4.1_副本

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几十年来，气候变化对地球环境产生的影响及人类活动在不断的向高空发展，研究大气对地球和人类活动之间的关系已成为当今世界各国科学家关注的前沿学科之一。可以说，随着人类活动的日趋广阔，在大气科学和整个地球科学的范围内，有许多重大的研究项目和包括更多学科的研究计划已经形成，有的正在酝酿之中。针对上述研究领域的一些情况，最近我们采访了中科院大气物理研究所学术委员会副主任吕达仁研究员。

在采访中得知这位62年北京大学地球物理系毕业后并在中国科学院完成研究生学业的中年科学家也是我国气象学会大气物理专业委员会副主任。对此，我们首先请他谈谈大气科学的研究现状与发展前景。 吕达仁教授认为：大气科学是地球科学的一部分，同时也是应用物理学的一部分。作为一门观测和实验学科，它既有明显的基础性，又有强烈的现实应用性。

就大气科学的基础性而言，吕教授说：大气系统本身是一个高度三维非均匀的、处在地球表面上的高度非线性的系统。在这一系统中发生着多种多样包括物质的、动量的和能量的转化过程，转化过程的时间尺度和空间尺度都跨越很多的量级。在研究大气问题的过程中，我们还发现大气是一个非常复杂的系统。首先，大气是动力系统，也是一个存在着多种物理过程的物理系统。它包括大气热力学运动、云的凝结、蒸发和形成降水过程、辐射过程和电过程这四个过程。第二，大气又是一个处于运动变化状态的化学系统。把大气作为一个化学系统来认识是近年来提出的。第三，大气是一个高度开放的系统。因大气它与上、下边界之间具有很强烈的相互作用。第四，大气还是一个具有演化特征的系统（变化系统），从历史尺度看大气的成分、状态都是变化着的，这是地球演化过程中地圈和生物圈共同作用的结果。近百年来的人类活动也开始在全球尺度上产生影响，这就是人们关心的二氧化碳值室效应和臭氧减少等问题。

谈到大气科学的应用性，吕教授认为通过多年来的观测与研究，有三点非常重要。首先，天气气候是控制人类经济、社会乃至军事活动的基本因素，就是如何从不测风云变为可测风云，从几分钟的风云变化一直到几十年的风云雨雪已成为整个人类所关注的问题，这是一个很重要的应用性，最近若干年来大气科学作为其中中心部分的一些气候、环境计划为什么显得那样重要）这与上述第一点是分不开的。其次，大气是人类活动不可避免的介质。人们要进行空间活动，包括航天、航空、通讯、导航、测天等一系列活动，就必须要了解大气的特性。这个特性小到分子尺度，大到全球尺度，其中包括热力特性、动力特性、密度性和成分等。第三，大气并非是一种取之不尽的资源。大气对排放中的污染物的洁净能力是十分有限的，人们必须谨慎地对待全球性的环境问题，以免失去这份赖以生存的宝贵资源。

对上述三点，吕教授认为可以把它们归结为：了解、预测和改造大气是大气科学的三重应用目标。但要实现这三重目标，是有一个逐步结合的过程。因而，大气科学是一门相当重要的基础性学科。我们注意到吕教授对大气科学这门十分重要、其内容又在不断扩充的基础学科的定义有着自己独到的见解。

