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国家最高科学技术奖得主曾庆存:天气预报背后的“最强大脑”
来源:环球人物 发布时间:2021-10-13 [打印本页] [关闭窗口]

曾庆存,1935年出生于广东省阳江市,大气科学家,中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士,曾任中科院大气所所长,获国际气象组织奖、2019年度国家最高科学技术奖,是十三届、十四届中央候补委员。

2021年春节前夕,在北京海淀一处简朴的住宅里,两位老人的手紧紧握在一起:一位是梁启超的侄女、年逾九旬的老共产党员梁思萃,另一位是国家最高科学技术奖得主、86岁的大气学家曾庆存。他们阔别近40多年了。那天,曾庆存专程登门,拜谢在转折关头推动了他科研事业的“恩人”。

2021年初,曾庆存拜访梁思萃。40多年间,两人失去联系。这次见面3个月后,梁思萃因病辞世。

“梁老妈妈!思萃同志!”这是见面时曾庆存说的第一句话。这声称呼仿佛一部穿越近半个世纪的中国科学家成长史,也勾连了几代名士为国惜才的跌宕故事。

重逢仅3个月后,梁思萃因病辞世。曾庆存一生谦虚低调,不太多谈个人,却破例见记者。他想让那段恩情,以及前辈的襟怀被世人铭记,也想让中国大气科学的求索、不易与创新为后人熟知。

“曾景润”被破格提拔

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。

——曾庆存《自励》(1961年)

1978年,已过不惑之年的曾庆存还是中科院的一名助理研究员,一天接到通知:破格提升,任研究员。他由此成为改革开放后享受国家津贴的第一批知识分子。

“破格提升”在当时极其罕见。在业务评级上迈过门槛后,曾庆存得以在更大平台上做事,接着评上“文革”后第一批全国劳动模范,很快又成为学部委员,是新中国成立以来第三批院士,后来又获得2019年国家最高科学技术奖,习主席亲自颁奖。回顾起来,那次“破格提拔”是他人生的转折点。这要提到他在北大的校友、梁启超侄女梁思萃:当年梁思萃协助中科院领导选拔科研工作者,力荐了这个无名之人……

新中国成立前,北京大学化学系学生梁思萃是一名地下党员,为解放事业作出了贡献。新中国成立后,她担任过公安部部长罗瑞卿的秘书,1952年申请以“调干生”的身份重回北大读书,兼任学生工作。那时北大评三好学生,梁思萃是评定委员之一。气象专业唯一获此殊荣的是曾庆存,他操着广东口音。梁启超也是广东人,梁思萃对曾庆存留下了印象。

1956年,党中央提出“向科学进军”的口号,曾庆存立志为国家作贡献,在毕业前入了党,第二年经选拔,赴苏联留学,入读苏联科学院地球物理研究所,师从著名气象专家基别尔,主攻“数值天气预报”。

这就要说说天气预报的发展历程。早期,人们看天看云,凭经验预测天气;后来有了数值预报,也就是先建立用来描述天气演变过程的方程组,输入代表不同大气状态的数据,在计算机上求解,用来预测天气。这说起来简单,可在当时是全球气象界的大难题,美国到1950年才用计算机尝试进行数值预报,但历经数年仍难以大规模应用到预报业务中。

一天,曾庆存灵机一动,何不化繁为简?“天气变化过程分快、慢两种阶段,前人大多放在一起计算,如果我分别计算,快的用隐式解,慢的用显式解,再加以整合呢?”他拿纸笔验证了1万多行的程序,最终成功了,提出“半隐式差分法”的计算模式。那年,曾庆存才26岁。拿到这个新模式,莫斯科世界气象中心立刻开始应用,天气预报准确率提高到61%。

那时,国际关系风云诡谲,美国知道了这一发现,但不愿意提及苏联,便把文章翻译成英文,作为内参,在此基础上发展出一套计算方式,也成功了,于1968年发表成果。此后,以“半隐式差分法”为基础的数值预报方法得以大规模应用在全球的天气预报中。曾庆存酷爱写诗,在研究生毕业时写下“男儿若个真英俊,攀上珠峰踏北边”以自励。回国后,他立即进入中科院地球物理研究所工作,一直待在气象研究室里,后来研究室发展为大气物理研究所(简称大气所),他还是埋头搞研究,一直是名助理研究员。

