专访曾庆存 :他的工作是数值气候预告成长的一个里程碑

时间 :2021-07-01 作者 : 来源: 浏览 : 分类 :最新动态
采写|章剑锋 彭丽慧出品| 网易科技《科学大师》栏目(ID:tech_163)还是教师节前一天,年轻学生们敲开曾庆存的办公室,对老师进行探望。十多位学生的到来,让安静的办公室变得热闹起来。学生们给曾庆存送去的,不光有盆栽,贺卡,还有贴心置备的洗澡

采写|章剑锋 彭丽慧

出品| 网易科技《科学巨匠》栏目(ID:tech_163)

仍是教师节前一天,年青学生们敲开曾庆存的办公室,对教员进行看望。十多位学生的到来,让恬静的办公室变得热烈起来。学生们给曾庆存送往的,不但有盆栽,贺卡,还有贴心置备的洗澡器具。

中科院院士曾庆存:PM2.5首要是报酬酿成的 可以解决

“都是在读学生,”曾庆存不以为本身的门下人才辈出,“我这些学生不算多啊,人家其他范畴的院士,能带几百个学生,我这里来的是好几届的学生。”

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人材欠缺——曾庆存地点景象形象研究范畴也面对这个题目。他诠释说,此刻更多人要为生计奔波,坐不了冷板凳。同心专心一意弄科学的人,很少。

84岁的曾庆存,是中国科学院院士、中国景象形象学会名望理事长,也是活着界上享有极高着名度的景象形象科学家(中国科学院官网的评价),早在上世纪50年月,他即进进景象形象科学范畴,成为中国景象形象学继往开来的关头科学家之一。

“我们国度景象形象学鼻祖辈的人物,像蒋丙然师长教师、刘衍豪师长教师、竺可桢院士、涂长看院士、赵九章院士、李宪之师长教师、卢鋈(wù)师长教师等,这是第一代。第二代,把西方比力进步前辈的工具一点点引进来,就是叶笃正院士、谢义炳院士,还有顾震潮师长教师、陶诗言院士、吕炯师长教师、程纯枢院士、高由禧院士、黄仕松师长教师、谢光道师长教师等,这是第二代。我们是第三代或第三代半。我们这一代,就是为了实现数理化、工程化。这是赵九章师长教师于1958年提出来的,其履行和实现首要是上世纪70年月今后的工作。”

竺可桢和赵九章不消说,一个是集地舆学家、景象形象学家和教育家于一身的出色科学家,一个则在景象形象学、地球物理学、空间物理范畴均有凸起进献,且是两弹一星功劳。名单中的叶笃正院士,则是中国现代景象形象学首要奠定人之1、国度最高科学奖取得者,他和谢炳义、顾震潮、陶诗言几位师长教师,都是曾庆存的教员。

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沿著前人的腳步,在景象形象科学范畴,曾庆存具有很多首创性建树,他是中国最早从事景象形象远感卫星研究的科学家之一,也在国际上第一个成功利用原始方程进行数值气候预告,由他初创的“半隐式差分法”,至今还是世界气候和蔼候数值模式的焦点手艺之一,此刻也被普遍利用于各学科,成为今世超等计较的主流算法之一。

通俗来说,今天非论你是在电视上仍是在手机上看到的气候预告,都有赖于数值预告在支持。

“这是作为气候预告的根本。此刻没稀有值预告的成果,气候预告员也不克不及只凭经验报气候。”

曾庆存告知网易科技《科学巨匠》记者,颠末近数年的成长,中国数值气候预告的精确率和时效性已有了质的进步。今朝气候预告的时效性已进步到5-7天,也就是说7天内的年夜规模气候是可以展望的。由于中国还有景象形象卫星进行气候监测,景象形象卫星监测和数值气候展望成为两年夜利器,特别在景象形象灾难,如对台风、暴雨等的监测、展望和防治方面,获得有用利用。据他说,比力而言,在中国境内登岸的台风一个都没遗漏,全都预告成功,所酿成的灾难年夜年夜削减。而放在曩昔,一个台风登岸,可造成数千人灭亡,此刻的灭亡年夜都是个位数,而且多有零灭亡的环境。

