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  我参与小气候试验研究40年(作者:谢贤群)  
          2010-06-21    【关闭】  
 

作者:谢贤群*

1962年10月我由南京大学气象系气候专业毕业被分配到地理所气候研究室。1962年是气候室大发展的一年,一年内就有留苏归来的,北大地球物理系、南大气象系分配来的气候室的,加上气候室的吕炯、江爱良、徐淑英等我国气候学界的前辈学者,可以说人才济济,学术空气浓厚。我到气候室后被分到由丘宝剑先生任组长的农业气候组中的农田小气候研究小组,成员有童庆禧、张成宣、杜钟朴、王菱等。我一到组内丘宝剑先生就拿出由黄秉维先生领导编辑的《热水平衡及其在地理环境中的作用》共四辑要我阅读,并定期写出读书报告。这四本书和以后丘先生陆续要我阅读和翻译前苏联学者写的《小气候与地方气候》,《自然条件下的蒸发》,《微气象学》等著作,我印象最深的是黄先生把英国学者Monteith 1965年的新书《环境物理基础》拿给我阅读,要我从中领会有关能量、物质交换的基本理论。老先生们的这些教导使我受益非浅,从此我在地理所就开始了农田小气候研究工作。并奠定了我在地理所一生从事地表面,特别是农田的热水平衡和农田小气候研究的理论基础。

一、60年代,在石家庄开展观测试验,从实践中学习热水平衡

1963年春,在黄秉维先生直接领导下,丘宝剑率领气候室农田小气候组全体人员以及自然室,水文室杜炳鑫、孙惠南、赵名茶、唐登银、吴家燕、吴福顺、牛文元、杜懋林等约20余人到石家庄河北省农业科学院园田化研究所的实验农田的小麦田进行热量平衡、水分平衡、农田小气候和作物水分关系的试验观测工作。目的是确定在灌溉和非灌溉条件下小麦耗水规律。气候室的同志负责农田辐射和小气候的观测工作,这是我参加工作后第一次出差第一次到野外观测,激动兴奋,但也感到压力很大。因为与其他人员相比,我是一名新来的大学生,没有丝毫野外观测工作经验。于是我从头学起,向观测技术人员虚心学习,和他们一起排班观测,轮休时,也跟在值班人员后面学习观测技术和处理观测资料的技能。1963年的工作很艰苦。首先,观测的项目很多,观测工作量大,有全套能量平衡观测,包括直接辐射、散射辐射、反射辐射、净辐射(辐射平衡)、农田作物高度以上0.5、1.0、1.5、2.0米的空气温度、湿度、风速,地面温度,空气和地面最高、最低温度,地下5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、100cm、160cm的土壤温度,作物株间温度,叶面温度等。当时的观测均使用人工读数的手动仪器,而要求采样频度高,观测精度严,平时正常观测是每日从日出到日落,每2小时一次,在作物生长关键期,则要进行5-7天的24小时连续观测,白天1小时一次,夜间2小时一次。每次观测均由一人操作,在自行设计的观测本上用铅笔记录,麻烦的是资料的计算整理,那时没有计算器更谈不上电脑,用的是算盘或笨重的手摇计算器。每次观测时间为10-15分钟,但是计算整理的时间最快要1个多小时才能把平均值、总量及辐射观测值由电压值换算成辐射量等计算出来。一不小心,就会出错,为保证数据质量,当班观测的人还需对上一班观测的计算整理结果进行检查、校对。对我这样的新手,困难可想而知。刚开始时,我是频频出错,尤其是昼夜观测时,深更半夜一个人在黑暗、寂静的田野中一手拿手电筒,一手拿观测本和铅笔,还要在观测架上爬上爬下读数,给湿度表加水,真是手忙脚乱,再加上害怕,紧张,一次观测就像一场战斗。就这样,3个月的野外观测中,我受到了锻炼,也从中找到了乐趣,我开始喜欢上这样的野外工作了。从1963年到1965年,石家庄农田观测试验工作结束,回到北京分析总结时,我已然成为一名有经验的老手,对农田热量平衡及农田小气候的规律了解得较清楚。因而,在总结时写了一篇有关农田热量平衡及小气候观测中的若干问题的文章,文章从实际观测资料分析入手,对农田辐射平衡各分量和小气候梯度的分布规律,进行剖析,提出了自己的看法。该文送给老同志审阅,获得了好评,可惜1966年文化革命开始,该文没能得到发表。这三年的实践,是我终生受益的三年,如果说在大学里和从黄先生那里学的是理论基础课,而在田野里学的是科学实践课。从此,我就甘心情愿的搞一辈子农田热水平衡和小气候试验研究。