从大气科学的发展过程来看，吕教挽指出：对大气的观测是整个大气科学发展的基础，而且大气科学的发展阶段与大气观测的发展阶段又有着密切的联系。他说：大约19世纪下半叶开始有了地面观测站网，在此基础上，到了本世纪30年代逐渐有了以无线电探空仪为主体的高空观测站网，逐渐形成了从地面到高空这样一个立体的观测站网的雏形，旨在了解、认识和研究大气状态的变化。但由于当时观测的条件和区域很有限，所以对大气状态的变化的认识也很受限制，到了50年代初，出现了气象雷达。气象雷达是一种典型的以无线电波和大气的相互作用原理来“测量”大气云雨变化的仪器，即现在所通称的遥感仪器。它的出现，促进了人们对大气状态主要是雨雪风云的变化等有了进一步的了解。真正对全球大气问题的全面观测和认识是在卫星上天以后才逐步实现的，因为只有卫星才能对全球进行连续和全面的观测，使一批遥感仪器发挥巨大作用。同时，大型计算机的出现，使得对大气问题的研究从一个比较简单、粗糙的描述到尺度（分辨力）越来越精，过程越来越丰富，包括根据对大气状态变化的了解所构成的方程，在计算机上进行模拟（数值实验）等。可以说，先进的探测技术和大型计算机技术已构成大气科学和应用的两大关键支柱。

在整个大气科学中，从大气探测发展的方向来看，吕教授认为，遥感技术的发展对大气过程的全球和全局性认识具有决定作用。他说：事实上，遥感技术从50年代起就已获得实际应用，到了60年代，它逐步从军事侦察手段发展成为地球资源勘察和环境监测的重要手段。继可见光和红外遥感技术的发展后，微波遥感技术也有较大的进展。特别是人造地球卫星发射成功后，又出现了空间迟惑技术。遥感技术的发展对气象观测、天文观测、大气观测等均具有十分重要的价值。它可以从地面、空间远距离观测地球表面物体的辐射或散射电磁波强度等及其在空间和时间上的分布，以获取陆地、大气和海洋环境的信息。同时，他又说：遥感技术应用的主体是“空对地”，但大气观测有相当重要的一部分是“地对空”，如气象雷达等就是遥感技术的应用。

采访中我们了解到吕达仁教授多年来直接从事多项遥感原理和实验研究，并参加中科院和国家高技术的有关工作。对于遥感的前沿和应用具有广泛深入的了解，并和同事们一起先后获得数项重大成果奖。作为遥感原理研究的一个重要应用方面，他简单介绍了他和同事们共同作出贡献的微波主被动联合测雨原理研究，他说：在气象学中，测雨是个相当复杂的课题，目前应用的雷达测雨是利用散射的原理进行测雨，雷达回波强度和雨强之间在原理上就没有一对一的对应关系，因此雷达测雨容易产生很大的不确定性。12年前起，我们就提出把雷达和微波辐射计结合起来进行测雨，微波辐射计的优点对测量路境上的降雨总量比较准确，而雷达测雨能了解它的强度分布。这样一来，雷达微波辐射计在测雨过程中，通过观察路境上的降雨，马上就可以知道它的总降雨量。然后利用总的降雨量来控制它内部的分布，使测雨的误差大为降低。接着他又说：这个方案对定量的降雨测量来讲是一个重大的改进，具有相当的先进性，这一原理不但在地面上有用，通过一定的改进也可以在卫星对地测量全球降雨分布起重要作用，因此现在国际上对我们这个原理和技术是比较重视的。

谈到遥感技术的应用及其发展趋势时，吕教授说：遥感技术的发展有个应用阶段。目前来讲，它既不是纯原理阶段，也不是纯试验阶段，主要是让一些基本理论和一些重大的试验真正结合起来，从中找到一个更有应用价值的方案，即从原理——技术——处理——反演，构成高水平的反馈环。而且当前遥感技术发展很重要的方向是把大气和地表结合起来，因为要搞清大气对地表的影响，遥感技术的发展是很关键的。接着，吕教授告诉我们：大气遥感是一个非常复杂的系统，从原理上讲它要寻找合适的波谱，从数学上讲它要构成一个能解的计算方程（反演的遥感方程），从计算上要做到足够的灵敏，从使用的角度上要能放在合适的“运载器”上，然后要找到一个适用的反演方法，进行计算机处理，最后要拿出一个系统的、合理的最佳方案，从而使大气遥感这一系统对研究、了解大气成分、状态变化及对地表影响等多方面关注的课题中发挥关键的作用。