另外,跟着景象形象卫星手艺的成长,中国在全球景象形象科学范畴的表示也愈来愈超卓。固然中国的景象形象卫星发射晚于美国20多年,但今朝中国的风云卫星与欧盟、美国等三方,组成了世界景象形象组织的极轨卫星景象形象监测网,监测全球气候,向世界列国供给办事。按照中国景象形象局统计,截至2019年5月,利用风云卫星数据的国度数目已增添至98个(数据来历于《人平易近日报》)。

而早在1970年月早期,曾庆存就是中国景象形象卫星肇端阶段介入研发的科学家之一。

除极轨卫星,曾庆存告知《科学巨匠》,和欧盟、美、日等国一样,中国也有本身的地球静止景象形象卫星,这类卫星固定在地球上空某个特定的点上,能实现对星下点及其四周广袤地域进行接二连三的监测。

中国当下正在地球上空运行的静止卫星已达四颗,此中的风云四号卫星,机能壮大,除能供给各类云图外,还能探测星下泛博地域的三维温度和水汽散布,和探测雷电,并且能实现随时不雅测,随时发陈述。

2016年6月22日,世界景象形象组织授与曾庆存第61届“国际景象形象组织奖”,这个奖被誉为世界景象形象科学的最高奖。世界景象形象组织主席戴维·格兰姆斯对曾庆存在卫星景象形象远感理论、数值气候天气展望理论、景象形象灾难展望和防控调剂题目,和全球天气转变和地球系统模式等方面作出的精采进献予以高度评价。

曾庆存眼下介入的一项主要科研工作,是位于北京远郊怀柔的国度年夜科学装配——地球系统数值摹拟装配的落地扶植。他和其他科学家一道,历经9年的尽力鞭策,使之立项,并将于2020年完成扶植。

虽然年龄已高,并没有担负正式的头衔,但曾庆存在此中阐扬侧重要的感化,他是年夜科学装配总项目标创导者,也是地球系统模式研制的总负责人之一。

他的工作是数值气候预告成长的一个里程碑

《科学巨匠》记者领会到,这个科学装配,研究利用面极广,包罗了景象形象学和年夜气科学、海洋科学、固体地球科学、空间科学、生态情况、水资本和农业科学及其他标的目的。另外,据曾庆存说,连地动展望研究,也可包罗在内。

中国科学院北京综合研究中间的一份资料先容,今朝只有美国和日本具有本身的地球摹拟器。中国扶植的这个地球数值摹拟年夜装配,将既能加深人类对地球情况进程根基纪律的熟悉,也能晋升中国在全球天气和情况转变题目上的话语权,由于没有科学研究在国际上就说不上话。

“不进则退。”

问到担忧不担忧中国的景象形象科学研究活着界上落伍的题目,曾庆存回覆《科学巨匠》记者,要用成长的目光看题目,道路老是有升沉、不服坦的,但他也明白称,他这一代也是承前启后,只是打了个根本,他更寄看于未来,“今后中国的景象形象科学有黄金期间。主要的是我们必需抓紧根本研究和为人平易近办事主旨,就会有永久对峙的动力,一个台阶一个台阶地攀上颠峰。”

以下为采访正文:

一,“我们相信能弄成”

科学巨匠:您鞭策此刻的地球系统数值摹拟年夜科学装配的扶植,意图是甚么?

曾庆存:起首是为了研究全球天气与情况转变这个很主要的题目,国际上都在弄数值摹拟研究。所用的数学模式很是复杂,包罗有年夜气的模式、有海洋的模式、有陆地情况的物理模式、有植物的生态转变的模式、有水文的模式、有北极南极冰转变的模式,还有二氧化碳怎样被接收和排放出往的模式。此刻一共有七八个模式,耦合在一块,就叫做地球系统模式。

从本世纪起头,国际上构成共鸣,要研究持久天气转变,必需要有这类年夜的数学模式,天气转变纪律才能算出,才有必然的科学按照。我们国度本来没有那末年夜的计较机进行摹拟,所以我们就强烈地呼吁,我们中国要自立研发地球系统模式。