1978年,北京召开全国科学大会,邓小平明确指出“现代化的关键是科学技术现代化”“知识分子是工人阶级的一部分”。科技界大为振奋,中科院开始重新评定职称,打算从业务骨干中破格提拔一批。

此时梁思萃是中科院科技干部管理处处长,在院领导指挥下主持骨干技术人员的破格提拔工作。她很清楚,新中国迎来新的发展机遇,急需一流科研人才。曾庆存通过了评定委员会答辩。梁思萃当然记得这位校友,但为求稳妥,专门到他家里考察,一瞧,窝在10平方米的破旧小房子搞研究,俭朴专注,大受触动。她便力荐曾庆存,将其提拔为研究员,每月增加50块钱津贴,作为生活补助。当时享受这种待遇的还有大数学家陈景润,不少人开玩笑说曾庆存是“曾景润”。

数年之后,曾庆存才得知这些提拔的细节,可梁思萃已调到其他工作岗位,两人失去联系。向记者回忆起来,曾庆存感慨:“她是老革命,萃音同粹,纯粹的粹,大公无私,一心为国。”直到2019年一次偶然机会才联系上,后因疫情,2021年初得以重逢。

其实,梁思萃提拔曾庆存,“既是偶然,也是必然”,因为曾庆存是一位“与天赛跑”的科学家。

推动了气象学理论化

久雨疑天漏,长风似宇空。

丹心开日月,风雨不愁穷。

——曾庆存《父子兄弟联句》(1946年)

今年7月1日,庆祝中国共产党成立100周年大会开始时间从9:00提早到了8:00,而原定于6月29日的《伟大征程》演出也提前到了28日,其中一个原因就是天气变化。气象学包括天气动力学、大气物理学、大气环境学,而天气预报属于业务部分,相对独立。业务部门会使用曾庆存等人的研究成果。我们每天出门要看天气预报,国家举行大型活动也要选天气稳定时,可见大气科学工作的重要性。如今,数值天气预报的3—5天准确度可达70%—80%。

曾庆存在幼年时期就对大气产生了兴趣。他出生在广东阳江的一个村庄,放学后和哥哥曾庆丰先到田间劳动。家里穷,没有牛,小庆存和哥哥就当“牛”拉绳索,父亲在后面扶犁,直至太阳西坠。吃完晚餐,父亲拿火把,和兄弟俩一起温习知识。小庆存犯困打盹儿,下巴叩到桌面,父亲敲敲他的小脑袋,督促他不得犯懒。一次台风过境,狂风暴雨,全家人躲在屋里。檐上漏雨,父亲说:“久雨疑天漏。”小庆存随声应答:“长风似宇空。”这就成了父子一起写的诗。

新中国成立后,政府号召年轻人考大学,县里派车送学生去广州考试。出发那天,曾庆存在车站排队,父亲走到他面前,把墨砚塞进他口袋里。曾庆存很争气,考上北京大学物理学系,上大学后身高也从一米五蹿到了一米七多,哥哥曾庆丰则考上北京地质学院,后来成了著名地质学家。

在北大读书时,曾庆存去河南实习,遇上一场晚霜,一夜之间冻死了2/5的小麦,严重影响当地粮食收成。曾庆存年幼时也饿过肚子,当下决定精钻大气科学,学会预判天气,帮助人们减少损失。在气象图符号中,雨是绿色,雷是红色。曾庆存在中央气象局实习时,就负责给雨和雷标记颜色。每次春雨来临,他涂到绿色,既兴奋,又感动。

1970年,曾庆存被紧急调去研究大气遥感和气象卫星。大气遥感是指仪器不直接同某处的大气接触,而是在一定距离以外测定大气的成分、运动状态和气象要素。当时,这个领域在国际上刚刚兴起,而中国尚是空白。曾庆存经过研究,提炼出遥感领域的理论,写成《大气红外遥感原理》。这是国际上第一本系统讲述卫星遥感定量理论的专著,澄清了长久以来的一些模糊和错误观念。

此后,曾庆存重新回到大气动力学研究领域,花了5年写成长达80万字的《数值天气预报的数学物理基础》。这被国际气象学界认为是世界首创。美国气象学者评价这本书标志着“气象学理论化已完成”。1980年,45岁的曾庆存被选为中国科学院学部委员,成为当时最年轻的学部委员之一。

