大气科学家曾庆存院士:为解决中国相关气象业务的关键问题做出卓越贡献

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日期:2020-01-10 11:38:47    来源:中国新闻网    

他为现代大气科学和气象事业的两大领域——数值天气预报和气象卫星遥感做出开创性和基础性贡献;他为国际上推进大气科学和地球流体力学发展成为现代先进学科做出杰出贡献;他还密切结合国家需要,为解决中国相关气象业务的关键问题做出卓越贡献……

他就是从事大气科学研究近60年,致力推动“天有不测风云”成为“天有可测风云”的国际著名大气科学家曾庆存院士。1月10日,85岁高龄的曾庆存院士以卓著成就登上北京人民大会堂的领奖台,荣获2019年度国家最高科学技术奖。

留学归来立志攀登气象科学高峰

1935年5月,曾庆存出生于广东省阳江市一个贫困的农民家庭,父母整天田间劳碌,哥哥便带着年幼的他一起上学堂听课,就这样以非正规的身份开始了学生时代。

这对打着赤脚、衣衫褴褛的兄弟一边劳动、一边读书,成绩一直名列前茅。1952年,曾庆存考入北京大学物理系,求学期间,他延续着幼时刻苦学习的劲头,埋头苦读。

新中国成立之初,中国急需气象科学人才。在乡村长大的曾庆存对农业收成和人民生活受天气和气候的重大影响有深切感受,气象学也深深地吸引着这个年轻人。曾庆存回忆说:“我印象很深的有一件事,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。如果能提前预判天气,做好防范,肯定能减不少损失。”

北大毕业前夕曾庆存到中央气象台实习,看到气象预报员们废寝忘食地守候在天气图旁进行分析判断和发布天气预报,但由于缺少精确计算,往往只能是定性分析判断和凭经验做天气预报。他看在眼里,记在心上,下决心要研究客观定量的数值天气预报,提高天气预报的准确性。

1957年年底至1961年年初,曾庆存通过国家考试被选拔派遣至前苏联科学院应用地球物理研究所作研究生,师从国际著名气象学家、前苏联科学院通讯院士基别尔。基别尔为曾庆存选择了一道世界著名难题作为论文题目,即应用斜压大气动力学原始方程组做数值天气预报的研究。通过苦读冥思、反复试验,几经失败后曾庆存终于提出世界上首个用原始方程直接进行实际天气预报的方法——“半隐式差分法”,并随即被用于实际天气预报业务,至今仍在应用,奠定了当今数值天气预报业务模式的动力框架基础。

在前苏联科学院获副博士学位后,曾庆存立即回国,还写下一首《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。”当年仅26岁的曾庆存立下志向,一定要在气象科学领域踏上世界最高峰。学成归国,曾庆存分配到中科院地球物理研究所气象研究室工作,从此开始了他投身大气研究、科学报国的科研生涯。

科研攻关“风云变幻”成就卓著

从风华正茂到耄耋之年,曾庆存院士与“风云变幻”打了一辈子交道,从“中国北坡”攀登大气科学“珠峰”的征途中,他用汗水和智慧收获了一大批原创性、基础性和关键性科研成果。

在数值天气预报与地球流体力学的数学物理系统理论方面,曾院士建立起完整的地转适应过程理论、地转适应过程与大尺度大气运动演变过程的弱非线性相互作用及准可分性理论,阐明天气系统演变的大气动力学和热力学的本质特性;其专著《数值天气预报的数学物理基础》,将气象问题、动力学理论和数学方法有机地结合起来;他发展的“波包动力学”“非标准模方法”和运动稳定性理论研究,在国际上被广泛应用于大气和大洋环流以及天气—气候动力诊断分析研究中。

在数值天气和气候预测模式的研制与计算地球流体力学研究方面,曾院士首创求解大气运动原始方程组的“半隐式差分法”,随后还发展“标准层结扣除法”“平方守恒格式”等方法,这些方法至今仍是世界数值天气预报和气候预测的核心技术。他还将数值天气预报延伸至气候变化模拟和预测,率领团队自主研制出大气环流、陆表过程以及气候系统和地球系统等诸多模式,参与联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)全球气候变化科学评估,同时也用于中国短期气候预测业务与气候和环境变化的数值模拟研究。

