作者:丁佳 来源: 中国科学报 发布时间:2020/8/25 8:59:44
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坐看“风云”起
——走进大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室

 

周天军代表实验室在2019年第四届国际区域气候大会上作报告

实验室2014年学术年会合影

太原先进计算中心的超级计算机

 

本报记者 丁佳

每天《新闻联播》结束后,《渔舟唱晚》的音乐响起,《天气预报》的画面随之出现,那感觉再也熟悉不过。

这是中国当代年轻人共同的童年记忆。很多人还记得,当年的天气预报并不那么准,一场意料之外的雷雨常常成为人们茶余饭后的谈资;可时至今日,小到每个小时的精准天气情况,大到牵动全球的国际气候谈判,中国的大气科学,已经悄悄地变得越来越厉害。

天气和气候,已经深深地融入到每个人的生活之中。但很多人不曾想过的是,这些看似司空见惯的背后,却是中国大气科学工作者几十年奋发图强、锐意创新的结果。

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室就是其中的一支重要力量。这个依托于中国科学院大气物理研究所(以下简称中科院大气所)建设的国家重点实验室自1985年成立以来,就一直在气候模式研发、气候模拟和气候研究等领域深耕不辍,摘得累累硕果。

“当掉裤子也要买计算机!”

中科院大气所保持着一项引以为傲的纪录——在全国三家大气科学领域的国家重点实验室中,大气所就占了两家。

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室作为我国首批建立的国家重点实验室,经过30多年的学术积累和几代人的共同努力,发展完善了从大气、海洋到完全耦合的气候系统模式,是国内唯一、国际上少数同时自主研发大气、海洋和耦合模式的研究机构之一,已成为在相关领域具有重要国际影响力的研究机构,并在大气科学人才培养、支撑国家经济社会发展等方面发挥越来越重要的作用。

“某种意义上说,一个国家数值天气预报的水平,能反映出这个国家的大气科学水平。”大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室主任、中科院大气所研究员肖子牛说,“现在我们可以自信地讲,中国的大气科学在全球占有重要的一席之地,中国也是少数几个拥有最全面和完备的数值模式系统的国家之一。”

如今的大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室已经是世界上该领域一个响当当的名字,但时间退回30多年前,实验室面临的却是截然不同的境地。

“大气科学中,很多实验是没法重复的,因此它很难遵循经典自然科学实验的范式。”肖子牛说,“我们一直想寻找一种方式,让大气科学纳入到现代化科学的体系中。”

实验室的创建者和首任主任、中科院院士、国家最高科技奖得主曾庆存30多年前想到的方法,就是建立一个专门的实验室来研发数值模式,用动力学方程去描写大气的演变状况。这样当发生了一次台风或暴雨时,科学家就可以在超级计算机上进行多次重复实验,去重现当时发生了什么,甚至可以预测未来。

“地球流体运动非常复杂,其中很多科学问题的研究依赖传统的理论和实验方法已远远不够,因此,数值模拟就成了不可替代的第三种研究手段。”在中科院院士、大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室前主任吴国雄看来,数值模拟是20世纪后半叶最重要的科技进步之一,也是数学和计算科学应用于大气科学和地球流体力学领域必不可少的纽带和工具。

一件往事,让吴国雄记了几十年。

35年前,曾庆存非常前瞻性地看准了超级计算机对大气科学的重要性,并留下了一句著名的话——“哪怕是当掉裤子也要买计算机”。

可是,在科技水平并不突出、科研经费捉襟见肘的上世纪80年代,这一切就好像是天方夜谭。吴国雄还记得,当时他从曾庆存处得知,国外有一台淘汰了要卖掉的超级计算机,十分欣喜。“我和老曾为了买他们的机器,跟老外‘套近乎’,还带老外去游三峡,可到了最后,对方国家的国防部和工业部还是没同意。”

一直到1988年,在国家计委的资助下,通过与意大利“世界实验室”合作,实验室才终于引进了一台超级计算机。科研人员就在中科院电工研究所和中科院大气所原址之间的过道上,盖了一间平房作为机房。

就在这间简陋的平房里,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室走上了一条现代化和国际化的道路。

30多年的变与不变

“这个实验室的成立源于当时的所长曾庆存的国际视野,是在当时国家还不富裕的情况下勒紧裤腰带建立的。”中科院大气所副所长(主持工作)周天军说,“这么多年来,实验室一直在坚持数值模式研发这一主流发展方向,历经几届实验室领导班子,方向始终不动摇。”

