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1、【创新之路】INNOVATION 吴超羽教授的“ 门户之见” 记中山大学近岸海洋研究中心吴超羽教授 本刊记者 赵利平 烟雨满仙城，余韵在珠江。三江汇流，八口入海。珠江口在唐代已呈“洪舸巨舰，千舳万艘”之景象；那里曾留下文天祥“惶恐滩头说惶恐，零丁洋里叹零丁；人生自古谁无死，留取丹心照汗青”的千古绝唱；曾见证陆秀夫崖山投海的悲壮、林则徐虎门硝烟的决心。 潮起潮落，洗不尽历史与大自然的铅华。在中山大学近岸海洋研究中心，现年66岁的吴超羽教授，与千年历史为邻，以珠江河口为友，数十载不倦不辍，只为一探造化之神奇，一究科学与生命之真谛。 珠江河口三角洲研究的创见 入海河口，指的是河流与海洋交汇之处有边界
2、的水体。在这特殊的区域，水圈、大气圈、岩石圈、生物圈、土壤圈等地球上的各个圈层都在这里交汇并相互作用。其中，水圈中的淡水与海水的交汇混合更形成了河口的重要特色。河口从来就是人类生息繁衍的摇篮，如今中国的上海、广州、香港、澳门、天津，国际上的纽约、伦敦、汉堡、圣彼得堡、开罗等现代国际大都市，均在河口地区。河口对于人类生活与经济活动的重要性不言而喻。 珠江河口三角洲的形成与演变 珠江河口三角洲，周边众山环绕，低矮平原上星罗棋布着许多台地、丘陵甚至500米以上的山地，其独特的地质地理和形成演变过程曾令早年的许多学者感到困惑：这是三角洲吗？直至1937年一系列 图1 保存完好的海蚀地貌在距今海岸线上百
3、公里的广州七星岗被发现并确证后，珠江三角洲独特的身份才被普遍接受。这种海蚀地貌表明，目前环绕在丘陵周围的平原是冰后期以来河流与海洋相互作用、共同沉积的产物。 吴超羽教授认为,珠江河口由网河区与河口弯区两部分组成，这两个部分的地貌形态，沉积历史，水文及动力特性都极不相同，然而在形成历史与现代过程方面却又联系密切、互相作用。连接这两部分的是八个口门，自东向西分别是虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门与崖门，它们共同构成了独特的珠江河口三角洲景观。 1949年以后，在珠江三角洲演变模式的研究领域，专家们提出了一些不同的观点，如强调地壳断块升降的“断块型三角洲说”，强调随着海进河退过程中泥
4、沙向上游堆积的“溯源堆积说”，强调珠江下游各分流水道各自形成冲缺三角洲的“复合的冲缺三角洲说”等。 随着观测技术、计算机应用、数值模型、沉积钻孔、测量技术的发展以及对多学科研究的深入。与此同时，经济的高速发展和日益严峻的环境形势，令整个地学研究面临重大的机遇与挑战，尤其是在对还原论和整体论的反思下多尺度研究这一“横断学科”的发展，使珠江三角洲研究具备了突破性进展的条件。而吴超羽，1 科学中国人 2011 年第 1 期 【创新之路】INNOVATION 很好地把握住了这个机会。 在国家重点与多项面上自然科学基金支持下,他首先从恢复海侵盛期古河口湾边界和水下地形出发，并考虑到六千年以来海平面升降、
5、潮汐、河流流量、输沙通量、沉积物压实、新构造运动等以及众多岛屿和门的各种复杂作用，结合多学科（包括沉积学、河口动力学、长周期“动力-沉积-型态”多尺度机理数值模型、地貌动力学等），应用数值模型实际模拟了末次海进盛期以来珠江三角洲的形成演变过程。他的这种在国内外首创的研究方法，揭示了更为真实的末次海进以来珠江三角洲演变的过程，并较好地解释其物理机理。研究表明，珠江河口和三角洲形成发育是在动力结构、泥沙输运沉积和地形边界变化在不同时空尺度下强耦合作用下的复杂演变过程。其六千年来总体的发育模式，既不同于密西西比河和长江的模式，也有别于地质、地貌学者在单一学科研究基础上提出的珠江三角洲六千年来自北向南
