數值天氣預報理論奠基人曾慶存:不求聞達亦斯文

來源:光明日報 作者:陳海波 時間:2020-01-13
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曾慶存(2014年11月29日攝)。新華社發

曾慶存在國際工業與應用數學大會上作報告(2015年資料照片)。新華社發

“要有賽馬的精神,像比賽的馬一樣勇敢向前沖?!?/strong>

“天塌下來,你要撐得起。跌倒算什么,我們骨頭硬,爬起來再前進?!?/strong>

85歲的中國科學院大氣物理研究所研究員、中國科學院院士曾慶存,語調鏗鏘。這位2019年度國家最高科學技術獎的獲得者,在記者面前話不多,但句句精辟。

自稱“氣象科學老戰士”的曾慶存,即使年過八旬,仍然每天都要來辦公室,他還承擔具體的科研項目,還帶研究生。他常對人說:“成功,就在前方?!?/strong>

其實,曾慶存早已走在了前方,他在數值天氣預報和氣象衛星遙感領域作出了開創性貢獻。但在得知獲獎的那一刻,他仍然謙遜低調,自問“何德何能獲得這個獎”。他感謝身后的國家以及身旁的家人,因為他們,他才能安心做科研。

寫詩,是曾慶存的另一大愛好,他在詩歌里表達自己的追求:“科學鉆研心寂靜,蒼生憂樂血沸騰?!?/strong>

這種追求,是“欲明事理窮追底”,是“不求聞達亦斯文”。

1.為國選擇氣象學 

曾慶存的辦公室在中科院大氣所科研樓8層,憑窗遠眺,云層似乎離得不遠。辦公室不大,前后兩排書柜,中間一張辦公桌。桌上擺著厚厚一疊書,書名《數值天氣預報的數學物理基礎》。隨意瀏覽幾頁,滿紙都是數學公式和符號,數學符號比漢字多,對非專業人士來說宛如天書。

40多年前,曾慶存寫完該書的書稿時,曾題詩一首作為書跋。詩中有句曰:“清窗日夜無人擾,神斂卷開命筆時?!睍鴮懙煤苄量?,但曾慶存似帶著一種神圣的使命感在進行寫作,寫完如釋重負?!翱嘈恼徱嘤腥酥?,他以此句作為那首詩的結尾。

如今,這片“苦心”早已世人皆知。1961年,曾慶存在世界上首次成功用原始方程直接進行實際天氣預報,隨即用于天氣預報業務。半個多世紀以來,他在數值天氣預報上的開創性和基礎性貢獻,讓全世界都受益。

如果把時間再往回拉,曾慶存不會想到自己的一生會跟氣象結緣。出生于農村的他,從小就知道天氣對于一個“靠天吃飯”的農民家庭的意義。

1935年,曾慶存出生于廣東一個農民家庭。他曾撰文描述童年生活:“小時候家貧如洗,拍壁無塵。雙親率領我們這些孩子力耕垅畝,只能過著朝望晚米的生活。深夜勞動歸來,皓月當空,在門前擺開小桌,一家人喝著月照有影的稀粥——這就是美好的晚餐了?!?/p>

在田間地頭耕作一天的農人,帶著疲勞和月光回家。在結束這一天前,他們通常會遙望夜空。這并不是一種浪漫,而是一種現實的需要——他們希望能從遙遠的夜空預測明天的天氣,盼望著好天氣帶給他們好收成。這樣的情景,曾慶存從小就習以為常。

1946年,曾慶存11歲。一次臺風登陸,風雨交加。讀書不多的曾父,一直渴望孩子讀書成才,趁著雨夜無事,決定考考兩個兒子。曾父提議對對子,并先提一句:久雨疑天漏。接著,曾慶存與哥哥應對。一邊推敲,一邊聊天,“從自然到人事,父子兄弟竟然聯句得詩?!痹鴳c存回憶,詩曰:“久雨疑天漏,長風似宇空。丹心開日月,風雨不愁窮?!?/p>

1947年,12歲的曾慶存寫了一首題為《春旱》的詩:“池塘水淺燕低飛,岸柳迎風不帶姿。只為近來春雨少,共人皆作嘆吁噓?!?/p>

無論是“風雨不愁窮”,還是“皆作嘆吁噓”,對從小就在鄉下長大、“力耕田野”的曾慶存而言,天氣對農業收成和人民生活的影響,他感同身受。

1952年,曾慶存考取北京大學物理系。新中國成立之初,我國急需氣象科學人才。北大物理系準備安排一部分學生學氣象學專業,老師鼓勵班上同學:而今萬事俱備,只欠東風。意思是,國家已為大家準備好學習條件,只待大家安心學習。曾慶存自然能理解這種安排,很快地選擇了這個熟悉卻又陌生的學科。

