世界著名的科学家,近代边界层气象的奠基人之一,A. M. 奥布霍夫教授(Alexander Mikhailovich Obukhov),在经历短期的重病之后,于1989年12月3日在莫斯科逝世。
1918年5月5日这天,正好是卡尔 · 马克思诞生一百周年的日子,奥布霍夫出生在伏尔加河畔的沙拉托夫(Saratov)城。他1934年中学毕业后因为年龄太小未被允许参加沙拉托夫大学的入学考试,于是他在沙拉托夫气象台工作了一年,这期间他进行的光化学强度记录观测及资料分析工作是他发表的第一篇论文的基础(Obukhov,1936),所以说在他的科学事业生涯中很早就接触了气象学,这一学科后来成了他的专长和终身爱好。
1935年奥布霍夫进入沙拉托夫大学学习数学并开始科学研究。1937年在苏联举行了为纪念1917年10月革命胜利20周年的全国青年数学竞赛,当时著名数学家柯尔莫哥洛夫(A. N. Kolmogorov)教授是评审委员之一,他建议将头奖授予来自沙拉托夫大学的一位不知名的年轻学生的关于统计数学的论文。这篇文章是奥布霍夫在思考怎样处理风速观测资料后受到启发弓成的,内容非常新颖,它严格导出了求任意维2个矢量的相关的简单而普遍的正则形式。奥布霍夫的结果至今仍然是关于正则相关和正则变量的一般理论的核心,而这一理论是多变量统计分析的重要部分。奥布霍夫的工作被收入许多教科书、手册和论文集(包括一些特殊的专题论文集),并得到广泛应用,包括气象学上的应用,美国著名统计数学家H · 霍泰林(H. Hotelling)也曾得到过与奥布霍夫类似的结果,但是我们应该注意到当时他们两人的差别是何等巨大:一个是正处于创造力顶峰的国际知名科学家,而另一个只是苏联一所地方大学年轻的在读大学生。
柯尔莫哥洛夫教授对奥布霍夫的工作印象很深,他认为奥布霍夫应该到莫斯科大学去继续深造。1940年底,奥布霍夫在莫斯科大学数学系毕业并成为柯尔莫哥洛夫教授的研究生。这期间,他开始在新成立的苏联科学院理论地球物理研究所工作,1947年该研究所与地震研究所合并成为苏联科学院地球物理研究所。
在30年代末至40年代初期,柯尔莫哥洛夫对湍流现象进行了深入的研究,并将奥布霍夫的兴趣也吸引到这方面来。湍流理论研究实际上成了奥布霍夫多年的工作专长。1941年他提交的学位论文(相当于:美国的博士论文)就是关于小尺度湍流的统计理论的。这篇论文与同期发表的柯尔莫哥洛夫的论文紧密相关,这些文章合在一起将湍流理论提高到了比过去高得多的水平,在那之前,基于半经验假设的湍流分析方法精确性非常有限,而且只能用于一些很特殊的流动类型,然而,柯尔莫哥洛夫和奥布霍夫证明充分发展的湍流运动满足从物理学一般原理得出的简单定律,而且这些定律对于所有充分大雷诺数的湍流流动是普适的。在西方的文献中,上述湍流小尺度运动的普适平衡理论通常被认为是柯尔莫哥洛夫的发现,但实际上柯尔莫哥洛夫教授自己经常强调说,问题是由他提出来的,但主要的研究结果则是在他与奥布霍夫不在一起的一段时期两人分别独立得到的、所以人们不会奇怪他俩的思路为何那样不同。柯尔莫哥洛夫的工作是基于对湍流机制的一些物理考虑和量纲分析,这与20年代L. F. 李查森(L. F. Richardson)的想法相似,而奥布霍夫则考虑一个半经验方程的湍流谱模式(这是湍流研究中的第一个两点封闭模式)然后得出了一个令人惊异的直观的结果,但推导这一结果的过程是具有普遍意义的,并不依赖所用的特殊的封闭假设。他们的研究结果的表述方法也非常不同,柯尔莫哥洛夫用所谓速度场的结构函数(即相距r的两点的速度差的均方值)来描述小尺度湍流结构,并导出了结构函数的“2/3定律”,而奥布霍夫则利用速度场的能谱来描述湍流并得到了谱的“-5/3定律”这两个定律在数学上是等价的,但是由于谱测量的简单性使“-5/3定律”成为更受欢迎的小尺度湍流普适律,这一定律已被许多实验所检验,大量的数据表明它在很高的精度上都是正确的(结构函数的观测结果与2/3定律亦符合很好,但数据的离败度很大)。
由于湍流脉动谱的概念现在被大量的书籍和论文广泛使用,以至于年轻人以为这一概念显而易见,在古希腊时代就有了。其实不然,第一个试图给出无规律振动的谱的严格定义的人是N. 维纳(N. Wioner)(1930),但不很成功。完善的随机脉动的统计谱理论是由A. Ya. Khinchin,柯尔莫哥洛夫和H. 格兰默(H. Cramer)等人——甚至更晚一些,直到30年代末40年代初才建立起来的,而随机场(空间坐标的无规涨落函数)的谱的概念是奥布霍夫(1941)在研究不均匀湍流引起的声波散射的一篇短论中首次提出来的。特别是在这篇短论中,给出了各向同性无辐散矢量场(即不可压各向同性湍流速度场)的谱张量的一般表达式,该文中谱张量是用相应的相关张量表示的。后来又给出了用速度场本身表示的谱张量并用它导出了“-5/3定律”。从那以后,湍流的谱理论被科学家们广泛应用,谱已渐渐成为湍流研究中的中心概念。在这篇短论中,奥布霍夫还给出了表征湍流扩散的涡粘系数“4/3定律”的一个非常简单的理论推导。这一定律曾由李查森用纯经验的方法建立,后来泰勒(Taylor)(1969)曾对李查森这样优秀的科学家竟然未能对这一定律给出奥布霍夫那样简单的解释表示惊讶。实际上,奥布霍夫的推导需要很强的物理直观能力和对湍流机理非常清晰的了解,所以“4/3定律”应该重新命名为李查森 - 奥布霍夫定律。