6、的大体平行的演进模式。该研究首次揭示并验证解释了珠江三角洲的门控多核心“三角洲-子三角洲-沉积体”分布充填结构。表明珠江三角洲是由若干子三角洲构成。子三角洲由若干更基本的动力沉积单元沉积体或快速沉积体组成。不同空间的子三角洲彼此之间曾有广阔的水域相隔，但在时间上同步演变。随着河网主干形成，在两千五百年前逐渐连接成三角洲中部平原。 吴超羽并没有把眼观局限于自然的演变过程，因为随着科学技术和生产力在近百年来的飞速发展，人类活动在河口地区成了改变自然界的“内力”和“外力”之外的“第三动力”。在973课题支持下,吴超羽和他的研究团队又以近一百年来人类活动为尺度，进一步研究珠江三角洲的演变过程，成功研制
7、出了10-100年尺度河口-近岸“动力-沉积-形态”模型，首次建立了具有明确物理机制的该尺 图2 度的长周期动力形态模型并应用于探讨珠 江河口半个多世纪以来演变规律。该模型在计算技术上解决了沉积物压实，地壳沉降，特别是模拟围垦、抛石促淤、航道疏浚等人类活动计算模块等。通过该模型的应用和情境分析，可以合理的判断和预测人类各种工程活动的长期影响和自然因素在河口演变中的作用，从而可以更科学地评估人类活动的长尺度效应。 吴超羽等建立的长周期动力模型，无疑为认识珠江河口三角洲千年尺度和百年尺度的演变过程提供了有力的工具。而在此之前，这个问题困扰着许多科学家。 吴超羽教授的“门户之见” 珠江河网八个出口有
8、七个称门 ，出口两岸均有基岩山丘，形成峡谷，壁立如门。珠江河口门的发育可以大致划分为“双向射流”期、“单向射流”期和“后门”时期。从近百年开始，除了虎门和崖门仍保留已逐渐退化的“双向 射流”动力系统外，其余的门已进入“单向射流”或 “后门”时期。三个时期的动力沉积和演变特性有重要区别。珠江河口在近100年间经历了这三个时期的演变。其次，从河口学角度来看，正是由门特殊的动力沉积结构与所聚集的巨大能量，使珠江三角洲与河网水系的的演变留下了门的深刻的印记。吴超羽等在实测资料基础上，探讨了珠江河口门的“动力-沉积-地貌”特点，从千年至湍流的尺度探讨了门的双向射流沉积动力结构。他们通过现场观测和水槽实验
9、，探讨门的突变特征产生的形态阻力和水流湍强，发现门地貌单元产生的湍流动能耗散率可比明渠水流湍流动能耗散率大 23 个数量级。海进盛期的古珠江河口是一个有众多岛屿、为丘陵地环绕的半封闭古河口湾。河口湾通过上述峡谷与海洋相通。实际上，在河网形成前，珠江河口的8个出海口中有7口的形成与位置早已由古珠江河口湾地形边界和峡谷 2 科学中国人 2011 年第 1 期 【创新之路】INNOVATION 3 科学中国人 2011 年第 1 期 图3 所造成的地貌动力条件所决定。他们发现，珠江三角洲的河道不是简单自上游而下游逐渐形成的，如古磨刀门水道成型于约三千年前，此时古磨刀门水道上游干流河道尚未形成，仍是一
10、片浅海。所以，珠江三角洲河网的主干河道存在自两端向中间发育的趋势，而这一切与门的动力沉积特性密切相关。吴超羽戏称这是他的“门户之见”。 珠江河口海洋立体监测示范系统（P E I O S） 高质量的海洋立体监测系统的总体设计和系统集成是一项复杂的系统工程和高新技术，自80年代起，欧美国家纷纷致力于建立近海环境监测系统的研制和开发。与此相比，2000年左右我国海洋环境监测立体化、系统化程度才刚刚起步，国内很多机构设备自动化程度低、监测手段落後、数据质量不过关，难以进入GTS 和 GOOS。近海污染和生态环境的现场自动监测基本是空白。这一局面不仅严重阻碍了海洋科学的发展，也严重影响了对海洋灾害预测、
11、预报和防治的能力。在这样的大背景下，国家863计划决定参照国际先进的近岸海洋环境立体监测系统的技 术框架，研制一个以海水质量监测为核心，以珠江口为研究区域，应用先进监测技术和信息传输技术的高度自动化、系统化的环境监测示范区。香港科技大学陈介中和吴超羽教授，便是这项重任的“执行者”。他们在短短两年的时间内， 研制出了珠江河口海洋立体监测示范系统（P E I O S）。该系统在技术和数据质量上可以进入G T S和G O O S，其信息产品能够通过电子媒介系统提供给国家和地方政府。P E I O S的成功研制使我国在近岸海洋环境监测系统总体设计、系统集成、水质监测、信息处理等关键技术上缩小了与发达国