“有一件事我印象很深,1954年的一場晚霜把河南40%的小麥凍死了,嚴重影響了當地的糧食產量?!痹鴳c存說,“如果能提前預判天氣,做好防范,肯定能避免不少損失?!?/p>

2.求解世界級難題  

早上出門前,看一下手機上的天氣預報,這是很多人的日常。但在過去,預知天氣還得看天。所謂“看見天上鉤鉤云,就知地上雨淋淋”,即是如此。但天有不測風云,天氣預報并不是觀云識天就可以做到的。

20世紀,人們發明和應用氣象儀器來測量大氣狀態,并將各地的氣象觀測數據匯總到一處,繪成天氣圖。但是,天氣圖嚴重依賴天氣預報員的主觀判斷。彼時,氣象科學還處于描述性和半理論半經驗階段。

曾慶存上大學時曾在中央氣象臺實習,每天看著氣象預報員們守候在天氣圖旁進行分析判斷。在天氣圖上,雨用綠色標注,雷用紅色標注?!跋惨姶豪灼降仄?,漫山綠雨半天紅”,這是曾慶存對當時天氣預報的印象。但他更多時候看到的是,由于缺少精確的計算,往往只能通過定性分析判斷和憑經驗進行預報,預報員心里都沒把握。

經驗性的天氣預報,沒法做到定量、定時、定點的判斷。要做到這些,必須是客觀定量的數值天氣預報,這是20世紀50年代剛剛起步的一個領域。所謂數值天氣預報,就是根據大氣動力學原理建立描述天氣演變過程的方程組,然后輸入大氣狀態的初值和邊界條件,用計算機數值求解,預測未來天氣?!罢页鰵庀笞兓囊幝?,然后用數學方法把它算出來?!痹鴳c存如此形容。

在中央氣象臺實習的曾慶存,心里有了一個愿望:研究客觀定量的數值天氣預報,提高天氣預報的準確性。

1957年,曾慶存被選派至蘇聯科學院應用地球物理研究所讀研究生,師從國際著名氣象學家基別爾。在那里,曾慶存的學習勁頭以及數學物理功底,深得基別爾認可。博士論文選題,導師給了他一個世界性難題——應用斜壓大氣動力學原始方程組做數值天氣預報的研究。

大氣動力學原始方程組是世界上最復雜的方程組之一。因為大氣運動本身就非常復雜,包含渦旋和各種波動的運動過程及其相互作用,需要考慮和計算的大氣物理變量非常多。當時,科學界雖已嘗試用動力學方法進行天氣形勢短期預報,但都對方程組進行了嚴重簡化,預報精度較低,達不到實用要求。要使數值預報真的實用,還得在原始方程研究方面取得突破。

“他把這個題目給我時,所有師兄都反對,認為我不一定研究得出來,可能拿不到學位?!痹鴳c存回憶。

要用原始方程組進行數值天氣預報,第一步要了解大氣運動的規律,第二步要思考用何種計算方法。大氣運動如此復雜,這意味著計算量也非常大。而且,必須保證計算的穩定性和時效性?!坝嬎愕乃俣缺仨氉飞咸鞖庾兓乃俣?,否則沒意義。雨已經下了,你才算出來要下雨,有什么用?”曾慶存說。

那時候,超級計算機的發展才起步不久。要想“追上天氣變化的速度”,實現真正的預報,幾乎是不可能的。這意味著,必須在計算方法上有更多突破。

曾慶存苦讀冥思,每提出一個想法,就反復試驗和求證。那時候,蘇聯的計算機也非常緊缺,機時很少。他經常通宵達旦,先做好準備工作,爭取一次算完,立即分析計算結果,“燈火不熄,非虛語”。

1961年,幾經失敗后,曾慶存終于從分析大氣運動規律的本質入手,想出了用不同的計算方法分別計算不同過程的方法,一試便成功。他提出的方法叫“半隱式差分法”,是世界上首個用原始方程直接進行實際天氣預報的方法。該方法隨即在莫斯科世界氣象中心應用,預報準確率得到極大提升。應用原始方程是一個劃時代的進步,當今數值天氣預報業務都基于原始方程。半個世紀過去了,“半隱式差分法”至今仍在國際上廣泛使用。

這一年,曾慶存26歲。獲得蘇聯科學院副博士學位的他,踏上了回國的路。

3.“餓著肚子推公式”  

