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1954年，一場(chǎng)猝不及防的晚霜席卷河南，超四成小麥被凍死田間，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐募Z食產(chǎn)量。農(nóng)民紛紛扼腕嘆息：如果能提前知道天氣情況就好了！

70年后，情況卻完全不同。70年來(lái)，從靜觀(guān)風(fēng)起云涌的經(jīng)驗(yàn)判斷，到以嚴(yán)格推理計(jì)算為憑據(jù)的數(shù)值預(yù)測(cè)， 我國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)了從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的蛻變，已經(jīng)趕上世界先進(jìn)水平，同美、歐、日等的全球氣象中心并駕齊驅(qū)，可為全世界氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警提供可靠參考。

其中，以國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)科學(xué)院院士曾慶存為代表的中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大氣所）科學(xué)家和中國(guó)氣象局的氣象專(zhuān)家一道努力，為滿(mǎn)足國(guó)家和人民的需要持續(xù)創(chuàng)新，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)的發(fā)展提供了源源不斷的動(dòng)能。

1?原始方程：一塊“難啃的硬骨頭”

1956年，剛從北京大學(xué)畢業(yè)的曾慶存被選拔派遣至蘇聯(lián)科學(xué)院應(yīng)用地球物理研究所攻讀研究生，主攻氣象學(xué)。

彼時(shí)，新中國(guó)成立不久，百?gòu)U待興，國(guó)內(nèi)外形勢(shì)嚴(yán)峻，國(guó)家急需氣象科學(xué)人才。

現(xiàn)已89歲高齡的曾慶存回憶道：“流體動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法和計(jì)算數(shù)學(xué)，都是當(dāng)時(shí)新興的學(xué)科，我?guī)缀鯖](méi)學(xué)過(guò)，但它們對(duì)研究氣象學(xué)非常重要，得下狠心補(bǔ)習(xí)?！?/p>

于是，曾慶存常坐地鐵到莫斯科大學(xué)去聽(tīng)數(shù)學(xué)課，去相關(guān)研究所聽(tīng)講座和學(xué)術(shù)報(bào)告。那些披星戴月的日子，為他以新的視野開(kāi)展氣象學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

曾慶存（右）與同學(xué)在蘇聯(lián)留學(xué)。

20世紀(jì)初，國(guó)際上提出描述大氣運(yùn)動(dòng)的完整原始方程式組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)原始方程），認(rèn)定用這些方程組可做定量天氣預(yù)報(bào)。

原始方程中需要計(jì)算的大氣物理變量很多，包括溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等，還包含渦旋和各種波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。但在當(dāng)時(shí)的條件下，要想以“追上天氣變化的速度”將其計(jì)算出來(lái)，實(shí)現(xiàn)真正的“預(yù)報(bào)”，是不可能的事。

面對(duì)這塊“難啃的硬骨頭”，研究人員紛紛另辟蹊徑，都想要大大簡(jiǎn)化原始方程，以適應(yīng)當(dāng)時(shí)的計(jì)算能力。1950年前后，美國(guó)氣象學(xué)家查尼用計(jì)算機(jī)做出了世界上第一幅“數(shù)值預(yù)報(bào)天氣圖”?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”一詞由此正式使用。

但在接下來(lái)幾年的大規(guī)模應(yīng)用驗(yàn)證中，研究人員發(fā)現(xiàn)，不管在歐美，還是在蘇聯(lián)，當(dāng)時(shí)任何一種模式的預(yù)報(bào)正確率均小于50%，無(wú)法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

氣象科學(xué)界認(rèn)識(shí)到，真正實(shí)用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)還是要依靠求解原始方程。

2?打破僵局：首創(chuàng)“半隱式差分法”

