“詩人院士”曾慶存 為風云氣象解碼

梁偉

他是院士中最有詩歌情懷的，他說，“枯燥無味的學問不是好學問”。

科學是理性的，藝術是感性的，但他卻說二者是不可分離的，“做學問也是講究美的，寫詩雖受心血來潮的靈感沖動所引起，但其意境或其形象的演變與發展過程以及其表達，則是理性思維的范疇”。

他，就是中科院院士、第61屆國際氣象組織獎獲得者曾慶存。今天，做著科學研究的他，還在醞釀著自己第三本詩集的出版。

2019年3月22日，曾慶存在世界氣象日來臨之前，給200余名中小學生作科普報告《大氣科學的前身、現代與未來》，為學生們講述天氣預報的發展歷史與未來。

作為國際上全面推進大氣科學和地球流體力學發展并使之成為現代先進學科的關鍵人物之一，曾慶存融通地球科學和數理科學，貫通大氣科學和地球流體力學各分支，在動力學基礎理論、高性能計算、大氣遙感、數值天氣預報、氣候和環境預測與調控等都有奠基性和開創性的杰出成就和卓越貢獻，在國際享有崇高聲譽……這樣的科學大家面對學生們略顯稚嫩的提問，回答卻頗為耐心。要知道，曾慶存今年已經84歲了。夾雜著濃厚廣東口音的他對學生們說：“科學的大道確實不平坦，只有勇敢、堅毅，才能永遠前進，攀上頂峰。同學們要認真學習，發揮中華民族刻苦鉆研、善于思考的優良精神，將來為中國科學事業的發展作出貢獻。”

“小時候家貧如洗，拍壁無塵”

1935年5月，曾慶存出生在廣東省陽江縣一個貧困的農民家庭。在他的《院士自述》一文中有這樣一段話：“小時候家貧如洗，拍壁無塵。雙親率領我們這些孩子力耕垅畝，只能過著朝望晚米的生活。深夜勞動歸來，皓月當空，在門前擺開小桌，一家人喝著月照有影的稀粥——這就是美好的晚餐了。”

談到自己的啟蒙老師，曾慶存回答說毫無疑問是自己的父親。雖然家貧，但父親卻始終勤勤懇懇、與鄰為善，母親也是恭良勤儉，悉心照顧曾家兄弟姐妹。一日，父親去往城里挑肥，偶遇小學校長。校長見曾父雖為農民，舉手投足之間卻透露著一股文雅浩然之氣，遂上前交談。

“談話中校長了解到父親有兩個適齡讀書的兒子，囑咐父親一定要讓孩子讀書。”曾慶存說，其實父親自己也非常向往課堂，無奈沒有機會。聽了校長的話之后，父親決心一定要讓兄弟倆讀書。自此，曾慶存便跟在哥哥身后，日日往返于田野學堂，因為知道機會來之不易，兄弟倆都倍加珍惜。一邊勞動、一邊讀書，本來覺得能考上中學便是幸運之事的曾慶存，從沒想到自己有朝一日會在大學深造，并且將科研作為自己一生奮斗的事業。

“我永遠懷念著我的雙親、兄長和兒時的老師。沒有他們的撫養、栽培和教育，我是不可能成長的。對于他們，我常有負債的心情，總希望能在他們在世時報答萬一。可是時不我待，我的雙親、兄長和絕大部分兒時老師都已辭世，想報答已無時日了。每想到這里，追悔莫及，悲不能已，只有默默鞭策自己，一生都不要辜負他們的辛勞。”曾慶存說。

1952年，國家經濟全面恢復，政府重視和擴大高校招生，曾慶存響應政府號召，報考了北京大學物理系，后服從組織分配學習氣象專業。當時氣象科學還處在半理論半經驗階段，國際上的天氣預報剛從定性向客觀定量化起步。即將畢業的曾慶存到中央氣象臺實習時，看到氣象員們廢寢忘食地守候在天氣圖旁，分析判斷，發布天氣預報，但由于缺少精確的計算，相當多的分析判斷還是憑借經驗。這樣的一幕讓他想去鉆研數值天氣預報理論方法，從而提高天氣預報的準確性，增加人們戰勝自然災害的能力。

首位成功用原始方程作數值天氣預報

大學畢業之后，曾慶存通過國家考試被選派赴蘇聯科學院作研究生，師從氣象學大師基別爾。到了蘇聯之后，曾慶存是極其認真和刻苦的。

“我學習大氣科學，沒有數學是不行的，所以當時我就坐地鐵到莫斯科大學聽數學課，有時還到別的地方去聽課、聽講座、聽報告，那時候凡是和大氣方面有關聯的，我都不會錯過。”曾慶存回憶道。

考試結束之后，導師領著曾慶存做論文。他選擇的是從事應用斜壓大氣動力學原始方程做數值天氣預告的研究，這在當時是非常難的題目，他的導師當時也在研究，開展了一半，尚未成功。

