第二章學生提高理科能力故事推薦3
31.長江洪水：有多少問題需要解決
４月３日，剛剛在北京參加完“氣候變化國際科學討論會”的施雅風院士匆匆返回了南京，因為一項題為“氣候變化與長江洪水”的討論會正在等著這位８４歲的老人。參加這次研討會的近９０人當中，有來自中、德等國的科學家，有水利部門的官員、技術人員。如果仔細觀察就會發現，中方來賓的單位駐地幾乎全部在長江兩岸。
科學家們各自介紹預測模式、各種平台或者科研成果時都是侃侃而談，但麵對“未來５－１０年，長江流域將發生多少次、多大規模的洪水”這個問題時，他們會講，科學在這個問題上麵臨的很多困難，總之，現在給不出答案。
此外，還有許多問題困擾著科學家們：為什麼在整個流域增暖增濕的狀況下，四川卻在逐漸的變冷、變幹？為什麼有記錄以來的最大洪水卻發生在比較冷的時期？為什麼極端旱澇災害發生在同一地區？
但是，大多數科學家可以肯定地說，未來５－１０年內，長江流域將進入一個顯著的增暖增濕的過程。至於增溫的強度，科學家們的意見比較一致，到２０５０年，溫度上升２℃左右；而降水量的預測範圍則比較大，在１０％－３０％之間。
麵對這樣肯定的答案時，解決一切尚難說清的問題就變得更加急迫。麵對長江洪水，人們有多少問題需要解決？
1洪水預測：不確定性太多太多
在河海大學的陳喜教授看來，洪水預測的不確定性是由一係列的“不確定”決定的。
首先是觀測資料的限製。全球觀測資料存在兩個問題，一是空間上密度不夠，二是時間比較短。氣候變化是一個長期的過程，而資料的匱乏使得模式的建立與檢驗都比較困難。
再有，氣候模式本身的精確度不夠，而它的精確度又取決於很多方麵。目前的計算機在研究全球問題時速度還不夠；全球氣候模式又很複雜，計算時必須進行簡化，因此也會造成誤差；現有模式更多地考慮二氧化碳增加對未來氣候變化的影響，然而其他工業氣體的排放也會造成相應的影響；水量在氣候模式當中也很簡化，但它無疑是影響氣候變化的重要因素。
降水量作為氣候模式的輸出結果，進入水文模式進行洪水預測。水文模式也同樣存在計算能力以及資料等問題，再加上陸地空間變化非常大，地表狀況複雜，以及降雨的許多偶然性，洪水預測的不確定性也就可想而知了。
關於氣候變化和洪水的研究何時才能成熟呢？陳喜表示，這是一個長期的過程，研究資料的積累，研究水平的提高，都需要時間。
陳喜所講的資料問題，已經成為科學家們麵臨的一個“公共性”問題。此外，由於長江流域各地區洪水原因存在差異，更增加了洪水預測的不確定性。
2上遊來水：冰川、降水各不相同
受上遊來水量減少等因素影響，去年冬天長江部分河段出現了有水文記錄以來的最低水位，長江沙市水位降至３００２米。這樣的特枯水位一直持續到２月下旬，造成部分水道斷航。
然而，如果把這次“特枯”事件放到一個比較長的時間角度來看，也許會找出它的“必然性”。國家氣候中心任國玉研究員對１９５０年以來我國的降水和溫度變化情況進行了分析，結果表明，四川盆地及其西北一帶降水量呈減少趨勢，在總降水量減少的地區，暴雨日數也減少，而且溫度也逐漸降低。
降水量為什麼減少，是年代際變化導致轉幹，還是由於西南季風減弱，科學家們顯然還沒有確切的答案。
中國科學院寒旱所的何元慶研究員認為，“長江上遊來水量減少是由於西南季風減弱”的提法很模糊，因為西南季風實際有兩個分支，一支來自於印度洋的阿拉伯海，主要影響我國的青藏高原；一支則來自於孟加拉灣，主要影響我國西南地區。
何元慶認為，長江上遊降水有很大的不確定性。除了地形差別顯著之外，大氣環流形勢十分複雜。除了西南季風的兩個分支以外，東南季風也會影響到四川地區，冬季還會受到西風環流的一些影響。季風強度在上遊有些地區有所減弱，有些地區反而增強，正是由於這種區域性差異，大氣降水變化在長江上遊很不均勻，有些地區增加，有些地區減少。
與降水不同的是，隨著氣溫的普遍上升，長江上遊的很多冰川都呈現出退縮趨勢，而且這種趨勢還將繼續。何元慶說，冰川融水是長江上遊很重要的補給，冰川變化對整個長江流量有著重要的影響。
3梅雨：年年相遇的“陌生雨”
每年６、７月間，梅子熟了的時候，長江中下遊和淮河地區都會出現持續陰雨天氣，這就是人們通常所說的“梅雨”。它隻是東南季風影響我國的一種天氣現象。不過，擁有優雅名字的梅雨，正是造成某些年份長江中下遊洪水的元凶。
“洪水不完全決定於降雨量，它還和雨帶走向有關。”複旦大學的滿誌敏教授說，“如果主要的降雨區隨洪峰下行，那麼洪峰就會越來越大，造成嚴重的洪澇災害。”
１９５４年、１９９１年、１９９８年的大洪水都與梅雨有著密切的關係。正常情況下，梅雨期長約２０－３０天左右，６月中（下）旬開始，７月上（中）旬結束。而上述大洪水發生時，梅雨期都在兩個月，甚至更長，延續的時間超過正常年份，常常達一個月以上。