二、70年代,在呼伦贝尔草原和青藏高原实践热水平衡理论

70年代初,是文化大革命动乱时期,当全国农业生产滑坡,粮食短缺之时,有人提出要在呼伦贝尔草原上开荒,把水草肥沃的大草原开垦成农田。竺可桢副院长坚决反对,指出在草原上开荒将会重蹈美国30年代西部开荒引起大面积黑风暴的覆辙。于是在竺老的过问下,1974年由国家计委和科学院组织荒地考察队,我有幸与气候室的周允华、项月琴、鲍士柱、徐兆生、马玉堂、杜懋林等组成小分队,在呼伦贝尔草原上布设了多个辐射和小气候观测点,期望通过辐射、能量平衡和小气候的观测资料获得由草地改变为裸地后因下垫面性质的变化引起的贴地层空气中能量、物质输送变化,得出起沙风速的变化和大气中沙粒和微尘的变化规律,用实际资料得出不能在草原上盲目开荒的科学依据。该项工作从1974到1976年共进行了3年,我被分配在大草原的最北部距苏联边境仅数十公里的上库力牧场,与杜懋林一起两人担当了草地和开垦地两个观测场的全部观测工作。此时的生活非常艰苦,缺水缺粮缺菜,我们从北京自带挂面、酱油膏、咸菜,到牧民家中买牛奶和用粮票买面粉,请他们用牛车拉水,晚间没有电,就用煤油灯和蜡烛。但是此时的我在观测上已是老手,工作游刃有余。工作之余,坐在草地上眺望着碧蓝的天空下,茫茫大草原上一群群牛羊和急驰奔腾的骏马。仰望蓝天下飞翔鸣唱的云雀,倾听着牧民高亢、动情的牧歌,心旷神怡,使我忘记了艰苦,使我心胸开阔。直到现在我还对草原情有独鈡,不能忘怀。因为试验研究目标明确,我在观测中时刻注意近地面微细状况的变化。发现在晴天中午前后,开垦地上会出现一层淡薄的似烟非烟,似气非气,薄雾状上下飘移运动的气体,用当地牧民的话讲,这是 “地气”。而在草地上就很难见到。再仔细分析同时段的能量平衡和小气候资料,得到此时刻开垦地上的湍流感热和动量输送极为强烈,贴地层的湍流不稳定度增大。而在草地上,则是潜热交换大于感热交换,上下的温度、风速梯度没有开垦地的大。于是我得出了一个大胆的推论,即在这样的情景下,如再有一定的风速,则开垦地上的沙粒微尘就会很容易被扬起,形成沙尘卷,甚至形成沙尘暴,这就是因下垫面改变而导致能量平衡变化所产生的环境变化的科学依据。也正是黄先生所提出的“热水平衡及其在地理环境中的作用”理论的最好实践。三年工作结束后,根据这个结论写了一篇文章:“呼伦贝尔草原海拉尔东部草地与开垦地能量平衡特征及其对尘埃输送的影响”,发表在1978年刚刚复刊的《地理学报》。

