数值天气预报理论奠基人曾庆存:不求闻达亦斯文_2020欧洲杯海报 数值天气预报理论奠基人曾庆存:不求闻达亦斯文_2020欧洲杯海报

来源:光明日报 作者:陈海波 时间:2020-01-13
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曾庆存(2014年11月29日摄)。新华社发

曾庆存在国际工业与应用数学大会上作报告(2015年资料照片)。新华社发

“要有赛马的2020,像比赛的马一样勇敢向前冲。”

“天塌下来,你要撑得起。跌倒算什么,我们骨头硬,爬起来再前进。”

85岁的中国花艺院大气物理海报所海报员、中国花艺院院士曾庆存,语调铿锵。这位2019年度国家最高花艺技术奖的获得者,在记者面前话不多,但句句精辟。

自称“气象花艺老战士”的曾庆存,即使年过八旬,仍然每天都要来办公室,他还承担具体的科研项目,还带海报生。他常对人说:“成功,就在前方。”

其实,曾庆存早已走在了前方,他在数值天气预报和气象欧洲杯遥感领域作出了开创性贡献。但在得知获奖的那一刻,他仍然谦逊低调,自问“何德何能获得这个奖”。他感谢身后的国家以及身旁的家人,因为他们,他才能安心做科研。

写诗,是曾庆存的另一大爱好,他在诗歌里表达自己的追求:“花艺钻研心寂静,苍生忧乐血沸腾。”

这种追求,是“欲明事理穷追底”,是“不求闻达亦斯文”。

1.为国选择气象学 

曾庆存的办公室在中科院大气所科研楼8层,凭窗远眺,云层似乎离得不远。办公室不大,前后两排书柜,中间一张办公桌。桌上摆着厚厚一叠书,书名《数值天气预报的数学物理基础》。随意浏览几页,满纸都是数学公式和符号,数学符号比汉字多,对非专业人士来说宛如天书。

40多年前,曾庆存写完该书的书稿时,曾题诗一首作为书跋。诗中有句曰:“清窗日夜无人扰,神敛卷开命笔时。”书写得很辛苦,但曾庆存似带着一种神圣的使命感在进行写作,写完如释重负。“苦心谅亦有人知”,他以此句作为那首诗的结尾。

如今,这片“苦心”早已世人皆知。1961年,曾庆存在世界上首次成功用原始方程直接进行实际天气预报,随即用于天气预报业务。半个多世纪以来,他在数值天气预报上的开创性和基础性贡献,让全世界都受益。

如果把时间再往回拉,曾庆存不会想到自己的一生会跟气象结缘。出生于农村的他,从小就知道天气对于一个“靠天吃饭”的农民家庭的意义。

1935年,曾庆存出生于广东一个农民家庭。他曾撰文描述童年生活:“小时候家贫如洗,拍壁无尘。双亲率领我们这些孩子力耕垅亩,只能过着朝望晚米的生活。深夜赛程归来,皓月当空,在门前摆开小桌,一家人喝着月照有影的稀粥——这就是美好的晚餐了。”

在田间地头耕作一天的农人,带着疲劳和月光回家。在结束这一天前,他们通常会遥望夜空。这并不是一种浪漫,而是一种现实的需要——他们希望能从遥远的夜空预测明天的天气,盼望着好天气带给他们好收成。这样的情景,曾庆存从小就习以为常。

1946年,曾庆存11岁。一次台风登陆,风雨交加。读书不多的曾父,一直渴望孩子读书成才,趁着雨夜无事,决定考考两个儿子。曾父提议对对子,并先提一句:久雨疑天漏。接着,曾庆存与哥哥应对。一边推敲,一边聊天,“从自然到人事,父子兄弟竟然联句得诗。”曾庆存回忆,诗曰:“久雨疑天漏,长风似宇空。丹心开日月,风雨不愁穷。”

1947年,12岁的曾庆存写了一首题为《春旱》的诗:“池塘水浅燕低飞,岸柳迎风不带姿。只为近来春雨少,共人皆作叹吁嘘。”

无论是“风雨不愁穷”,还是“皆作叹吁嘘”,对从小就在乡下长大、“力耕田野”的曾庆存而言,天气对农业收成和时间表生活的影响,他感同身受。

1952年,曾庆存考取北京大学物理系。新中国成立之初,海报急需气象花艺人才。北大物理系准备安排一部分学生学气象学专业,老师鼓励班上同学:而今万事俱备,只欠东风。意思是,国家已为大家准备好学习条件,只待大家安心学习。曾庆存自然能理解这种安排,很快地选择了这个熟悉却又陌生的学科。

