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专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑

网易财经周报 https://www.wangyice.cn 2021-03-09 00:48 出处:网络 作者:[db:作者]编辑:@河南在线
采写|章剑锋 彭丽慧 出品| 网易科技《科学大师》栏目(ID:tech_163) 还是教师节前一天,年轻学生们敲开曾庆存的办公室,对老师进行探望。十多位学生的到来,让安静的办公室变得热闹起来。学生们给曾庆存送去的,

采写|章剑锋 彭丽慧

出品| 网易科技《科学大师》栏目(ID:tech_163)

还是教师节前一天,年轻学生们敲开曾庆存的办公室,对老师进行探望。十多位学生的到来,让安静的办公室变得热闹起来。学生们给曾庆存送去的,不光有盆栽,贺卡,还有贴心置备的洗澡用具。

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑


“都是在读学生,”曾庆存不认为自己的门下人才济济,“我这些学生不算多啊,人家其他领域的院士,能带几百个学生,我这里来的是好几届的学生。”

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑


人才短缺——曾庆存所在气象研究领域也面临这个问题。他解释说,现在更多人要为生计奔忙,坐不了冷板凳。一心一意搞科学的人,很少。

84岁的曾庆存,是中国科学院院士、中国气象学会名誉理事长,也是在世界上享有极高知名度的气象科学家(中国科学院官网的评价),早在上世纪50年代,他即进入气象科学领域,成为中国气象学承前启后的关键科学家之一。

“我们国家气象学始祖辈的人物,像蒋丙然先生、刘衍豪先生、竺可桢院士、涂长望院士、赵九章院士、李宪之先生、卢鋈(wù)先生等,这是第一代。第二代,把西方比较先进的东西一点点引进来,就是叶笃正院士、谢义炳院士,还有顾震潮先生、陶诗言院士、吕炯先生、程纯枢院士、高由禧院士、黄仕松先生、谢光道先生等,这是第二代。我们是第三代或第三代半。我们这一代,就是为了实现数理化、工程化。这是赵九章先生于1958年提出来的,其执行和实现主要是上世纪70年代以后的事情。”

竺可桢和赵九章不用说,一个是集地理学家、气象学家和教育家于一身的卓越科学家,一个则在气象学、地球物理学、空间物理领域均有突出贡献,且是两弹一星功勋。名单中的叶笃正院士,则是中国现代气象学主要奠基人之一、国家最高科学奖获得者,他和谢炳义、顾震潮、陶诗言几位先生,都是曾庆存的老师。

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑

沿著前人的腳步,在气象科学领域,曾庆存具有不少开创性建树,他是中国最早从事气象遥感卫星研究的科学家之一,也在国际上第一个成功使用原始方程进行数值天气预报,由他首创的“半隐式差分法”,至今仍是世界天气和气候数值模式的核心技术之一,现在也被广泛应用于各学科,成为当代超级计算的主流算法之一。

通俗来讲,今天不论你是在电视上还是在手机上看到的天气预报,都有赖于数值预报在支撑。

“这是作为天气预报的基础。现在没有数值预报的结果,天气预报员也不能只凭经验报天气。”

曾庆存告诉网易科技《科学大师》记者,经过近数年的发展,中国数值天气预报的准确率和时效性已经有了质的提高。目前天气预报的时效性已经提高到5-7天,也就是说7天内的大范围天气是可以预测的。因为中国还有气象卫星进行天气监测,气象卫星监测和数值天气预测成为两大利器,尤其在气象灾害,如对台风、暴雨等的监测、预测和防治方面,得到有效应用。据他说,比较而言,在中国境内登陆的台风一个都没漏掉,全都预报成功,所造成的灾害大大减少。而放在过去,一个台风登陆,可造成数千人死亡,现在的死亡大都是个位数,并且多有零死亡的情况。