再次踏上祖國的土地,曾慶存躊躇滿志。他“熱血沸騰,感而成句”,寫下一首《自勵》詩:“溫室栽培二十年,雄心初立志驅前。男兒若個真英俊,攀上珠峰踏北邊?!?/p>

攀珠峰,即追求科學的最高峰。珠峰有“北坡難南坡易”一說,“踏北邊”除了寓意要“迎難而上”,還有何意?多年后,他如此解釋:珠峰北邊為中國領土,“踏北邊”就是要“走中國道路”。

回國后,曾慶存進入中國科學院地球物理研究所氣象研究室工作。由于當時沒有電子計算機,曾慶存便集中注意力研究大氣和地球流體力學以及數值天氣預報中的基礎理論問題,在數值天氣預報與地球流體力學的數學物理系統理論研究中取得重要成果。這在當時看來是十分抽象和“脫離實際”的,但后來證明,這對數值預報進一步的發展是極為重要的。

不僅僅是數值天氣預報,對于氣象預報和氣象災害監測的另一個重要手段——衛星氣象遙感,曾慶存也作出了開創性貢獻。

我國開始研制氣象衛星后,1970年,曾慶存又一次服從國家需要被緊急調任為衛星氣象總體組的技術負責人,進入自己完全陌生的研究領域。當時,氣象衛星在國際上尚處于初始階段,溫濕等定量遙感都沒研究清楚。

那段時間,曾慶存很忙。自己生病,拖著病軀奔波于各地;妻子和幼子無暇照顧,只能托寄于農村老家。他就像自己口中的“賽馬”一樣往前沖,終于解決了衛星大氣紅外遙感的基礎理論問題,利用一年時間寫出了《大氣紅外遙測原理》(“遙測”今稱“遙感”)一書,并于1974年出版。這是當時世界上第一本系統講述衛星大氣紅外遙感定量理論的專著,其中提出的“最佳信息層”等理論,是如今監測暴雨、臺風等災害性天氣的極重要依據。此外,他提出求解“遙感方程”的有效反演算法,成為世界各主要氣象衛星數據處理和服務中心的主要算法,得到廣泛應用。

1988年9月,我國第一次成功發射氣象衛星。在發射現場的曾慶存,喜不自禁,賦詩一首:“神箭高飛千里外,紅星遙測五洲天。東西南北觀微細,晴雨風云在目前?!?/p>

此后,曾慶存開展了集衛星遙感、數值預測和超算為一體的氣象災害防控研究,有效提高了臺風等災害性天氣的預報預警時效和防控效果。近年來,他還帶領團隊積極參與全球氣候和環境變化研究,發起和具體參與地球系統模式研究,并提出自然控制論等新理論。2016年,曾慶存獲得全球氣象領域的最重要獎項——世界氣象組織頒發的國際氣象組織獎。

有人問,如此成就,曾慶存是怎么做到的?

與曾慶存共事多年的中科院大氣物理所研究員趙思雄,給出了一個答案。這個答案只有三個字:安、專、迷。

安,就是安心做事、安貧樂道。曾慶存剛回國時住幾平方米的房子,除了床幾無立足之地。但他心中的世界很大,在逼仄的空間里不分晝夜,完成了長達80萬字的大氣動力學和數值天氣預報理論專著《數值天氣預報的數學物理基礎》。此外,他腳上穿的是在家門口農貿市場買的布鞋,頭上戴的是多年前同事送的舊帽子?!瓣惥皾櫴切瑑浩?,你是帽兒破?!壁w思雄常跟曾慶存如此開玩笑,很多人也稱他為“曾景潤”。

專,就是專心做研究。曾慶存曾跟友人提及“時人謬許曾景潤”,希望大家不要再表達這種“善意”。他認為,所謂“曾景潤”,只是“潛心學問”的自然表現?!把啃奶镄l紫微,管寧專注竟忘雷”,他寫詩自述心意。管寧因為讀書做事認真專注,而與行為相反的同學華歆割席分坐。曾慶存要守護心中的“紫微”,唯有潛心和專注。

迷,就是癡迷。趙思雄說,“餓著肚子推公式”,這種事情在曾慶存身上沒少發生。算方程和推公式入了迷,經常忘記吃飯和睡覺。

“現在就缺這種安、專、迷的精神?!壁w思雄不無遺憾地說。

4.純正的科學良知  

曾慶存在中科院有著“詩人院士”的美譽,已經出版了兩本詩集。他說,搞科學太累了,寫詩當作一種調劑。

作為一名氣象科學家,曾慶存把風云變幻寫進詩里。他以四季入詩,以節氣入詩,以風、雪、雨、雷入詩。寫風沙天氣,“可憐桃李花開際,千里黃塵蔽日空”;寫初冬寒潮,“戀枝黃葉忽稀疏,樹動塵揚水不波”;寫春季天氣陰晴變化快,“桃花剛笑靨,楊穗又驚心”;寫人工降雨試驗成功,“諸葛佳談傳千古,東風今日始登壇。飛機撒藥沉云滴,土炮轟雹化雨幡”。

