13.论物质世界极化过程的归一性-兼论天气气候极化现象

论物质世界极化过程的归一性 兼论天气气候极化现象 王万里 1,2 （1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430079; 2.武汉区域气候中心，湖北武汉 430074 ) 摘要：物质世界中广泛存在极化过程和极化现象，极化过程是对立统一规律的深化，极化过程的归一性表现在极 化过程发生后，物质世界对平衡态的回归。对极化过程阈值和度的把握是人们超越极化局限性的关键，人类社会可持 续发展在各方面依赖于人们对极化过程正负效应的正确认识。极化过程在地位上从属平衡过程，在时空分配率上也低 于平衡过程。 关键词：极化过程；对立统一；正负效应；天气气候极化现象；自集现象 The View on Normalizations of Polarization Process in Material Existence and Arguments in Polarization Phenomena of Climate and Weather WANG Wanli1,2 (1, Wuhan Region Climate Center, CMA, Wuhan 430074, Hubei, China. 2, School of Resource and Environmental science of Wuhan University, Wuhan 430079 , Hubei, China) Abstract The polarization process and polarization phenomena usually pervades in material world. Polarization process is further development of the law of opposites and unity. Polarization process is basically characterized by the material body being expected to return to its balance state following it finishes polarization. It is vital to overcome limitation and negative aftereffect of polarization that the threshold and degree about polarization is assured. The human society sustainable progress entirely depends on comprehensive and better understanding positive effect and negative aftereffect of polarization. The significances of polarization process is below that of balance process and its rate also being below that of balance in temporal and spatial aspects. Key words： polarization process, opposites and unity, positive effect and negative aftereffect, polarization facts of climate and weather, self-aggregation phenomena 1 极化是否是物质世界的最本质属性？ 众所周知，在我们周围的物质世界里，最广泛地存在一个不争的事实，那就是极化现象和极化过程， 它以不同形式到处普遍存在着。就极化现象的普遍性方面我们可以举下面这些事例，电场中的正电子与 负电子，茫茫宇宙中的物质与暗物质，数学中的正数与负数，万千生物种群中的雌性与雄性，人类社会 中的极贫阶层和极富阶层，生物染色体中 Y 染色体和 X 染色体，固体物理中的晶体与玻璃体的高能量状 作者简介:王万里，教授，主要从事气候动力和天气动力以及L分布函数方面的研究。电话E-mail: 。 2 态与低能量状态，大气中的高温低温，地质历史上的地球冰期与暖期，当今世界中发达国家与发展中国 家，大爆炸理论中的宇宙塌陷与宇宙膨胀，地壳中新的海沟加深与新的山脉隆起，社会管理学中的极端 民主与极端集权，分形分维学中的“点”与“面” ，数学方法中的“微分”与“积分” ，社会行为中的 “礼”与“刑”等等。