此外,随着气象卫星技术的发展,中国在全球气象科学领域的表现也越来越出色。虽然中国的气象卫星发射晚于美国20多年,但目前中国的风云卫星与欧盟、美国等三方,构成了世界气象组织的极轨卫星气象监测网,监测全球天气,向世界各国提供服务。根据中国气象局统计,截至2019年5月,使用风云卫星数据的国家数量已增加至98个(数据来源于《人民日报》)。

而早在1970年代初期,曾庆存就是中国气象卫星起始阶段参与研发的科学家之一。

除了极轨卫星,曾庆存告诉《科学大师》,和欧盟、美、日等国一样,中国也有自己的地球静止气象卫星,这种卫星固定在地球上空某个特定的点上,能实现对星下点及其周围广袤地区进行连续不断的监测。

中国当下正在地球上空运行的静止卫星已达四颗,其中的风云四号卫星,性能强大,除了能提供各种云图外,还能探测星下广大地区的三维温度和水汽分布,以及探测雷电,而且能实现随时观测,随时发报告。

2016年6月22日,世界气象组织授予曾庆存第61届“国际气象组织奖”,这个奖被誉为世界气象科学的最高奖。世界气象组织主席戴维·格兰姆斯对曾庆存在卫星气象遥感理论、数值天气气候预测理论、气象灾害预测和防控调度问题,以及全球气候变化和地球系统模式等方面作出的杰出贡献予以高度评价。

曾庆存眼下参与的一项重要科研工作,是位于北京远郊怀柔的国家大科学装置——地球系统数值模拟装置的落地建设。他和其他科学家一道,历经9年的努力推动,使之立项,并将于2020年完成建设。

尽管年事已高,并没有担任正式的头衔,但曾庆存在其中发挥着重要的作用,他是大科学装置总项目的创导者,也是地球系统模式研制的总负责人之一。

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑


《科学大师》记者了解到,这个科学装置,研究应用面极广,包括了气象学和大气科学、海洋科学、固体地球科学、空间科学、生态环境、水资源和农业科学及其他方向。此外,据曾庆存说,连地震预测研究,也可包括在内。

中国科学院北京综合研究中心的一份资料介绍,目前只有美国和日本拥有自己的地球模拟器。中国建设的这个地球数值模拟大装置,将既能加深人类对地球环境过程基本规律的认识,也能提升中国在全球气候和环境变化问题上的话语权,因为没有科学研究在国际上就说不上话。

“不进则退。”

问到担心不担心中国的气象科学研究在世界上掉队的问题,曾庆存回答《科学大师》记者,要用发展的眼光看问题,道路总是有起伏、不平坦的,但他也明确称,他这一代也是继往开来,只是打了个基础,他更寄望于将来,“以后中国的气象科学有黄金时期。重要的是我们必须抓紧基础研究和为人民服务宗旨,就会有永远坚持的动力,一个台阶一个台阶地攀上顶峰。”

以下为采访正文:

一,“我们相信能搞成”

科学大师:您推动现在的地球系统数值模拟大科学装置的建设,意图是什么?

曾庆存:首先是为了研究全球气候与环境变化这个很重要的问题,国际上都在搞数值模拟研究。所用的数学模式非常复杂,包括有大气的模式、有海洋的模式、有陆地环境的物理模式、有植物的生态变化的模式、有水文的模式、有北极南极冰变化的模式,还有二氧化碳怎么被吸收和排放出去的模式。现在一共有七八个模式,耦合在一块,就叫做地球系统模式。

从本世纪开始,国际上形成共识,要研究长期气候变化,必须要有这种大的数学模式,气候变化规律才能算出,才有一定的科学根据。我们国家原来没有那么大的计算机进行模拟,所以我们就强烈地呼吁,我们中国要自主研发地球系统模式。

通过这个专门的超级计算设备,既要把气候问题研究清楚,同时也想把地球各个圈层的关系,比如气圈、水圈、陆地圈的构成,水怎么循环、怎么蒸发、怎么降雨之类的,也搞清楚。再深一点,地下水是什么样的,热的地幔怎么流动的,矿山的矿物怎么生成的,火山是怎么出现的,要弄清这些规律,也要搞一个定量的模式进行理论研究。

