最高奖得主曾庆存:一生都在“大闹天宫”

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2020-01-10 17:39

人民网北京1月10日电(赵竹青)10日上午,2019年度国家科学技术奖励大会在北京举行,中国科学院大气物理研究所曾庆存研究员和原中国船舶重工集团公司第七一九研究所黄旭华研究员一同获得国家最高科学技术奖。

曾庆存的学术贡献以“数值天气预报”为代表,可以说他的一生都在不停地“大闹天宫”,为我国的大气科学事业作出一次又一次的杰出贡献。

曾庆存和他的气象事业

世界气象组织将数值天气预报称为20世纪最伟大的科技发展之一,《自然》杂志则盛赞数值天气预报的发展是一场静悄悄的革命。

时至今日,较准确的定量数值天气预报能及时预测气象灾害,对于防灾、减灾、救灾,保护公民生命财产安全,至关重要。在数值天气预报的支持下,经过社会各界共同努力,已经实现了多个登陆我国台风的零死亡,极大地保护了公众的生命财产安全。

曾庆存院士首创“半隐式差分法”,在世界上第一个成功求解原始方程作数值预报,并发展了数值天气预报的数学物理基础理论,是国际数值天气预报理论的奠基人之一。

他在卫星大气红外遥感研究中提出“最佳信息层”和反演方法,被世界各主要卫星数据处理和服务中心所采用,服务于实时天气预警和短期天气预报。

他倡导并参与研制国家大科学装置——地球系统数值模拟装置,为国家防灾减灾、应对全球气候变化、大气环境治理等重大问题提供科学支撑,推动地球系统科学不同学科之间的学科交叉和融合,促进我国地球系统科学整体向国际一流水平跨越。

把天气“算”出来

人们观天,目见风起云涌、云收雨散,积累了一定经验,可知道一地的某些天气变化规律,这是前科学时代的天气预报——凭个人经验。

到了上世纪,发明和应用了气象仪器来定量测量大气状态变量,如风速、气压、气温、湿度等,气象学开始进入“科学时代”。特别是无线电的成功与大量应用,使得各地的气象观测数据可以及时汇总到一个中心,绘成“天气图”,看天气图就可掌握天气的三维空间的结构。

这种天气图法的预报虽是建立在科学分析基础上,但在很大程度上还依赖于预报员凭经验做出主观判断。

其实从原则上说,预报问题可归结为在一定边界和初始条件下,求解描述大气运动变化规律的数学物理方程组。

根据这一原理构思,全世界的气象学家开始了对数值求解天气预报的深入研究。但是他们很快发现自己陷入了一个“两难”的境地:预报方程如果复杂,则无法直接求解;要是把方程简化,那么准确度就难以保证。

1961年,曾庆存在深入分析天气演变过程的理论基础上,首创半隐式差分法,对代表慢过程的涡旋演变项和快过程的波动演变项采用不同的处理方法,在国际上首次成功求解大气斜压原始方程组,能预报出描述大气运动的各种变量,给出了世界上第一张用原始方程组的天气预报图。第二年,就被应用到莫斯科世界气象中心的日常业务中。该方法和此后又创新的平方守恒法,至今仍在广泛应用。

1979年曾庆存出版了专著《数值天气预报的数学物理基础》(第一卷)。该书内容丰富,从动力学基本问题到基本方程组的数学适定性问题,都加以研究,引起了国内外学者的极大重视。1981年日本《天气》杂志刊登了日本科学家的评价,称该书“正面引入气象力学的数学物理基础,这是世界首创;为构筑气象力学的学术基础,这样的工作必不可少;曾的书是气象学理论化极重要篇章”。1982年,美国著名气象学家Smagorinsky指出,“这卷书的出版对发展动力气象学文献有突出的贡献,将立于世界优秀名著之林。……尽管科学发展很快,本书的选材、组织和给出的结果却具有持久的价值”。

该专著被公认为数值天气预报和大气动力学奠定了坚实理论基础,结合其对斜压原始方程组的奠基性贡献,曾庆存成为国际数值天气预报理论的奠基人之一。

为气象卫星“画龙点睛”

资料空缺是制约数值预报发展的第一难题,卫星遥感是获取全球气象资料时空分布和发现灾害性天气最重要的手段。

按照国家当时的紧迫需求,曾庆存于1970-1978年参加了我国气象卫星工程的规划和设计工作,在完成各项具体任务的同时,他致力于遥感理论研究,1974年出版了《大气红外遥感原理》专著,将各个遥感方法系统地发展为大气遥感理论,他的书在国际上是这方面最早的理论专著。

在卫星遥感问题中,通道选择和反演方法是遥感理论及其应用的核心问题。曾庆存发现遥感大气物理变量和物质成分是两类本质不同的问题,指出遥测大气水汽和温度不在同一大气层,只用卫星遥感大气低层微量成分分布是不可靠的,甚至是不可能的,但在对流层高空是重要和可靠的,澄清了当时的模糊和错误观念,提出了选择水汽遥感通道的“最佳信息层”方法。

气象卫星水汽通道已成为监测暴雨和台风等灾害天气的利器。他的反演方法也被世界各主要卫星数据处理和服务中心所采用,用于高效提取水汽含量、温度等实时定量信息,服务于实时天气预警和短期天气预报。

“为地球做CT”预测未来的国之重器

天气预报主要聚焦大气圈,预报未来几天的天气。此外,预测未来一个月、一个季度、一年,甚至几年、几十年气候的气候预测,关系到国民经济建设的方方面面,如夏季洪涝、冬季雾霾、农业规划、能源布局等,在全球变化的背景下,对气候预测的需求更日显重要。

不同于天气预报,光靠研究大气圈远远不够,气候预测还需要了解海洋、陆面及太阳活动等的情况。1983年,曾庆存及其团队开始研制中国气候系统模式和预测方法,自主研制了大气、海洋、陆面模式,取得一系列创新性成果,并在国际上首先开创短期气候预测系统。

经过半个多世纪对数值模式的持续研究,曾庆存敏锐地意识到,随着高性能计算机技术的迅猛发展,中国通过数值模拟手段,可以研究地球系统各圈层之间相互联系、相互作用的机制以及地球系统变化的规律和机理,将气候预测扩展到对于地球系统的整体模拟和预测。2007年至今,他领导和亲自参与我国自主研制地球系统动力学模式。

2009年,曾庆存院士同老一辈科学家就萌生建立中国自己的地球模拟器的想法。曾庆存作为地球系统数值模拟装置的倡导者和推进者,风雨兼程、历经九载,在同数百位科学家共同的努力下,地球系统数值模拟装置于2018年在北京市怀柔科学城破土动工。地球系统模拟装置为国家防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理等重大问题提供科学支撑,推动地球系统科学不同学科之间的学科交叉和融合,促进我国地球系统科学整体向国际一流水平跨越。“解读地球计划”迈出至关重要的一步,中国可以自己为地球做CT。

(责编:赵竹青、吕骞)

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