蒙 克，循著波浪不斷前行的海洋學(xué)家

撰文｜王巍

蒙 克，循著波浪不斷前行的海洋學(xué)家

撰文｜王巍

蒙克的每一項(xiàng)研究和發(fā)現(xiàn)都因具有重要意義而永載史冊(cè)，但他從未停止探索的腳步。對(duì)他來(lái)說(shuō)，科學(xué)研究就好像地球自轉(zhuǎn)一樣，既沒(méi)有開(kāi)始，也沒(méi)有終結(jié)。可以無(wú)愧地說(shuō)，在物理海洋學(xué)界，他是一代宗師，永遠(yuǎn)受后學(xué)尊敬，他是屬于全世界的。

蒙克（Walter HenrichMunk），美籍奧地利地球物理學(xué)家、海洋學(xué)家。1917年10月19日生于奧地利維也納。1932年移居美國(guó)，1939年入美國(guó)國(guó)籍。1939年畢業(yè)于加利福尼亞大學(xué)，獲應(yīng)用物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1941年獲卡爾特什大學(xué)地球物理學(xué)碩士學(xué)位，1947年獲加利福尼亞大學(xué)海洋學(xué)博士學(xué)位。歷任斯克里普斯海洋研究所助理教授（1947年）、副教授（1949年）、教授（1954年），加利福尼亞大學(xué)地球物理和行星物理研究所所長(zhǎng)（1959年起），并兼任拉霍亞實(shí)驗(yàn)室主任。1948年后兼任挪威的奧斯陸古根海姆基金會(huì)研究員，1955-1962年兼任劍橋大學(xué)海洋學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)顧問(wèn)。此外，他還是美國(guó)人文科學(xué)院、美國(guó)哲學(xué)學(xué)會(huì)、美國(guó)地球物理協(xié)會(huì)和德國(guó)萊奧波爾迪內(nèi)科學(xué)院自然科學(xué)研究部的會(huì)員。1956年當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。蒙克研究的領(lǐng)域十分廣泛，在海洋科學(xué)上研究海浪、潮汐、風(fēng)海流、海洋湍流和海洋聲學(xué)，在地球物理學(xué)上研究地球自轉(zhuǎn)理論，在各研究領(lǐng)域上均有重要貢獻(xiàn)。

戰(zhàn)場(chǎng)立奇功的“海浪預(yù)報(bào)”

1944年6月6日，歐洲盟軍在諾曼底登陸，成功開(kāi)辟了歐洲第二戰(zhàn)場(chǎng)。同年10月20日清晨，美軍成功登陸萊特島，并在3天后的萊特灣大海戰(zhàn)中重創(chuàng)日本海軍。盟軍在諾曼底和萊特島的順利登陸，“海浪預(yù)報(bào)”起了極為重要的作用，而受美軍空軍氣象局海洋部委托完成“海浪預(yù)報(bào)”的兩位海洋科學(xué)家，一位是H.U.斯韋爾德魯普，另一位就是W.H.蒙克。

蒙克在和他的導(dǎo)師斯韋爾德魯普接受并進(jìn)行“海浪預(yù)報(bào)”研究時(shí)，可謂困難重重，不僅該方面完全無(wú)人涉及，就連海浪的理論研究也只處于初步探索階段。兩人在研究后認(rèn)為，應(yīng)將理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。雖然早期的觀測(cè)資料不夠系統(tǒng)和精確，但可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理的方式去偽存真；盡管原有的液體波動(dòng)理論太過(guò)理想化，不能應(yīng)用于實(shí)際，然而可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)予以改進(jìn)。因此他們利用原有成果，通過(guò)半理論半經(jīng)驗(yàn)的方式找出了有關(guān)風(fēng)浪成長(zhǎng)，涌浪的產(chǎn)生、傳播和衰減的規(guī)律（涌浪通常是指風(fēng)浪離開(kāi)風(fēng)吹的區(qū)域后所形成的波浪）以及近岸波的變化規(guī)律。蒙克等人還從復(fù)雜的海面抽象出一種所謂的有效波來(lái)進(jìn)行分析，并提出“最小風(fēng)時(shí)”等重要概念，從而建立了海浪理論，把風(fēng)浪和涌浪看成是一個(gè)完整的體系。

廣泛的海洋科學(xué)研究

蒙克對(duì)海洋科學(xué)的研究十分廣泛。1952年，他與雷弗爾（R.Revelle）研究了平均海平面的常年變化，提出在最近數(shù)十年間，平均海平面以大約每年1毫米的比率上升。1959年蒙克研究了平衡極潮的起因及其對(duì)極移（地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球本體的位置是變化的，這種運(yùn)動(dòng)稱為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱極移）的影響，論證了存在周期大致為14個(gè)月的“極潮汐”。1960年蒙克在增加考慮地球的彈性因素之后得出極潮汐振幅的數(shù)值在0.5厘米左右。

在對(duì)海流現(xiàn)象的研究中，蒙克于1959年建立行星風(fēng)應(yīng)力渦度、行星渦度和高階水平湍流摩擦力渦度三者間平衡的全流模式，從渦度平衡的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明大洋環(huán)流西向強(qiáng)化的原因。

