对乔方利“震惊中外”的成果的专业点评

  作者:辛海子

  我想从专业的角度来评点一下乔方利等人的那篇文章,即张一网(XYS20140914)所指的Qiao_GRL2004。本人认同张一网对Qiao_GRL2004的标题的翻译,即“波浪诱导的海洋上层混合――在一个全球海洋环流模型中的应用实例及其分布”。

  一、按同行评议的惯例,我先概述全文大意

  该文作者们试图通过运动尺度分离的办法,推广湍流雷诺应力与平均流之间关系的表达式,并且推广湍流二阶动量矩闭合的经验,建立波浪的混合强度的表达式。他们应用自己开发的波流耦合模型,根据该文公式(14)而得到的波浪混合强度在全球海洋中的平面分布。他们用普林斯顿海洋模型做了两个对比试验,对应于是否添加他们所得到的波浪混合强度的两种情况,比较了两组实验所得到的海水温度沿着国际日期变更线的垂直剖面分布。他们的实验结果是,添加了波浪混合强度之后所得到的温度上层分布要比不添加的情况大大地接近观测数据。他们根据该实验结果推测,波浪诱导的上层混合对于温度在上层的分布至关重要。

  二、我的主要评议观点包括:

  1. 该文选题有基础性的意义。如果作者们提出的方法有效,将能够普遍改进海洋模型的性能。

  2. 该文理论推导部分的基础假设与目标存在概念上的逻辑矛盾;此外,推导过程存在难以理解的鸿沟,且包含基础性概念错误。

  3. 所设计的数值试验的结果清晰简明,但作为参考实验的结果十分不可信,因此对比实验没有参考价值。

  鉴于理论推导部分的严重错误以及检验的不可信,我认为该文不宜发表。

  三、我有以下几点具体的批评观点:

  1. 理论推导部分的严重错误和模糊概念

  作者似乎对流体运动的层流、湍流、混合等运动的物理内涵缺乏深刻认识,甚至一知半解。对湍流运动的雷诺平均方法和表达海浪运动的波数谱方法等基本概念的物理内涵也缺乏应有的理解深度,似乎仅仅停留在数学运算符号的水准上。

  1.1 严重错误之一:用经验表达式作理论推导

  湍流也叫紊流,就是紊乱的流动。湍流最基本的特征是无序性。无序就必然是三维无序,不可能在某一个方向上无序而在另一个方向上有序。令人难以理解的是,作者竟从海浪的半经验表达式出发(公式6),试图建立海浪诱导的混合强度的理论表达式。最终得到的海浪诱导的混合强度的表达式(公式14)所反映的垂直分布完全继承了海浪的经验表达式的特点――混合强度随深度指数衰减。混合强度随深度指数衰减这是一个非常粗糙的经验关系。公式14完全没有反应水柱密度的结构和稳定性等特征,没有反应海浪的成长特性,也不能反应海底地形深度的影响。公式14不含时间导数项,只与海面波浪的强度(能量)和深度存在静态关系。它抹杀掉了混合理论近70年的发展,代表的是退步而不是进步。

  虽然从对大尺度层流运动(海洋学上习惯叫环流)的影响的角度来看,把波浪运动看作混合作用未尝不可。尽管主流的物理海洋学家并不这样作茧自缚地看待,而是引入网格可分辨的运动和次网格运动相结合的思维方法,但笔者认为把波浪运动单独看一项作混合作用也未尝不可,前提是其他的混合运动也能得到合理的考虑。吊诡的是,既然从海浪的半经验表达式出发(海浪运动随深度指数衰减,见公式6),要得到混合强度的分布,有什么必要进行运动尺度分解?!

  先说说混合运动和混合强度的物理概念。我们假设有一个矩形玻璃缸,中间用另一块玻璃隔开,左边盛装红墨水,右边盛装蓝墨水。把中间隔板抽掉,两缸墨水就会在分子运动和初始扰动下混合。混合强度的实质就是单位时间内两缸水彼此交换体积的多少。如果要计算混合强度的作用效果,即计算两缸中红墨水或蓝墨水的平均浓度随时间的变化,完全等价于在隔板不抽掉的情况下,两缸之间用杯子按同等速率(单位时间交换的体积)左右舀水的效果。

  既然把波浪运动看作混合运动,那么该混合强度的因子必然包含波浪运动的振幅和速度,分别对应于舀水的体积和速率。在海浪的运动强度随深度按指数规律衰减的假设前提下,我们就可以直接写出混合强度随海水深度的表达式,类似于他们的公式14。需要强调的是,这些都是纯粹的初级的经验关系式。其经验性已经被海浪的运动强度随深度按指数规律衰减的假设前提限制死了。