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑


还有地震,我们对断裂带或断层活动,有许多台站长时间的监测记录,通过对这些监测资料的分析计算,现在科学家已能做到,地震一发生很快就算出震中在哪,震级多少,裂度多少,破坏中心在哪。如果能再建立一个断裂带活动的力学理论模式进行模拟,并融合长期的监测资料,就有可能(预先)算出该断裂带在何时何处会发生岩层断裂,也就是说,把地震预报出来。

总之,研究全球气候和地球环境的变化,都要靠这个装置,我们相信能搞成。

二,在未来50年,也许地震能被预测

科学大师:您刚才讲到预报地震,这个地球大科学装置能完全实现吗?

曾庆存: 50年后在某种程度上地震是可以预报的。当然这是我的考虑。也许会早一点,也许会晚一点。因为地震,比如说对于地下的断层,至少要有50年左右的监测,不断地监测它发展和变化,可以找到某些规律,再加上理论模式的模拟结果,对比融合,就可以掌握该断裂带活动的规律,试作地震预报了。比如说,地震发生的一两年之前给预报出来,或者说再临近一点就预报出来。大概趋势我想是可以预报出来的,尽管可能不太准确。

科学大师:现在没有这个装置,我们从科学上能预测到地震的发生么?

曾庆存:也可以说一定程度上能预测,但是只能是支离破碎的,甚至是滞后的,即(从)事后进行的补算得到。另外,在实用上,则是靠别的代用品指标,比如说蚂蚁出来了,蛇出来了,确实它有一定的相关性。但是,到底地层是怎么震动的,会断哪一块,不知道,时间序列上也搞不清楚,靠这些来找相关性是不太完整的科学。

现在我们搞这个装置,以便将来对地震有更大的完整的科学计算,和(获得)更多的监测资料,肯定要好得多,最终有可能实现精准的地震预测。当然,有一定的误差范围。就像气象科学一样,早在上世纪六十年代之前,在一个具体的地域里,气象预报顶多只能提前一天,而在今天,有了较好的监测网和数值天气预测,可以预报七天。以后地震预测也许可能是类似的发展。

三,中国气象科学进入了世界先进水平

科学大师:有说法是我们国家的大气科学和气象事业处于世界一流水平,这方面有什么指标吗?

曾庆存:主要还是看理论研究和监测、预报实践及气象服务水平。比如理论认识怎么样?监测到不到位?预报准不准?气象服务达到什么程度?从这些层面来衡量,应该说从总体上讲中国是在一流水平。在气象科学上面,谁也不好说是最高的,美国和欧洲也不能(这样)说,他们也还有不够的一面。但是,中国的气象观测站密度之大,我们可以讲是最好的。密密麻麻,你要说自动观测站,一个省就有好几千个。中国气象部门对社会服务覆盖面之广和项目之多,以及气象人员为人民服务的精神、辛劳和敬业,是世界上很突出的。

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑


科学大师:美国的水平怎么样?

曾庆存:电子计算机和用电子计算机作数值天气预报试验,是美国先做出来的。他们发射气象卫星,在空间上观测地面上的气象,也是最早的。不过,现在欧洲赶上去了,中国也赶上来了。不管怎么样,中国现在从数值天气预报,从气象卫星监测水准来讲,是世界先进的。现在欧盟、美国、中国三家组成了世界气象组织主导的世界气象卫星监测网。

科学大师:意思是说,我们国家的气象信息是有能力和全球其他国家共享的?

