张学文教授论旋与环集锦

张学文教授论旋与环集锦

──初议地学中的“环”概念

张学文（新疆气象局）

【0、引言】

张学文教授是我国著名的气象学家，虽然高龄，仍笔耕不止。最近他读了《深切悼念梁灿彬教授逝世半周年祭》一文，马上给我们来信说：他也想到“旋”里面包含有“环”。

我们也立马回信说：张老师，你说得好：“旋”里面包含有“环”。希望你写出了论文。这里“环”有大圆和小圆（环杆），由此有双曲率。而且大圆曲率有切线方向曲率（面旋），和法线方向曲率（体旋）。小圆（环杆）曲率全体是线旋。祝好。

张老师又立马回复说：“谢谢回信与鼓励。我无力写论文，只能写一点学生学习的感悟。容我慢慢学习吧。数年前我发现如果我们把每小时的气温以颜色表示在一条线的某一点，那么全年365*24的数据就是一个彩色的线。如果我把此线缠到某轮胎上，而且每24小时的气温数据为一圈，这就是一个彩色的环。而365天，一天一天的缠下去，如果恰好把整个轮胎缠满。那么一个彩色的轮胎就是气温的年变化与日变化了。而它是两种旋转的体现……这导致我对环概念的注意。这个彩色轮胎确实让我考虑了很多。而环又联系着对应的旋转问题。这启发我翻出了《三旋理论初探》一书……让我思考、学习吧，多谢了。张学文2022 07 18”。我们觉得张老师的思想很精彩，特按他提供的资料集锦供学习。

张学文，1936年生，天津人，回族。1957年从北京大学物理学气象专业毕业，即分配到新疆气象局从事气象等科技工作，到1998年退休。

【1、张学文教授简介】

张学文教授，1935年 2月生，天津市人，回族。1953年就读于北京大学物理系气象专业，11957年毕业分配到新疆气象局，从此开始了他的气象生涯。他在新疆气象部门工作41年且著述颇丰的研究员，到1998年退休后愈呈虎啸龙吟之势。他将多年来潜心研究的“分布函数、熵、复杂性、熵原理”创建为一门44万字的新科学知识体系“组成论”。《组成论》2003年由中国科技大学出版社出版，具有探索创立新学科的意义。

早上世纪70年代，他就独辟蹊径，从信息论的角度研究分析了气象预告问题，他的第一本著作《气象预告问题的信息分析》在1981年被科学出版社印行。从《气象预告问题的信息分析》到《熵气象学》再到《组成论》，在30多年的岁月里，张学文几乎是十年一个台阶。

更妙的是，1998 年退休后博客成了他施展才华的舞台──因为他并不想离开热爱了大半辈子的科技事业。彼时，互联网、个人网站正在兴起，他买了电脑，在家里装上互联网，先是自学了汉字拼音输入方法，进而自学了个人网页设计。他先后在互联网上办过“张学文个人主页”，还与朋友联合创办“熵与交叉科学”网站。他的博客与科学网上他的个人博客同岁，一直耕耘至今天。他发表博客数万篇，总浏览量超过千万，在网站博客排名前面。

再说他在新疆气象台任了约20年的气象预告员（领班），还从事过计算机开发、气象科技研究等工作，1982年取得高级工程师资格、1987年升为研究员、1991年领取国务院特殊津贴。历任新疆气象局技术发展办公室主任、新疆气象科学研究所所长等业务职务。20世纪90年代任过两届新疆自治区专家顾问团成员。1983-1997被选为新疆人大代表和人大常委会委员。此外还担任了一些新疆、西北或者全国的学术团体、职称评定组织的成员。

张学文教授在新疆气象台曾经是多项技术革新的推进者，80年代初率先提出用袖珍计算机武装全国气象站，推进了中国气象观测业务的现代化。在学术领域，他在空中水、水资源、统计物理学在气象学中的应用等领域有建树。他发表的文章从20世纪50年代跨到21世纪。这源于他从中学时代起，就对科学有兴趣，热心于工作、学习和探索，对新鲜事物敏感。从海滨到新疆多年，热爱这片土地。以勤奋、学习、工作和乐观，在新疆度过了人生的多半年华。

【2、集锦地学中的“环”概念】

在词汇中，“环”这个字很普通、很普遍、很通俗。无需我多解释。但是要在科学中深究其义，则可能就成为新概念的引入大事了。最近我试图进一步分析气象现象中的环概念，查了一下，数学中的环概念，我难理解。但是其他领域用到环字的也不少。如“环境”、大城市的1环、2环、高架路…环球等等。在这里我初步提一提气象（地理）等领域中用到的环概念。

1.大气环流：可以理解为全球空气在自己领域中的各种运动。

2.水分循环：特指水分蒸发进入大气层，再以雨雪的形式脱离大气层进入下垫面的过程。

3.气旋、反气旋（热低压，冷高压，台风）：地球大气中在地球表面上做圆周运动的空气集体。

4.春夏秋冬的年循环。

5.24节气的年循环。

6.一天12个时辰的日循环，等等。

看来，气象学需要“环”这个字。其实所谓气象就是地球表层大气中的流体特质。对地球的刻画属于地理学。而地理学中关于“环”概念，确实值得表扬其特殊的、重要的，也许应当称为伟大的贡献。