在建立大气红外遥感系统理论和发展定量信息提取方法方面,曾院士1974年出版的《大气红外遥测原理》是国际上第一本系统讲述卫星大气红外遥感定量理论的专著,将各种辐射传输方程统一作为“遥感方程”处理,特别是提出的“最佳信息层”等概念和方法,是如今监测暴雨、台风等及相应灾害性天气的极为重要的手段。此外,他提出求解“遥感方程”的反演算法,已成为世界各主要卫星数据处理和服务中心的主要算法。

在开创跨季度气候动力学预测研究和气象灾害监测预报与防灾调度方法研究方面,上世纪80年代起,曾庆存就致力于跨季度气候数值预测以及集卫星遥感、数值预测和超算为一体的气象灾害防控研究:1994年建立世界第一个实际应用的短期气候预报系统;1992年起,给出“季风”“季风区”“季风指数”“季风爆发”等客观严格的统一数学表达和动力学特征,揭示出季风的本质、成因、时空结构和变异,均得到广泛应用;1999年起研究将遥感、数值预报和超算紧密联系的气象灾害的监测、预测和预警,提高其防控时效和效果。

曾庆存1991年还创立自然环境自控和人工调控的新理论——自然控制论,他提出通过合理的人类活动来减少对大气和环境的破坏,是人类社会可持续发展和大气科学研究的新内涵。目前,自然控制论已成功应用于大气污染和核生化污染风险防控等方面。

地球系统模式是当今全球气候和环境变化问题研究的制高点,曾庆存是建立中国地球系统模式的主要倡导者、领导者,并参与具体设计和研制。1991年他即前瞻性提出要建立“气候和环境生态的动力学”模式,并提出建模和机理研究方法,2007年起一直领导和亲自参与研制中国具有自主知识产权的地球系统模式。2011年,曾庆存等多位科学家向国家提出以研制中国地球系统模式为首要任务并带动地球科学数值模拟研究的“大科学装置”,2016年获国家批准,现今被形象称为“可以给地球做CT”的“地球系统数值模拟装置”,已在北京怀柔科学城积极建设,预计2022年建成运行。

曾庆存表示,“地球系统数值模拟装置”将为国家防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理等重大问题提供科学支撑,并推动地球系统科学不同学科之间的学科交叉和融合,促进中国地球系统科学整体迈向国际一流水平。

力推中国大气科研机构建设和国际合作

曾庆存不仅是一位优秀的科学家、科研带头人,还是一位杰出的科研工作领导者和组织者。1984年,49岁的曾庆存便肩负起中科院大气物理研究所(中科院大气所)所长的重任,提出要发展成为“中国的一个高水平的大气科学研究中心,对国内外开放,在世界大气科学发展中做出贡献”。

担任所长9年间,曾庆存争取到在中科院建设首批国家重点实验室中的两个大气科学实验室——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。1987年,曾庆存得知第三世界科学院(现称“发展中国家科学院”)有意要在中国合办研究机构时,立即通过当时兼任第三世界科学院副院长的中科院院长卢嘉锡向第三世界科学院申办“国际气候与环境科学中心”,后来又以此为基础,成立中科院—第三世界科学院—世界气象组织共建的“国际气候问题论坛”,定期召开国际研讨会或培训班,这两者也成为中国大气科学开展国际交流合作和为发展中国家培养科研人才的重要平台。

这次荣获国家最高科技奖之前,曾庆存已是荣誉等身,1980年当选中科院学部委员(院士)、1994年当选俄罗斯科学院外籍院士,1995年当选发展中国家科学院院士,2014年当选美国气象学会荣誉会员。他还先后获得全国科学大会奖、国家自然科学奖、何梁何利科技进步奖、中科院自然科学奖和杰出成就奖,2016年被联合国世界气象组织授予该组织最高奖——国际气象组织奖。

曾庆存院士言传身教、严谨治学,为中国气象事业培养了一批又一批优秀研究生和青年学者,大部分已成长为国家大气科学研究和业务领域的骨干和顶尖人才。同时,他也为发展中国家培养多位留学生,其中,中科院首位外籍博士古拉姆·拉索尔回国后任巴基斯坦国家气象局局长。

虽已桃李满天下,但曾庆存院士老骥伏枥、志在千里,如今仍坚持在科研一线带领和指导年轻学生,他希望为中国气象事业培养更多栋梁,为大气科学与其他学科交叉融合搭建桥梁,推动中国大气科学和气象事业不断向前发展。 (记者 孙自法)

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