论海洋学和气象学研究之美

摘要：科学与美学的对立统一在海洋学和气象学研究中有着突出的表现。本文围绕海洋学和气象学与美学的关系进行了初步讨论。文章立足于理性之美和感性之美两个角度，从地球气候系统之美、研究态度之美、研究方法之美、研究成果之美四个层面，结合海洋学和气象学研究对象、研究历史、研究特点和诸多经典案例，比较和探讨了客观存在和主观感受之美，以期唤起海洋和气象工作者的美学体验，骥求在海洋科学和大气科学中，取得科学精神和人文精神的和谐统一。

关键词：海洋学 气象学 科学研究 美

科学与美学的对立统一是一个跨自然科学和人文社会科学两大领域的历久而弥新的话题，它体现了科学和人文的互动，吸引了大量的科学家和人文学家参与讨论。已有的文章广泛讨论了物理学（尤其是原子结构理论、量子力学和相对论）与美学的关系[1-3]，数学和美学的关系[4, 5]，生物学和美学的关系[6]等等。但在海洋学和气象学领域，此类文章还较为少见。本文立足于作者所熟悉的海洋科学和大气科学，从包括人文的多个视角，探讨了海洋学和气象学之“美”。

1 地球气候系统之美——理性之美

自然科学美，首先表现在自然科学理论能够把握客观存在，能够反映自然界潜在的部分同部分、部分同整体的固有的协调，即能够显现出自然界的各种物质和过程在一定条件下的协调一致性。它们遵循各自的规律而有机地联络成一个整体，这个整体“是一副由种种联系和相互作用无穷无尽交织起来的画面” [7]。这种自然规律之美，在海洋学和气象学中表现得尤为突出。受太阳辐射和地球旋转的影响，全球经向大气环流演化出了独特的三圈环流结构，形成了热带低气压带、副热带高气压带和副极地低气压带三个独特的气候带。受大气环流影响，海洋中也出现了类似的经向环流圈，称为副热带环流和副极地环流。“风生水起”，大气环流和海洋环流的结构如此相似，让每一个从事地学研究的人都能体会到大自然的美妙与和谐。同时，大气和海洋又“和而不同”：与大气运动不同，由于受到陆地地形的影响，海洋环流往往难以贯通全球，而是在各个大洋内部形成了封闭的环流圈，如果从太空俯看海洋环流，将会发现这是一幅“诸侯割据”式的有趣画面。然而也有例外，这就是全球唯一一直东西贯通的巨大洋流——南极绕极流。

然而，由于这样的一幅画卷实在过于完美，人们只能体会到画者的匠心，却难以发掘画者的笔法和流派。古语云：“气象万千”，其实气象何止万千。海洋和大气是一个运动规律极其复杂、影响因子非常多的巨系统，涉及多种不同的时空尺度，如何描述这种复杂的运动、把握其中的规律，成为一个非常基本的问题。

纷繁复杂的大洋环流究竟应该怎样描述？真正美的事物都是简洁的，中华民族的古圣贤们早已意识到这个道理：大道至简至易。Sverdrup关系的表达式十分简单，内涵却相当深刻，它直观地反映了大洋环流的最基本特征，以小见大，四两拨千斤，带给广大物理海洋学者美的体验。

如果没有审美过程中的感性之美，自然科学的理性之美也会显得单薄。海洋学和气象学之所以能带给人们美的感受，不仅在于地球系统本身的天然合理，更在于它的研究者、研究方法、研究成果同样蕴含着诸多美的元素。以下分别加以论述。

2 研究态度之美

2.1 认真之美

海洋学家和气象学家一丝不苟、追求极致的科研态度堪称一种至美。我国老一辈物理海洋学家文圣常先生，在早年工作环境十分艰苦的情况下，为了获取海浪波高的分布资料，独自一人用手摇式计算机进行演算，经常累得臂膀酸疼。但正是这种孜孜以求的科研态度，使文先生的每一个数据都经得起推敲，使他对自己的资料抱有足够的信心。我国德高望重的大气科学家叶笃正先生，九十高龄仍然奋斗在科研第一线，每周必抽出两天去中科院大气物理研究所工作，查阅资料、听取博士论文答辩、和中青年学者进行学术交流，堪称我国大气科学研究的一面旗帜。在叶先生看来，科学研究来不得半点浮躁和盲从，不能迷信权威，更不能盲目否定自己，遇到疑问，一定要敢于质疑辩难，把每一个科学问题做扎实。认真，是每一位海洋学和气象学领域的大家共有的特质，也正是认真，使每一位科学大师让大家高山仰止，臻于至美的境界。

2.2 高效之美

海洋学和气象学领域有一句流传甚广的名言：“I don’t work hard. I work smart. （我并非努力地工作，而是智慧地工作）”这句话用来形容当代地球流体动力学权威、美国科学院院士Pedlosky先生再合适不过了。据说Pedlosky先生平时很少加班，每天六点以前几乎一定会离开办公室，在家里的时光也基本完全用来休息，但Pedlosky先生并没有因此而毫无建树，相反，他硕果累累，著述等身，所著的《Geophysical Fluid Dynamics》（《地球流体动力学》）被奉为当代海洋科学和大气科学必读的经典教材，在他退休之后，每年仍有五六篇高水平文章问世，可谓一位高产的大科学家。在Pedlosky看来，与其追求时间，不如追求效率，一旦进入办公室中，他就会全身心地思考科学问题，和同事以及学生展开充分讨论，最终得到有益的启发。高效，使Pedlosky先生始终站在世界物理海洋发展的前沿，引领和指导着学科的发展。