曾庆存:欧洲、美国、中国,这三家的极轨气象卫星组成了一张监测网,对全球气象进行全天候监测,这些数据信息供给全世界使用。我们还有静止卫星,就是相对固定在地球上空某一个区域的卫星,美国有,欧洲有,中国有,日本有。在赤道上空,我们可以连续监测一个很大的区域。比如说在太平洋,包括南海和印度洋,包括中太平洋和印度洋,覆盖的面积,北边可以到北纬50度(黑龙江)以北,南纬到澳大利亚以南,有能力对整个这个地区连续地监测,这方面我们也为世界服务。

我们和欧、美、日等正好组成完整的气象信息网,将监测数据提供给世界各国。我们中国气象局就提出了:“全球监测,全球预报,全球服务”的方针和规划,所以世界气象组织很赞赏中国。中国还专门给一带一路沿线国家提供气象服务和人员培训。

科学大师:我们监测的精确度怎么样?

曾庆存:全球范围内,哪个地方有台风,哪个地方有雷电,我们都探测得出来。凡是外国卫星有的监测项目,我们国家的卫星都有,而且风云4号还有外国静止卫星所无的项目。当然,我们可以自豪,但不可以骄傲。

科学大师:实现这个能力,我们花了多长时间?

曾庆存:准确地讲,我们最早搞气象卫星是1970年,当时我身在其中,进行了前期的理论和方法研究,也做出了我们国家最初的气象卫星的方案。不过,我们的气象卫星上天是1988年,晚于美国,晚于苏联,大约晚了20年。不过,美国1966年的气象卫星也是带试验性的,不大好用,定向上不好。好用的应是三轴定位的,美国上世纪七十年代末才做到。我们当初设计时就考虑到了,后来我们国家系列的气象卫星都做到了(这一点)。

四,现代化的数值天气预报是怎么问世的?

科学大师:为什么说应用原始方程作数值天气预报您是首位?世界上对此有定论么?

曾庆存:天气预报(的发展历程)分两个阶段,一个是经验预报,就是看天气图,用简单的一些规律推断,预测某天天气是什么情况,这主要是靠经验。到后来用计算机来分析计算,就是数值天气预报,这个是第二个而且是很重要的阶段。

我们国家上世纪60年代,甚至70年代、 80年代前半期,主要还是经验预报。美国1950年开始用电子计算机做数值预报试验,用的是高度简化了的模式即涡度方程,很多国家也跟着试验。试验了数年,结果是不能在预报业务中使用,因为精度低,还得用原始方程组,要研究。

我1961年发现,原始方程中不同时间尺度的过程,可以用不同的办法来算,这就发展出了“半隐式差分法”,用来求解原始方程作数值天气预报,成功了。第二年,苏联马上用到实际天气预报业务上了。

美国是知道的,把文章用英文翻译过去,在内部参考使用。然后再用了几年时间发展他们自己的一套,即全显式格式,虽然时间步长很小,计算量很大很大,但他们用很大的计算机,计算也成功了。1968年他们发表文章。

那时代处于冷战背景,西方都不愿提苏联的工作。此后,世界都用原始方程组作数值预报,于是数值预报方法成为实际天气预报的业务。所以数值天气预报业务化应用是从成功求解原始方程开始的,我这个半隐式差分法最早。由于半隐式差分法的优越性能,至今它仍在数值预报中广泛使用。

2016年,世界气象组织经过评审,确认我这个工作是先驱性的,在给我颁的奖——国际气象组织奖的证书中,就有写这一条。

五,灾害伤亡不能都怪气象部门

科学大师:我们普通人更关心气象科学与实际社会生活的关系。官方数据披露,今年夏天的第9号超强台风“利奇马”,造成多个省份(市)1402.4万人受灾,209.7万人紧急转移安置,对于这种破坏性极强的气象灾害,我们的预报能够提前到什么程度?

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑


曾庆存:现在可以提前5—7天。比如说台风,5天之前,我们可以报出其大概走向,当然有一定的误差。但总体来讲,现在台风预报相当准了。比如说中央气象台的台风预报模式和广东省气象局研制的华南台风预报模式,确实预报效果很好。

24小时作出的登陆点预报的误差只差30公里到50公里。比如说台风“山竹”是去年最厉害的台风,称为“风王”,当时的预报和实况,都是在广东省台山和阳江之间登陆。今年在我们国家登陆的超级台风“利马奇”,从气象预报角度说,也是成功的。五天至三天前就预报出的台风登陆路径,发出了是超级台风的警报。

至于成灾重,那是另外的一个问题了,和地理环境条件及防灾减灾的措施有关。内陆地区人民群众的防灾经验、意识、知识还需要进一步加强和提高。

科学大师:台风预报是怎么做出来的?