12、家的差距，为我国海洋监测系统进入 G O O S 框架扫除了众多技术上的障碍。 多尺度学科研究方向 “多尺度科学将成为一个驾驭在各学科领域之间的一个横断学科。”吴超羽引用M.普朗克说：“科学是内在的整体，它被分解为单独的整体不是取决于事物本身，而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在任何一处都不能被打断的链条”。由此他表示，“多学科的本质一定意义上是多尺度问题。这个问题的突破意味着科学作为人类认识自然的整体方法的突破。以后的研究，要继续结合多尺度学科来进行。”未来的日子， 吴超羽将继续沿着具有中国特色的“动力沉积地貌”的方向，以珠江河口与三角洲为个案，对多尺度的认识论层次与机理层次，偏微分方
13、程的多尺度计算以及方法论层次做进一步的探讨，并完成过去十年对末次海进盛期以来珠江河口三角洲研究等专著。 中西文明交汇背景下看科学创新 从“钱学森之问”谈起 钱学森临终前提出我们所知的“钱学森之问”：“今天，党和国家都很重视科技创新问题，投了不少钱搞什么创新工程等等，这是必要的。但我觉得更重要的是要具有创新思想的人才。问题在于，中国还没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，都是些人云亦云、一般化的，没有自己独特的创新东西，受封建思想的影响，一直是这个样子。我看，这是中国当前的一个很大问题”。吴超羽说 “为了真正认识钱老临终提出的创新问题，我们需要从更广泛的视野和时空尺度看中国科
14、学的创新问题。这是一个影响深远的重大问题。” 中国的文化基因中缺乏科学精神 回到雅斯贝尔斯所说的轴心时代,孔子、老子、柏拉图、亚里士多德、释迦牟尼这样的伟大思想家几乎同时出现，开创了各自文化历史的新时代。孔子的许多思想至今仍闪烁着人性的光辉，维系着中华民族的正气。但如果仅从与科学萌芽有关的“创新”角度而言，墨家在科技上，名家在逻辑上，道家在物我关系上，都表现出比儒家有更多科学萌芽的创意。孔子亦自谓“述而不作，信而好古”。然而，历史最终选择了儒家思想作为中国两千【创新之路】INNOVATION 4 科学中国人 2011 年第 1 期 多年历朝历代的主流思想。而成就了古希腊科学奇迹的原因之一无疑是
15、他们将对科学真理的追求置于世俗生活价值之外。即竺可桢先生总结的“只求真伪，不计利害”的科学精神。亚里士多德说“吾爱柏拉图，吾犹爱真理”。欧几里德除了几何原本外只留下两句话。其中一句是：“国王在这里没有特权”。这句话大概不会从孔夫子和他的后代口里说出。 吴超羽说: “我们应当清醒地认识到，至少从轴心时代起，中华文化里便缺少了科学精神和科学创新的文化基因，而且这种基因的缺陷影响至今。直面我们文化中的缺失需要勇气，而这种勇气只能来源于自信而不是自大。” 在中西文化交汇视野下看科学创新 自然科学传入中国的三次冲击 吴超羽认为，西方自然科学对中国文化的广泛而深刻的冲击可以概括为三次高潮。第一次发生在明末
16、清初，第二次自鸦片战争至“五四运动”前后，第三次自改革开放至今。明末意大利传教士利玛窦与徐光启合作翻译欧几里得几何原本前六卷，可视为西方科学首次与中国文化交汇碰撞的标志。这是人类认识自然万物，探讨自然规律的全新的知识系统。知识就是力量，是震撼灵魂的力量！徐光启、李光藻们显然知道，无论他们如何深爱并以此自豪的传统学问并不能包容涵盖这些对他们是全新的人类精神产物。先贤思想上受到这种冲击时发自心灵深处的极大震撼，我们至今可以感受。这种震撼延续了两个王朝。第一次碰撞时中国文化接受西方科学是被动的，但也是由西方传教士和中国士人和平而极其优雅地进行的。它所带来的冲击虽然震撼，但主要表现在精神和文化的层面。 百余年之后，迎来了中西文化交汇之第二波。此时中西文化与科学技术的交汇不再是温文尔雅的主客交流，其社会背景惨烈无比。此时中国历史已经走过了两次鸦片战争、一次又一次坚船利炮下屈辱的城下之盟和一个王朝的覆灭。中华民族经历着“数千年未有之巨变