这里我是指地理学中专门设计的经纬度的坐标系，确实是个伟大的贡献。它（指经纬度）非常简单又科学地表达了球面是的每个地点的位置。而各个经圈都是环（围着地球的圆环），各个纬圈也是环。其中经圈的环又与时间、日出对应，而纬圈与年变化的冷暖呼应。

这个坐标系方便了航海，也方便了气象学，更重要的是方便了全人类的活动。其实小学生都知道的“东西南北”，想一想它也是非常基础的环。说到此，也让我们看到了地球人的时间概念中也深刻的引用了“环”的概念。物理学家虽然说时间是有去无回的矢，但是地球人用的时间却是24小时一巡回的“环”，以及12个月一巡回的“环”。

我们是否应当在数学之外，在地理学、气象学中提炼一个含义更精准的“环”概念呢？地球本来就是圆的，其自转与公转又是准确的周期运动。这其中所引发的“环”概念确实值得我们提炼。

【3、集锦气候环是个基本概念】

物理学中没有尽头的时间概念，却在地球上被人类看为它竟然是年复一年的12个月的反复循环！看来这种循环给人类留下了深刻的印象！这种循环表现在月份的循环（12月的后面是新一年的1月），春夏秋冬的循环等等方面。

这里，我想分析分析气象变量对这种循环的体现。难道这导致似乎我们应当提出气候环概念？？。过去，在统计学的视角下，两个变量x,y如果存在关系，其观测数据（们）比较符合线性关系，那么它容易被学者认可。而且统计统计，配一个线性方程，再给一个体现线性相关程度的参数R平方。这是统计分析中的经典做法。

只要两个变量的现象关系很好，R平方的值接近于1，如大于0.8，以致0.9以上（越接近1越好），容易被大家认可你发现了一个客观公式（统计的）。但是在这种习惯背景下，两个变量之间的其他关系，可能因为它们不规范，太复杂，看不清楚而被忽略了。

这里尝试提出气候环概念，则是提示我们，有些变量的关系可能线性关系不好，但是其环状特征突出，你不要视而不见，你应当把它提升到也是一种客观规律性的体现的水平。

评论A：我们在500百帕等压面上（5公里多高处）看到全年的各月的气温，与等压面高度的关系，基本上是比较好的线性关系，即气温高，等压面高度也高。为此我们可以容易地配个线性方程。

评论B：在700百帕等压面（3公里高度附近）上各个月份的气温，与等压面高度的关系，依然体现为线性关系，但是其相关的质量比较差，可是12个月的数据似乎呈现为环的特点。

评论C：到了距离地面更近一些的900百帕等压面（1公里高度附近）上，各个月的气温与等压面高度的关系则直线关系更含糊，而环的特点突出。显然面对这样的数据关系特征，我们硬用线性方程分析它就不合适了。而承认它们具有比较好的环特征是合理的。

我现在不急于提出如何去具体分析它的办法，但是我感到提出气象环这个概念可能是基本的一步。即我们面对这种现实，需要从环的角度研究它。而不是强行归入线性（方程）相关的视角下去分析它。

这里檀成龙分析了我国南昌的月降水量与含水量的关系。他得出了对应的线性方程公式。但是R平方的值很小，只有0.23。显然这些资料被看作线性关系是很勉强的。如果我们根据图中的提示按月份把数据连起来，则是一个比较漂亮的椭圆。这个椭圆就是我这里提出的曲线环。面对以上的数据特征，我们如果硬分析气温与气压的线性关系，比较勉强。而且可能掩盖了气温与气压的突出特点。

可是如果我们解放思想，认为这些数据构成了一个曲线气候环，可能更妥当一些。问题：我们需要提出气象环概念以分析气候数据中体现的各种“环”特征吗？

【4、集锦大气循环的定义、现象与学说】

1.定义：大气圈里的空气进入以及脱离下垫面（海洋、水面、土壤…）的过程与往复循环的现象，统称为大气（空气）循环。

2.说明：过去的气象学中长期使用“大气环流”一词。其含义是指大气圈中的空气常年川流不息的运动（气象预报员、一些气象学者几乎每天分析这个运动过程）。但是，经典气象学中的这种对大气环流的认识无形中暗含了一个认识，即空气是不会进入地球下垫面的，或者说地球下垫面对空中的空气而言是刚体，空气不得入内。

地面的空气的上升运动速度为0，是这个认识在理论气象学里的表现。数值预报里全球大气质量守恒也体现着这个认识。显然在这个经典气象理论模型下，空气穿越下垫面的现象是不存在的，是不被承认的（自然也无人研究）。现在提出空气循环学说就是在不影响大气环流定义的基础上，引入空气进入下垫面或者从下垫面吐出的物理过程。这是一个理论突破。