  1.2 模糊概念之一:波数谱表达方法

  Qiao_GRL2004的公式6和公式10-14都采用了波数谱表达,对于不熟悉海浪波数谱表达方法的朋友看起来也许有些眼花缭乱。不知作者是对海浪波数谱表达方法一知半解还是故弄玄虚,该文涉及的概念完全没有必要用波数谱的方法表达。既然他们提到波数谱,我只好解释一下该数学方法。海洋表面的波浪是不规则谐波运动。理解数学方法中的傅里叶分解的人都能够理解不规则的谐波运动可以看作若干谐波运动的叠加。海浪波数谱表达方法的概念要点包括:1.海洋表面的波浪运动可以看作包含各种频率成分的谐波运动的叠加;2.包含各种频率成分的谐波运动可叫做全频域的运动,也叫全波数空间的运动,因为波数定义为频率的倒数;3.海浪运动的任何属性都可以看作是各个微小的频段(或叫频带)内的“属性的密度”与频段宽度的乘积在全频域的总和(积分),把频率用波数替代,就变成在波数空间的积分。由于海面是二维的,因此波数谱也是二维的,这样看起来略微复杂一些,但并没有增加物理内涵。举例说明,比如海浪振幅(A)和波浪速度(V)的乘积就是A*V,但如果在波数空间中表达就是对于任意波数微元dxdy上的海浪振幅密度(a)和波浪速度密度(v)的乘积a*v*dxdy在全波数空间的总和(积分)。请读者谅解,新语丝是一个纯文本平台,笔者没法写出数学公式。

  知道波数谱表达方法就很容易看出,Qiao_GRL2004的公式14的物理内容可以读作海浪诱导的混合强度等于海浪的能量与海浪能量的平方根的垂直导数的乘积。请大家注意谐波运动的特点,谐波的导数和积分都仍然是谐波。因此波浪运动采用波数谱表达之后,也可任意选用振幅、速度和能量作为基础表达式,所得到的运动属性的表达式会有差别,但内涵一致。习惯上多采用能量作为波数谱的基础表达式。这就是为什么Qiao_GRL2004的公式14只出现能量的原因,其物理内涵并不复杂。不采用波数谱表达式,而采用通常物理量的表达方法也完全能够表达他们在公式6和公式10-14中所要表达的物理内涵。比如公式6,直接写出角频率为w的谐波表达式乘以随深度衰减的指数因子。

  1.3 模糊概念之二:运动时空尺度分解

  文中把海洋运动的时空尺度一分为三(见公式1和2),即任何一个运动量都可以表示为平均量、湍流脉动量、波动量之和。公式3的左边是雷诺应力,也就是湍流脉动量二阶矩的雷诺平均。公式3的右边却是湍流脉动量和波浪脉动量乘积的雷诺平均。显然作者对流体力学中的雷诺平均的概念的理解是极其模糊的,甚至是完全错误的。

  流体力学中的湍流理论把流动看作为湍流脉动量和雷诺平均量之和。同时也提出可以分辨湍流脉动的时空尺度和只能分辨雷诺平均量的时空尺度。雷诺平均是一个运算符,它的内涵就是求一个微观属性的宏观效果,它约定单一的湍流脉动量的诺雷平均是零,约定任何宏观量的诺雷平均值还是该宏观量自身,它通常只对湍流脉动量的两因子乘积或三因子乘积进行运算。一个湍流脉动量与另一个与之垂直的湍流脉动量的乘积叫湍流二阶矩,湍流二阶矩的雷诺平均就叫雷诺应力。对湍流脉动量的二次方求雷诺平均之后就得到某方向的湍动能,实际是动能密度,不过在流体力学中习惯上忽略不提密度二字,因为几乎所有的标量都是以单位体积的量(即密度)的形式出现。

  乔方利等人把海洋运动的时空尺度一分为三(见公式1和2),他们的雷诺平均运算是指哪一个时空尺度(微观)对哪另一个时空尺度(宏观)进行呢?他们似乎把运动一分为三,但把分辨运动的时空尺度却仅仅一分为二,即湍流脉动和波浪运动是在同一个时空尺度下都可以分辨。如果分辨运动的时空尺度也存在三套,那么公式3根本不成立。如果只有两套时空尺度,说明他们认为湍流脉动与波浪运动是同一时空尺度的运动,这与常识不符。

