坐看「風雲」起——走進大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點...

周天軍代表實驗室在2019年第四屆國際區域氣候大會上作報告

實驗室2014年學術年會合影

太原先進計算中心的超級計算機

　　每天《新聞聯播》結束後，《漁舟唱晚》的音樂響起，《天氣預報》的畫面隨之出現，那感覺再也熟悉不過。

　　這是中國當代年輕人共同的童年記憶。很多人還記得，當年的天氣預報並不那麼準，一場意料之外的雷雨常常成為人們茶餘飯後的談資；可時至今日，小到每個小時的精準天氣情況，大到牽動全球的國際氣候談判，中國的大氣科學，已經悄悄地變得越來越厲害。

　　天氣和氣候，已經深深地融入到每個人的生活之中。但很多人不曾想過的是，這些看似司空見慣的背後，卻是中國大氣科學工作者幾十年奮發圖強、銳意創新的結果。

　　大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室就是其中的一支重要力量。這個依託於中國科學院大氣物理研究所(以下簡稱中科院大氣所)建設的國家重點實驗室自1985年成立以來，就一直在氣候模式研發、氣候模擬和氣候研究等領域深耕不輟，摘得累累碩果。

　　「當掉褲子也要買計算機！」

　　中科院大氣所保持著一項引以為傲的紀錄——在全國三家大氣科學領域的國家重點實驗室中，大氣所就佔了兩家。

　　大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室作為我國首批建立的國家重點實驗室，經過30多年的學術積累和幾代人的共同努力，發展完善了從大氣、海洋到完全耦合的氣候系統模式，是國內唯一、國際上少數同時自主研發大氣、海洋和耦合模式的研究機構之一，已成為在相關領域具有重要國際影響力的研究機構，並在大氣科學人才培養、支撐國家經濟社會發展等方面發揮越來越重要的作用。

　　「某種意義上說，一個國家數值天氣預報的水平，能反映出這個國家的大氣科學水平。」大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室主任、中科院大氣所研究員肖子牛說，「現在我們可以自信地講，中國的大氣科學在全球佔有重要的一席之地，中國也是少數幾個擁有最全面和完備的數值模式系統的國家之一。」

　　如今的大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室已經是世界上該領域一個響噹噹的名字，但時間退回30多年前，實驗室面臨的卻是截然不同的境地。

　　「大氣科學中，很多實驗是沒法重複的，因此它很難遵循經典自然科學實驗的範式。」肖子牛說，「我們一直想尋找一種方式，讓大氣科學納入到現代化科學的體系中。」

　　實驗室的創建者和首任主任、中科院院士、國家最高科技獎得主曾慶存30多年前想到的方法，就是建立一個專門的實驗室來研發數值模式，用動力學方程去描寫大氣的演變狀況。這樣當發生了一次颱風或暴雨時，科學家就可以在超級計算機上進行多次重複實驗，去重現當時發生了什麼，甚至可以預測未來。

　　「地球流體運動非常複雜，其中很多科學問題的研究依賴傳統的理論和實驗方法已遠遠不夠，因此，數值模擬就成了不可替代的第三種研究手段。」在中科院院士、大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室前主任吳國雄看來，數值模擬是20世紀後半葉最重要的科技進步之一，也是數學和計算科學應用於大氣科學和地球流體力學領域必不可少的紐帶和工具。

　　一件往事，讓吳國雄記了幾十年。

　　35年前，曾慶存非常前瞻性地看準了超級計算機對大氣科學的重要性，並留下了一句著名的話——「哪怕是當掉褲子也要買計算機」。

　　可是，在科技水平並不突出、科研經費捉襟見肘的上世紀80年代，這一切就好像是天方夜譚。吳國雄還記得，當時他從曾慶存處得知，國外有一臺淘汰了要賣掉的超級計算機，十分欣喜。「我和老曾為了買他們的機器，跟老外『套近乎』，還帶老外去遊三峽，可到了最後，對方國家的國防部和工業部還是沒同意。」

　　一直到1988年，在國家計委的資助下，通過與義大利「世界實驗室」合作，實驗室才終於引進了一臺超級計算機。科研人員就在中科院電工研究所和中科院大氣所原址之間的過道上，蓋了一間平房作為機房。

　　就在這間簡陋的平房裡，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室走上了一條現代化和國際化的道路。

　　30多年的變與不變

　　「這個實驗室的成立源於當時的所長曾慶存的國際視野，是在當時國家還不富裕的情況下勒緊褲腰帶建立的。」中科院大氣所副所長(主持工作)周天軍說，「這麼多年來，實驗室一直在堅持數值模式研發這一主流發展方向，歷經幾屆實驗室領導班子，方向始終不動搖。」