1960年，計(jì)算機(jī)能力得到提升。一開(kāi)始，曾慶存想用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式做氣候預(yù)測(cè)（即長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)）試驗(yàn)，但他的導(dǎo)師——國(guó)際著名氣象學(xué)家、蘇聯(lián)科學(xué)院通訊院士基別爾告訴他，中國(guó)不應(yīng)該跳過(guò)短期天氣預(yù)報(bào)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(duì)伍。他的研究論文題目是《應(yīng)用斜壓大氣動(dòng)力學(xué)原始方程組做數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究》，但這是理論分析十分困難、計(jì)算極其復(fù)雜，必須同時(shí)在氣象科學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)理論方面都有所突破才能解決的世界難題。

“當(dāng)時(shí)所有的師兄都反對(duì)，認(rèn)為我不一定能研究出來(lái)，可能拿不到學(xué)位。”但憑借初生牛犢不怕虎的勁頭，以及學(xué)成報(bào)國(guó)的熱情，曾慶存義無(wú)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(diǎn)辦法沒(méi)有，到處都是問(wèn)題，怪不得人家不敢動(dòng)手”。彼時(shí)蘇聯(lián)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存只有2048個(gè)單元，他面臨的頭一個(gè)難題就是如何把原始方程里那么多的變量都放入這狹小的內(nèi)存中。他左試右試，終于找到了方法。

接下來(lái)更大的難題來(lái)了——怎樣才能使計(jì)算速度滿(mǎn)足做預(yù)報(bào)的要求？經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次思索和試驗(yàn)，曾慶存意識(shí)到，大氣里有波動(dòng)、渦旋，波動(dòng)變化很快，渦旋變化則比較慢。既然難以兼顧，那為什么不先分開(kāi)計(jì)算，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間再把二者綜合起來(lái)。

這種分開(kāi)計(jì)算的方法即曾慶存首創(chuàng)的“半隱式差分法”。其中波動(dòng)過(guò)程采取一種算法，激發(fā)快波的項(xiàng)用隱式表示，而描述慢波的項(xiàng)則用顯式表示。在計(jì)算若干步快波后再算一步慢波過(guò)程，這樣構(gòu)成差分格式。在保證計(jì)算穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，再相疊加，逐步前進(jìn)，以達(dá)到應(yīng)用原始方程做數(shù)值天氣預(yù)報(bào)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(gè)深夜，窗外下著鵝毛大雪，計(jì)算機(jī)發(fā)熱的電子管烘得整個(gè)機(jī)房熱乎乎的。午夜12點(diǎn)，輪到曾慶存使用計(jì)算機(jī)了，他迫不及待地想要驗(yàn)證他的算法。

由于計(jì)算量大幅減少，計(jì)算機(jī)算完時(shí)時(shí)針剛指向凌晨1點(diǎn)?！坝媚敲葱?nèi)存的計(jì)算機(jī)也可以算”，世界上第一幅以原始方程做真實(shí)預(yù)報(bào)的天氣圖成功問(wèn)世！

經(jīng)過(guò)反復(fù)認(rèn)真檢查，確認(rèn)結(jié)果無(wú)誤的曾慶存不顧莫斯科冬天的徹骨寒風(fēng)，抓起外套就往外沖，只想趕緊讓老師知道這件事。此時(shí)天還沒(méi)亮，曾慶存走了很長(zhǎng)一段路，終于坐上了前往研究所的地鐵，沉浸在無(wú)限的喜悅中。慢慢地，他的記憶出現(xiàn)一段空白—— 一夜未睡的曾慶存一出車(chē)廂就暈倒在地。清醒后，他迫不及待走出地鐵站，在及膝深的雪地里前行，鞋襪都被浸濕了。當(dāng)他向?qū)熀屯聢?bào)告成功的消息時(shí)，大家都欣喜若狂。那天夜里，曾慶存又發(fā)起高燒，鼻血落在洗臉盆里，叮當(dāng)有聲。

