從望天到測天：他們用中國力量解密氣象難題
文 ｜ 《中國科學報》 記者 李晨 實習生 楊晨
1954年，一場猝不及防的晚霜席捲河南，超四成小麥被凍死田間，嚴重影響當地的糧食產量。農民紛紛扼腕嘆息：如果能提前知道天氣情況就好了！
70年後，情況卻完全不同。70年來，從靜觀風起雲涌的經驗判斷，到以嚴格推理計算爲憑據的數值預測， 我國數值天氣預報實現了從感性認識到理性認識的蛻變，已經趕上世界先進水平，同美、歐、日等的全球氣象中心並駕齊驅，可爲全世界氣象監測預警提供可靠參考。
其中，以國家最高科學技術獎獲得者、中國科學院院士曾慶存爲代表的中國科學院大氣物理研究所（以下簡稱大氣所）科學家和中國氣象局的氣象專家一道努力，爲滿足國家和人民的需要持續創新，爲數值天氣預報和氣候預測的發展提供了源源不斷的動能。
原始方程：一塊“難啃的硬骨頭”
1956年，剛從北京大學畢業的曾慶存被選拔派遣至蘇聯科學院應用地球物理研究所攻讀研究生，主攻氣象學。
彼時，新中國成立不久，百廢待興，國內外形勢嚴峻，國家急需氣象科學人才。
現已89歲高齡的曾慶存回憶道：“流體動力學、數學物理方法和計算數學，都是當時新興的學科，我幾乎沒學過，但它們對研究氣象學非常重要，得下狠心補習。”
於是，曾慶存常坐地鐵到莫斯科大學去聽數學課，去相關研究所聽講座和學術報告。那些披星戴月的日子，爲他以新的視野開展氣象學研究奠定了堅實基礎。
曾慶存（右）與同學在蘇聯留學。
20世紀初，國際上提出描述大氣運動的完整原始方程式組（以下簡稱原始方程），認定用這些方程組可做定量天氣預報。
原始方程中需要計算的大氣物理變量很多，包括溫度、氣壓、溼度、風向、風速等，還包含渦旋和各種波動的運動過程。但在當時的條件下，要想以“追上天氣變化的速度”將其計算出來，實現真正的“預報”，是不可能的事。
面對這塊“難啃的硬骨頭”，研究人員紛紛另闢蹊徑，都想要大大簡化原始方程，以適應當時的計算能力。1950年前後，美國氣象學家查尼用計算機做出了世界上第一幅“數值預報天氣圖”。“數值天氣預報”一詞由此正式使用。
但在接下來幾年的大規模應用驗證中，研究人員發現，不管在歐美，還是在蘇聯，當時任何一種模式的預報正確率均小於50%，無法實現業務應用。
氣象科學界認識到，真正實用的數值天氣預報還是要依靠求解原始方程。
打破僵局：首創“半隱式差分法”
1960年，計算機能力得到提升。一開始，曾慶存想用準地轉模式做氣候預測（即長期天氣預報）試驗，但他的導師——國際著名氣象學家、蘇聯科學院通訊院士基別爾告訴他，中國不應該跳過短期天氣預報理論化的階段。
基別爾建議曾慶存先加入破解原始方程難題的研究隊伍。他的研究論文題目是《應用斜壓大氣動力學原始方程組做數值天氣預報研究》，但這是理論分析十分困難、計算極其複雜，必須同時在氣象科學和計算數學理論方面都有所突破才能解決的世界難題。
“當時所有的師兄都反對，認爲我不一定能研究出來，可能拿不到學位。”但憑藉初生牛犢不怕虎的勁頭，以及學成報國的熱情，曾慶存義無反顧地踏上了荊棘之路。
啃上這塊“硬骨頭”，曾慶存犯了難，“真是一點辦法沒有，到處都是問題，怪不得人家不敢動手”。彼時蘇聯計算機的內存只有2048個單元，他面臨的頭一個難題就是如何把原始方程裡那麼多的變量都放入這狹小的內存中。他左試右試，終於找到了方法。
接下來更大的難題來了——怎樣才能使計算速度滿足做預報的要求？經過無數次思索和試驗，曾慶存意識到，大氣裡有波動、渦旋，波動變化很快，渦旋變化則比較慢。既然難以兼顧，那爲什麼不先分開計算，經過一段時間再把二者綜合起來。
這種分開計算的方法即曾慶存首創的“半隱式差分法”。其中波動過程採取一種算法，激發快波的項用隱式表示，而描述慢波的項則用顯式表示。在計算若干步快波後再算一步慢波過程，這樣構成差分格式。在保證計算穩定性的基礎上，再相疊加，逐步前進，以達到應用原始方程做數值天氣預報研究的最終目的。
曾慶存介紹“半隱式差分法”原理。
1960年冬天的一個深夜，窗外下着鵝毛大雪，計算機發熱的電子管烘得整個機房熱乎乎的。午夜12點，輪到曾慶存使用計算機了，他迫不及待地想要驗證他的算法。