曾庆存:比如说9天之前,在西太平洋上空,发现有一些热带云团,会不会发展成台风呢?我们气象卫星都在监测,将获取的初始数据输入到电脑里面来计算,用数值预报预测它的发展趋势,什么时候成台风?移动路线如何?卫星又不断地随时监测,随时进行数值预报、制作四维图画,实时传递给相关机构。尤其是有可能登陆我们国家的情况,登陆前三天就已进入警戒状态,加密监测和预测。

我们的静止卫星,一般6分钟就可以发回一个图像,比如说温度怎么样,降水情况怎么样,涡旋云系和海面上风场怎么样,15分钟就可以给你一个较完整地区的定量数据。没有气象卫星的这些即时资料和信息,数值天气预报很难做好。这两个相辅相成,是气象部门的两大利器,也是气象事业和气象科学现代化的两个重要标志。

六,天上原来有这些气象卫星“宝宝”

科学大师:我们这个气象卫星在天上是怎么分布的?

曾庆存:现在有两种卫星,一种叫极轨卫星,差不多是绕地球南北极飞行。我们国家,供世界使用的有四颗,叫风云三号卫星系列,其中值班的即参加世界气象卫星网络并为全世界提供服务的是两颗。此外,还有一种叫做静止卫星,固定在赤道上空某个位置上,相当于地面上是固定的。我们国家有四颗静止卫星,叫风云二号和四号系列,从东往西排列,覆盖西太平洋和印度洋地区,对气象情况进行时间连续不断的监测。也提供世界服务,且有一颗是专门为“一带一路”沿线国家服务的。如果想要提高较小范围区域的观测的分辨率,我们还可用“高分卫星”,如高分四号、六号等等。

七,人工干预天气,不是那么容易

科学大师:虽然技术水平在提高,但还是能听到老百姓议论,天气预报不准,您有什么解答?

曾庆存:有些地方是监测死角,仪器探测不到,探测的分辨率也不够。探测不到,分辨不出,你怎么能作预测?更何况,自然界里面还存在偶然性,偶然性是报不了的。

但是在一定大的范围,例如说北京市这么大的范围和数小时内的总情况,偶然性减小,大多又可探测到和分辨得出来,可预报出的概率就大得多。比如三个钟头以后、六个钟头以后北京地区会不会下雨,这个一般能报准,它有一个既有的科学统计和规律分析作为基础。当然,也有一个概率分布,预报不可能每次报准,总有报不准的情况,这是科学的说法。

另外就是超出现有科学水平的也报不了,比如空间距离上,需要雷达能够覆盖得了,百公里能被覆盖和预测,只能说百公里内的事情,就预测不了一百公里外的天气。

还有一个,长期的气象是难报甚至是预报不了的,这就是科学上的混沌现象所致。观测的误差导致有一个可预报的时限,长于此时限的预报一般是不准的。目前只能预报5—7天,超过这个时间就不准了。再长一些,只能考虑报平均状态了,比如说一两个季度的平均情况,特别是中国的旱涝,能不能提前半年预报?这是有可能的。当有强信号预兆,例如厄尔尼诺事件时,可以报得准些。在一般情况下,现在还不能很好地掌控,只是预测一个大概,供参考。

科学大师:那对未来的长期气候演变,也是无能为力的?

曾庆存:以后地球系统模型建成了,可以试验作一年的气候预测,或者在某些有先兆的气象情况下,两年大概也可以。至于预报十年以后、一百年的气候怎么样,不敢说,因为有很多因素和变量的作用,不只是人类排放二氧化碳这种单一的因素影响。

科学大师:预测之外,人工干预天气,现在能实现到什么程度?