1979年我又与周允华、项月琴、徐兆生、马玉堂等参加高由禧院士领导的青藏高原气象科学实验,青藏高原地表辐射和热量平衡实验观测的是其第一课题,主要目标是研究高原地区地面辐射平衡和热量平衡分量的日变化、季节变化和地理分布特征,以及高原的加热作用。在高原上共布设6个观测点,地理所负责格尔木观测点,这是在十年动乱后第一次大规模的野外观测试验,仪器设备已与前十年大不相同,使用由日本和美国进口的辐射测量仪器和遥测小气候梯度仪。尽管观测频度增加,精度要求高,而且在海拔2800米的高原上观测,但是比起十年前在石家庄和五年前呼伦贝尔草原上的观测来感觉上已是轻松得多,使我有更多的时间来思考如何在这块突兀高耸巍然屹立在世界之巅的高原上,获取更多的与在平原上完全不同的地表面太阳辐射与热量平衡特征以及它与大气间的能量交换特征信息,这就形成了如何从原有的由一个点源的观测信息扩展到复杂下垫面上的研究思路。观测试验结束后,我带着这个问题进行了分析总结,先后完成了“青藏高原地表反射率分布特征”,绘出了青藏高原地表反射率分布图,为最终完成青藏高原的热量平衡图集做出了贡献。该文在1983年《科学通报》上发表。同时还分析了整个高原上6个观测点的资料,获得了在高原上夏季到达地表面的太阳辐射各分量的分布特征和极值,这为进一步分析研究青藏高原的自然地理特性及其对中国和东亚气候影响提供了科学依据。该文也在1983年的《科学通报》上发表。青藏高原气象科学实验的观测研究工作,再一次证实了黄先生的热水平衡及其在地理环境中的作用理论在地表面形成过程中物质、能量交换和循环的重要性。

三、80年代,禹城试验站建立小气候和热水平衡观测场

1980年,我和叶芳德、杜懋林到禹城站筹建60米气象铁塔、30米遥感铁塔和农田小气候观测场。经过2年多的调研设计,铁塔于1982年由北京中国电视设备厂施工安装完成。根据在青藏高原工作的经验,申请订购由日本和美国进口的两整套辐射平衡测量仪器共十余件套,订购了由上海气象仪器厂定制的遥测温度、风速梯度仪,北京青云仪器厂和大气所合作的三维超声风速仪,在杜懋林及蔡晓光、朱农、孙建华、潘荣等的设计和制作下,于1984年完成了辐射和小气候的计算机遥测和计算机数据采集系统,并通过了中科院组织的专家验收。至此,禹城站的农田小气候观测场最终建成,并开始正式观测。1985年,由黄秉维先生主持与澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)科学家麦克依罗(I.McIlroy)合作,在禹城站建设我国第一台大型秤重式蒸发渗漏仪(Lysimeter),该仪器表面积3平方米,土柱深度2米,可秤重12吨,感应精度为50克,即可感应0.03mm的水分变化。以该仪器为基础,禹城试验站(左大康和唐登银)1986年申请获批国家自然科学基金重点项目:“农田蒸发测定方法和蒸发规律研究”,从1987年到1989年连续三年开展农田蒸发的联合观测试验,该项观测试验的目标是以大型秤重式蒸发渗漏仪(Lysimeter)的测量值为相对标准,来比较、验证、改进当时国际上流行的各种蒸发测量方法和技术,从而建立适合我国的农田蒸发测定方法,并得出农田蒸发的规律。我负责田间联合观测试验的组织领导工作,确定了八种联合试验的观测技术:器测法(大型蒸发渗漏仪、水力蒸发器)、能量平衡-波文比技术、空气动力学阻力-能量平衡联立法、多层梯度湍流法、大田水量平衡法、生物测定技术、红外遥感技术、大型水面蒸发池水面蒸发换算系数法,在冬小麦-夏玉米、冬小麦-夏大豆和棉花农田上,全年进行联合观测,在作物生长期内,各观测课题组的观测员每日按统一的观测程序和规定的时间进行观测,在作物生长关键期,还要进行5-7天的昼夜24小时连续观测,白天1小时一次,夜间2小时一次。三年农田蒸发联合观测试验结束,全站研究人员共完成了各类论文约70余篇,我归纳总结了联合试验的成果,比较了各类测定技术、方法和模式的优缺点,完成了“测定农田蒸发的试验研究”,“波文比-能量平衡技术测定农田蒸发”,“一个改进的空气动力学阻抗-能量平衡模式”,“测定农田蒸发和显热通量的微气象技术”等数篇论文,最后由左大康、唐登银和我三人共同主编完成了三本论文集:《农田水分与能量试验研究》,科学出版社,1990;《农田蒸发研究》,气象出版社,1991;《农田蒸发—测定与计算》,气象出版社,1991。1992年“农田蒸发测定方法和蒸发规律研究”获得中国科学院科技进步二等奖。