　　根據國內外學科發展趨勢和國民經濟建設的需要，以及知識創新時期對國家重點實驗室的新要求，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室始終圍繞著地球氣候系統模式的研發與應用、天氣氣候動力學理論、可預報性及預測預報新理論和新方法、地球流體宏觀演變規律和機理等四大方向開展研究工作。這四個方向相輔相成、共同發展，形成了從理論到基礎應用的閉環。

　　肖子牛認為，數值模式的發展是真正的「十年磨一劍」，需要一代代人持之以恆地堅持做下去。「在應用領域，國際上做得最好的歐洲中期數值天氣預報中心就有很好的傳統，他們一直在堅持做。所以我們意識到，方向一旦認定了，就不能總變動。」

　　30多年未曾改變的「紅色基因」換來的是實驗室科研實力的突飛猛進、國際地位的穩步上升——

　　實驗室自主研發的模式參加了歷次國際耦合模式比較計劃，結果被歷次聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)評估報告所引用，大大提升了中國在氣候模擬和預估領域的國際影響力；

　　在氣候動力學研究領域，實驗室取得了一批在國內外有重大影響的原創性研究成果，部分成果直接應用於國家級業務，科研成果在重大災害性天氣氣候事件及國家防災減災工作中發揮了重要作用；

　　實驗室為國家培養和輸送了大批氣候模式研發、氣候模擬和氣候研究人才，實驗室成員在諸多國際學術機構擔任主席、執委等重要職務，在重大國際科學計劃的制訂上從早期的參與、追隨提升到直接參與決策……

　　經過30多年的發展，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室已成為在氣候模式研發和氣候模擬研究領域具有重要國際影響力、在青藏高原和季風氣候動力學研究領域國際領先的研究機構。

　　「七連優」的背後

　　「現代氣候學研究的一個重要進展就是提出了氣候系統的概念，也就是把大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈等5個圈層作為一個整體，從多圈層相互作用的角度，來研究過去和現代氣候的變化規律和機理，預測和預估其未來變化。」周天軍說，「而數值模擬、理論研究、觀測研究，就是支撐現代氣候學研究的三大手段。因此，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室的定位既把握住了國際科學前沿，又突出了數值模式這一支撐前沿科學研究的基石。」

　　大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室副主任、中科院大氣所研究員段晚鎖從事可預報性研究。他和他的團隊發現，近年來厄爾尼諾現象發生的頻次比較多，尤其是中太平洋厄爾尼諾現象頻繁發生，跟以往的模式相比發生了變化，他們想要研究厄爾尼諾的多樣性問題。「我們跟國家氣象部門交流後了解到，中國在這一領域的預報系統幾乎為零，於是我們就自己研究出了一個辦法，想要應用到業務部門。」段晚鎖向《中國科學報》介紹說。

　　可就在這時，段晚鎖團隊遇到了一個難題，他們不能把這一套方法高效率地計算出來，這意味著這一中國原創的方法無法廣泛地運用到複雜的模式系統中去。

　　「得益於實驗室四個方向有效的交叉合作，實驗室流體力學團隊很快參與進來，利用他們的專長，研發出一種比較高效的算法。」段晚鎖說，最終，實驗室幫助國家成功建立了厄爾尼諾多樣性的預測系統，現在在國家海洋局海洋二所、國家氣候中心都有應用，這一方法也在國際上得到了好評。

　　中科院大氣所研究員黃剛是「半路出家」，由於研究興趣，在上一個評估期才轉進實驗室。來到實驗室後他發現，各個方向的科研人員都有機會開展自由探索，全國的青年科學家也願意來實驗室進行交流，碰撞學術火花，黃剛深感「開放、民主、包容的學術氛圍吸引著我」。

　　這種看似寬鬆自在的環境其實是實驗室歷屆領導班子有意識培養的結果。在上世紀90年代，為了加強學術交流，時任主任吳國雄在中關村的一座兩層小樓裡架起了黑板，每周三就會放一點茶水、咖啡之類，讓年輕人去交流思想。國外學者經過北京時，也常常被拉進來給大家講一講。「學術氣氛濃厚了，是非就少了，我們這個業務交流的傳統一直保持到了今天。」吳國雄說。

　　在一屆屆實驗室領導班子的帶領和所有實驗室成員的共同努力下，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室在1988年、1992年、1996年、2000年、2005年、2010年、2015年的國家評估中，連續七次獲得「優秀」的好成績，成為國家重點實驗室中的一個典範。

　　但他們並不滿足於此。「在實驗室的未來規劃中，我們將在堅持數值模式發展和應用的同時，進一步鞏固基礎研究優勢，拓展交叉學科研究，以科學創新和國家需求為引領，更好地滿足國家防災減災和應對氣候變化的重大需求，為社會經濟可持續發展和國家安全提供科技支撐。」 肖子牛說。