最后，曾慶存只用10小時(shí)的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)就把論文做完了。這個(gè)方法成為當(dāng)年蘇聯(lián)科學(xué)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(shù)值天氣預(yù)報(bào)。該模式在莫斯科世界氣象中心試用了一年，準(zhǔn)確率超過(guò)60%，符合天氣預(yù)報(bào)實(shí)際業(yè)務(wù)要求。1962年，莫斯科世界氣象中心開(kāi)始用該方法向全球發(fā)布數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。這是世界采用斜壓原始方程做天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的開(kāi)端。

3?沒(méi)有計(jì)算機(jī)就先打好理論地基

曾慶存（左二）與葉篤正院士（右二）等外出考察。

1961年，曾慶存從蘇聯(lián)學(xué)成歸國(guó)。

當(dāng)時(shí)，我國(guó)高速計(jì)算機(jī)資源缺乏，無(wú)法用原始方程做短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。

“我當(dāng)時(shí)想，大計(jì)算機(jī)中國(guó)將來(lái)必定也會(huì)有，為了未來(lái)更好地做短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，以及做長(zhǎng)期的全球的延伸數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（今稱(chēng)短期氣候預(yù)測(cè)），我要轉(zhuǎn)入更深入、更抽象的基礎(chǔ)研究，以做準(zhǔn)備?！?曾慶存說(shuō)。

在那段艱苦又充實(shí)的日子里，曾慶存及合作者實(shí)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)“首次”，創(chuàng)立了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與地球流體力學(xué)的數(shù)學(xué)物理系統(tǒng)理論和計(jì)算方法，研制了數(shù)值天氣和氣候預(yù)測(cè)模式，建立了大氣遙感系統(tǒng)理論，發(fā)展了定量信息提取方法。

1979年，曾慶存撰寫(xiě)的《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)》一書(shū)出版，開(kāi)創(chuàng)了大氣和地球流體力學(xué)的數(shù)學(xué)物理系統(tǒng)理論，在國(guó)際學(xué)界引發(fā)廣泛關(guān)注。日本氣象局原局長(zhǎng)新田尚1980年發(fā)表評(píng)論：“這是世界上第一本這樣的書(shū)，是氣象學(xué)理論化的完成?！眹?guó)際數(shù)學(xué)家聯(lián)盟原主席利翁斯也大力推介這項(xiàng)成果。此后，應(yīng)用數(shù)學(xué)界就形成了研究大氣和地球流體力學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)分支。

2012年，在曾慶存倡議下，中國(guó)氣象局和廣東省人民政府共同成立了區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)科學(xué)院院士戴永久說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)室研發(fā)建立了熱帶區(qū)域“9-3-1”高分辨數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，建成了我國(guó)首個(gè)1公里分辨率的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式，其臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)模式業(yè)務(wù)的評(píng)分躋身世界前列。

4?從天氣預(yù)報(bào)到氣候預(yù)測(cè)

1988年的夏天，酷熱難當(dāng)。每天的固定時(shí)間點(diǎn)，大氣所博士生王會(huì)軍都會(huì)推著自行車(chē)，馱著一個(gè)巨大的紙箱往返于公共計(jì)算機(jī)房和辦公室之間。當(dāng)時(shí)他們用的還是國(guó)外退役的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算性能加起來(lái)還不到美國(guó)一臺(tái)在役計(jì)算機(jī)的1/4。

紙箱里通常裝著幾個(gè)或十幾個(gè)偌大的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)用磁盤(pán)?！拔覀?cè)诠灿?jì)算機(jī)房里運(yùn)算完以后，需要用磁盤(pán)把計(jì)算機(jī)硬盤(pán)里的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)。計(jì)算機(jī)房空間有限，磁盤(pán)不能存放，得運(yùn)回辦公室。下次用的時(shí)候再馱過(guò)來(lái)?！?/p>