采访之际，时逢中科院正在召开日地关系问题的研讨会，这是一个将太阳、空间和地球的研究连成一体的重大基础研究领域，吸引着众多学科专家协力研究。吕教授还忙于主持这个会议，同时我们还了解到他也是这一研究的积极分子，对日地关系问题的研究有许多独特的见解，并担负一定的责任。对此，我们请他谈谈这一领域的研究近况。

吕教授说：日地关系是指太阳活动对地球上各种物理现象，特别是对天气和气候的影响，对这一过程，我们称它是日地系统的整体行为。最近5 ~ 6年来，国内有一批从事这方面研究的科学家对这个问题很关心，中科院七五期间将此已列为重大课题。接没他说：日地系统是十分复杂的系统，它牵涉到太阳输出的电磁辐射（包括大家熟悉的太阳光）和粒子辐射如何通过日地之间的行星际进入由地球磁场控制的磁层大气，进而进入高层大气（通称为电离层和热层），然后进入中性大气层，即中低层大气，最后到达地表。电磁辐射直线性进入地球大气层，而粒子辐射的行为就要复杂得多。目前关于这个日地系统的整体行为远远还没有搞清，也不容易用很简单的描述把问题说清。近年来国际日地物理学界的共同努力方向是把太阳表层活动直至地球表面的响应连到一起进行具有物理基础（从概念设想到数值模式）的系统研究。特别是把中低层大气、天气气候对太阳活动的响应引到更为坚实和科学的基础上，这是一项十分艰巨但又具有重大意义的科学任务。

由于吕教授的专业重点，他较多介绍的是关于太阳活动对中低层大气影响方面的问题，他说：从历史上看，太阳动对地球的影响到大气的天气气候变化，一直到洪水、干旱和江河泛滥等都有不少统计。从这些统计来其中有些是可信的，有些就显得比较牵强。或者就我的研究角度而言有些统计具有很高的可信度，但从其他同行的研究角度来看就不一定那样认为。所以，认为目前最主要的问题其一是对发现事实还很不全面；其二是对日地关系问题的研究现在还处于一个初始阶段，尤其是研究它们之间的物理过程及在量级上的描述。

吕教授告诉我们：最近若干年，日地关系问题的研究有了新的进展。首先，发现太阳紫外辐射的变动会影响中层大气的成分变化，这一发现现在已经有了一些比较好的证据。其次，历史上一直研究的太阳粒子引起大气上层的成分变化，特别是氮氧化物的变化，现在发现这个变化有可能会影响高纬地区的臭氧含量。但根据美国1987年的观测，似乎证据还不足，看来这一发现还得继续深入研究。再次，1987年以来，国际上有一个新的重要发现，即把中低层大气状态按赤道平流层这一年盛行的风向为准，分为东风类和西风类，然后再去寻求地球上各个高度上的温度和太阳活动强度的相关。结果发现一个很重要的现象，即在东风年与西风年都有很高的相关性，但相关的符号相反。这一情况的发现，说明太阳活动影响中低层大气的变化（温度、气压）。但它也有不足之处，因这一发现的理论解释到目前几乎还没有。国际上现在围绕这个问题的研究比较活跃，我们也在考虑在这方面做些工作。

谈到日地关系问题在大气科学中的地位时，吕教授认为：目前，日地关系问题在整个大气科学中还不是一个主流，但却非常重要。太阳 - 天气气候，即日地关系过去较多停留在一般的相关统计上，现在看来，把日地关系作为一个整体，从太阳活动开始——行星际——磁层——电离层——中层大气——低层大气——地表。对这样一个链，把它从事实上、过程上研究清楚，再把可能的基本控制原理和机制研究清楚，最后形成一个从概念的到半定量、定量的模式，这是一件非常值得做的基础研究工作。事实上，我国对日地关系问题的研究也非常重视，并已把它作为面向21世纪的重大课题纳入国家重点研究规划之中。