　　不過三十而已。面向未來，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室前景可期。

實驗室創建者和首任主任、中科院院士、國家最高科技獎得主曾慶存

　　大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室簡介

　　大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室(英文縮寫LASG)成立於1985年，同年9月正式對外開放，1989年晉升為國家重點實驗室。在實驗室歷任主任的領導下，LASG成為蜚聲國內外的大氣科學和地球流體力學研究機構，並在1988年、1992年、1996年、2000年、2005年、2010年、2015年的國家評估中，連續七次獲得優秀(其中2005年為免評獲優)。

　　LASG於1990年被國家計委和中科院授予先進集體稱號，1994年獲國家計委金牛獎，2004年獲科技部「國家重點實驗室計劃先進集體」(金牛獎)，2011年獲科技部「十一五」國家科技計劃執行優秀團隊獎。

　　根據國內外學科發展趨勢和國民經濟建設的需要，以及知識創新時期對國家重點實驗室的新要求，實驗室當前的主要研究方向為：地球氣候系統模式的研發與應用；天氣氣候動力學理論、氣候系統變化規律及其異常發生機制；天氣氣候可預報性、氣候預測的新理論和新方法；地球流體宏觀演變規律和機理。

　　實驗室的研究目標是發展性能優良的地球氣候系統模式；從地球系統圈層相互作用的角度出發，揭示全球和東亞氣候變化的內在動力、熱力機制以及外在影響因素；在天氣氣候動力學、天氣氣候可預報性研究以及地球流體力學領域取得原創性成果，為我國氣候預測和應對氣候變化提供理論依據。

　　「壓力山大」的實驗室主任

　　在30多年的歷史中，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室共產生了五位實驗室主任。在採訪過程中，無論是現任主任還是前任主任，他們都有一個共同的感受，那就是在這個實驗室裡當主任，「壓力山大」。

　　壓力源於優秀。

　　從1988年開始，在歷次的國家重點實驗室評估中，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室的成績一直是「優秀」，成為地學領域兩個獲此殊榮的實驗室之一。

　　壓力也是動力。

　　大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室前主任、中科院大氣物理研究所研究員王斌是在新千年接過實驗室主任一職的，他的兩位前任——中科院院士、國家最高科技獎得主曾慶存和中科院院士吳國雄都是大氣科學領域德高望重的著名科學家。

　　「曾先生創建了實驗室，吳先生將實驗室發揚光大。如何保住前輩的果實，讓實驗室始終在大氣科學領域保持領頭羊的地位，是我主要考慮的問題。」王斌說。

　　進入21世紀，大氣科學的發展越來越快。在早年，從IPCC第1次評估報告到第4次評估報告近20年間，來自中科院的氣候系統模式支撐著我國參與氣候模擬和預估領域的國際競爭；而在第1到第3次耦合模式國際比較計劃中，中科院的模式也是唯一來自發展中國家的模式。

　　而到了2013年，IPCC第5次評估報告發布，引用了第5次耦合模式國際比較計劃。參與此次比較計劃的模式全球共有35個，而中國就佔到了6個。

　　周天軍認為，從中科院一家獨大，到中科院、部委和高校共同參與的格局，說明中國的模式研發隊伍正在迅速擴大。

　　王斌感到，如果要讓大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室這支「老牌勁旅」繼續發揮引領作用，就要在實驗室內部推行一系列改革。

　　例如，他進一步明確了實驗室管理規範，將吳國雄在任期間提出的學術秘書制度繼續發揚光大，幫助科研人員從雜事中解放出來、潛心致研；他還將實驗室每年的學術年會辦成了品牌，邀請各界專家參與，打響知名度。

　　壓力更是魄力。

　　在2015年接任實驗室主任後，肖子牛所面臨的不僅是國內同領域「後起之秀」的競爭，更要去應對越來越激烈的國際競爭。

　　「模式是貫穿整個大氣科學的核心競爭力，近年來，各個國家都在推出不同的計劃。」肖子牛說，「想要從強手中突圍，就要尋找自己的長處。」

　　他想到的是在高解析度模式上進行突破。數值模式需要描寫每個點上的天氣、溫度、風、降水演變情況，解析度越高，描寫得就越精細。「我們現在的氣候系統數值模式能夠做到30~50公裡的解析度，未來我們想提高到公裡量級。如果我們能夠建立全球 『公裡級』雲/渦可辨的超高解析度模式，發展出更適合中國複雜下墊面的特色參數化方案，就能夠極大提高極端天氣—氣候事件模擬和預測能力，實現天氣—氣候的無縫隙預測。」

　　但是，解析度越高，就意味著計算量越大，誤差積累越快，理論、算法等都需要進行改進。於是，近年來肖子牛帶領實驗室科研人員與計算機領域密切合作，在與計算機先進技術交叉融合上花了很多力氣。

　　「我們盼望著有一天，我們能用一個數值模式，去描寫一朵雲的變化，揭示更多氣候系統演變的奧秘；更盼望能準確預報出每一個強風暴的天氣過程，並能夠繼續代表國家，贏得更多國際談判的籌碼。」肖子牛最後說。