1988年,由陈发祖带队,我和杜钟朴三人到前苏联的库尔斯克参加由东欧经互会组织的国际合作项目——地-气相互作用的联合观测试验。我们携带了全套当时最先进的辐射平衡、能量平衡、小气候遥测仪器和计算机采集器,独立建立了一个观测点,先进的仪器设备与计算机采集系统使得还在用60年代水平的人工观测仪器观测的苏联同行们无比惊奇和羡慕。我们的观测点成为主办方对外展示和宣传的亮点,我们的观测资料和结果获得了国际同行的好评,成为他们的基本参考数据。这是我们第一次在国际舞台上展示了中国热量平衡、水分平衡和小气候的研究实力和水平,随后苏联科学院地理研究所多次到禹城站来参观、考察。从此,黄秉维先生的热水平衡理论在地理所,以长期定位观测的形式固定下来,地理学研究从宏观的区域性的考察、分析,进入到定点观测试验的实验地理学的研究中。

四、90年代,“热水平衡”扩展到中国生态系统网络的长期监测和研究中

1989年,中国生态系统研究网络(CERN)在孙鸿烈副院长的领导下,开始筹建,禹城站成为网络的基本站,并在地理所设立了生态系统研究网络(CERN)的水分中心,负责整个网络的水分循环和水分平衡的长期定位监测的质量监控和规范化、标准化制定。我受禹城站的委托,代表禹城站主持承担了中科院从“七五”、“八五”到“九五”期间生态系统网络的重大科研项目:“生态系统结构、功能的水平衡、水循环试验示范研究”,“主要类型区作物的耗水需水规律研究”,“农田生态系统水分、养分循环与作物生产力关系研究”。并主持了网络的有关水平衡、水循环和小气候、农田辐射测定技术和方法的标准化、规范化的制定和编写,主编完成了“水环境要素的观测与分析”(标准出版社,1998)。并以此书为教材,在禹城站和网络的其他生态站举办培训班,讲解能量平衡、小气候和水分循环的观测技术。并帮助各相关生态站建设水平衡、水循环和农田气候长期定位观测场,1998年由我和唐登银主持,申请国家自然科学基金重大项目:“我国北方地区农田生态系统水量转换及其区域分异规律研究”。作为项目的首席科学家,我和唐登银共同组织和领导了位于我国北方的10余个农业生态试验站和西北农林科技大学共百余名研究技术人员进行大规模的跨区域的联合研究,这是生态系统研究网络获得的第一个国家重大项目,也是网络的第一个大规模联网项目。研究的主要思路和技术路线就是以生态站农田能量平衡和水分循环各相关因子的试验观测为主,探索我国北方由东到西的不同水分湿润带农田上土壤--植物--大气系统中水量转换和能量交换过程规律及其与作物的耗水、需水和水分利用效率的内在关系,以及他们沿着水分湿润梯度带的区域差异规律。通过3年多的试验研究,完成了不同水分湿润带农田上的水量平衡特征分析得出及其区域分异的规律,并完成了我国北方地区近50年来陆面蒸发力和湿润度的时空变化规律。2003年经专家评审总体评价为优,通过验收。

从80年代初期,按照黄先生的热水平衡理论,我在地理所禹城试验站建立小气候和热水平衡观测场,到90年代末,把它扩展到在整个生态系统网路生态站进行长期定位试验研究,成为研究生态系统结构、功能的主要研究目标和内容的基础理论课目。黄先生的热水平衡理论从实验地理学扩展到生态系统学,我感到十分欣慰和自豪。

光阴似箭,岁月已逝。转眼间,黄先生提出的热水平衡理论已经历了40个年头,我也在地理所工作了40年。40年来,我走过了学习,实践,再学习,再实践的小气候试验研究40年的坎坷道路。我这个黄先生的不成材的学生,对黄先生的博大精深的理论,从不懂、无知,到一知半解和半瓶醋,再到基本了解和熟悉,而研究的对象,从农田到草原,从平原到高原,从陆面过程到海气交换,最后再到率领十余个研究所,数十个生态试验站近百人的研究队伍在整个中国北方地区的农田生态系统领域来实践黄先生的理论。现在,黄先生的 “热水平衡及其在地理环境中的作用”理论已发展到地球表层系统的生物、地理、化学过程的全部研究领域中。回首往事,感慨万千,也感到无怨无悔,因为我是在黄秉维先生“热水平衡”理论的指导下走过了我的小气候试验研究40年。



*谢贤群(19**—),1962年至退休在所。研究员。