梅雨帶活動異常是人們解釋大洪水的重要證據，但是究竟怎樣才算“異常”呢？至今並沒有科學的界定。一般認為，“時間長”、“雨量大”、“在某一地區停留時間長”就被看作為梅雨帶異常。
顯然，這樣的解釋並不能令人滿意。滿誌敏認為，研究洪水的長期變化過程，必須弄清年內梅雨帶的時空特征和梅雨帶活動的長期變化。這些工作的開展要從恢複梅雨過程入手，然而觀測資料序列太短，迫使我們必須從代用資料中提取相關信息。
4泥沙：洪水期間遺漏統計數量驚人
在這次研討會的文摘中有一篇題為《模擬１９９８年長江大洪水期間泥沙通量》的文章，模擬得出的結果令人吃驚：
１９９８年長江上、中、下遊的泥沙通量估算分別為９３億噸、４５億噸和７２億噸，分別是過去４０年來平均泥沙通量的１９倍、１２倍和１８倍。２５個月的洪峰期間，上遊泥沙輸出有８５億噸，約有４億噸淤積在中遊，是普通洪水年份的６５倍；另外的４５億噸注入了大海，這一數字是普通洪水年份的３８倍。
洪峰期間，降雨量可以達到每秒７萬～８萬，甚至１０萬立方米。在如此高能量高水位洪水麵前，大壩能擋住多少泥沙呢？
由於水文站在洪峰期間不可能精確地記錄含沙量的數字，因此洪峰期間究竟有多少泥沙沒有被統計，成了一個非常令人琢磨的問題。模擬的結果自然而然把一個尖銳的問題擺在人們眼前：洪峰期間的泥沙量我們漏算了多少？
文章的作者是華東師範大學的陳中原教授，很顯然，他的工作屬於另一種思維方式，一種結合實測進行模擬的方式。陳中原說，洪峰期間大量的泥沙被大水衝刷下來，而人們往往忽略掉了。如果再按以前的邏輯，依靠水文站記錄的數字來計算泥沙的通量，得出的往往是泥沙逐漸減少的結論；這與近年來上遊地區大量的、強烈的人類活動事實不符。大壩可以擋住泥沙，但在洪水期間必然有相當部分給衝刷帶入中下遊、至河口區。否則近３０年來逐年下降的泥沙通量很難解釋中遊河床淤高、洞庭湖萎縮，以及洪澇災害頻發的現象。
陳中原說，如果按照他們的方法把５０年來的泥沙通量再演算一遍的話，結果將是驚人的！泥沙通量的計算對於河口海岸、航道、海洋生態環境有著十分重要的影響；它還會涉及到環境工程設計當中的很多問題。如果還按常規的計算方法，河流環境工程的設計指標將遇到洪水期間水沙波動的挑戰。
5越赤道氣流：意想不到的洪水誘因
一般人很難想象，南半球的強冷空氣竟會穿越赤道，成為我國長江流域洪水的誘因。然而，中國氣象科學院李曾中研究員的研究表明，越赤道氣流正是我國長江特大洪水的“罪魁”之一。
我們可以把越赤道氣流的影響進行“複原”：當南半球進入冬季時，南極爆發的強冷空氣向低緯度移動，穿越赤道時，氣團底部增溫增濕，而高空仍然保持著冰冷狀態，於是氣團變得很不穩定。隨著繼續北上，氣團變得越發不穩定。如果這時遇到其他的暖濕氣流，就會產生特大暴雨等災害性天氣。
早在上個世紀３０年代，北京大學李憲之教授留學德國時就曾指出，北半球的冷空氣可以穿越赤道，影響另一半球。１９８７年，李憲之教授在“降水問題”的專著中提出了“宏觀係統”的概念，並指出東半球冷空氣的侵襲，是造成另一半球特大暴雨的重要原因。
李曾中發展了李憲之教授的理論。近年來，他分析了越赤道氣流與我國大陸地區的降水關係，發現東半球夏季越赤道氣流總量的多寡與大陸地區有代表性的３３６個站６～８月平均降水量有著十分密切的相關。而５月越赤道氣流的強弱又可作為當年夏季越赤道氣流總量多寡的一個預測指標。因此５月越赤道氣流的強弱可以看作我國夏季洪澇災害的信號。
李曾中通過與中國地震局的曾小蘋研究員的合作研究發現，當某地出現大麵積地磁場異常時，１～９個月後，該地區將會有特大暴雨、洪澇災害發生。盡管其中的機理尚未完全清楚，但李曾中相信，利用地磁場異常資料，可以預測出未來洪澇災害發生的地區；通過地磁學與氣象學的交叉研究，長江流域的特大洪澇災害是可以預測的。１９９８年，他們準確地預測出了以江西省貴溪為中心的最大暴雨中心。
盡管這一理論出現得很早，但是並沒有得到學術界得普遍認同。李曾中認為這是一種新的思路，理應得到更多的支持。
32.阿拉伯數字
1、2、3、4、5、6、7、8、9、0，曆來被人們稱為阿拉伯數字。然而，這所謂的阿拉伯數字其實並不是阿拉伯人發明的。阿拉伯數字最早出現在古代印度，直到公元8世紀，才由印度天文學家毛卡傳入阿拉伯地區，阿拉伯人稱其為“印度數字”。後來，這種數字經過阿拉伯人的不斷改進，又傳入了歐洲，並很快傳遍全世界，為各國所采用。
這套數字係統最先隻有1、2、3、4、5、6、7、8、9，當時還沒有“0”。“0”這個數字，在那時還是一個黑點。後來，又經過了幾百年的演化，“0”才正式出現。直到那時，這套完整的十位數字才真正形成。
33.大自然也需要生存
有人說當代全球性環境問題，主要是由人的思維、決策與行為上的偏差引起的。這話一點兒不錯，人的思維一旦偏離正確軌道，隨之而來的必然是決策與行為上的失誤。這裏的問題就是處理好人與自然的關係。