作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2024/1/12 8:11:55
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气象“老兵”曾庆存:为国为民为科学

 

气象学是一门关乎百姓日常生活和社会稳定的重要科学。它不仅能为人们提供更准确的天气预报,还在灾害管理、资源规划和环境保护方面发挥着关键作用。作为一名气象学领域的“老兵”,中国科学院院士、国家最高科学技术奖获得者曾庆存用一生执着,为数值天气预报和气象卫星遥感作出了开创性和基础性贡献。

曾庆存   受访者供图

“此身未是枯朽材”

即将成为“90后”的曾庆存生活很简单,每天早上6点左右起床,做操、吃饭,接下来主要精力都放在工作上,工作内容之一就是使中国地球系统模式加速走向国际最前沿。

上世纪90年代末,曾庆存提出构建中国自主创新的地球系统模式。简言之,就是把地球系统“搬进计算机”。江河湖海、山川冰石、葳蕤草木、飞禽走兽……纷繁万物分属大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈五大圈层。各圈层如何遵循大自然精妙的规律运转?曾庆存希望用数学物理公式将其定量地表述出来,并将各个圈层的变化规律进行耦合,从而推演地球不同圈层的变化,进行针对性的“地球实验”,以重现过去、模拟现在、预测未来。

在曾庆存的提议和组织下,我国重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”在2018年启动。这个跨学科项目由中国科学院大气物理研究所(以下简称大气所)牵头,国内多家科研机构与高校参与。目前,该项目已在北京怀柔科学城建成面向地球科学的超巨型计算机——大国重器“寰”,并在2023年11月发布了我国首个具有自主知识产权的“完整”地球系统模式CAS-ESM2.0。

由于地球系统模式的复杂性,目前绝大多数国家开发的都是单一气候系统模式。CAS-ESM2.0则集成了大气环流(包括高层大气)、海洋环流(包括洋冰)、陆面过程、植被动力学过程、气溶胶和大气化学等8个分系统模式,使中国成为世界上少数具有地球复杂巨系统综合模拟能力的国家。

CAS-ESM2.0可以为天气预报以及气候和环境预测提供支撑,为防灾减灾、生态环境治理以及应对气候变化的国家战略制定提供决策依据和科技支撑。曾庆存希望继续推动该模型走向国际。

他在诗中写道:“劈面狂吼欲倒栽,此身未是枯朽材。酣战寒风浑乐事,直摧冬尽接春来。”

“雄心初立志驱前”

其实,在20余岁时,曾庆存就已经是国际气象学界一颗冉冉升起的新星了。

1952年,曾庆存考取北京大学物理系。新中国成立之初,急需气象科学人才,他被调到了气象学专业。

风云变幻莫测,1954年秋天,一场晚霜把河南40%的麦苗冻死了,严重影响了当年的粮食产量。这让曾庆存暗自坚定了目标:把传统望天看云的经验预测变成真正的气象科学预测。

1957年,曾庆存被选派至苏联科学院,师从国际著名气象学家基别尔,研究数值天气预报。他回忆,那段时间特别苦,为了补数学、物理理论知识短板,他要到莫斯科大学蹭课,拼命恶补,有时一页书琢磨很多天,才能硬着头皮“啃”下来。

基别尔感受到了曾庆存的学习劲头和迅速跟上来的步伐,便给了他一个世界难题作为论文选题——应用斜压大气动力学原始方程组做数值天气预报。

所有的师兄都反对这一安排,担心研究不出来可能拿不到学位,而曾庆存这个“初生牛犊”却偏向虎山行。

没有前路可循,他就冥思苦想,吃饭、睡觉、走路都在想机理、找算法。计算机时间分配非常紧张,一个星期只有一小时使用窗口,他就抓紧时间验证。

1961年,经历了一年多的反复试验,曾庆存从分析大气运动规律的本质入手,想出了用不同计算方法分别计算不同过程的方法——半隐式差分法。计算机验证成功后,他高兴极了,立刻从机房冲了出去,想把这个消息告诉导师。但兴奋过度的他竟忘了穿大衣,因为失温,一头栽倒在莫斯科零下30度的天气里,不省人事。过路人看到了,急忙把他抬到医务室。

这个让曾庆存大病一场的算法,给出了世界上第一张求解原始方程组的天气预报图,为数值天气预报技术奠定了基础,至今仍被广泛应用。

那一年,曾庆存26岁。获得苏联科学院副博士学位的他,立即踏上了祖国大地。他在一首励志诗中写道:“温室栽培二十年,雄心初立志驱前。男儿若个真英俊,攀上珠峰踏北边。”