3.现象：大气中真的存在新定义的空气循环过程？笔者对此确信不疑大气存在呼吸过程。另外啤酒冒泡VS沙尘暴，就是对这个现象的直观描述。这里暂不补充了。

4.学说：学说是科学前进的垫脚石，你不要害怕它，也不要轻信它。你可以借助它延伸其推论、预言，看看是否符合事实、是否与已经有的理论对接。这个学说错了，它自然被不断前进的科学淘汰，对了，则皆大欢喜-推进了科学的前进。

现在我们的学说很简单，它说全球的空气存在对下垫面的吞吐、循环过程。啤酒冒泡、沙尘暴、汽车经过土路卷起的灰尘，2013.1的华北大面积大气污染、说不定地面水分进入大气的“蒸发”都有空气循环的身影。空气循环的规模有多大？我估计比地球的水分循环大，地球的水分循环是每年每平方米1吨，地球的大气循环可能达到每年每平方米2吨，即大气压力的20%。

5.期待：期待批判、验证、认可。注意，我不会就此写论文，就在博客上公布它了。

张学文教授论旋与环集锦

──初议地学中的“环”概念

张学文（新疆气象局）

【0、引言】

张学文教授是我国著名的气象学家，虽然高龄，仍笔耕不止。最近他读了《深切悼念梁灿彬教授逝世半周年祭》一文，马上给我们来信说：他也想到“旋”里面包含有“环”。

我们也立马回信说：张老师，你说得好：“旋”里面包含有“环”。希望你写出论文。这里“环”有大圆和小圆（环杆），由此有双曲率。而且大圆曲率有切线方向曲率（面旋），和法线方向曲率（体旋）。小圆（环杆）曲率全体是线旋。祝好。

张老师又立马回复说：“谢谢回信与鼓励。我无力写论文，只能写一点学生学习的感悟。容我慢慢学习吧。数年前我发现如果我们把每小时的气温以颜色表示在一条线的某一点，那么全年365*24的数据就是一个彩色的线。如果我把此线缠到某轮胎上，而且每24小时的气温数据为一圈，这就是一个彩色的环。而365天，一天一天的缠下去，如果恰好把整个轮胎缠满。那么一个彩色的轮胎就是气温的年变化与日变化了。而它是两种旋转的体现……这导致我对环概念的注意。这个彩色轮胎确实让我考虑了很多。而环又联系着对应的旋转问题。这启发我翻出了《三旋理论初探》一书……让我思考、学习吧，多谢了。张学文2022 07 18”。

我们觉得张老师的思想很精彩，特按他提供的资料集锦供学习。

【1、张学文教授简介】

张学文教授，1935年 2月生，天津市人，回族。1953年就读于北京大学物理系气象专业，11957年毕业分配到新疆气象局，从此开始了他的气象生涯。他在新疆气象部门工作41年，是著述颇丰的研究员，到1998年退休后愈呈虎啸龙吟之势：他将多年来潜心研究的“分布函数、熵、复杂性、熵原理”创建为一门44万字的新科学知识体系“组成论”。《组成论》2003年由中国科技大学出版社出版，具有探索创立新学科的意义。

早上世纪70年代，他就独辟蹊径，从信息论的角度研究分析了气象预告问题，他的第一本著作《气象预告问题的信息分析》在1981年被科学出版社印行。从《气象预告问题的信息分析》到《熵气象学》再到《组成论》，在30多年的岁月里，张学文几乎是十年一个台阶。

更妙的是，1998 年退休后博客成了他施展才华的舞台──因为他并不想离开热爱了大半辈子的科技事业。彼时，互联网、个人网站正在兴起，他买了电脑，在家里装上互联网，先是自学了汉字拼音输入方法，进而自学了个人网页设计。他先后在互联网上办过“张学文个人主页”，还与朋友联合创办“熵与交叉科学”网站。他的博客与科学网上他的个人博客同岁，一直耕耘至今天。他发表博客数万篇，总浏览量超过千万，在网站博客排名前面。

再说他在新疆气象台任了约20年的气象预告员（领班），还从事过计算机开发、气象科技研究等工作，1982年取得高级工程师资格、1987年升为研究员、1991年领取国务院特殊津贴。历任新疆气象局技术发展办公室主任、新疆气象科学研究所所长等业务职务。20世纪90年代任过两届新疆自治区专家顾问团成员。1983-1997被选为新疆人大代表和人大常委会委员。此外还担任了一些新疆、西北或者全国的学术团体、职称评定组织的成员。

张学文教授在新疆气象台曾经是多项技术革新的推进者，80年代初率先提出用袖珍计算机武装全国气象站，推进了中国气象观测业务的现代化。在学术领域，他在空中水、水资源、统计物理学在气象学中的应用等领域有建树。他发表的文章从20世纪50年代跨到21世纪。这源于他从中学时代起，就对科学有兴趣，热心于工作、学习和探索，对新鲜事物敏感。从海滨到新疆多年，热爱这片土地。以勤奋、学习、工作和乐观，在新疆度过了人生的多半年华。