第一部分科研轶事及掠影

张仁华

（二）科研初期

      1.初进中科院

      我1963年从南京大学气象学系毕业分配到中科院地理所气候室，参加黄秉维所长提的地理学主题项目:热量水分平衡中蒸发研究，具体任务是在石家庄试验站开展农田小气候观测，运用多个高度的通风干湿表，连续测量气温和空气湿度，以热量平衡方程和空气动力学扩散方程计算地表蒸散。那时研究团队(即包括小气候和农业区划两个研究小组)有以实验为主的小气候组和以分类为主的农业区划组，当时童庆禧院士和我均在小气候组。

通常运用通风干湿表进行的多层高度的梯度观测方法，是在测杆上几个高度垂直固定铁钩，挂上通风干湿表，大风时将会飘动，通风干湿表的进风口将会改变方向和高度，影响测量精度。童庆禧动手用两根平行的铁丝，将在最高层挂钩与在土壤中打桩的钩子连接拉紧，做了几层水平固定通风干湿表的装置。解决了通风干湿表不能随风飘荡的问题，提高的观测质量。事情虽小，但是表达了童庆禧的动手能力和创新思维，给我留下深刻印象。

      文革前的1966年初，国家3月参加了由国家科委主任范长江主持的黄淮海抗早队，地点在山东在禹城。曾经是《大公报》著名记者转到搞农业抗灾工作，可谓多面手。有一次在禹城水利局礼堂作动员报告，其作报告的风格仍有记者演讲的感染力，讲到高潮时人走下讲台，深入听众中间，高举右手呼唤“让黄淮海平原在我们的脚下震动吧!”表达了国家综合治理黄淮海平原旱涝碱灾的决心。

      文革开始，抗早队撤回北京。到1978年，地理所开始在盐碱灾害最害的禹城南北庄洼地建立生态站，联想到盐碱地形成的机理是洼地盐碱地下水随强力的蒸发带到土壤表层所致。这是我们研究水分蒸发规律的科学工作者应该做的事情。

      2.土面增温剂试验

      1967-68年响应“抓革命促生产”号召，洪嘉连、陈发祖、吴家燕与我，用大连化工厂生产的“水温上升剂”(实质上是抑制水面蒸发而节省潜热消耗的一种亲水脂肪酸)，先后在广东佛山、湖南韶山冲、湖北黄冈开展水稻育秧防寒试验。1969年在黑龙江佳木斯。在佳木斯这段蹲点试验时间最长，从5月一直到11月，这次试验不仅测量在水稻育秧期水温上升剂增温效果的小气候，而且要测量整个水稻生长期的小气候随时间的变化观测。江爱良、蔡文宽和我一起参加的。住在一个朝鲜族农村的大队部，一个炕上最多睡8个人。吃饭在一家离大队部最近的农户。给我印象较深的是一日三餐均是大米饭和朝鲜酱菜，虽然营养不全面，但是非常可口。我在所金工车间加工了一套适用水稻田的小气候(微气象)观测架，使得空气温度和空气湿度观测梯度数据和水面增温剂的升温效果更加准确。江爱良、蔡文宽一个月后就回北京，而佳木斯市农业局和当地朝鲜族老乡挽留我继续试验，由佳木斯农业局开了公函到我所，表达了我的出色试验成绩以及与当地农民打成一片的表现。当时在文革期间这种评语的等级是不低的。我一直待到11月才回北京。临别时全村老乡依依不舍感人情景现在依然记忆犹新。

      这段观测锻炼和考验我对研究工作的坚持和执着精神。对我后来开展的实验遥感和定量遥感研究起到了作用。

      在这段土面增温剂试验中，参加成员之一的陈发祖在学术水平上是我的崇拜者。陈发祖58年北京大学地球物理系毕业高材生，是北大徐希孺教授的校友。陈发祖考入地理所黄秉维所长的研究生，数理基础好，爱好实验，在地理所首次运用涡度相关系统测量地表水热通量。他家客厅主墙上一张照片，是他登高到通量塔试验的工作照。改革开放后，陈发祖考入澳大利亚“联邦科工组织，CISSRO”读博士学位。1988年左大康所长聘他回国担任禹城站站长和地理所学术委员会主任。在地理所开展高塔梯度观测和地表通量涡度相关观测试验，以及开展热量平衡和地表通量的定量研究。地理所特聘研究员孙晓敏当时是陈发祖离不开的助手和朋友。

      陈发祖为人正直，业务能力强，既精通理论，又酷爱实验，是地理实验科学的优秀的领军人物。然而由于多种原因，任职不到三年就辞职回到澳大利亚联邦科工组织继续他的工作去了，非常遗憾没有在地理所进一步发挥他的才华。

      1976年10月文革结束，1977年春天再次开展土面增温剂试验，由丘宝剑、唐登银、洪嘉琏等领导的《土面增温剂》增温防寒试验，在湖北开展了较大规模的推广。我用自己做的红外测温仪测定了增温效果。在这次试验中，我体会到唐登银的领导和组织能力极强，作报告精辟达意，一针见血，富有号召力，是一位出色的帅才。此项目在1985年获得了国家四等发明奖。

      牛文元与我等5人在1982出版专著《土面增温剂的机理与效应》。在此专著中，我引入了热红外测量技术，提出了对土面增温剂的表面温度、比辐射率、热红外透过率、薄膜阻抗等物理参数的测量技术和计算方法。推导了基于地表热量平衡方程的土面增温剂的理论增温值，发现了增温后的散热效应与减少潜热的增温效应的消长现象，所得理论计算值与实测值非常一致。

