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坐看“风云”起

2020-08-27 12:08

——走进大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室

 坐看“风云”起

周天军代表实验室在2019年第四届国际区域气候大会上作报告

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实验室2014年学术年会合影

 坐看“风云”起

太原先进计算中心的超级计算机

本报记者 丁佳

每天《新闻联播》结束后,《渔舟唱晚》的音乐响起,《天气预报》的画面随之出现,那感觉再也熟悉不过。

这是中国当代年轻人共同的童年记忆。很多人还记得,当年的天气预报并不那么准,一场意料之外的雷雨常常成为人们茶余饭后的谈资;可时至今日,小到每个小时的精准天气情况,大到牵动全球的国际气候谈判,中国的大气科学,已经悄悄地变得越来越厉害。

天气和气候,已经深深地融入到每个人的生活之中。但很多人不曾想过的是,这些看似司空见惯的背后,却是中国大气科学工作者几十年奋发图强、锐意创新的结果。

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室就是其中的一支重要力量。这个依托于中国科学院大气物理研究所(以下简称中科院大气所)建设的国家重点实验室自1985年成立以来,就一直在气候模式研发、气候模拟和气候研究等领域深耕不辍,摘得累累硕果。

“当掉裤子也要买计算机!”

中科院大气所保持着一项引以为傲的纪录——在全国三家大气科学领域的国家重点实验室中,大气所就占了两家。

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室作为我国首批建立的国家重点实验室,经过30多年的学术积累和几代人的共同努力,发展完善了从大气、海洋到完全耦合的气候系统模式,是国内唯一、国际上少数同时自主研发大气、海洋和耦合模式的研究机构之一,已成为在相关领域具有重要国际影响力的研究机构,并在大气科学人才培养、支撑国家经济社会发展等方面发挥越来越重要的作用。

“某种意义上说,一个国家数值天气预报的水平,能反映出这个国家的大气科学水平。”大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室主任、中科院大气所研究员肖子牛说,“现在我们可以自信地讲,中国的大气科学在全球占有重要的一席之地,中国也是少数几个拥有最全面和完备的数值模式系统的国家之一。”

如今的大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室已经是世界上该领域一个响当当的名字,但时间退回30多年前,实验室面临的却是截然不同的境地。

“大气科学中,很多实验是没法重复的,因此它很难遵循经典自然科学实验的范式。”肖子牛说,“我们一直想寻找一种方式,让大气科学纳入到现代化科学的体系中。”

实验室的创建者和首任主任、中科院院士、国家最高科技奖得主曾庆存30多年前想到的方法,就是建立一个专门的实验室来研发数值模式,用动力学方程去描写大气的演变状况。这样当发生了一次台风或暴雨时,科学家就可以在超级计算机上进行多次重复实验,去重现当时发生了什么,甚至可以预测未来。

“地球流体运动非常复杂,其中很多科学问题的研究依赖传统的理论和实验方法已远远不够,因此,数值模拟就成了不可替代的第三种研究手段。”在中科院院士、大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室前主任吴国雄看来,数值模拟是20世纪后半叶最重要的科技进步之一,也是数学和计算科学应用于大气科学和地球流体力学领域必不可少的纽带和工具。

一件往事,让吴国雄记了几十年。

35年前,曾庆存非常前瞻性地看准了超级计算机对大气科学的重要性,并留下了一句著名的话——“哪怕是当掉裤子也要买计算机”。

可是,在科技水平并不突出、科研经费捉襟见肘的上世纪80年代,这一切就好像是天方夜谭。吴国雄还记得,当时他从曾庆存处得知,国外有一台淘汰了要卖掉的超级计算机,十分欣喜。“我和老曾为了买他们的机器,跟老外‘套近乎’,还带老外去游三峡,可到了最后,对方国家的国防部和工业部还是没同意。”

一直到1988年,在国家计委的资助下,通过与意大利“世界实验室”合作,实验室才终于引进了一台超级计算机。科研人员就在中科院电工研究所和中科院大气所原址之间的过道上,盖了一间平房作为机房。

就在这间简陋的平房里,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室走上了一条现代化和国际化的道路。

30多年的变与不变

“这个实验室的成立源于当时的所长曾庆存的国际视野,是在当时国家还不富裕的情况下勒紧裤腰带建立的。”中科院大气所副所长(主持工作)周天军说,“这么多年来,实验室一直在坚持数值模式研发这一主流发展方向,历经几届实验室领导班子,方向始终不动摇。”

根据国内外学科发展趋势和国民经济建设的需要,以及知识创新时期对国家重点实验室的新要求,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室始终围绕着地球气候系统模式的研发与应用、天气气候动力学理论、可预报性及预测预报新理论和新方法、地球流体宏观演变规律和机理等四大方向开展研究工作。这四个方向相辅相成、共同发展,形成了从理论到基础应用的闭环。

肖子牛认为,数值模式的发展是真正的“十年磨一剑”,需要一代代人持之以恒地坚持做下去。“在应用领域,国际上做得最好的欧洲中期数值天气预报中心就有很好的传统,他们一直在坚持做。所以我们意识到,方向一旦认定了,就不能总变动。”

30多年未曾改变的“红色基因”换来的是实验室科研实力的突飞猛进、国际地位的稳步上升——

实验室自主研发的模式参加了历次国际耦合模式比较计划,结果被历次联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告所引用,大大提升了中国在气候模拟和预估领域的国际影响力;

在气候动力学研究领域,实验室取得了一批在国内外有重大影响的原创性研究成果,部分成果直接应用于国家级业务,科研成果在重大灾害性天气气候事件及国家防灾减灾工作中发挥了重要作用;