经由过程这个专门的超等计较装备,既要把天气题目研究清晰,同时也想把地球各个圈层的关系,好比气圈、水圈、陆地圈的组成,水怎样轮回、怎样蒸发、怎样降雨之类的,也弄清晰。再深一点,地下水是甚么样的,热的地幔怎样活动的,矿山的矿物怎样天生的,火山是怎样呈现的,要弄清这些纪律,也要弄一个定量的模式进行理论研究。

中科院院士曾庆存:50年后地动展望有可能实现

还有地动,我们对断裂带或断层勾当,有很多台站长时候的监测记实,经由过程对这些监测资料的阐发计较,此刻科学家已能做到,地动一产生很快就算出震中在哪,震级几多,裂度几多,粉碎中间在哪。若是能再成立一个断裂带勾当的力学理论模式进行摹拟,并融会持久的监测资料,就有可能(预先)算出该断裂带在什么时候何处会产生岩层断裂,也就是说,把地动预告出来。

总之,研究全球天气和地球情况的转变,都要靠这个装配,我们相信能弄成。

二,在将来50年,或许地动能被展望

科学巨匠:您适才讲到预告地动,这个地球年夜科学装配能完全实现吗?

曾庆存: 50年后在某种水平上地动是可以预告的。固然这是我的斟酌。或许会早一点,或许会晚一点。由于地动,好比说对地下的断层,最少要有50年摆布的监测,不竭地监测它成长和转变,可以找到某些纪律,再加上理论模式的摹拟成果,对照融会,就能够把握该断裂带勾当的纪律,试作地动预告了。好比说,地动产生的一两年之前给预告出来,或说再邻近一点就预告出来。大要趋向我想是可以预告出来的,虽然可能不太精确。

科学巨匠:此刻没有这个装配,我们从科学上能展望到地动的产生么?

曾庆存:也能够说必然水平上能展望,可是只能是支离破裂的,乃至是滞后的,即(从)过后进行的补算获得。别的,在适用上,则是靠此外代用品指标,好比说蚂蚁出来了,蛇出来了,确切它有必然的相干性。可是,到底地层是怎样震动的,会断哪一块,不知道,时候序列上也弄不清晰,靠这些来找相干性是不太完全的科学。

此刻我们弄这个装配,以便未来对地动有更年夜的完全的科学计较,和(取得)更多的监测资料,必定要好很多,终究有可能实现精准的地动展望。固然,有必然的误差规模。就像景象形象科学一样,早在上世纪六十年月之前,在一个具体的地区里,景象形象预告顶多只能提早一天,而在今天,有了较好的监测网和数值气候展望,可以预告七天。今后地动展望或许多是近似的成长。

三,中国景象形象科学进进了世界进步前辈程度

科学巨匠:有说法是我们国度的年夜气科学和蔼象事业处于世界一流程度,这方面有甚么指标吗?

曾庆存:首要仍是看理论研究和监测、预告实践及景象形象办事程度。好比理论熟悉怎样?监测到不到位?预告准禁绝?景象形象办事到达甚么水平?从这些层面来权衡,应当说从整体上讲中国事在一流程度。在景象形象科学上面,谁也欠好说是最高的,美国和欧洲也不克不及(如许)说,他们也还有不敷的一面。可是,中国的景象形象不雅测站密度之年夜,我们可以讲是最好的。密密层层,你要说主动不雅测站,一个省就有好几千个。中国景象形象部分对社会办事笼盖面之广和项目之多,和景象形象职员为人平易近办事的精力、辛勤和敬业,是世界上很凸起的。

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科学巨匠:美国的程度怎样?

曾庆存:电子计较机和用电子计较机作数值气候预告实验,是美国先做出来的。他们发射景象形象卫星,在空间上不雅测地面上的景象形象,也是最早的。不外,此刻欧洲遇上往了,中国也遇上来了。不管怎样,中国此刻从数值气候预告,从景象形象卫星监测水准来说,是世界进步前辈的。此刻欧盟、美国、中国三家构成了世界景象形象组织主导的世界景象形象卫星监测网。

科学巨匠:意思是说,我们国度的景象形象信息是有能力和全球其他国度同享的?