根据国内外学科发展趋势和国民经济建设的需要,以及知识创新时期对国家重点实验室的新要求,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室始终围绕着地球气候系统模式的研发与应用、天气气候动力学理论、可预报性及预测预报新理论和新方法、地球流体宏观演变规律和机理等四大方向开展研究工作。这四个方向相辅相成、共同发展,形成了从理论到基础应用的闭环。

肖子牛认为,数值模式的发展是真正的“十年磨一剑”,需要一代代人持之以恒地坚持做下去。“在应用领域,国际上做得最好的欧洲中期数值天气预报中心就有很好的传统,他们一直在坚持做。所以我们意识到,方向一旦认定了,就不能总变动。”

30多年未曾改变的“红色基因”换来的是实验室科研实力的突飞猛进、国际地位的稳步上升——

实验室自主研发的模式参加了历次国际耦合模式比较计划,结果被历次联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告所引用,大大提升了中国在气候模拟和预估领域的国际影响力;

在气候动力学研究领域,实验室取得了一批在国内外有重大影响的原创性研究成果,部分成果直接应用于国家级业务,科研成果在重大灾害性天气气候事件及国家防灾减灾工作中发挥了重要作用;

实验室为国家培养和输送了大批气候模式研发、气候模拟和气候研究人才,实验室成员在诸多国际学术机构担任主席、执委等重要职务,在重大国际科学计划的制订上从早期的参与、追随提升到直接参与决策……

经过30多年的发展,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室已成为在气候模式研发和气候模拟研究领域具有重要国际影响力、在青藏高原和季风气候动力学研究领域国际领先的研究机构。

“七连优”的背后

“现代气候学研究的一个重要进展就是提出了气候系统的概念,也就是把大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈等5个圈层作为一个整体,从多圈层相互作用的角度,来研究过去和现代气候的变化规律和机理,预测和预估其未来变化。”周天军说,“而数值模拟、理论研究、观测研究,就是支撑现代气候学研究的三大手段。因此,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的定位既把握住了国际科学前沿,又突出了数值模式这一支撑前沿科学研究的基石。”

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室副主任、中科院大气所研究员段晚锁从事可预报性研究。他和他的团队发现,近年来厄尔尼诺现象发生的频次比较多,尤其是中太平洋厄尔尼诺现象频繁发生,跟以往的模式相比发生了变化,他们想要研究厄尔尼诺的多样性问题。“我们跟国家气象部门交流后了解到,中国在这一领域的预报系统几乎为零,于是我们就自己研究出了一个办法,想要应用到业务部门。”段晚锁向《中国科学报》介绍说。

可就在这时,段晚锁团队遇到了一个难题,他们不能把这一套方法高效率地计算出来,这意味着这一中国原创的方法无法广泛地运用到复杂的模式系统中去。

“得益于实验室四个方向有效的交叉合作,实验室流体力学团队很快参与进来,利用他们的专长,研发出一种比较高效的算法。”段晚锁说,最终,实验室帮助国家成功建立了厄尔尼诺多样性的预测系统,现在在国家海洋局海洋二所、国家气候中心都有应用,这一方法也在国际上得到了好评。

中科院大气所研究员黄刚是“半路出家”,由于研究兴趣,在上一个评估期才转进实验室。来到实验室后他发现,各个方向的科研人员都有机会开展自由探索,全国的青年科学家也愿意来实验室进行交流,碰撞学术火花,黄刚深感“开放、民主、包容的学术氛围吸引着我”。

这种看似宽松自在的环境其实是实验室历届领导班子有意识培养的结果。在上世纪90年代,为了加强学术交流,时任主任吴国雄在中关村的一座两层小楼里架起了黑板,每周三就会放一点茶水、咖啡之类,让年轻人去交流思想。国外学者经过北京时,也常常被拉进来给大家讲一讲。“学术气氛浓厚了,是非就少了,我们这个业务交流的传统一直保持到了今天。”吴国雄说。

在一届届实验室领导班子的带领和所有实验室成员的共同努力下,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室在1988年、1992年、1996年、2000年、2005年、2010年、2015年的国家评估中,连续七次获得“优秀”的好成绩,成为国家重点实验室中的一个典范。

但他们并不满足于此。“在实验室的未来规划中,我们将在坚持数值模式发展和应用的同时,进一步巩固基础研究优势,拓展交叉学科研究,以科学创新和国家需求为引领,更好地满足国家防灾减灾和应对气候变化的重大需求,为社会经济可持续发展和国家安全提供科技支撑。” 肖子牛说。