从太阳活动开始直至地表的这条链中，吕教授认为：低层大气十几公里的范围是对人类活动最具有研究与使用价值的区域。因为太阳进入地球的辐射量和现在我们认为引起太阳活动的那部分量，它们之间的比例大约10-4~ 10-8。太辐射的周期变化大约为千分之二，但太阳进入地球总的辐射量中紫外辐射占1.1%，这是其一。第二，除了电磁辐射以外的粒子流部分，它占的比例相当于太阳辐射总能量进入地球的百万分之一。同时，从能量角度看，到目前为止，人类活动引起的能量挠动，它的绝对值、影响、量级也在百万分之一。从能量的角度看，现在对人类活动的影响也不能忽视，就地表而言，因为人类活动就在地表，直接影响它。而且影响的形式并不全是能量，其中还包括成分、地表本身的问题等，对此，国际上已制定了一个非常重要的国际地圈 - 生物圈计划（IGBP）。

接着，吕教授说：在日地关系问题的研究中，还发现太阳活动的影响存在着多种触发机制。第一是紫外辐射，因它的相对变化的值有10%左右，这部分会通过中层大气的光化学反应，改变其中层大气的成分。主要是臭氧含量和其它微量成分及中层大气的热力状态，这也就有可能逐步影响低层大气，但究竟会影响到什么程度，目前还处在观察与研究之中。第二是粒子流的影响。这种影响是通过高能的粒子进入大气，在此过程中，能量较低的粒子在大气的外层就被磁层俘获，能量较大的粒子会穿过中层大气，甚至到地面。其中有一部分粒子在中层大气中引起中层大气的部分离化，使原来的中心分子变成离子，有可能形成离子团。而离子团在一定的过程中也有可能进入对流层以下，甚至进入对流层，构成云所需要的凝结核与冻结核。第三是电循环。电循环主要是从离化开始，离化后它促使整个大气从地面到电离层内的电导率发生变化，电导率变化后促使带电粒子运动的变化，进而存可能促使在大气内形成的或将要形成的云的电状态发生变化，而电状态有变化就会产生相应的雷暴。在这一系列的变化中，我们作过一些统计，结果发现离纬度太阳的爆发（太阳耀斑）和高纬度地区的雷暴活动相关性很好。但到低纬，相关性就不太好。这一发现给我们一个启发，即太阳活动引起的不管是哪个系统过来的带电粒子或高能粒子，很可能是通过高纬极区输入以后来影响高纬度的天气。第四是低层大气与中层大气之间的关系。即太阳活动首先引起低层大气发生变化，然后再去影响中层大气。从气象学来讲，是太阳照热地面，地面加热大气，而主要不是太阳直接加热大气。对这个问题的研究，目前国际上开展的比较活跃。尤其是80年代中后期，国际上有个日地能量计划（STEP），在此计划中，它有五个优先领域，其中两个是针对中、低层的。而且对中、低层大气问题的研究，现在特别是以臭氧为代表已成为整个世界环境中一个不可忽视的重要问题。

谈到我国日地关系的研究现状时，吕教授坦言：我国在这方面的研究由于起步较晚，基础研究相对还比较弱，但尽管如此，我国对日地关系问题的研究仍很重视。接着，他说：中科院在1987年有个“太阳22周峰年期——日地整体行为”研究计划。在这一计划中，中科院大气物理研究所和空间科学应用中心共同负责中、低层大气方面的研究。事实上，由于我们首次涉及把日地关系作为一个整体来研究，尽管我们在这方面做了不少努力，要获得令人满意的结果还需要走很长的路。

最后，吕达仁教授认为：要使日地关系问题的研究深入下去并把它推向一个新的阶梯，就必须加强基础研究和广泛收集、观测地球上、空间上所发生的各种现象，以求深入地了解日地之间复杂现象的因果关系，从而深化对日地关系问题的认识，并使之日地关系问题的研究来一个质的飞跃，为全人类造福。