1984年,曾庆存成为大气所所长,如何在新的时代背景下搭班子、选团队?曾庆存进行了大刀阔斧的改革。而这些要从一座塔说起。

一个“会下棋”的战略科学家

科坛约略领风骚,未到珠峰路尚遥。

有志诸君齐努力,会当绝顶看明朝。

——曾庆存《会当绝顶看明朝》(1990年)

在北京市海淀区北土城附近有一座300多米高的塔,耸立在周边高楼之中,用来实时监测首都的气象要素和空气质量。曾庆存亲切地叫它“大塔”。

20世纪60年代,中苏关系恶化,美国又对中国技术封锁,东南沿海局势紧张,中央决定将一些重要工厂向西部转移或者建立分厂,史称“三线建设”。为确保安全,建厂选址原则是“靠山、分散、隐蔽”,建厂前还要预判周边大气环境,研究“排放或泄漏出来的污染物如何流动和扩散”等。大气所的洪钟祥是国内最早进行大气环境研究的人之一,参与了选址工作。每次做试验,重达数吨的实验物资和仪器设备都靠肩背人扛运到山上。他们竖起特制的杆子,安装仪器,测量近地层大气风速、温度、湿度;再放气球测量高空风温变化,计算扩散能力;有时还要施放烟幕,用照相机观测烟道走向及其扩散情况。

不过,有效观测时间只有几十天,他们想:“一个月的数据不能代表四季的情况,一年也不能代表多年。有必要建立能长年累月、风雨无阻运转的观测站。”

70年代初,美国总统尼克松在正式访华之前派来先遣队,由四星上将黑格带队。当时周恩来陪黑格到北京饭店看夜景,黑格说:“北京的污染和我们纽约差不多呀!”周恩来想,不能危害人民健康,下决心治理北京的空气污染。1973年底,中科院向国务院呈送《关于建设气象观测铁塔的报告》,第二年就得到特批,由大气所承办。洪钟祥作为技术总负责人,和团队调查了北京10年来的风速风向及温度变化情况,发现地面以上三四百米的高度内,风速和温度变化最剧烈,便将观测塔高度设在325米;塔上设置15个观测平台,安装各种仪器,历经5年,终于独立自主建成中国第一座大型气象环境自动化监测塔,高度居亚洲第一、世界第二。

建塔的波折和不易,曾庆存都看在眼里。上任大气所所长没多久,他在一次会上见到洪钟祥,径直走过来说:“能不能来帮我,当副所长?”

当时洪钟祥只是一个研究室副主任,因研究方向不同,与曾庆存私下没什么来往,被直接一问,吓了一跳。后经慎重考虑,洪钟祥接受任务,共事后发现,这位所长很不一般:“老曾是不可多得的战略科学家,抱负大,站得高、看得远,好比下棋,一般人最多看两步,老曾可以看三步五步,很有前瞻性。”

曾庆存提出要把大气所建成“一个社会主义现代化的研究所”。1985年中科院拟开放第一批实验室,本没有大气所的实验室,他得知后,连夜赶到院领导家里“立军令状”,并在第二天的会上陈述必要性,最终获批,才有了“大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室”“大气边界层物理和大气化学国家重点实验室”,前者在1990年获得先进集体奖,曾庆存作诗:“有志诸君齐努力,会当绝顶看明朝。”

1990年,意大利的世界实验室团队来中科院参观交流,时任大气所所长曾庆存(左三)进行接待。资料图

研究所和实验室都有曾庆存的“性格”。比如,早年全国只有北京大学和南京大学设立了气象学专业,基本只招气象专业的学生,但曾庆存打破常规,还招数学、物理、生态、化学、遥感等专业的学生,他相信现代科学需要有交叉学科背景的人才。此外,他还招伊拉克、泰国等第三世界国家的学生,有名巴基斯坦留学生是中科院培养的首位外籍博士,回国后曾任国家气象局局长。在曾庆存领导下,大气所是中科院优秀研究生培养单位,也是国务院学位办公布的首批优秀博士培养点和优秀博士后流动站。

10年共事中,洪钟祥常想:“老曾是大科学家,我要尽量把研究所的行政事务处理好,保证他有更多时间考虑重大战略以及如何在国际上打开路子。”曾庆存搭起了互相信任的领导班子,后来卸任所长时,由洪钟祥接任,将这一套改革延续了下来。