  1.4 严重错误之二:湍流脉动量竟与雷诺平均量胡乱划等号

  公式13的左边是雷诺平均量,右边是波浪运动量。如上所述,他们把波浪运动也看作是湍流脉动。那么,湍流脉动量无论如何也不能与雷诺平均量划等号。如果要狡辩他们把波浪运动看作比湍流运动更宏观的运动,那么上文1.3中所说的概念模糊就成了另一个严重错误,因为公式3无法成立。即使这样狡辩,那么公式11就没法成立,因为它左边是湍流脉动量,右边是宏观量。

  2. 系数概念模糊,取值没有依据

  公式13引入了一个系数,该系数保留到最后的波浪诱导的混合强度的表达式中,其物理内涵没有交待,乔等说需要通过观测才能校正。该系数是一维变化的还是二维或三维变化的,无从知晓。但是,他们的应用过程却取值为常数1。由此得到的图2所示的全球分布不知有什么物理意义,因为从该分布到实际的波浪诱导的混合强度之间还有一个性质不明的系数因子。

  3. 对比模型的结果没有参考价值

  他们用普林斯顿海洋模型做了两个对比试验,对应于是否添加他们所得到的波浪混合强度的两种情况,比较了两组实验所得到的海水温度沿着国际日期变更线的垂直剖面分布。他们的实验结果(图5)显示,添加了波浪混合强度之后(图5b)所得到的温度上层分布要比不添加的情况(图5c)大大地接近观测数据(图5a)。他们作为对照和参考的普林斯顿海洋模型的结果(图5c)十分不可信,该结果显示接近海洋表面20m的上层的温度差竟然达到5-6℃,可以说绝大多数海洋模型都不会产生如此糟糕的结果。比如,IPCC气候报告中有几十个不同模型的结果,笔者没有发现任何一个模型的结果会像他们图5c显示的那么离谱。因此,那个对比没有任何参考价值。

  4. 对前人相关研究的进展缺乏了解和关注

  该文几乎没有提及有关海洋上层混合问题的其他同行的已经发表的成果和进展。作者在论文的讨论部分也没有把自己的成果与他人的成果进行对比讨论,以至于读者难以理解该项工作是简单重复前人的轨迹还是有哪个方面的突破。事实上有关波浪诱导的混合,前人已经有大量的观测研究和数值模拟研究,作者只有“参数化波浪诱导的上层混合还很难(a challenge)”一句话粗略带过。一个对同行工作完全无知或者完全忽略的作者,其研究工作的成果很难令人信服。作者有极少的几处提及他人的工作,其目的仅仅是为了支持“波浪诱导的上层混合很重要”这样一个观点。

  四、专业评论之外的话

  虽然在新语丝评点乔方利等人的工作是由我点燃的(XYS20090425),但我与他们无私人过结。第一次我提到他们,只是觉得他们牛皮吹得有点太过了,说什么震惊中外,我有点看不惯,想冷讽一下,让他们清醒一下。实话说,我当时并没有看过他们的杰作,只是凭着这样的事实――我作为一个物理海洋学工作者,并没有听说该领域有任何能“震惊”的成果。毕竟物理海洋学不是信息技术,也不是新材料新能源,几乎没有什么成果能引人关注。没想到他们风头甚健,听不得批评,竟然咄咄逼人,强力反弹。似乎俺诬蔑或抹黑他的光辉形象。既然他言辞凿凿地声称“首次”这个那个的,逼得我只好捡起他们的论文扫描了几眼,提拎出他们吹牛的铁证,扔到大街上让大家看(XYS20090530)。完后也就完了,没有仔细审读。最近瞧樵(XYS20140828)和张一网(XYS20140914)等人再次把他们的工作提起来,让我不禁又看了几眼他们的论文。尤其是张一网文中的提示,这次细看的确令我“震惊”了。不客气地说,乔等有点像一群妄想发明新式导弹的流寇,弄了一大堆自己根本没有搞清楚原理和功能的所谓的控制系统,里面深埋的却是一把鸟铳。

  现在令局外人难以理解的是,这把鸟铳偏偏被他们当新式导弹卖出了,就像朝鲜的导弹卖到叙利亚。其中原因有这么几方面,其一是,他们所发表论文的刊物是Geophysical Research Letters(GRL)。GRL尽管是一个影响因子还不错的学术期刊,但它毕竟是一个通讯简报类的期刊,相对于全要素的(full length)正规期刊,该刊对于不诚实的学者来说更有隙可乘。其二是,任何正规期刊都有把关不严的垃圾论文被漏网出来,这是不争的事实。其三,张一网披露该文发表过程中有“高人”协助竭力斡旋。瞧樵(XYS20140828)的分析也很有说服力,迄今该“成果”并没有得到正面的肯定。

(XYS20140923)

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