曾庆存:我的研究中,有一项自然控制论,和你提的这个问题有关,就是怎么用数学和物理的办法,研究人工改造或影响天气。理论上,我提出来了,但是在实际尚没有办法实现,因为按理论方法实践起来要有许多技术条件,很难,尚未解决。

我们国家人工影响局部地区的天气,如人工消雹和人工增雨,已有二三十年的大规模试验。消雹相当成功,增雨也有不少成功经验,但目前尚是凭经验,总结得不够,更没有系统的理论和形成工程化的作业规范。

比如说打火箭到云中去让它下雨,那是因为天上已经有足够的客观条件了,打火箭上去只是将催化剂加到云中,使更多的水汽凝结成大水滴,就会下更多的雨水,即增雨。这个技术手段局部是可以的。

当然云里的能降雨的水滴下光了,你再打也没用了。技术手段应该说是有限的。要取决于很精细的条件。不过理论上说,只要你掌握了规律,列出方程来,并给出初始条件资料,就可以求解,告知你怎样作业,可增雨多少,但还得有技术,技术达不到的,也不能解决。

专访曾庆存 :他的工作是数值天气预报发展的一个里程碑


又例如,大气污染的减排,从理论上算法已经有了,比如PM2.5怎么形成的,是什么规律,方程公式怎么样,这个都应能做到。尤其是PM2.5主要是人为因素造成的情况下,可以解决。重要的是要认识规律,列出准确的方程式,且监管到位。

今年到明年,我希望在人工排放的监控、调控方面,可以有一些突破。雾霾可以解决,就是说从理论上能够找到怎么减排的最好方案。避免一刀切,即我们可按理论算出,在关键地区必须减排和应减排多少量,就可保证京津地区空气质量达标。还有,气象条件好时,还可使一些企业多开工生产,保证其按年份平均来计算,经济不亏损,生产治污两不误。当然,最彻底的办法是研究出工厂不排污的技术,这方面我们国家的研究还颇有进展,前途光明。

八,要正确理解“人定胜天”的说法

科学大师:中国曾流行一个说法,叫做人定胜天,您觉得人真能战胜自然规律么?

曾庆存:首先一定要懂得和掌握运用自然规律,做到趋利避害。用现代的科学监测手段,知道了自然规律之后,可以很有效地利用自然界,但不能违反自然界的规律。改善或者说改造自然界,在某些方面和某种程度上是可以做到的。比如干旱和沙漠化,有防护林、塞罕坝,北京因此也就几乎没有了漫天沙尘的天气了。这个都是顺应自然规律的情况。但违反自然规律的事情坚决不能做,不但做不到,甚至要吃苦头,或适得其反。

现代人有个误解,以为“人定胜天”,就是按照人的意愿或意志可以改变自然界。其实,这个“定”字,不是“一定”的意思,什么叫定?古代的人,尤其是“天子”,讨论社会和人事问题,相信和强调天命,即由天命定下来的。春秋战国时代,有学者提出并非总是如此,人也可决定自己的命运,只要人做得对。这就是“人定胜天”的思想。

怎样可以“人定”呢?曾子的《大学》说:“知止而后能定,定而后能静,静而后能虑,虑而后能得。”可见,“知止”才能“定”。那么,什么是“止”呢?要“止于至善”。

“至善”即十全十美。就是人要修养好,认识和遵守规律。“能得”就是办得成事。可见,这个“定”是安定。安定,即懂得规律,遵循规律办事。推广到对待自然界,你必须懂得自然规律,按自然规律办事,就是说你安定了,能够找到办法了,就可以合理改良自然界的情况,和自然和谐相处。应该是这样解释。说人一定能够战胜自然界,这个说法是不对的,是夸张的。

科学大师:实际上也就是说,人并不是无所不能的万物主宰。

曾庆存:是的,一定要认识自然规律,一定要按规律办事,不能违反自然规律。

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