不过三十而已。面向未来,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室前景可期。

实验室创建者和首任主任、中科院院士、国家最高科技奖得主曾庆存

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室简介

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(英文缩写LASG)成立于1985年,同年9月正式对外开放,1989年晋升为国家重点实验室。在实验室历任主任的领导下,LASG成为蜚声国内外的大气科学和地球流体力学研究机构,并在1988年、1992年、1996年、2000年、2005年、2010年、2015年的国家评估中,连续七次获得优秀(其中2005年为免评获优)。

LASG于1990年被国家计委和中科院授予先进集体称号,1994年获国家计委金牛奖,2004年获科技部“国家重点实验室计划先进集体”(金牛奖),2011年获科技部“十一五”国家科技计划执行优秀团队奖。

根据国内外学科发展趋势和国民经济建设的需要,以及知识创新时期对国家重点实验室的新要求,实验室当前的主要研究方向为:地球气候系统模式的研发与应用;天气气候动力学理论、气候系统变化规律及其异常发生机制;天气气候可预报性、气候预测的新理论和新方法;地球流体宏观演变规律和机理。

实验室的研究目标是发展性能优良的地球气候系统模式;从地球系统圈层相互作用的角度出发,揭示全球和东亚气候变化的内在动力、热力机制以及外在影响因素;在天气气候动力学、天气气候可预报性研究以及地球流体力学领域取得原创性成果,为我国气候预测和应对气候变化提供理论依据。

“压力山大”的实验室主任

在30多年的历史中,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室共产生了五位实验室主任。在采访过程中,无论是现任主任还是前任主任,他们都有一个共同的感受,那就是在这个实验室里当主任,“压力山大”。

压力源于优秀。

从1988年开始,在历次的国家重点实验室评估中,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的成绩一直是“优秀”,成为地学领域两个获此殊荣的实验室之一。

压力也是动力。

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室前主任、中科院大气物理研究所研究员王斌是在新千年接过实验室主任一职的,他的两位前任——中科院院士、国家最高科技奖得主曾庆存和中科院院士吴国雄都是大气科学领域德高望重的著名科学家。

“曾先生创建了实验室,吴先生将实验室发扬光大。如何保住前辈的果实,让实验室始终在大气科学领域保持领头羊的地位,是我主要考虑的问题。”王斌说。

进入21世纪,大气科学的发展越来越快。在早年,从IPCC第1次评估报告到第4次评估报告近20年间,来自中科院的气候系统模式支撑着我国参与气候模拟和预估领域的国际竞争;而在第1到第3次耦合模式国际比较计划中,中科院的模式也是唯一来自发展中国家的模式。

而到了2013年,IPCC第5次评估报告发布,引用了第5次耦合模式国际比较计划。参与此次比较计划的模式全球共有35个,而中国就占到了6个。

周天军认为,从中科院一家独大,到中科院、部委和高校共同参与的格局,说明中国的模式研发队伍正在迅速扩大。

王斌感到,如果要让大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室这支“老牌劲旅”继续发挥引领作用,就要在实验室内部推行一系列改革。

例如,他进一步明确了实验室管理规范,将吴国雄在任期间提出的学术秘书制度继续发扬光大,帮助科研人员从杂事中解放出来、潜心致研;他还将实验室每年的学术年会办成了品牌,邀请各界专家参与,打响知名度。

压力更是魄力。

在2015年接任实验室主任后,肖子牛所面临的不仅是国内同领域“后起之秀”的竞争,更要去应对越来越激烈的国际竞争。

“模式是贯穿整个大气科学的核心竞争力,近年来,各个国家都在推出不同的计划。”肖子牛说,“想要从强手中突围,就要寻找自己的长处。”

他想到的是在高分辨率模式上进行突破。数值模式需要描写每个点上的天气、温度、风、降水演变情况,分辨率越高,描写得就越精细。“我们现在的气候系统数值模式能够做到30~50公里的分辨率,未来我们想提高到公里量级。如果我们能够建立全球 ‘公里级’云/涡可辨的超高分辨率模式,发展出更适合中国复杂下垫面的特色参数化方案,就能够极大提高极端天气—气候事件模拟和预测能力,实现天气—气候的无缝隙预测。”

但是,分辨率越高,就意味着计算量越大,误差积累越快,理论、算法等都需要进行改进。于是,近年来肖子牛带领实验室科研人员与计算机领域密切合作,在与计算机先进技术交叉融合上花了很多力气。

“我们盼望着有一天,我们能用一个数值模式,去描写一朵云的变化,揭示更多气候系统演变的奥秘;更盼望能准确预报出每一个强风暴的天气过程,并能够继续代表国家,赢得更多国际谈判的筹码。”肖子牛最后说。(丁佳)

《中国科学报》 (2020-08-25 第4版 聚焦)
 
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