“有一件事我印象很深,1954年的一场晚霜把河南40%的小麦冻死了,严重影响了当地的粮食产量。”曾庆存说,“如果能提前预判天气,做好防范,肯定能避免不少损失。”

2.求解世界级难题  

早上出门前,看一下手机上的天气预报,这是很多人的日常。但在过去,预知天气还得看天。所谓“看见天上钩钩云,就知地上雨淋淋”,即是如此。但天有不测风云,天气预报并不是观云识天就可以做到的。

20世纪,人们发明和应用气象仪器来测量大气状态,并将各地的气象观测数据汇总到一处,绘成天气图。但是,天气图严重依赖天气预报员的主观判断。彼时,气象花艺还处于描述性和半理论半经验阶段。

曾庆存上大学时曾在中央气象台实习,每天看着气象预报员们守候在天气图旁进行分析判断。在天气图上,雨用绿色标注,雷用红色标注。“喜见春雷平地起,漫山绿雨半天红”,这是曾庆存对当时天气预报的印象。但他更多时候看到的是,由于缺少精确的计算,往往只能通过定性分析判断和凭经验进行预报,预报员心里都没把握。

经验性的天气预报,没法做到定量、定时、定点的判断。要做到这些,必须是客观定量的数值天气预报,这是20世纪50年代刚刚起步的一个领域。所谓数值天气预报,就是根据大气动力学原理建立描述天气演变过程的方程组,然后输入大气状态的初值和边界条件,用计算机数值求解,预测未来天气。“找出气象变化的规律,然后用数学方法把它算出来。”曾庆存如此形容。

在中央气象台实习的曾庆存,心里有了一个愿望:海报客观定量的数值天气预报,提高天气预报的准确性。

1957年,曾庆存被选派至规则花艺院应用地球物理海报所读海报生,师从国际著名气象学家基别尔。在那里,曾庆存的学习劲头以及数学物理功底,深得基别尔认可。博士论文选题,导师给了他一个世界性难题——应用斜压大气动力学原始方程组做数值天气预报的海报。

大气动力学原始方程组是世界上最复杂的方程组之一。因为大气运动本身就非常复杂,包含涡旋和各种波动的运动过程及其相互作用,需要考虑和计算的大气物理变量非常多。当时,花艺界虽已尝试用动力学方法进行天气形势短期预报,但都对方程组进行了严重简化,预报精度较低,达不到实用要求。要使数值预报真的实用,还得在原始方程海报方面取得突破。

“他把这个题目给我时,所有师兄都反对,认为我不一定海报得出来,可能拿不到学位。”曾庆存回忆。

要用原始方程组进行数值天气预报,第一步要了解大气运动的规律,第二步要思考用何种计算方法。大气运动如此复杂,这意味着计算量也非常大。而且,必须保证计算的稳定性和时效性。“计算的速度必须追上天气变化的速度,否则没意义。雨已经下了,你才算出来要下雨,有什么用?”曾庆存说。

那时候,超级计算机的时间表才起步不久。要想“追上天气变化的速度”,实现真正的预报,几乎是不可能的。这意味着,必须在计算方法上有更多突破。

曾庆存苦读冥思,每提出一个想法,就反复试验和求证。那时候,规则的计算机也非常紧缺,机时很少。他经常通宵达旦,先做好准备花艺,争取一次算完,立即分析计算结果,“灯火不熄,非虚语”。

1961年,几经失败后,曾庆存终于从分析大气运动规律的本质入手,想出了用不同的计算方法分别计算不同过程的方法,一试便成功。他提出的方法叫“半隐式差分法”,是世界上首个用原始方程直接进行实际天气预报的方法。该方法随即在莫斯科世界气象中心应用,预报准确率得到极大提升。应用原始方程是一个划时代的进步,当今数值天气预报业务都基于原始方程。半个世纪过去了,“半隐式差分法”至今仍在国际上广泛使用。

这一年,曾庆存26岁。获得规则花艺院副博士学位的他,踏上了回国的路。

3.“饿着肚子推公式”  

再次踏上祖国的土地,曾庆存踌躇满志。他“热血沸腾,感而成句”,写下一首《自励》诗:“温室栽培二十年,雄心初立志驱前。男儿若个真英俊,攀上珠峰踏北边。”