      所谓水温上升剂和土面增温剂，其原理就是抑制水面和土面的水分蒸发，减少潜热的消耗而增加温度。试验主要内容是测试“水温上升剂”的增温效应。其中水面土面温度的测量采用玻璃水银温度表接触式测量，观测工作量很大，不能够测量大面积的增温效果。在那时我产生了改革测量方式的愿望。见诗一首:

水面增温助育秧，效果须知难测量

转战南北获启迪，红外测温喜见长。

      3.研制红外测温仪

      1975年喜闻上海技术物理所正在研制红外测温仪，可以快速、非接触测定大面积的表面温度。当我第一次亲眼看到，一台红外测温仪样机的指针能够敏感应从几米远处被测物体的表面温度变化而摆动，我的心情非常激动和好奇!据文献报道红外测温仪可以测量月球的表面温度!在朝鲜战争中美国用的一种发射人眼看不到的近红(短波)外辐射，运用近红外探测器观察夜间无任何照明时获得我国志愿军活动情况。而热红外测温仪无需主动发射近红外辐射，就能在夜间探测到人的活动，应用价值更大，当然制造的难度也更大。从此，我开始对热红外遥感研究的发生了浓厚的兴趣。

      我和卫林由中科院院部开了介绍信，赴上海技术物理所“开门办科研”的上海力强弹簧厂，进行所谓科研-生产-应用三结合。上海技物所为科研方，由63届毕业的石宝安和65届毕业的张才根等具体参加。上海技术物理所是在红外技术的实力很强的研究所，被国外同行称为“中国的红外技术托拉斯”。力强弹簧厂的任务只是测温仪的外壳、电源和机械插件的机加工。我们虽然作为应用方，但自带“粮票”直接参加了他们的试制工作。1976年我和孙惠南再去上海参加研制工作。我参加时间最长，先后累计达13个月。这段工作本人受益匪浅，不仅学到了当时属于前沿的先进红外测温理论与技术，而且能够独立创新提出红外遥感关键参数比辐射率的野外测量方法。我收获更大的是知道了他们研制成功的关键:在刚试制的阶段，他们的思路是将物体发出的热红外辐射经过8-14微米滤光片滤光后的全部输入放大器，其结果噪声非常大，信噪比很小，不能获取与温度成正比的电压输出值，经历了无数次的失败。然而，由于他们的不怕失败的坚强的努力，发现仅用滤光后的窄波段峰值信号的输入放大器，虽然输入信号小了，但是噪声大大降低，信噪比大幅度增加，获取了与温度成正比的电压输出值。试制终于获得成功!使我明白创新和成功，实质上就是一种克服困难的过程，在这过程中思路要灵活。

      1978年4月在上海召开了红外测温仪产品鉴定会，得到该领域的同行的认可和称赞。我们与上海技术物理所研制人员一起，获得了上海市重大科技成果奖。

      4.寒害揭底

      1977年冬至1978年春，我参加了洪嘉连为组长的云南西双版纳橡胶林寒害小气候考察，主持单位是中科院华南热带植物研究所。当地人们称云南橡胶林寒害为“烂脚病”，受寒害的位置在橡胶树杆的基部，从地面以及向上50厘米之间。我记得我感兴趣是弄清为什么橡胶树在此部位受害的机理?凌晨我携带自己制作的红外测温仪，到橡胶林里快速测定地面、树干和树叶表面温度，惊讶发现除树杆基部表面温度特别低外，其余的树杆、下层树叶几乎等温，下层树叶温度高而密闭看不见蓝色天空，就像有棉被覆盖，地面为什么能够冷却?夜间冷却源在哪里?在林场支持下，用粗长的毛竹绑在橡胶树上端，毛竹上端装一定滑轮，像升旗一样将红外测温仪升到约20米高处，离橡胶林冠层表面3-4米，可以45度倾角向下观测橡胶树冠层表面温度，温度信号用20多米的电缆传到地面的二次仪表。一座简易的“遥感”观测平台诞生了。观测结果揭晓了谜底，西双版纳夜间晴朗无风，辐射冷却迅速，由于橡胶树冠层的辐射冷却，使贴冠层的空气温度下降，冷却的空气密度加大而变重下沉，曲折穿过层叠树叶到地面，堆积成“冷湖”，将橡胶树基部“泡”在冷空气里而受害。红外测温仪的非接触“遥感”对谜底揭晓起了作用。与考察组其他人员的贡献一起，获得云南省科技成果二等奖。

      回忆这段往事，使我领悟到新测量仪器可以洞察到新的信息的重要价值。西双版纳橡胶林的烂脚病已经存在多年，由于没有红外测温仪就无法知道林冠下层的表面温度与地表温度相等接近的事实，就不会否认地表是辐射冷却源，也不会想到林冠表面是真正的冷却源，林冠辐射冷却的空气穿林冠空隙下沉，累积到橡胶树的根部，导致烂脚病。

      从我国南方广东佛山到北方佳木斯的土面增温剂试验，以及我国西南方西双版纳的橡胶林的小气候考察，我体会到红外测温仪的非接触测量的价值和意义，从水银温度计与地面的几平方厘米接触面积，扩展到几平方米地面，特别是可以测量植被冠层温度，是革命性的飞跃!英国微气象家在1958年出版的微气象学中就指出用水银温度计测量地表温度的不确定性，向往有朝一日能够实现地表温度的非接触测量。从此我也就热爱上了热红外遥感。写诗一首:

版纳胶林遭寒害，烂脚不知因何在。

林冠冷气穿隙下，揭底红外测温台。