这座高325米的大气塔见证了北京城40多年的变迁,也服务于国家重大需求和基础理论研究。记者 陈霖 摄

至今,“大塔”仍是全球唯一一座坐落在繁华都市中心地段的大型气象环境综合监测塔,全天候记录气象要素和污染物的变化。根据不完全统计,近10年来气象塔测量资料已提供给国内外27家单位,应用于国家“973”重大项目、中科院先导专项、灰霾专项等研究,如今也为碳达峰、碳中和等重大战略提供重要参考。

人“定”而后胜天

晕生前夜月朦胧,晨起鹅毛白絮浓。

雪欲融时天更冷,热心却与麦心同。

——曾庆存《残冬瑞雪》(1986年)

退休后,曾庆存迎来了新的课题:读懂地球。

今年6月,记者跟随曾庆存前往北京远郊怀柔,参加地球系统数值模拟装置(简称大装置)的落成启动会。这是他晚年的心血。

“近百年来,全球气候和环境变化问题日益严重,20世纪60年代开始,国际科学界形成共识,要研究长期气候变化。然而,如何研究地球?几乎无法模拟出与真实环境完全一致的实验室条件,也就难以通过做实验的方式研究地球。”曾庆存说。

恰逢计算机出现,科学家提出,利用计算机求解,把经过理论模型计算后的数值和实际对比,看是否和实际一致。后来,美国和日本建成了自己的地球模拟器。2005年,曾庆存提出地球系统模式设想并组织系列研讨,此后百般努力,2013年终被列入“十二五”规划项目。

与其他被列入五年计划的科学装置不同,地球系统数值模拟装置是国内第一个以软件为核心的大装置。实际上,“软件能否成为核心”的争论在建设初期给曾庆存带来了不少困难。在公众印象中,基础设施大多是硬件设备。申请“十二五”立项时,不少人质疑:“拿超级计算机去算不就行了,为啥非得专门搞个大装置?”这时候,是获得了国家最高科技奖的大气学家叶笃正联名曾庆存等人给时任总理温家宝写信,提出了软件建设的重要性,保住了这个大项目。

如何理解大装置?简单说就是使用长期的数据资料对未来的天气发展趋势进行预测。在全球气候与环境变化课题里,涉及的模式包括大气模式、海洋模式、陆地环境物理模式、吸收和排放二氧化碳模式等。

周广庆是曾庆存的学生,也是大装置总工艺师,主要负责制作超级计算机以及网络安全系统,他告诉记者:“软件是大装置的魂。”如果将这些模式换成数学语言,就是将牛顿第二定律方程组、热力学定律方程组等耦合在一块,拿到地球仪上求解,会发现计算量太大,仅靠人工无法求解。

在曾庆存的带领下,周广庆等人在专用超级计算机上运行了一套地球系统模式,“对地球的过去进行反演、对现在进行观察、对未来进行预测”。因此,大装置就相当于一个“地球实验室”。

这个“看不见、摸不到”的装置是如何运作的呢?记者跟随曾庆存走进机房,看到大装置的“魂”:这套软件一天可以计算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层10年左右的变化。

在曾庆存眼中,大装置可以作为气候与环境领域的谈判依据,提高中国在国际上的发言权。“大装置能在一个范围内预测二氧化碳相关数据,比如每年减1%的排放量,气候会变成什么样?要减少多少二氧化碳?各国该怎么分担?算出来,你才有发言权。”

可以说,坚持研发大装置和曾庆存的哲学观有关。古语“人定胜天”,很多人的理解是人能够战胜、改变自然界。但曾庆存不同意。“《大学》里说‘知止而后能定,定而后能静,静而后能虑,虑而后能得’。‘止’就是止于至善,‘至善’就是认识和遵守规律。可见,‘定’是安定,遵循规律办事。放到自然界,就是按自然规律办事,与自然和谐相处。”

接触久了,身边人会发现这是个可爱的老头子,对研究上心,对生活省心,外出顶着大太阳,就戴顶草帽。一次去开会,他一身简朴,被保安拦下,怎么也不相信他是与会的科学家,还是同事帮忙解释才得以进去。

70多年的大气研究工作在曾庆存身上留下很深的烙印,每次遇到天气变化,总比常人更敏感,似与天地感同身受。1986年的早春,他赶上一场瑞雪。那几年,北京冬雪稀少,他心花怒放,望着天笑了,遂写下“雪欲融时天更冷,热心却与麦心同”。 (陈霖)