曾庆存:欧洲、美国、中国,这三家的极轨景象形象卫星构成了一张监测网,对全球景象形象进行全天候监测,这些数据信息供给全球利用。我们还有静止卫星,就是相对固定在地球上空某一个区域的卫星,美国有,欧洲有,中国有,日本有。在赤道上空,我们可以持续监测一个很年夜的区域。好比说在承平洋,包罗南海和印度洋,包罗中承平洋和印度洋,笼盖的面积,北边可以到北纬50度(黑龙江)以北,南纬到澳年夜利亚以南,有能力对全部这个地域持续地监测,这方面我们也为世界办事。

我们和欧、美、日等正好构成完全的景象形象信息网,将监测数据供给给世界列国。我们中国景象形象局就提出了:“全球监测,全球预告,全球办事”的方针和计划,所以世界景象形象组织很赞美中国。中国还专门给一带一路沿线国度供给景象形象办事和职员培训。

科学巨匠:我们监测的切确度怎样?

曾庆存:全球规模内,哪一个处所有台风,哪一个处所有雷电,我们都探测得出来。凡是外国卫星有的监测项目,我们国度的卫星都有,并且风云4号还有外国静止卫星所无的项目。固然,我们可以高傲,但不成以自豪。

科学巨匠:实现这个能力,我们花了多长时候?

曾庆存:精确地讲,我们最早弄景象形象卫星是1970年,那时我身在此中,进行了前期的理论和方式研究,也做出了我们国度最初的景象形象卫星的方案。不外,我们的景象形象卫星上天是1988年,晚于美国,晚于苏联,年夜约晚了20年。不外,美国1966年的景象形象卫星也是带实验性的,不年夜好用,定向上欠好。好用的应是三轴定位的,美国上世纪七十年月末才做到。我们当初设计时就斟酌到了,后来我们国度系列的景象形象卫星都做到了(这一点)。

四,现代化的数值气候预告是怎样问世的?

科学巨匠:为何说利用原始方程作数值气候预告您是首位?世界上对此有定论么?

曾庆存:气候预告(的成长过程)分两个阶段,一个是经验预告,就是看气候图,用简单的一些纪律揣度,展望某每天气是甚么环境,这首要是靠经验。到后来用计较机来阐发计较,就是数值气候预告,这个是第二个并且是很主要的阶段。

我们国度上世纪60年月,乃至70年月、 80年月前半期,首要仍是经验预告。美国1950年起头用电子计较机做数值预告实验,用的是高度简化了的模式即涡度方程,良多国度也随着实验。实验了数年,成果是不克不及在预告营业中利用,由于精度低,还得用原始方程组,要研究。

我1961年发现,原始方程中分歧时候标准的进程,可以用分歧的法子来算,这就成长出了“半隐式差分法”,用来求解原始方程作数值气候预告,成功了。第二年,苏联顿时用到现实气候预告营业上了。

美国事知道的,把文章用英文翻译曩昔,在内部参考利用。然后再用了几年时候成长他们本身的一套,即全显式格局,固然时候步长很小,计较量很年夜很年夜,但他们用很年夜的计较机,计较同样成功了。1968年他们颁发文章。

那时期处于暗斗布景,西方都不肯提苏联的工作。尔后,世界都用原始方程组作数值预告,因而数值预告方式成为现实气候预告的营业。所以数值气候预告营业化利用是从成功求解原始方程起头的,我这个半隐式差分法最早。因为半隐式差分法的优胜机能,至今它仍在数值预告中普遍利用。

2016年,世界景象形象组织颠末评审,确认我这个工作是前驱性的,在给我颁的奖——国际景象形象组织奖的证书中,就有写这一条。

五,灾难伤亡不克不及都怪景象形象部分

科学巨匠:我们通俗人更关心景象形象科学与现实社会糊口的关系。官方数据表露,本年炎天的第9号超强台风“利奇马”,造成多个省分(市)1402.4万人受灾,209.7万人告急转移安设,对这类粉碎性极强的景象形象灾难,我们的预告可以或许提早到甚么水平?

