出了许多新的观点,进一步发展了地转适应与锋生理论,该研究结果已经被实际工作所证实。

  伍荣生著有《动力气象学》(合著)、《大气动力学》(独著)、《现代天气学原理》(主编)、《大气科学中的数学物理问题》(合编)、《气象学辞典》、《大百科全书》等著作,其中《大气动力学》于 2002 年被列为全国大气科学领域研究生指定教材,《现代天气学原理》于 2002 年获全国普通高等学校优秀教材一等奖。

  新华日报·交汇点记者 蔡姝雯

  素材来源:江苏省科学技术协会

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责编:王建旸

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