由於計算量大幅減少，計算機算完時時針剛指向凌晨1點。“用那麼小內存的計算機也可以算”，世界上第一幅以原始方程做真實預報的天氣圖成功問世！
經過反覆認真檢查，確認結果無誤的曾慶存不顧莫斯科冬天的徹骨寒風，抓起外套就往外衝，只想趕緊讓老師知道這件事。此時天還沒亮，曾慶存走了很長一段路，終於坐上了前往研究所的地鐵，沉浸在無限的喜悅中。慢慢地，他的記憶出現一段空白—— 一夜未睡的曾慶存一出車廂就暈倒在地。清醒後，他迫不及待走出地鐵站，在及膝深的雪地裡前行，鞋襪都被浸溼了。 當他嚮導師和同事報告成功的消息時，大家都欣喜若狂。那天夜裡，曾慶存又發起高燒，鼻血落在洗臉盆裡，叮噹有聲。
最後，曾慶存只用10小時的計算機機時就把論文做完了。這個方法成爲當年蘇聯科學院的重大成就之一。
基別爾立即讓曾慶存的師弟用這一方程做每天的數值天氣預報。該模式在莫斯科世界氣象中心試用了一年，準確率超過60%，符合天氣預報實際業務要求。1962年，莫斯科世界氣象中心開始用該方法向全球發佈數值天氣預報。這是世界採用斜壓原始方程做天氣預報業務的開端。
沒有計算機就先打好理論地基
1961年，曾慶存從蘇聯學成歸國。
當時，我國高速計算機資源缺乏，無法用原始方程做短期數值天氣預報業務。
“我當時想，大計算機中國將來必定也會有，爲了未來更好地做短期數值天氣預報，以及做長期的全球的延伸數值天氣預報（今稱短期氣候預測），我要轉入更深入、更抽象的基礎研究，以做準備。” 曾慶存說。
在那段艱苦又充實的日子裡，曾慶存及合作者實現了一個又一個“首次”，創立了數值天氣預報與地球流體力學的數學物理系統理論和計算方法，研製了數值天氣和氣候預測模式，建立了大氣遙感系統理論，發展了定量信息提取方法。
1979年，曾慶存撰寫的《數值天氣預報的數學物理基礎》一書出版，開創了大氣和地球流體力學的數學物理系統理論，在國際學界引發廣泛關注。日本氣象局原局長新田尚1980年發表評論：“這是世界上第一本這樣的書，是氣象學理論化的完成。”國際數學家聯盟原主席利翁斯也大力推介這項成果。此後，應用數學界就形成了研究大氣和地球流體力學問題的數學分支。
2012年，在曾慶存倡議下，中國氣象局和廣東省人民政府共同成立了區域數值天氣預報重點實驗室。中國科學院院士戴永久說，該實驗室研發建立了熱帶區域“9-3-1”高分辨數值預報系統，建成了我國首個1公里分辨率的業務數值預報模式，其颱風預報模式業務的評分躋身世界前列。
從天氣預報到氣候預測
曾慶存（左二）與葉篤正院士（右二）等外出考察。
1988年的夏天，酷熱難當。每天的固定時間點，大氣所博士生王會軍都會推着自行車，馱着一個巨大的紙箱往返於公共計算機房和辦公室之間。當時他們用的還是國外退役的兩臺計算機，運算性能加起來還不到美國一臺在役計算機的1/4。
紙箱裡通常裝着幾個或十幾個偌大的計算機存儲用磁盤。“我們在公共計算機房裡運算完以後，需要用磁盤把計算機硬盤裡的數據導出來。計算機房空間有限，磁盤不能存放，得運回辦公室。下次用的時候再馱過來。”
如今已是中國科學院院士的王會軍，當年成爲曾慶存的學生後，對氣候變化、古氣候數值模擬很感興趣；他的同學、大氣所研究員胡非更關注大氣和地球流體邊界層；他的師弟戴永久主要負責陸面過程模式的研發；他的另一位師弟、國家衛星氣象中心首席科學家李俊主要研究氣象衛星和相關的大氣紅外遙感。他們師從同一個人，研究方向如此不同，卻都成長爲我國氣象研究的骨幹。
戴永久回憶道：“那時候曾先生很忙，把一個問題給我們的時候，會給我們足夠的自由，並不要求馬上出結果、發文章，而是非常耐心地給予指導。他的言傳身教，爲我今後的科研生涯樹立了榜樣。”
胡非記得很清楚，當時曾慶存很重視人才的培養和研究隊伍的組建。那時曾慶存每個月給胡非30元，讓他買糖果瓜子，把研究生組織在一起搞學術沙龍，暢談學術和科學理想。“對我們來說，這是科學家精神的傳承。”
曾慶存手書的治學心得。
1990年前後，隨着中國的經濟發展和社會建設，中期天氣預報和短期氣候預測對於決策與規劃越來越重要。同時，世界氣候變化問題研究的急迫性也日益凸顯。