要知道，20世紀初科學界開始提出用描述大氣運動的原始方程組作定量天氣預報的構思，但方程組非常復雜，無法直接求解。后來科學家提出把求解微分方程變成算術運算，創造出“數值求解”法，但由于未認識到大氣動力過程的多尺度性，無法區分天氣系統演變的主因，嘗試失敗。到了1950年，針對主導天氣運動的大尺度渦旋，采用二維正壓渦度方程進行預報，但方程高度簡化，準確度低，也無法直接預報描述大氣運動的其它變量，如風場、降水場和比濕等，不能應用于實際天氣預報業務。1960年前后，世界上為了使數值天氣預報能應用到實際中去，開始轉向對原始方程的研究，以尋求突破。

曾慶存說：“真的是非常困難，從理論上說，歐美的研究并不是真正從大氣動力學入手的，而是從計算機入手，把數據輸入計算機進行計算，但算出來的結果卻很亂。當時蘇聯電子計算機比歐美小很多，只有2048個單元，原始方程變量需要計算的特別多，比如溫度、氣壓、濕度、風向、風速……我要把這些變量全部放在一個單元，我的辦法就是從氣象分析和大氣運動規律著手。大氣運動是多種尺度的運動，是可分的，大氣運動的快慢過程的計算方法可以是不一樣的。我必須找到方法，讓快的過程有一種算法，慢的過程有另外的算法，而兩者又要能夠聯合。”

經過前期的閱讀、思考和探索，曾慶存最后只用了很少的計算機機時就把論文做完了，他在1961年提出了“半隱式差分法”，在世界上最早成功地實現了運用原始方程進行實際的天氣數值預報。由他首創的半隱式差分法，至今仍被廣泛應用。當今世界各國數值天氣預報都是基于斜壓原始方程組的計算，曾慶存在這個過程中作出了奠基性和引領性貢獻。

在蘇聯留學時，曾慶存立志要攀登世界大氣科學的頂峰，曾賦《自勵》一詩以表心志：“溫室栽培二十年，雄心初立志驅前。男兒若個真英俊，攀上珠峰踏北邊。”

1961年，曾慶存畢業回國。那一刻，他就決心不辜負國家的多年培養，要在大氣科學領域走出中國的路。被分配到中國科學院工作的他感到渾身都是力量，埋頭潛心于研究，但苦于沒有使用電子計算機的條件，就集中注意力研究大氣和地球流體力學的基本理論問題，以及數值天氣預報進一步發展中要解決的理論問題。這在當時看來十分抽象和“脫離實際”，但后來證明這對數值預報進一步的發展是十分必要和極為重要的，也為他打好了學術發展的基礎。

填補衛星遙感定量理論研究空白

1970年，曾慶存又一次服從國家發展需要，離開了原來的研究工作，被緊急調到當時在國際上興起、中國尚是空白、他又完全陌生的衛星氣象和大氣遙感研究工作。

當時美國和蘇聯已經有了氣象衛星，但還處于初級階段，主要是拍攝獲取云圖等觀測材料以及測量地面溫度和射出短波和長波輻射做輻射平衡研究，對于遙感大氣溫濕垂直分布等數值天氣預報所需的基本資料的定量遙感問題只有模糊的認識。

曾慶存說：“我查遍了所有可能獲得的文獻，發現有些基本不可行，有些雖然可行但是因為做了錯誤的處理，也變得不可行，于是我提出了‘最佳信息層概念和具體數學表達形式。我把許多遙感問題統一成為理論，即可得到每種遙感方法對應其各自的‘遙感方程，于是易于分析其可用性、局限性、甚至不可用性，以及按儀器的精度推出‘反演被遙感變量的精度……”

繁重的工作使曾慶存積勞成疾，他雖經常生病，但仍堅持工作。結合完成的具體工作任務，他寫成了一部長達30萬字的《大氣紅外遙感原理》。這是當時國際上第一本系統講述衛星遙感定量理論的專著。書中系統地把各種具體的遙感問題統一為分析“遙感方程”的數學物理方法問題，例如提出的最佳信息層等概念和方法，清楚地說明了測濕和測溫問題的原則差別，澄清了國際上當時的模糊和錯誤觀念，為選擇遙感通道提供了合理的原則；并提出求解“遙感方程”的有效的“反演算法”。這些理論直到現在，都在中國和世界氣象衛星工程和遙感資料分析中得到廣泛應用。

此后，曾慶存重新回到大氣動力學研究領域，花了五年時間，在1979年寫成了《數值天氣預報的數學物理基礎》第一卷。這部長達80萬字的大氣動力學和數值天氣預報理論專著，將數學、力學和氣象學有機地結合起來，被中國科學院列為重大研究成果。日本學者評述：“這是非常必要的，是世界上第一本這方面的著作，是氣象理論化的代表作。”后來美國著名氣象學家Knrihara評介“曾的書代表了氣象學理論化的完成”。另一著名學者J. Smagorinsky指出：“這卷書的出版對發展動力學氣象學文獻有突出貢獻，將立于世界優秀名著之林。”