中科院院士曾庆存:50年后地动展望有可能实现

曾庆存:此刻可以提早5—7天。好比说台风,5天之前,我们可以报出其大要走向,固然有必然的误差。但整体来说,此刻台风预告相当准了。好比说中心景象形象台的台风预告模式和广东省景象形象局研制的华南台风预告模式,确切预告结果很好。

24小时作出的登岸点预告的误差只差30千米到50千米。好比说台风“山竹”是客岁最利害的台风,称为“风王”,那时的预告和实况,都是在广东省台山和阳江之间登岸。本年在我们国度登岸的超等台风“利马奇”,从景象形象预告角度说,也是成功的。五天至三天前就预告出的台风登岸路径,发出了是超等台风的警报。

至于成灾重,那是别的的一个题目了,和地舆情况前提及防灾减灾的办法有关。内陆地域人平易近大众的防灾经验、意识、常识还需要进一步增强和进步。

科学巨匠:台风预告是怎样做出来的?

曾庆存:好比说9天之前,在西承平洋上空,发现有一些热带云团,会不会成长成台风呢?我们景象形象卫星都在监测,将获得的初始数据输进到电脑里面来计较,用数值预告展望它的成长趋向,甚么时辰成台风?移动线路若何?卫星又不竭地随时监测,随时进行数值预告、建造四维丹青,及时传递给相干机构。特别是有可能登岸我们国度的环境,登岸前三天就已进进鉴戒状况,加密监测和展望。

我们的静止卫星,一般6分钟就能够发还一个图象,好比说温度怎样,降水环境怎样,涡旋云系和海面优势场怎样,15分钟就能够给你一个较完全地域的定量数据。没有景象形象卫星的这些即时资料和信息,数值气候预告很难做好。这两个相辅相成,是景象形象部分的两年夜利器,也是景象形象事业和蔼象科学现代化的两个主要标记。

六,天上本来有这些景象形象卫星“宝宝”

科学巨匠:我们这个景象形象卫星在天上是怎样散布的?

曾庆存:此刻有两种卫星,一种叫极轨卫星,差未几是绕地球两极飞翔。我们国度,供世界利用的有四颗,叫风云三号卫星系列,此中值班的即加入世界景象形象卫星收集并为全球供给办事的是两颗。另外,还有一种叫做静止卫星,固定在赤道上空某个位置上,相当于地面上是固定的。我们国度有四颗静止卫星,叫风云二号和四号系列,从东往西摆列,笼盖西承平洋和印度洋地域,对景象形象环境进行时候接二连三的监测。也供给世界办事,且有一颗是专门为“一带一路”沿线国度办事的。若是想要进步较小规模区域的不雅测的分辩率,我们还可用“高分卫星”,如高分四号、六号等等。

七,人工干涉干与气候,不是那末轻易

科学巨匠:固然手艺程度在进步,但仍是能听到老苍生群情,气候预告禁绝,您有甚么解答?

曾庆存:有些处所是监测死角,仪器探测不到,探测的分辩率也不敷。探测不到,分辩不出,你怎样能作展望?更况且,天然界里面还存在偶尔性,偶尔性是报不了的。

可是在必然年夜的规模,例如说北京市这么年夜的规模和数小时内的总环境,偶尔性减小,年夜多又可探测到和分辩得出来,可预告出的几率就年夜很多。好比三个钟头今后、六个钟头今后北京地域会不会下雨,这个一般能报准,它有一个既有的科学统计和纪律阐发作为根本。固然,也有一个几率散布,预告不成能每次报准,总有报禁绝的环境,这是科学的说法。

别的就是超越现有科学程度的也报不了,好比空间间隔上,需要雷达可以或许笼盖得了,百千米能被笼盖和展望,只能说百千米内的工作,就展望不了一百千米外的气候。

还有一个,持久的景象形象是难报乃至是预告不了的,这就是科学上的浑沌现象而至。不雅测的误差致使有一个可预告的时限,擅长此时限的预告通常为禁绝的。今朝只能预告5—7天,跨越这个时候就禁绝了。再长一些,只能斟酌报均匀状况了,好比说一两个季度的均匀环境,出格是中国的旱涝,能不克不及提早半年预告?这是有可能的。当有强旌旗灯号前兆,例如厄尔尼诺事务时,可以报得准些。在一般环境下,此刻还不克不及很好地掌控,只是展望一个大要,供参考。

科学巨匠:那对将来的持久天气演化,也是力所不及的?

曾庆存:今后地球系统模子建成了,可以实验作一年的天气展望,或在某些有前兆的景象形象环境下,两年大要也能够。至于预告十年今后、一百年的天气怎样,不敢说,由于有良多身分和变量的感化,不只是人类排放二氧化碳这类单一的身分影响。

科学巨匠:展望以外,人工干涉干与气候,此刻能实现到甚么水平?