在曾慶存看來,科學是理性的,藝術是感性的,但兩者是不可分離的,“做學問也是講究美的,寫詩雖受心血來潮的靈感沖動所引起,但其意境或其形象的演變與發展過程以及其表達,則是理性思維的范疇”。

曾慶存自謂“非專業詩人”,寫的大多是“不登大雅之堂的詩篇”。不過,他知道何以為詩——“詩言志”。他在詩中表達的“志”,是科學,是家國。在自己的詩集《華夏鐘情》里,他如此自剖:

這些詩篇,有“科學鉆研心靜寂”的寧靜,有“華夏情鐘騰熱血”的激昂,有痛感我們在國際上蒙受不公正對待而“異國魂銷難入夢”的悲憤,有發奮圖強而“愚公有志垅山移”的決心。

中科院原黨組副書記郭傳杰從曾慶存的詩歌和人生里,讀出了“執著的愛國情結”和“純正的科學良知”。

20世紀80年代,我國基礎研究處境艱難,中科院去各部門調研,聽取科研人員的意見。調研的第一站是大氣所,曾慶存當時剛挑起中科院大氣所所長的大梁。調研組的郭傳杰至今清晰地記得曾慶存的那一番肺腑之言:

“古人陶淵明,不為五斗米折腰。如果為自己,我也不會為幾斗米去折這不高貴的腰。但現在我已經折得腰肌勞損了,而且還得折下去。因為我在主持大氣所的工作,不能讓先輩創立的這么優秀的研究所在我手上敗下去。大氣研究對國計民生非常重要,我們研究所雖然規模不大,但有一群愛研究的科學家。我們希望國家重視基礎研究,讓大家有一個可以安心做基礎研究的環境?!?/p>

30多年過去了,曾慶存說的每一個字似乎已經刻在了郭傳杰的腦海里,揮之不去,時有回響?!半m然我不是曾慶存的學生,但我一直把他當作良師?!彼f。

仍然是80年代,大氣所當時還沒有大型計算機。曾慶存認為,要讓大氣研究走得更快,必須購置大型計算機?!爱敃r別人對此不理解。曾慶存就不斷地往相關部門跑,不停地解釋,終于獲得了經費。但光有經費還不行,因為國外計算機對我國封鎖。他托人從香港巧妙繞過國外封鎖,引進了一臺當時在國際上很先進的計算機?!敝锌圃捍髿馕锢硭芯繂T洪鐘祥回憶。

二十多年前的一個風雨交加之夜,中科院大氣物理所研究員胡非與導師曾慶存撐傘立在路旁,討論陣風揚塵問題,滔滔不絕,還談起了治學與人生。事后,曾慶存意猶未盡,寫了一首詩贈胡非:“陣風斜雨夜,撐傘立談文。既蓄高峰志,勿擾世俗塵?!?/p>

那個晚上的“撐傘”之談,確實很有收獲。后來,師生合作研究出了大氣邊界層陣風揚塵的機理。但胡非收獲的不僅僅是一個研究成果,更是一種科研態度:做科研,要不懼風雨,要心中無塵。

胡非說,他時常想起屈原的詩歌《橘頌》,覺得里面有兩句詩,很契合曾老師形象——蘇世獨立,橫而不流。

曾慶存心中的科學家精神,就是“為國為民為科學”,沒有這種精神搞不好科學研究。而且,他還教導學生,科學研究若想取得成功,還需要“能坐得住冷板凳,要勇敢、要堅毅”,要有“十年磨一劍”的精神。

“少時長于竹林蕉葉之下”的曾慶存,對家鄉的綠竹和芭蕉“感慕殊深”。他曾寫詩《綠竹芭蕉贊》,稱羨竹子的“獻綠山河不著花”“有節無心人已贊”和芭蕉的“從來軀干唯高直,羞臉低頭不較功”。

他希望自己能做一株綠竹或芭蕉。

(本報記者 陳海波)

曾慶存簡介   

曾慶存,1935年5月出生于廣東省陽江市。中國科學院大氣物理研究所研究員,國際著名大氣科學家。1956年畢業于北京大學物理系,1961年在蘇聯科學院應用地球物理研究所獲副博士學位,1980年當選中國科學院學部委員(院士)。曾慶存院士在現代大氣科學和氣象事業的兩大領域——數值天氣預報和氣象衛星遙感作出了開創性和基礎性的貢獻,為國際上推進大氣科學和地球流體力學發展成為現代先進學科作出了杰出貢獻,并密切結合國家需要,為解決氣象業務關鍵問題作出了卓著功績。

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