有了團隊，大氣所氣象科學研究的佈局逐漸成型。曾慶存帶領團隊開始進行跨季度氣候預測研究。他們設計出大氣環流模式、大洋環流模式，獨創的動力框架躋身國際先進行列。該模式從1990年開始連續5年用於季度和跨季度氣候預測，都取得了成功。1994年，他們建立了世界第一個實際應用的短期氣候預測系統。
做中國人自己的地球系統模式
“陋巷雌風壓語低，闊人高調與天齊。科壇似是容爭辯，政界分明競畫皮……”1990年的一個深夜，在瑞士日內瓦參加第二次世界氣候變化大會的曾慶存輾轉反側，憂心忡忡，寫下這首詩。“我們當時還沒有意識到氣候變化問題已經演變爲政治問題了。”
回國後，曾慶存立刻給當時的國家科委寫了一封信，陳述我國也要及時研究相應問題，免得被動，並把在日內瓦的所見所聞告訴了學生們。王會軍主動請纓挑大樑，研究氣候變化與二氧化碳的關係。
他們很快得出二氧化碳含量翻番後會導致大氣升溫1.75℃的結論，完成我國第一個基於自己的氣候模式的全球變暖定量研究，這是當時全球最優計算結果。
1992年，這一結果被聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第一次評估報告補充報告所引用。這是我國第一個被IPCC正式引用的結果。
也就是從那時起，曾慶存萌生了建立我國地球系統模式的念頭。
地球可以簡單歸爲大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈（包括人類活動），它們相互作用。地球系統模式既要揭示各圈層的演變，又要通過“耦合器”將各個獨自運行的模式有機聯合在一起，模擬出自然界相互作用的演變過程。這是數值天氣預報的延伸——大規模的數值模擬研究。
當時國際上已經存在一些大體成型的氣候變化研究模式。如美國國家大氣科學研究中心向全球提供公用的氣候系統模式，並開放共享源代碼。
有人指出：與其費那麼大勁開發自己的系統，爲什麼不直接使用現成的開源系統？
曾慶存堅定地認爲，中國必須有自己的地球系統模式。姑且不說哪個好，重要的是自己的，是“自主可控”的。“我們自己有模式、有計算數據，就有氣候談判的底氣！”
“一方面，由於我國天氣氣候具有獨特性，例如西北乾旱、江淮流域梅雨天氣等，在他國的氣候系統模式中不一定能得到很好體現。”王會軍解釋說，“另一方面，如果天氣氣候的預報預測不能自主可控，將來會有一定風險。”
2003年，大氣所正式提出研製地球系統模式的建議，2007年獲中國科學院立項支持，其後又獲國家的大力支持，並被命名爲中國科學院地球系統模式（CAS-ESM）。
歷經14年攻關，2021年，“寰”誕生了。它是我國首個研製成功的地球系統數值模擬大科學裝置，能通過計算模擬真實地球的風雲變幻和規劃人類的一些建設方案。
地球模擬實驗室展廳。大氣所供圖
戴永久說：“在‘寰’中輸入某一時刻的觀測數據，就能通過大規模數值計算，推演出地球不同圈層的變化，就好像給地球做可視化CT一樣。”
這種推演有什麼用？作爲中國科學院地球系統數值模擬科學中心副主任，大氣所研究員曾曉東以生態系統演變爲例解釋說，小到一棵樹能不能茁壯生長，大到在某種氣候條件下植被如何自然分佈，大科學裝置都能爲人們提供可靠的參考。
李俊說：“它可以幫助科研人員更好讀懂地球，更精準、更全面認識地球變化，研究全球變化的機制和機理，預知地球的未來。”
“我國已經向IPCC提交了‘寰’的模擬數據。” 胡非說，“我們的模擬結果是比較好的，因爲我們的模型構建有優勢。”
除了爲實現“雙碳”目標提供科學支撐外，“寰”還被廣泛應用於防災減災、環境治理、可持續發展和生態安全等重大科學領域，顯著提升了我國地球科學的整體創新能力。
“我國大規模數值模擬研究在分辨率方面還需下大功夫，但我相信，中國的氣象科學和地球系統科學事業的前途一定光明！”曾慶存說。
《中國科學報》 (2024-07-24 第4版 專題)
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
本文轉載自《 中國科學報 》微信公衆號
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