國家最高科技獎得主曾慶存:一生都在“大鬧天宮”

2020年01月10日10:48  來源:人民網-科技頻道
 

人民網北京1月10日電(趙竹青)10日上午,2019年度國家科學技術獎勵大會在北京舉行,中國科學院大氣物理研究所曾慶存研究員和原中國船舶重工集團公司第七一九研究所黃旭華研究員一同獲得國家最高科學技術獎。

曾慶存的學術貢獻以“數值天氣預報”為代表,可以說他的一生都在不停地“大鬧天宮”,為我國的大氣科學事業作出一次又一次的杰出貢獻。

曾慶存和他的氣象事業

世界氣象組織將數值天氣預報稱為20世紀最偉大的科技發展之一,《自然》雜志則盛贊數值天氣預報的發展是一場靜悄悄的革命。

時至今日,較准確的定量數值天氣預報能及時預測氣象災害,對於防災、減災、救災,保護公民生命財產安全,至關重要。在數值天氣預報的支持下,經過社會各界共同努力,已經實現了多個登陸我國台風的零死亡,極大地保護了公眾的生命財產安全。

曾慶存院士首創“半隱式差分法”,在世界上第一個成功求解原始方程作數值預報,並發展了數值天氣預報的數學物理基礎理論,是國際數值天氣預報理論的奠基人之一。

他在衛星大氣紅外遙感研究中提出“最佳信息層”和反演方法,被世界各主要衛星數據處理和服務中心所採用,服務於實時天氣預警和短期天氣預報。

他倡導並參與研制國家大科學裝置——地球系統數值模擬裝置,為國家防災減災、應對全球氣候變化、大氣環境治理等重大問題提供科學支撐,推動地球系統科學不同學科之間的學科交叉和融合,促進我國地球系統科學整體向國際一流水平跨越。

把天氣“算”出來

人們觀天,目見風起雲涌、雲收雨散,積累了一定經驗,可知道一地的某些天氣變化規律,這是前科學時代的天氣預報——憑個人經驗。

到了上世紀,發明和應用了氣象儀器來定量測量大氣狀態變量,如風速、氣壓、氣溫、濕度等,氣象學開始進入“科學時代”。特別是無線電的成功與大量應用,使得各地的氣象觀測數據可以及時匯總到一個中心,繪成“天氣圖”,看天氣圖就可掌握天氣的三維空間的結構。

這種天氣圖法的預報雖是建立在科學分析基礎上,但在很大程度上還依賴於預報員憑經驗做出主觀判斷。

其實從原則上說,預報問題可歸結為在一定邊界和初始條件下,求解描述大氣運動變化規律的數學物理方程組。

根據這一原理構思,全世界的氣象學家開始了對數值求解天氣預報的深入研究。但是他們很快發現自己陷入了一個“兩難”的境地:預報方程如果復雜,則無法直接求解﹔要是把方程簡化,那麼准確度就難以保証。

1961年,曾慶存在深入分析天氣演變過程的理論基礎上,首創半隱式差分法,對代表慢過程的渦旋演變項和快過程的波動演變項採用不同的處理方法,在國際上首次成功求解大氣斜壓原始方程組,能預報出描述大氣運動的各種變量,給出了世界上第一張用原始方程組的天氣預報圖。第二年,就被應用到莫斯科世界氣象中心的日常業務中。該方法和此后又創新的平方守恆法,至今仍在廣泛應用。

1979年曾慶存出版了專著《數值天氣預報的數學物理基礎》(第一卷)。該書內容豐富,從動力學基本問題到基本方程組的數學適定性問題,都加以研究,引起了國內外學者的極大重視。1981年日本《天氣》雜志刊登了日本科學家的評價,稱該書“正面引入氣象力學的數學物理基礎,這是世界首創﹔為構筑氣象力學的學術基礎,這樣的工作必不可少﹔曾的書是氣象學理論化極重要篇章”。1982年,美國著名氣象學家Smagorinsky指出,“這卷書的出版對發展動力氣象學文獻有突出的貢獻,將立於世界優秀名著之林。……盡管科學發展很快,本書的選材、組織和給出的結果卻具有持久的價值”。

該專著被公認為數值天氣預報和大氣動力學奠定了堅實理論基礎,結合其對斜壓原始方程組的奠基性貢獻,曾慶存成為國際數值天氣預報理論的奠基人之一。

為氣象衛星“畫龍點睛”

資料空缺是制約數值預報發展的第一難題,衛星遙感是獲取全球氣象資料時空分布和發現災害性天氣最重要的手段。

按照國家當時的緊迫需求,曾慶存於1970-1978年參加了我國氣象衛星工程的規劃和設計工作,在完成各項具體任務的同時,他致力於遙感理論研究,1974年出版了《大氣紅外遙感原理》專著,將各個遙感方法系統地發展為大氣遙感理論,他的書在國際上是這方面最早的理論專著。

在衛星遙感問題中,通道選擇和反演方法是遙感理論及其應用的核心問題。曾慶存發現遙感大氣物理變量和物質成分是兩類本質不同的問題,指出遙測大氣水汽和溫度不在同一大氣層,隻用衛星遙感大氣低層微量成分分布是不可靠的,甚至是不可能的,但在對流層高空是重要和可靠的,澄清了當時的模糊和錯誤觀念,提出了選擇水汽遙感通道的“最佳信息層”方法。

氣象衛星水汽通道已成為監測暴雨和台風等災害天氣的利器。他的反演方法也被世界各主要衛星數據處理和服務中心所採用,用於高效提取水汽含量、溫度等實時定量信息,服務於實時天氣預警和短期天氣預報。

“為地球做CT”預測未來的國之重器

天氣預報主要聚焦大氣圈,預報未來幾天的天氣。此外,預測未來一個月、一個季度、一年,甚至幾年、幾十年氣候的氣候預測,關系到國民經濟建設的方方面面,如夏季洪澇、冬季霧霾、農業規劃、能源布局等,在全球變化的背景下,對氣候預測的需求更日顯重要。

不同於天氣預報,光靠研究大氣圈遠遠不夠,氣候預測還需要了解海洋、陸面及太陽活動等的情況。1983年,曾慶存及其團隊開始研制中國氣候系統模式和預測方法,自主研制了大氣、海洋、陸面模式,取得一系列創新性成果,並在國際上首先開創短期氣候預測系統。

經過半個多世紀對數值模式的持續研究,曾慶存敏銳地意識到,隨著高性能計算機技術的迅猛發展,中國通過數值模擬手段,可以研究地球系統各圈層之間相互聯系、相互作用的機制以及地球系統變化的規律和機理,將氣候預測擴展到對於地球系統的整體模擬和預測。2007年至今,他領導和親自參與我國自主研制地球系統動力學模式。

2009年,曾慶存院士同老一輩科學家就萌生建立中國自己的地球模擬器的想法。曾慶存作為地球系統數值模擬裝置的倡導者和推進者,風雨兼程、歷經九載,在同數百位科學家共同的努力下,地球系統數值模擬裝置於2018年在北京市懷柔科學城破土動工。地球系統模擬裝置為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環境治理等重大問題提供科學支撐,推動地球系統科學不同學科之間的學科交叉和融合,促進我國地球系統科學整體向國際一流水平跨越。“解讀地球計劃”邁出至關重要的一步,中國可以自己為地球做CT。

(責編:趙竹青、呂騫)