如今已是中國(guó)科學(xué)院院士的王會(huì)軍，當(dāng)年成為曾慶存的學(xué)生后，對(duì)氣候變化、古氣候數(shù)值模擬很感興趣；他的同學(xué)、大氣所研究員胡非更關(guān)注大氣和地球流體邊界層；他的師弟戴永久主要負(fù)責(zé)陸面過(guò)程模式的研發(fā)；他的另一位師弟、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心首席科學(xué)家李俊主要研究氣象衛(wèi)星和相關(guān)的大氣紅外遙感。他們師從同一個(gè)人，研究方向如此不同，卻都成長(zhǎng)為我國(guó)氣象研究的骨干。

戴永久回憶道：“那時(shí)候曾先生很忙，把一個(gè)問(wèn)題給我們的時(shí)候，會(huì)給我們足夠的自由，并不要求馬上出結(jié)果、發(fā)文章，而是非常耐心地給予指導(dǎo)。他的言傳身教，為我今后的科研生涯樹(shù)立了榜樣?！?/p>

胡非記得很清楚，當(dāng)時(shí)曾慶存很重視人才的培養(yǎng)和研究隊(duì)伍的組建。那時(shí)曾慶存每個(gè)月給胡非30元，讓他買(mǎi)糖果瓜子，把研究生組織在一起搞學(xué)術(shù)沙龍，暢談學(xué)術(shù)和科學(xué)理想?！皩?duì)我們來(lái)說(shuō)，這是科學(xué)家精神的傳承?！?/p>

曾慶存手書(shū)的治學(xué)心得。

1990年前后，隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)建設(shè)，中期天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)對(duì)于決策與規(guī)劃越來(lái)越重要。同時(shí)，世界氣候變化問(wèn)題研究的急迫性也日益凸顯。

有了團(tuán)隊(duì)，大氣所氣象科學(xué)研究的布局逐漸成型。曾慶存帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始進(jìn)行跨季度氣候預(yù)測(cè)研究。他們?cè)O(shè)計(jì)出大氣環(huán)流模式、大洋環(huán)流模式，獨(dú)創(chuàng)的動(dòng)力框架躋身國(guó)際先進(jìn)行列。該模式從1990年開(kāi)始連續(xù)5年用于季度和跨季度氣候預(yù)測(cè)，都取得了成功。1994年，他們建立了世界第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的短期氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

5?做中國(guó)人自己的地球系統(tǒng)模式

“陋巷雌風(fēng)壓語(yǔ)低，闊人高調(diào)與天齊?？茐剖侨轄?zhēng)辯，政界分明競(jìng)畫(huà)皮……”1990年的一個(gè)深夜，在瑞士日內(nèi)瓦參加第二次世界氣候變化大會(huì)的曾慶存輾轉(zhuǎn)反側(cè)，憂(yōu)心忡忡，寫(xiě)下這首詩(shī)。“我們當(dāng)時(shí)還沒(méi)有意識(shí)到氣候變化問(wèn)題已經(jīng)演變?yōu)檎螁?wèn)題了?！?/p>

回國(guó)后，曾慶存立刻給當(dāng)時(shí)的國(guó)家科委寫(xiě)了一封信，陳述我國(guó)也要及時(shí)研究相應(yīng)問(wèn)題，免得被動(dòng)，并把在日內(nèi)瓦的所見(jiàn)所聞告訴了學(xué)生們。王會(huì)軍主動(dòng)請(qǐng)纓挑大梁，研究氣候變化與二氧化碳的關(guān)系。

他們很快得出二氧化碳含量翻番后會(huì)導(dǎo)致大氣升溫1.75℃的結(jié)論，完成我國(guó)第一個(gè)基于自己的氣候模式的全球變暖定量研究，這是當(dāng)時(shí)全球最優(yōu)計(jì)算結(jié)果。

1992年，這一結(jié)果被聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第一次評(píng)估報(bào)告補(bǔ)充報(bào)告所引用。這是我國(guó)第一個(gè)被IPCC正式引用的結(jié)果。