曾庆存:我的研究中,有一项天然节制论,和你提的这个题目有关,就是怎样用数学和物理的法子,研究人工革新或影响气候。理论上,我提出来了,可是在现实尚没有法子实现,由于按理论方式实践起来要有很多手艺前提,很难,还没有解决。

我们国度人工影响局部地域的气候,如人工消雹和人工增雨,已有二三十年的年夜范围实验。消雹相当做功,增雨也有很多成功经验,但今朝尚是凭经验,总结得不敷,更没有系统的理论和构成工程化的功课规范。

好比说打火箭到云中往让它下雨,那是由于天上已有足够的客不雅前提了,打火箭上往只是将催化剂加到云中,使更多的水汽固结成洪流滴,就会下更多的雨水,即增雨。这个手艺手段局部是可以的。

固然云里的能降雨的水淌下光了,你再打也没用了。手艺手段应当说是有限的。要取决于很邃密的前提。不外理论上说,只要你把握了纪律,列出方程来,并给出初始前提资料,就能够求解,奉告你如何功课,可增雨几多,但还得有手艺,手艺达不到的,也不克不及解决。

中科院院士曾庆存:50年后地动展望有可能实现

又例如,年夜气污染的减排,从理论上算法已有了,好比PM2.5怎样构成的,是甚么纪律,方程公式怎样,这个都应能做到。特别是PM2.5首要是报酬身分酿成的环境下,可以解决。主要的是要熟悉纪律,列出精确的方程式,且监管到位。

本年到来岁,我但愿在人工排放的监控、调控方面,可以有一些冲破。雾霾可以解决,就是说从理论上可以或许找到怎样减排的最好方案。避免一刀切,即我们可按理论算出,在关头地域必需减排和应减排几多量,便可包管京津地域空气质量达标。还有,景象形象前提好时,还可以使一些企业多开工出产,包管其按年份均匀来计较,经济不吃亏,出产治污两不误。固然,最完全的法子是研究出工场不排污的手艺,这方面我们国度的研究还很有进展,前程光亮。

八,要准确理解“谋事在人”的说法

科学巨匠:中国曾风行一个说法,叫做谋事在人,您感觉人真能克服天然纪律么?

曾庆存:起首必然要晓得和把握应用天然纪律,做到趋利避害。用现代的科学监测手段,知道了天然纪律以后,可以很有用地操纵天然界,但不克不及违背天然界的纪律。改良或说革新天然界,在某些方面和某种水平上是可以做到的。好比干旱和戈壁化,有防护林、塞罕坝,北京是以也就几近没有了漫天沙尘的气候了。这个都是适应天然纪律的环境。但违背天然纪律的工作果断不克不及做,不单做不到,乃至要吃苦头,或拔苗助长。

现代人有个曲解,觉得“谋事在人”,就是依照人的意愿或意志可以改变天然界。实在,这个“定”字,不是“必然”的意思,甚么叫定?古代的人,特别是“皇帝”,会商社会和人事题目,相信和夸大天命,即由天命定下来的。年龄战国时期,有学者提出并不是老是如斯,人也可决议本身的命运,只要人做得对。这就是“谋事在人”的思惟。

如何可以“人定”呢?曾子的《年夜学》说:“知止尔后能定,定尔后能静,静尔后能虑,虑尔后能得。”可见,“知止”才能“定”。那末,甚么是“止”呢?要“止于至善”。

“至善”即浑然一体。就是人要涵养好,熟悉和遵照纪律。“能得”就是办得成事。可见,这个“定”是安宁。安宁,即晓得纪律,遵守纪律处事。推行到看待天然界,你必需晓得天然纪律,按天然纪律处事,就是说你安宁了,可以或许找到法子了,就能够公道改进天然界的环境,和天然协调相处。应当是如许诠释。说人必然可以或许克服天然界,这个说法是不合错误的,是夸大的。

科学巨匠:现实上也就是说,人并非无所不克不及的万物主宰。

曾庆存:是的,必然要熟悉天然纪律,必然要按纪律处事,不克不及违背天然纪律。

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