极化事例可谓纷繁多样不胜枚举。那么这里就产生这样一个问题，既然极化现象 在物质世界里最广泛地存在着，是否就可以说极化就是物质世界的主体构成呢？答案显然是否定的，因 为除了极化外，物质世界还有许多其他重要特性，如平衡性，保守性，统一性，守恒性等等，所以极化 的普遍性并不能代表极化的本质性，极化不是物质世界里的全部要件，它仅仅是万千物质世界中的某一 种特殊属性，只不过它是物质世界里一类比较重要的属性(规律性) 而已。极化与平衡构成一对矛盾共同体， 极化的重要性从属于平衡性，平衡性是矛盾体的主要方面，极化是矛盾体的次要方面，但值得强调的是 在物质世界运动变化和发展中极化是一个必不可少的基础环节，下面将详细综合论述。 2 对平衡过程的研究重于对极化过程和极化状态的研究 研究过程是了解事物本质特性和历史演变的有效途径，好比我们了解一国家是知道他现在的情况还 是了解他的历史，哪个方法更容易很好地客观地认识一个国家，这是不言而喻的，所以对极化过程的研 究就有点像触摸来龙去脉，而对某一状态的研究在时间特性上具有瞬时性，研究起来势必有些只蒙其 “面”不识其“人”之感。据一些研究分析 1，极化过程和极化过程的“长度”在时空分配中仅占整个事 物发展全过程中的一小部分，而平衡态过程和接近平衡态过程的时间空间“长度”，却在事物发展整个 进程中占据绝大部分，换句话说如果把极化后的状态视为不稳定态，而把平衡态看成稳定态的话，那么 事物从不稳定态过渡到稳定态往往只“经历”一个相当“短”的阶段，而事物过渡到稳定态或说准稳定 态后这个阶段就是一个相当长的阶段，这点反映出了极化过程是“暂时”的，而平衡过程是“长久”的， 这也是物质世界保守特性的体现, 这为社会变革中和谐稳定阶段的必然到来找到理论依据。 3 极化与平衡的关系 以往人们多在平衡学上做文章，对平衡态的研究应该说司空见惯，比如质量守恒（质量平衡） ，能量 守恒，受力平衡，生态平衡，社会平衡等等，这点说明了平衡态的重要主导性，但平衡只是慢变量相对 快变量的一种相对稳定性的一种暂时表现，另一方面它不过是极化过程中的一种逆向相对平稳期，换言 之，极化和极化过程是不同的，极化主要针对状态，而极化过程主要指发展和转变，即极化过程是平衡 过程的逆过程，极化的回归是倾向平衡态，极化是不稳定能量的储积，而回归平衡态是不稳定能量的释 放，所以研究极化到平衡的转化问题就显得十分重要了，这点无论对自然科学领域还是社会科学领域的 指导作用应该都是勿容置疑的，比如极化到什么程度开始回归，和何时点位开始启动平衡过程而又能保 证此时所应释放的不稳定能量不造成负面效应，显然这是一充满挑战性的课题，倘若人们能研究出这类 阈值和转折点，进而又是可控的话，那么人类就能人为地超越极化过程的局限性。 4 天气气候中极化过程的归一性 天气气候中高温与低温，天气系统中高压与低压，正涡度与负涡度，天气系统中“槽”与“脊”这 些都是大自然两极化的具体表现，也是较为普遍的极化过程的某一时期的两种对立态，当然这些对立符 号通常在天气实践中也被赋予了明确的天气意义，如“高压” ， “脊” ， “负涡度”等大致对应着好天气， 而“低压” ， “槽” ， “正涡度”等大致对应坏天气，我们知道大气在完成极化过程后，紧接着便转倾向于 平衡态，如“地转”平衡， “静力”平衡，角动量平衡，涡度平衡等等，这种极化的度通常大自然自己有 一个内在的调节机制，并且极化也是自动完成的，这里面极化过程往往比极化状态更为重要，与此同时 极化后回归平衡态的过程和程度也比平衡态本身更为关键。但有趣的是极化更深层机制到底是什么，目 前还非常不清楚，比如是宏观现象还是微观现象，是大尺度问题还小尺度问题，是分子运动引起的，还 是气团的属性，目前这些都很不确定，比如在研究热带大气对流中,有人提出过“自集” （self- aggregation）概念 (Adrian. M.Tompkins,2011year)， “自集”是一种使产生对流的地方更容易产生进一步的 对流的机制，这一极化概念对解决海表温度的热敏机制很有帮助，解决了海表温度升高与深对流之间的 3 悖论（paradox） 。另外海洋气象中的“偶极子”也是一种极化现象，如印度洋 “偶极子”是指当东印度洋 海表温度增加的时候, 西印度洋的海表温度却会相反降低,东印度洋海表温度增加愈高；西印度洋的海表 温度就会降低得愈低，此时热带东印度洋低空对应辐散运动、西印度洋低空却对应辐合运动。