鑒于其研究成果突出，1980年，45歲的曾慶存被選為中國科學院學部委員（院士），成為當時最年輕的學部委員之一。

1980年底，作為高級訪問學者，曾慶存來到美國普林斯頓大學。在此期間，他對大氣動力學基礎理論進一步研究的成果，以及訪問美國各地30多所大學或研究單位所作的幾十次學術報告，引起了國外學者的高度重視。

“解讀地球”，壯心不已

天氣預報和每個人的生活都息息相關，大眾關心的是未來幾天的天氣，以做好生活和日程上的統籌安排。而預測未來一個月、一個季度、一年，甚至幾年、幾十年氣候的氣候預測，則關系到國民經濟建設的方方面面，如夏季洪澇、冬季霧霾、農業規劃、能源布局等。此外，對全球氣候和生態環境變化的研究和預估的需求更日顯重要。不同于天氣預報，光靠研究大氣圈遠遠不夠，氣候預測還需要了解海洋、陸面及太陽活動等的情況。1983年，曾慶存及其團隊開始研制中國氣候系統模式和預測方法，自主研制了大氣、海洋、陸面模式，取得一系列創新性成果，并在國際上首先開創短期氣候預測系統。

1984年，曾慶存開始擔任中國科學院大氣物理研究所所長，在他擔任所長的9年時間中，他將研究所的發展與國家、學科的發展緊密聯系，提出要將中科院大氣物理研究所辦成“一個社會主義的現代化的研究所，使其成為我國的一個高水平的大氣科學研究中心，對國內外開放，在世界大氣科學發展中作出貢獻”。

正是有著這樣的發展愿景，曾慶存克服了各種困難，先后創立大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室、大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室及國際氣候與環境科學中心，極大地提升了研究所的科研水平和實力。

與此同時，他大膽改革，采取多項措施充分調動科研人員的積極性，活躍所內的學術交流氛圍，加強對研究設備的建設和經費的管理等。學生和青年們在他的悉心指導、幫助下，成長為科研骨干、院士和新一代博士研究生導師，并有開創性的研究工作。

此后，為了適應大氣科學發展的潮流和解決實際問題的需要，曾慶存又開展了氣候動力學、氣候系統模式和數值氣候預測理論方法的研究，1994年建立起我國第一個（世界首個）夏季降雨量距平預告方法。由于他出色的研究工作在國際上得到廣泛承認，1994年他被選為俄羅斯科學院外籍院士，1995年被選為第三世界科學院院士。

經過半個多世紀對數值模式的持續研究，曾慶存敏銳地意識到，隨著高性能計算機技術的迅猛發展，中國通過數值模擬手段，可以研究地球系統各圈層之間相互聯系、相互作用的機制以及地球系統變化的規律和機理，將氣候預測擴展到對于地球系統的整體模擬和預測。2007年至今，他領導和參與我國自主研制的地球系統動力學模式。2009年，曾慶存同老一輩科學家就萌生建立中國自己的地球模擬器的想法，通過論證，“地球系統數值模擬裝置”作為國家大科學裝置之一被引入國家“十三五”規劃。作為地球系統數值模擬裝置的倡導者和推進者，他風雨兼程、歷經九載，在同數百位科學家共同的努力下，地球系統數值模擬裝置于2018年在北京市懷柔科學城破土動工。“解讀地球計劃”邁出至關重要的一步，中國可以自己為地球“做CT”。地球系統模擬裝置為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環境治理等重大問題提供科學支撐，推動地球系統科學不同學科之間的學科交叉和融合，促進我國地球系統科學整體向國際一流水平跨越。

2017年5月16日，82歲的曾慶存來到日內瓦，捧回了被稱為“氣象界諾貝爾獎”的“國際氣象組織獎”，這是全球氣象界的最高榮譽獎項。頒獎儀式上，世界氣象組織主席格萊姆斯表示：“曾慶存先生獲獎是實質名歸。他是一位優秀的科學家，50多年來一直致力于研究氣象學、大氣科學、地球流體動力學以及全球氣候和環境的變化。”

曾慶存說：“我國的氣象事業在國際上是一流的，研究氣象的青年學者們應該充滿信心，結合我國氣象的實際情況多做原創性研究。如果把大氣科學整體比作珠穆朗瑪峰，那么這些年來，我一直在努力攀登，但種種原因所限，我沒能登上頂峰，大概只在8600米處初步建立了一個營地，供后來者休憩、繼續前行。真誠地希望國人勇于攀登，直達無限風光的頂峰。”