也就是從那時(shí)起，曾慶存萌生了建立我國(guó)地球系統(tǒng)模式的念頭。

地球可以簡(jiǎn)單歸為大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈（包括人類(lèi)活動(dòng)），它們相互作用。地球系統(tǒng)模式既要揭示各圈層的演變，又要通過(guò)“耦合器”將各個(gè)獨(dú)自運(yùn)行的模式有機(jī)聯(lián)合在一起，模擬出自然界相互作用的演變過(guò)程。這是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的延伸——大規(guī)模的數(shù)值模擬研究。

當(dāng)時(shí)國(guó)際上已經(jīng)存在一些大體成型的氣候變化研究模式。如美國(guó)國(guó)家大氣科學(xué)研究中心向全球提供公用的氣候系統(tǒng)模式，并開(kāi)放共享源代碼。

有人指出：與其費(fèi)那么大勁開(kāi)發(fā)自己的系統(tǒng)，為什么不直接使用現(xiàn)成的開(kāi)源系統(tǒng)？

曾慶存堅(jiān)定地認(rèn)為，中國(guó)必須有自己的地球系統(tǒng)模式。姑且不說(shuō)哪個(gè)好，重要的是自己的，是“自主可控”的?！拔覀冏约河心Ｊ?、有計(jì)算數(shù)據(jù)，就有氣候談判的底氣！”

“一方面，由于我國(guó)天氣氣候具有獨(dú)特性，例如西北干旱、江淮流域梅雨天氣等，在他國(guó)的氣候系統(tǒng)模式中不一定能得到很好體現(xiàn)?！蓖鯐?huì)軍解釋說(shuō)，“另一方面，如果天氣氣候的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)不能自主可控，將來(lái)會(huì)有一定風(fēng)險(xiǎn)。”

2003年，大氣所正式提出研制地球系統(tǒng)模式的建議，2007年獲中國(guó)科學(xué)院立項(xiàng)支持，其后又獲國(guó)家的大力支持，并被命名為中國(guó)科學(xué)院地球系統(tǒng)模式（CAS-ESM）。

歷經(jīng)14年攻關(guān)，2021年，“寰”誕生了。它是我國(guó)首個(gè)研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置，能通過(guò)計(jì)算模擬真實(shí)地球的風(fēng)云變幻和規(guī)劃人類(lèi)的一些建設(shè)方案。

地球模擬實(shí)驗(yàn)室展廳。大氣所供圖

戴永久說(shuō)：“在‘寰’中輸入某一時(shí)刻的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，就能通過(guò)大規(guī)模數(shù)值計(jì)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。”

這種推演有什么用？作為中國(guó)科學(xué)院地球系統(tǒng)數(shù)值模擬科學(xué)中心副主任，大氣所研究員曾曉東以生態(tài)系統(tǒng)演變?yōu)槔忉屨f(shuō)，小到一棵樹(shù)能不能茁壯生長(zhǎng)，大到在某種氣候條件下植被如何自然分布，大科學(xué)裝置都能為人們提供可靠的參考。

李俊說(shuō)：“它可以幫助科研人員更好讀懂地球，更精準(zhǔn)、更全面認(rèn)識(shí)地球變化，研究全球變化的機(jī)制和機(jī)理，預(yù)知地球的未來(lái)?！?/p>

“我國(guó)已經(jīng)向IPCC提交了‘寰’的模擬數(shù)據(jù)。” 胡非說(shuō)，“我們的模擬結(jié)果是比較好的，因?yàn)槲覀兊哪Ｐ蜆?gòu)建有優(yōu)勢(shì)。”

除了為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供科學(xué)支撐外，“寰”還被廣泛應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境治理、可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全等重大科學(xué)領(lǐng)域，顯著提升了我國(guó)地球科學(xué)的整體創(chuàng)新能力。

“我國(guó)大規(guī)模數(shù)值模擬研究在分辨率方面還需下大功夫，但我相信，中國(guó)的氣象科學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)事業(yè)的前途一定光明！”曾慶存說(shuō)。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-07-24?第4版?專(zhuān)題）