在對(duì)海洋湍流現(xiàn)象的研究中，蒙克根據(jù)海洋中渦動(dòng)黏度的經(jīng)驗(yàn)確定，得出鉛直渦動(dòng)黏度和渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)與理查孫數(shù)關(guān)系的表達(dá)式。

在對(duì)海水溫度變化的研究中，蒙克開(kāi)創(chuàng)了用聲波測(cè)量海水溫度變化的先河。聲波測(cè)溫原理是由于聲波在暖水中的傳播速度比在冷水中快，通過(guò)反復(fù)測(cè)量音頻脈沖在海水中穿行數(shù)千千米所用的時(shí)間，便可以測(cè)出一定時(shí)間里海水是否在逐漸升溫。這種方法可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)溫室氣體向大氣中排放所造成的全球范圍內(nèi)的海洋變暖現(xiàn)象。蒙克初步計(jì)算表明，大氣中積累的溫室氣體可以使1000米深處的海水在一年內(nèi)升溫0.005攝氏度，這用傳統(tǒng)的方法是絕對(duì)無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的。

新穎的“潮汐響應(yīng)分析”

海洋潮汐學(xué)傳統(tǒng)的研究分析方法是把地球上任意一點(diǎn)的潮位變化按照展開(kāi)式的譜波向分解為許多分潮，并根據(jù)潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算各分潮的振幅和相位。該方法即潮汐調(diào)和分析，也稱潮汐波譜分析。蒙克認(rèn)為，調(diào)和分析法雖然考慮到了月球、太陽(yáng)的引潮力，卻未考慮太陽(yáng)輻射的影響，該輻射只對(duì)面向太陽(yáng)的一面才起作用，可引起輻射潮。據(jù)此蒙克與卡特萊特（D.E.Cartwright）于1966年提出了“潮汐響應(yīng)分析”法。這種潮汐譜分析方法，允許出現(xiàn)各種本底噪聲，能客觀地分析出各種可能的振動(dòng)，并能將具有相同頻率而來(lái)源不同的各種振動(dòng)分離出來(lái)。他們以這種潮汐響應(yīng)分析法對(duì)檀香山和紐萊因的潮位做實(shí)例計(jì)算，預(yù)報(bào)出的潮汐精度高于調(diào)和分析法。

蒙克的這一方法在學(xué)術(shù)界廣泛傳播，在我國(guó)也得到了應(yīng)用。1991年用響應(yīng)分析法計(jì)算了中國(guó)10個(gè)站的太陽(yáng)半日分潮的輻射分潮，結(jié)合數(shù)學(xué)上的拋物線插值法給出了中國(guó)沿岸太陽(yáng)半日分潮的輻射潮與引力潮的平均振幅比，得到平均遲角差。1992年應(yīng)用響應(yīng)分析法研究了中國(guó)沿岸太陽(yáng)輻射潮對(duì)平均海面季節(jié)變化的影響。

逆向思維的“海洋聲學(xué)層析術(shù)”

“海洋聲學(xué)層析術(shù)”是利用聲學(xué)方法在大范圍的海域上測(cè)量海洋動(dòng)力特征的一種遙感技術(shù)。蒙克利用逆向思維，通過(guò)聲波在海水中的傳播速度來(lái)反推海水的溫度、鹽度、流向和流速。之后，把這種逆向反演的方法與計(jì)算技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)展成為了海洋聲學(xué)層析術(shù)。

在進(jìn)行海洋聲學(xué)層析測(cè)量時(shí)，在所測(cè)海域周圍布設(shè)一系列水聲發(fā)射和接收換能器，通過(guò)精確地測(cè)量水中聲波傳播的時(shí)間，計(jì)算出聲波傳播的速度。然后應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)取得的聲波平均速度和往復(fù)速度差進(jìn)行逆向運(yùn)算，就可以得出所測(cè)水域中的溫度、鹽度、流速、流向等海洋水文環(huán)境要素的分布狀況。

諾曼底登陸

蒙克在20世紀(jì)70年代末提出該技術(shù)后，到現(xiàn)在已有了廣泛的應(yīng)用。如使用100~200赫的聲波，可以進(jìn)行100萬(wàn)平方千米海域的層析觀察、監(jiān)測(cè)中尺度渦等中尺度海洋動(dòng)力過(guò)程。值得一提的是，中尺度渦是海洋中的一種重要現(xiàn)象，預(yù)先了解它的動(dòng)力過(guò)程，便可利用其提供長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)服務(wù)。

蒙克的每一項(xiàng)研究和發(fā)現(xiàn)都因具有重要意義而永載史冊(cè)，但他從未停止探索的腳步。對(duì)他來(lái)說(shuō)，科學(xué)研究如同地球自轉(zhuǎn)，即沒(méi)有開(kāi)始，也沒(méi)有終結(jié)。可以無(wú)愧地說(shuō)，在物理海洋學(xué)界，他是一代宗師，永遠(yuǎn)受后學(xué)尊敬，他是屬于全世界的。