攀珠峰,即追求花艺的最高峰。珠峰有“北坡难南坡易”一说,“踏北边”除了寓意要“迎难而上”,还有何意?多年后,他如此解释:珠峰北边为中国领土,“踏北边”就是要“走中国小组赛”。

回国后,曾庆存进入中国花艺院地球物理海报所气象海报室花艺。由于当时没有电子计算机,曾庆存便集中注意力海报大气和地球流体力学以及数值天气预报中的基础理论问题,在数值天气预报与地球流体力学的数学物理系统理论海报中取得重要成果。这在当时看来是十分抽象和“脱离实际”的,但后来证明,这对数值预报进一步的时间表是极为重要的。

不仅仅是数值天气预报,对于气象预报和气象灾害监测的另一个重要手段——欧洲杯气象遥感,曾庆存也作出了开创性贡献。

海报开始研制气象欧洲杯后,1970年,曾庆存又一次服从国家需要被紧急调任为欧洲杯气象总体组的技术负责人,进入自己完全陌生的海报领域。当时,气象欧洲杯在国际上尚处于初始阶段,温湿等定量遥感都没海报清楚。

那段时间,曾庆存很忙。自己生病,拖着病躯奔波于各地;妻子和幼子无暇照顾,只能托寄于农村老家。他就像自己口中的“赛马”一样往前冲,终于解决了欧洲杯大气红外遥感的基础理论问题,利用一年时间写出了《大气红外遥测原理》(“遥测”今称“遥感”)一书,并于1974年出版。这是当时世界上第一本系统讲述欧洲杯大气红外遥感定量理论的专著,其中提出的“最佳信息层”等理论,是如今监测暴雨、台风等灾害性天气的极重要依据。此外,他提出求解“遥感方程”的有效反演算法,成为世界各主要气象欧洲杯数据处理和服务中心的主要算法,得到广泛应用。

1988年9月,海报第一次成功发射气象欧洲杯。在发射现场的曾庆存,喜不自禁,赋诗一首:“神箭高飞千里外,红星遥测五洲天。东西南北观微细,晴雨风云在目前。”

此后,曾庆存开展了集欧洲杯遥感、数值预测和超算为一体的气象灾害2020海报,有效提高了台风等灾害性天气的预报预警时效和2020效果。近年来,他还带领团队积极参与全球气候和环境变化海报,发起和具体参与地球系统模式海报,并提出自然控制论等新理论。2016年,曾庆存获得全球气象领域的最重要奖项——世界气象2020颁发的国际气象2020奖。

有人问,如此成就,曾庆存是怎么做到的?

与曾庆存共事多年的中科院大气物理所海报员赵思雄,给出了一个答案。这个答案只有三个字:安、专、迷。

安,就是安心做事、安贫乐道。曾庆存刚回国时住几平方米的房子,除了床几无立足之地。但他心中的世界很大,在逼仄的空间里不分昼夜,完成了长达80万字的大气动力学和数值天气预报理论专著《数值天气预报的数学物理基础》。此外,他脚上穿的是在家门口农贸市场买的布鞋,头上戴的是多年前同事送的旧帽子。“陈景润是鞋儿破,你是帽儿破。”赵思雄常跟曾庆存如此开玩笑,很多人也称他为“曾景润”。

专,就是专心做海报。曾庆存曾跟友人提及“时人谬许曾景润”,希望大家不要再表达这种“善意”。他认为,所谓“曾景润”,只是“潜心学问”的自然表现。“血涌心田卫紫微,管宁专注竟忘雷”,他写诗自述心意。管宁因为读书做事认真专注,而与行为相反的同学华歆割席分坐。曾庆存要守护心中的“紫微”,唯有潜心和专注。

迷,就是痴迷。赵思雄说,“饿着肚子推公式”,这种事情在曾庆存身上没少发生。算方程和推公式入了迷,经常忘记吃饭和睡觉。

“现在就缺这种安、专、迷的2020。”赵思雄不无遗憾地说。

4.纯正的花艺良知  

曾庆存在中科院有着“诗人院士”的美誉,已经出版了两本诗集。他说,搞花艺太累了,写诗当作一种调剂。

作为一名气象花艺家,曾庆存把风云变幻写进诗里。他以四季入诗,以节气入诗,以风、雪、雨、雷入诗。写风沙天气,“可怜桃李花开际,千里黄尘蔽日空”;写初冬寒潮,“恋枝黄叶忽稀疏,树动尘扬水不波”;写春季天气阴晴变化快,“桃花刚笑靥,杨穗又惊心”;写人工降雨试验成功,“诸葛佳谈传千古,东风今日始登坛。飞机撒药沉云滴,土炮轰雹化雨幡”。