有人在研 究印度洋和西太平洋的 MJO 时(3060 天热带振荡),提出了海表湿静力能的积储与释放是热带 MJO 发生的 主要物理机制,一些文献也翻译为充电放电机制(recharge-discharge), 湿静力能表达式为 h=CPT+Lq+gz, 显然 MJO 的深层机制也可以理解为极化, 海表湿静力能的积储是不稳定能的累积,而 MJO 的爆发时刻正是 海表湿静力能(不稳定能)开始释放,此时 OLR 表现为负变异,浅对流转换为深对流,上升运动加大,高层由 西风转成东风(250hPa-200hPa)；低层由东风转成西风(850hPa)。虽然以上三种极化都有大尺度上的大气 环流背景，即是海表温度向大尺度大气环流适应，但极化本身却是发生在小尺度空间中（相对而言） ，说 明小范围内可能还有更深层次的机制存在，当然比较全面的看法是大尺度小尺度都对极化有不同的贡献, 但目前对这种小尺度上的机制还非常不了解，是分子属性还是气团属性也不清楚，可见极化应该属于那 个层面的问题仍然有相当大的探索空间。极化在天气气候预测实践中的意义是很明确的，就一次天气过 程而言，我们应该看成是天气系统被极化后而又回归到平衡态的一次完整过程，那么大气中存在极化现 象与否就异常重要了，只有在大气完成极化过程(超过某些不均匀性阈值) 后，我们才考虑下步是否该有一 次天气过程，这就把发生天气过程与否直接联系到一个完整的物理演变过程中，而不是简单把发生天气 归因在“槽” ， “正涡度”和“低压”一种简单的形式对应关系上，不是从一个态上去把握天气气候发生 的机理，而是从一个物理过程去认识天气气候发生的机制，因为“高压脊”也并非是 100%的每次都对应 着“好天” 。 天气气候极化过程中的时空关系是一个复杂问题，但这也是一个基础性的科学问题。天气气候极化 首先应该存在一个空间极化，如冬半球高纬度会达到一年中的极冷，而热带低纬相对而言达到一年中的 极热，但对夏半球而言中纬度达到一年中的极热, 相对而言热带低纬达到一年中的极“冷” ，以上是从季 尺度上来分析的，如从天气尺度上来分析，一次大规模冷空气爆发前提往往是北方高纬有强冷空气堆积， 而南方低纬有强劲暖(湿)空气存在,从而形成空间极化分布，加大空气物理属性上的空间不均匀性，值得 强调的是空间极化为时间上的极化创造了条件，比如南方低纬地区从时间坐标来看,首先是极热然后才可 能演化到极冷，从而形成一次完整的冷空气爆发过程,这方面中国近代就有人提出过“热极生变”的观点 （曾国藩家书） ，由此看来空间极化是时间极化的基础，这点很重要，这可作为天气气候预报的一个理论 前提，由此推论，海水(洋)在空间上极化亦可作为更长时间尺度的时间极化的物理基础，或气候预测基础， 比如现在就有观点认为大气气温年代际变化(或千年尺度变化 )可能是海洋洋流发生改变而造成的,如海洋 洋流中的经向环流或纬向环流发生翻转，但这种翻转的物理前提是海水温度梯度加大或温度梯度发生反 号，而这种加大或反号是空间温度分布发生了改变，而这一改变首先是由于海水温度梯度加大而造成的， 海水温度梯度加大其实质就是极化程度加大或极化过程发生，但值得强调的是海水或大气中的极化是一 矢量( 具有方向性)。所以研究更长时间尺度的天气气候变化时，如地质尺度 (百万年以上)，可能就应该在 其它运动介质(如地壳，地幔，或太空中某些物质 )中首先找出空间极化 (变化)的依据,这是时间极化的物理 前提，也为大时间尺度的气候天气变化规律找到了空间背景。另外极化程度和极化空间尺度以及介质运 动特征量可能是决定这种波动周期即时间尺度的关键因素，如地球大气运动特征值一般在 101 (m/s)，地球 海水运动特征值一般在 10-2 (m/s)，而地球地幔的运动特征值一般在 10-9 (m/s)，显然地幔波动周期( 一次完 整极化过程所需时间，即极化时间尺度)明显大于海洋，而海洋又大于大气；地球空间尺度 106 (m);而太阳 系空间尺度 1012- 1013 (m),显然太阳系的极化时间尺度明显大于地球极化时间尺度,所以有极化时间尺；度 与空间尺度成正比，与运动特征量成反比的特性。当然也可以认为时间上的变化是由空间变化演化而来 的，这是一个更深层次上的问题了，这里不再深入。 副热带高压(或行星尺度反气旋 )应该说是地球尺度极化的一个重要现象，大规模大范围的副热带高压 在南北两半球之间的运动一般是随夏半球一起发生两半球之间的转移，即大范围副热带高压主要出现在 夏半球，这点主要取决于旋转大气与地表热源之间的平衡( 由大气基本方程决定，另文) ，显然副热带所处 位置无论是半球范围还是全球范围都应该是地球表面最热的地区(地表温度最高) ，从全球尺度来说,此时 的副热带高压(夏半球)与冬半球的极地之间形成一对极化，由于是全球空间尺度所以这有可能对各半球的 气候的年际变化有影响(比如准两年振荡 )，但在夏半球副热带地区与夏半球极地也会形成半球尺度的另一 对极化，这对极化可能决定该半球范围内的季节尺度的气候变化，即可作为该半球季度气候预测的一个