2.3 勇敢之美

早期海洋科学的发展，是和人类的航海知识的进步紧密联系在一起的。某种意义上，航海代表了人类最早的海洋考察。当时的船只结构简单，抗风浪能力十分有限；地理知识的匮乏，又使海员们往往要走很多弯路，才能最终到达目的地；在艰苦的航行过程中，还要忍受严寒酷暑、风霜雨雪，不少人为此付出了生命的代价。人类早期的航海历程，体现了意志的不屈和顽强，讴歌了生命的高贵和悲壮，展现了大无畏的壮美。

同样，早期气象学的研究也充满了危险。为了获得准确可靠的气象资料，必须进行现场观测。富兰克林捕捉雷电的故事妇孺皆知，为了成功地“捉住”雷电，他冒着生命危险，带着最为简陋的仪器，去追求大自然最为壮观的景象。除了闪电，在没有卫星的年代里，台风、寒潮等极端天气现象的观测，无一不是对人类意志品质的考验。

今天，科技水平已经日新月异，然而海洋学和气象学研究依旧困难重重，面临种种风险。为了更好地研究海洋，必须进行海上观测，与台风、巨浪进行生死搏击；为了了解两极在气候系统中的作用，必须去北极和南极实地考察，忍受着极昼和极夜、孤独和寂寞；为了了解青藏高原大地形对东亚季风的影响，必须去世界屋脊——青藏高原战天斗地，与缺氧战斗，与物资匮乏战斗，与狂风暴雪战斗。

2.4 谦逊之美

牛顿在谈到自己的成就时说道：“我不知道这个世界将来怎么看我，对我而言，我只像海滩边玩耍的男孩，偶然间发现了一粒比较圆的石头，和一粒比较漂亮的贝壳，就觉得很愉快，但是在我前面，尚未被发现的石头、贝壳仍然多如大海。”虚怀若谷、不事张扬的作风是大科学家们共有的品质。叶笃正的学生在引用他的文章时写到：“叶笃正发现…”叶先生看到以后，恳切地告诉学生：“写文章不要用大字眼吓唬人，一定要脚踏实地。”于是改为“叶笃正指出…”被称为“混沌之父”的著名气象学家Lorenz（洛伦兹），尤其安静和谦逊，他一生从未争过任何荣誉，更多的时候是一个人静静地思考，默默地耕耘着大气科学的园地。

3 研究方法之美

3.1 简洁之美

简洁是海洋学和气象学研究的精髓之一。由于大气和海洋的运动非常复杂，尺度分析并不能解决所有的问题，对于特定的问题，需要特定的研究方法和研究对策。人们找到了一条捷径——用简单模型来解释复杂的大气海洋现象，即根据所研究问题的特点，把大气和海洋运动的本质抽象出来，剔除次要的、不重要的因素，用最简单的、可解的方程来反映最为本质的物理规律。事实证明，这是一条行之有效的方法，运用这种思路，很多难题得到了成功的解决。以下试举两例：

3.1.1 β平面

大气和海洋都在地球这个球面上运动着，球面方程的复杂性给我们的求解带来了很大的困难。Rossby（罗斯贝）提出了β平面的假定[9]，其实质是把球面上的现象转化到平面上来处理，大大简化了问题。β平面自此成为地球物理流体动力学的重要基石。

3.1.2 Cane-Zebiak模型

ENSO（El Niño and Southern Oscillation，厄尔尼诺和南方涛动）是气候系统中最重要的现象之一，它的预测一直是气候界的一个重大问题。以前人们的想法是：把三维的大气环流模式和海洋环流模式耦合起来（称为CGCM），充分地考虑各个因子的作用，从而可以较精确地预报ENSO。事实证明，这种做法效果并不好，预测结果和实际情况相差很大，甚至完全相反。令人惊讶的是，并不复杂的Cane-Zebiak模式却是最好的ENSO预报模式之一，尽管它考虑的因素并不全面，但由于它突出了影响ENSO的主要因子，抓住了最为关键的物理本质，因此，它比CGCM有着更优异的表现。反观CGCM，由于考虑的因素太多，可能反而淹没了主要因子，因此预报结果不尽如人意。

3.2 创新之美

海洋科学和大气科学的不断发展，离不开新理论的建立和旧理论的完善。正是创新使海洋学和气象学生生不息。

在海洋学中，观测表明在大洋的西边界总会出现流速的极大值区，这一现象在很长时间内难以解释，因为直觉告诉我们：大洋环流似乎应该是东西对称的。在Rossby提出β平面近似之后，Stommel（斯托米尔）了解到这一理论并创造性地将其运用到风生环流的线性方程中[10]，从而成功地解释了大洋西边界强化现象，开创了物理海洋学的新时代。