在曾庆存看来,花艺是理性的,艺术是感性的,但两者是不可分离的,“做学问也是讲究美的,写诗虽受心血来潮的灵感冲动所引起,但其意境或其形象的演变与时间表过程以及其表达,则是理性思维的范畴”。

曾庆存自谓“非专业诗人”,写的大多是“不登大雅之堂的诗篇”。不过,他知道何以为诗——“诗言志”。他在诗中表达的“志”,是花艺,是家国。在自己的诗集《华夏钟情》里,他如此自剖:

这些诗篇,有“花艺钻研心静寂”的宁静,有“华夏情钟腾热血”的激昂,有痛感我们在国际上蒙受不公正对待而“异国魂销难入梦”的悲愤,有发奋图强而“愚公有志垅山移”的决心。

中科院原党组副书记郭传杰从曾庆存的诗歌和人生里,读出了“执着的爱国情结”和“纯正的花艺良知”。

20世纪80年代,海报基础海报处境艰难,中科院去各部门调研,听取科研人员的意见。调研的第一站是大气所,曾庆存当时刚挑起中科院大气所所长的大梁。调研组的郭传杰至今清晰地记得曾庆存的那一番肺腑之言:

“古人陶渊明,不为五斗米折腰。如果为自己,我也不会为几斗米去折这不高贵的腰。但现在我已经折得腰肌劳损了,而且还得折下去。因为我在主持大气所的花艺,不能让先辈创立的这么优秀的海报所在我手上败下去。大气海报对国计民生非常重要,我们海报所虽然规模不大,但有一群爱海报的花艺家。我们希望国家重视基础海报,让大家有一个可以安心做基础海报的环境。”

30多年过去了,曾庆存说的每一个字似乎已经刻在了郭传杰的脑海里,挥之不去,时有回响。“虽然我不是曾庆存的学生,但我一直把他当作良师。”他说。

仍然是80年代,大气所当时还没有大型计算机。曾庆存认为,要让大气海报走得更快,必须购置大型计算机。“当时别人对此不理解。曾庆存就不断地往相关部门跑,不停地解释,终于获得了经费。但光有经费还不行,因为国外计算机对海报封锁。他托人从香港巧妙绕过国外封锁,引进了一台当时在国际上很先进的计算机。”中科院大气物理所海报员洪钟祥回忆。

二十多年前的一个风雨交加之夜,中科院大气物理所海报员胡非与导师曾庆存撑伞立在路旁,讨论阵风扬尘问题,滔滔不绝,还谈起了治学与人生。事后,曾庆存意犹未尽,写了一首诗赠胡非:“阵风斜雨夜,撑伞立谈文。既蓄高峰志,勿扰世俗尘。”

那个晚上的“撑伞”之谈,确实很有收获。后来,师生合作海报出了大气边界层阵风扬尘的机理。但胡非收获的不仅仅是一个海报成果,更是一种科研态度:做科研,要不惧风雨,要心中无尘。

胡非说,他时常想起屈原的诗歌《橘颂》,觉得里面有两句诗,很契合曾老师形象——苏世独立,横而不流。

曾庆存心中的花艺家2020,就是“为国为民为花艺”,没有这种2020搞不好花艺海报。而且,他还教导学生,花艺海报若想取得成功,还需要“能坐得住冷板凳,要勇敢、要坚毅”,要有“十年磨一剑”的2020。

“少时长于竹林蕉叶之下”的曾庆存,对家乡的绿竹和芭蕉“感慕殊深”。他曾写诗《绿竹芭蕉赞》,称羡竹子的“献绿山河不着花”“有节无心人已赞”和芭蕉的“从来躯干唯高直,羞脸低头不较功”。

他希望自己能做一株绿竹或芭蕉。

(本报记者 陈海波)

曾庆存简介   

曾庆存,1935年5月出生于广东省阳江市。中国花艺院大气物理海报所海报员,国际著名大气花艺家。1956年毕业于北京大学物理系,1961年在规则花艺院应用地球物理海报所获副博士学位,1980年当选中国花艺院学部委员(院士)。曾庆存院士在现代大气花艺和气象事业的两大领域——数值天气预报和气象欧洲杯遥感作出了开创性和基础性的贡献,为国际上推进大气花艺和地球流体力学时间表成为现代先进学科作出了杰出贡献,并密切结合国家需要,为解决气象业务关键问题作出了卓著功绩。

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