奥布霍夫在湍流理论方面的另一个重要贡献是1949年他找到了湍流中标量场(如温度以及其它任何被动保守物的浓度)的小尺度结构普适律,这就是标量场的与“-5/3定律”等价的结构函数的“2/3定律”,现在由于该定律已众所周知,人们可能会认为这一定律的导出是一件非常简单的事情,但请注意,标量场的结构函数问题也曾被日本气象学家E. Inoue以及美国著名物理学家F · 维拉斯(F. Villars)和V. F. 韦斯科夫(V. F. Weisskopf)研究过。而他们却分别得到了二个不同的、但都被实验证明是不正确的结果。S. 考辛(S. Corrsin)也独立地得到了正确结果,但比奥布霍夫晚了二年。
奥布霍夫在研究大气湍流中波的传播理论时获得了重要结果,他关于这方面的第一篇论文前已提及,而最重要的论文则是1953年发表的那篇,在该文中,他提出了一个非常优美、简洁的近似处理方法,用来求波在大气湍流中传播对振幅和位相的涨落的均方根值,在得到显式结果时他假设了折射指数相关函数符合高斯分布,奥布霍夫的论文奠定了研究大气和海洋中声波、无线电波和光波传播时的涨落现象这一重要科学领域的基础。现在已出版了许多这一领域的特种文集,人们最熟悉的是奥布霍夫的学生V. J. Tatarskii1971年的报告。
奥希霍夫并不是一个对数学方程感兴趣的纯粹理论工作者,从1940年开始他即参加并领导了大气湍流的数值实验研究(后来又领导了莫斯科大气物理研究所的许多实验室实验),特别指出,他是率先试图由风速脉动资料确定“2/3和-5/3定律”中的普适常数的人。通过分析那些资料,他发现一大批10分钟平均数据所确定的谱曲线均足够精确地满足“-5/3定律”,即E(k)=Ck-5/3(这里E(k)是功率谱,K是波数),但系数却随不同的实验数据组而不同,他将这种现象解释为大气中的能量耗散率ε是变化的,基于这一点,他提出了一个精细地描述湍流局地结构的理论,这一理论考虑了小尺度湍流的间隙性,而这种间隙性能导致能量耗散率的强烈涨落。这一理论得到了柯尔莫哥洛夫的热情支持和进一步发展,后来又有许多人发展和检验这一新理论。
这里还必须述及的奥布霍夫在湍流理论方面的工作就是关于有温度层结的大气边界层的研究。第一篇引人瞩目的论文是在40年代初写出,在1946年发表的,该文后被译成英文,在边界层气象杂志(Boundary-Layer Meteorology)上发表并附有布辛格(Businger)和雅隆(Yaglom)对其重要性的评价。不失奥布霍夫的特点,他在半经验模式的基础上建立风速廓线方程,由这一方程得出了描述风廓线的普适函数,这一函数在很久以后又多次被“发现”,但是,奥布霍夫最感兴趣的还是不依赖于特殊模型方程的一般结果。于是他在这篇论文中提出了著名的奥布霍夫长度L,长度L是近地边界层的一个最方便的特征尺度,现在它已被用于所有分层介质的湍流研究中。在奥布霍夫1946年发表的这篇论文中,他还得到了Z/L≈0,和Z/L≤-1和Z/L≥1时的渐近律,文中还给出了一些用无量网高度Z/L的普适函数描述湍流的例子。莫宁(Monin)和奥布霍夫的论文进一步发展了奥布霍夫1946年的上述论文,他们不作半经验假设,但给出了热层分层边界层湍流的一般相似理论,至今,所有大气近地层湍流及海洋表层和底层湍流研究均利用莫宁 - 奥布霍夫相似理论。
前面所述及的工作远远不是奥布霍夫的科学成就的全部内容,他还在许多与湍流相关的领域做出了贡献。事实上,湍流只是他的几个研究专长之一,他还写过许多关于动力气象学的文章(如Obukhov,1949),文中他导出了正压大气动力学方程的准地转近似方程,这一方程滤掉了快波,至今仍是数值预报的基础),关于统计学和应用数学方面的文章(如导出了球面上均匀随机场的一般形式),以及关于流体力学方面的文章(如流体动力方程的有限维近似,这是开创性的工作)。他的一些重要论文已汇集成书,并且由他的一些学生和同事作了评述。
奥布霍夫的科学成就使他获得了很多荣誉:他被选为苏联科学院院士;他是美国地球联合会和英国皇家气象学会会员;他是许多国际研究机构的成员以及国际刊物编委;1963年到1967年他担任国际气象和大气物理协会(IAMAP)主席,并是IUGG局成员他是苏联科学院莫斯科大气物理研究所的创始人之一,从建所起他就担任所长,直到他逝世。多年来他是莫斯科大学教授,他的许多学生都成了优秀科学家。他一生在教育、行政管理和组织方面对苏联的气象学和流体力学的发展也起了很重要的作用。然而,使他成为真正不朽的科学名人的是他在科学上的那些重要发现。
[Boundary-Layer MeteoroLogy,1990年第53期]