创新是学科发展的先导，在海洋学和气象学中，这样的创造之美是屡见不鲜的。今天，全球变暖深刻地改变着我们的生活，气候问题已经引起极其广泛的关注，在这种背景下，海洋在全球变暖中的作用、千年尺度的气候变率等全新命题激起了一大批原创性成果，深化着人们对于海洋和大气的认识。创新，使海洋学和气象学古老而常新。

3.3 融合与交叉之美

本文所探讨的两门学科，海洋学和气象学，从本质上来说，都属于流体力学在海洋和气象领域的应用，因此这两门学科具有很大的相似性。研究同时适用于海洋和气象的普适规律，就产生了一门新的学科——地球物理流体动力学。而研究海洋和气象的相互作用，就产生了另一门前沿学科——海气相互作用。学科之间的融合与交叉，在海洋学和气象学中显得特别突出，本文主要讨论后者。

从学科发展的角度来说，学科交叉是海洋学和气象学发展的生命力所在。人们研究海洋的一个重要目的，就在于研究海洋如何影响气候变化。而气象学研究同样离不开海洋，因为海洋是气候系统的重要组成部分。海气相互作用，如今已成为一个新兴的研究领域，它跨海洋科学和大气科学两大学科，研究气候系统的两大要素——海洋和大气之间的相互关联。近年来，海气相互作用的研究极大地推进了人类对气候系统的认知，热带海气相互作用研究、中纬度海气相互作用研究都取得了累累硕果。

值得一提的是，现在的气候学研究大都借助于耦合模式，又称海气耦合模式，顾名思义，就是把海洋模式和大气模式耦合起来，成为一个新的模式，用来研究气候系统。事实证明，这种方法是行之有效的，它展示了气候系统内部各个因子相互作用的整体框架，揭示了大量新现象，纠正了以往很多认识上的偏差，成为研究海气相互作用的重要工具。

4 研究成果之美

海洋学与气象学的研究催生了一系列优秀的科研成果，以下从宏观和微观两个层面讨论它们各自之美。

4.1 宏观：全球视野之美

海水和大气的运动是全球性的，因此，和其它学科立足于某个具体范围讨论问题不同，海洋学和气象学为我们提供了全球视野。在海洋学中，今天，人们已经可以描绘出全球的大洋水平环流、温盐结构、能量分布、海底地形等等。在气象学中，科学家们也已经建立起经向三圈环流、冬夏大气环流演变等等全球性的框架。这种全球视野让我们能从最为宏观的角度把握海洋和大气的运动，了解三大洋之间的物质交换、两极的深水形成、热带和热带外的相互作用、全球的大气遥相关……正是这种宏观视野，激发了很多科学家的兴趣，激荡着莘莘学子的心胸，激励着无数科技工作者忘我地投身于海洋科学和大气科学研究，逐步建立起全球海气耦合系统的基本框架。全球视野带给人们的不仅仅是视觉上的博大和壮观，它更催生了人们无穷无尽的想象，点燃了丰富的灵感，在全球气候系统的每一个角落激起研究的火花。

4.2 微观：三维结构之美

在全球视野之外，海洋学和气象学也有极为精美的微观结构。通过出海调查，我们可以获得某个断面温度的垂直剖面、温跃层的位置、溶解氧的分布规律等等。这种微观结构相当于把海洋局部放大，使人们得以洞悉在某个具体海区，海水经历了怎样的运动过程。综合各种微观结构图，我们可以分析出垂向流速、海水的年龄、潜沉过程、中尺度涡，甚至潮流、表面波、风浪破碎规律，各种尺度的运动过程通过微观结构的分析得到了和谐的统一。通过分析台风的精细结构，我们会发现台风内部并不是铁板一块，而是由云墙区、台风眼区等各个有机的部分组成。这种“细致入微”的分析方法往往更容易看清事物的内在。微观结构也带给人们足够的思考：在已经得到的各种尺度的运动之外，是否存在某种“次微观”运动？海洋学和气象学中都有“湍流”的概念，意思就是尺度非常小、运动规律尚不为人们所知的“乱流”。那么，通过对微观结构的分析，我们到底能在多大程度上把握湍流？不确定性又有多少？这正是微观结构的迷人魅力所在。

海洋学与气象学研究之美还有很多体现，比如辩证之美，海洋学和气象学中蕴含了多种对立统一：稳定与不稳定，层流与湍流，水平结构与垂直结构，大尺度与小尺度，平均环流与瞬时系统，等等。本文难以穷尽，只盼窥一斑以见全豹，从这两大学科中发掘出人文科学的内涵，引起更为深入的思考。

参考文献：

[1]杨振宁,张美曼.美和理论物理学[J].自然辩证法通讯,1988

[2]谈有余.物理美学初探[J].成都大学学报(自然科学版),1990

[3]何开岩.物理学美的内涵[J].广西民族学院学报(自然科学版),1998

[4]谭维奇.数学的美学特征[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2005

[5]张慧欣.关于数学美学观点的思考[J].数学通报,2007

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