这条攀登之路,走得很艰辛。

上世纪60年代,国内尚未有足够的电子计算机条件,回国后的曾庆存集中攻关大气和地球流体力学及数值天气预报中的基础理论问题。有人认为他“脱离实际”“走资本主义道路”,但他咬牙坚持,在大气和地球流体力学的物理、数学理论研究上做出开创性、系统性成果。

上世纪80年代初,随着长期天气预报对社会经济发展日益重要,世界气象组织将工作重心放到长期预报研究上。在此背景下,时任大气所所长曾庆存提出购买超级计算机。他认为我国在理论和计算方法上并不比国外差,制约发展水平的是计算机。

但当时我国基础研究处于困窘境地,缺少必要的科研经费。曾庆存仍然坚持:“把裤子脱了去当,也要买计算机。”

为了这台计算机,他在赴美国访问时遍访友人,得到有用消息,最终购得一台。

事实证明,这台计算机对数值天气预报的进一步发展极为重要。1982年,美国科学家提出能够在10年内实现1个月逐日数值天气预报,以此作为一个月气候预报。曾庆存对此提出否定看法,并认为实现提前一个季度的气候预测是可能的。回国数年后,他带领团队得出的计算结果证明自己的想法是正确的。

在“攀珠峰”的道路上,曾庆存还提出了动力气象和地球流体力学的基础数理问题及其解决方向,在计算地球流体力学、气候系统模式设计和预测理论、相关遥感问题的理论化等方面作出了突出贡献,为数值天气预报奠定了理论基础。

因为成果突出,1980年,45岁的曾庆存当选中国科学院学部委员(院士),2016年获第61届国际气象组织奖,2019年获国家最高科学技术奖。

许身科教以兴国

荣誉在身,曾庆存初心不改,仍在攀登。谈起科研创新的动力,他的回答很简短:“为国、为民、为科学。”

曾庆存出生在广东省阳江县一个贫农家庭。他曾光着脚板、穿着单衣,从广东考入北京大学。那时因为饥饿,18岁的他身高不到1米5,后来大学4年身高才蹿到了1米7。

“党和人民让我有饭吃、有学上,我就要好好做事情。”他说。

他身体力行,忧国家之忧。21世纪前后,我国沙尘暴肆虐,给华北、西北、东北大地蒙上了一层厚厚的阴影。彼时,曾庆存刚做完手术,就加入了沙尘暴研究队伍。

沙尘究竟是怎么起来的?从卫星图像中很难得知原因。为了近距离观察这个对手,那时每当天气预报有沙尘暴,街上行人行色匆匆赶路时,曾庆存就会出门,到通州、密云、延庆等北京郊区野外等待沙尘暴到来。

“不入虎穴,焉得虎子?”他说。

结合实地观察和大气所325米气象铁塔的观测结果,他们发现,沙尘暴并非像想象的那样是随着大风漫天遍地卷起来的,而是和阵风关系密切。当阵风水平风速较大时,沙子会在地面滚动;当阵风变小时,沙子垂直速度反而会上升,造成扬尘。

在进一步研究中,他们发现,我国并非沙尘的输出国,而是输入国。沙尘暴的源头是北非大沙漠和中东地区,西风将沙子带到中亚、阿拉伯地区,并传到中国。这有力驳斥了国外认为中国经济发展造成环境破坏的论断。

曾庆存还为我国气象事业培育了一批优秀学者。他博学多才,带出的学生各有所长,如中国科学院院士王会军侧重大气科学研究,中国科学院院士穆穆和戴永久则侧重有关数学的研究。此外,还有很多学生扎根物理学、力学、控制论和环境科学等领域。无论学生选择哪个方向,他都会因材施教。

谈起如何指导学生做好的研究,曾庆存表示:“最重要的是个人的出发点,回答为谁服务的问题。同时,在方法上,要实事求是,勤于实践。科学研究生涯往往困难重重,甚至看似是无路可通的。这需要勇气、信心和毅力,锲而不舍后,必定会找到解决办法。”

在曾庆存看来,当前基础研究人才的培养过于急功近利,特别是以在国外期刊发表文章为评价人才成长的标准,很不好。“搞科学研究基础要打稳,在国家需要的地方下功夫。科技界和产业界对人才的培养应该更耐心一点,不能跟风。”他说。

《中国科学报》 (2024-01-12 第1版 要闻)
 
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