張賀：自主創新地球系統模式

肖貞林

地球系統的數值模擬是21世紀新興的研究領域，與世界主要發達國家相比，我國在該領域的科學基礎設施與技術的長期積累上仍存在一定差距，即便近些年“天河2號”“太湖之光”等超級計算機的出現讓這一現狀得到了一定緩解，但關鍵核心技術受制于人的局面還沒有得到根本性改變，基礎研究和重大源頭創新能力亟待進步。“我還是希望能夠建立屬于我們中國自己的地球系統數值模擬的研發體系，不再受到別人的牽制。”中國科學院大氣物理研究所副研究員張賀如是說。

氣象之子

“我從小就對氣象比較感興趣。”張賀在談到自己的研究方向的時候說道，“小時候每天準時觀看《新聞聯播》之后的天氣預報，每次都拿個小本本記錄各個省市的氣溫，時間長了之后就基本了解每年各個月份，每個城市的氣溫大概是多少。”就是這童年最初的興趣使張賀和大氣物理結下了不解之緣：從2002年做本科畢業論文開始，此后的整整20年時間，他都投入氣候與環境的研究中。在1999年被保送北京大學攻讀核物理的時候，張賀對自己的專業是不太感興趣的：“因為是保送的，所以我選不了專業，當時進的是技術物理系下的核物理專業。”但也正是這個專業為張賀日后漫長而持久的科研工作打下了扎實的數學與物理基礎。

2003年，以優異成績畢業的張賀決定繼續深造，變更專業前往中國科學院大氣物理研究所（以下簡稱“大氣所”）研究大氣科學。因為專業之間的差異性與壁壘，張賀時不時擔心自己會在嚴謹的學術上產生差錯，但慶幸的是，大氣所的幾位導師都給了張賀十足的幫助。薛峰研究員是時任國際氣候與環境科學中心副主任，在得知張賀所學的是物理專業后便將他推薦給了曾存慶院士。“曾存慶院士是我心中最優秀的榜樣。”張賀回憶曾先生的時候說道，“他很善于發現你的特長，無論你是哪個專業的，他都能找到比較適合你的研究方向。”曾先生這樣善于用人的思想至今依然刻在張賀的腦海里，因材施教也成為他日后培養人才的準則。

進入大氣所以后，因為自己在數學物理上的長處，張賀便開始接觸地球系統模式，這是一個將數學物理等公式或方程轉換為能被計算機識別并應用的計算機程序。起初張賀對編程并不擅長，但他自身對氣象的熱愛與使命感幫助他度過了這段學習時光。地球系統模式的研發是一個周期長、成果產出慢的工作，但張賀下定決心開展模式研發的工作，他在研究生二年級時參加了大氣所的博士研究生考試，并被順利錄取。經過5年的理論公式推導、程序代碼編寫和調試、大規模數值試驗等枯燥而繁瑣的工作，張賀最終完成了大氣所系列大氣環流模式IAPAGCM 4.0的研發，創新性地設計了高緯靈活性跳點格式和協調的時間分解算法，在保證模式總有效能量守恒的前提下，大幅提高了模式的計算效率。攻讀博士期間，張賀曾到訪美國紐約州立大學石溪分校，跟隨該校的導師完成了一年的學習，主要從事模式研發及評估的相關工作，也拓展了他在地球系統模式研發領域的國際視野。

張賀

地球實驗員

2021年6月23日，國家重大科技基礎設施“地球系統數值模擬裝置”在北京懷柔科學城落成啟用。這是我國研制成功的首個具有自主知識產權的地球系統模擬大科學裝置。而張賀正是此次中國科學院地球系統模式CAS-ESM的核心研發成員——擔任“地球系統數值模擬裝置”總工程師助理，作為團隊核心成員主持了我國自主研制的地球系統模式CAS-ESM中各分量模式的耦合調試和模擬評估。

在張賀看來，相對于傳統的氣候系統模式，此次地球系統模式的成功建立是我國大氣科學乃至地球科學領域的一項重大突破，它以地球系統各圈層數值模擬軟件為核心，軟、硬件協同設計，通過超級計算機強大的計算能力，站在更為宏觀的視角，從全球的尺度分析地球五大圈層之間的相互作用，進而推演地球的過去，觀察地球的現在，預測地球的未來。它將應用于我國及“一帶一路”區域氣候災害的實時預報，為國家防災減災及制定未來氣候變化應對的國家戰略提供決策依據，同時還可以為氣候變化的國際談判提供科學支撐。

“這聽上去和天氣預報很像，但天氣預報不是我們研究的重點，因為天氣預報主要是由氣象局來發布的，我們關注的是時間尺度更為長遠的地球變化。”張賀對CAS-ESM做了額外的補充，“例如未來10～100年的全球氣溫變化、海平面上升高度、冰川消融程度等。”

張賀作為CAS-ESM最為關鍵的核心研發人員，負責最棘手的分量模式耦合及優化調試工作。他表示，工作是非常困難的，除了要解決技術上的難題，還要保證計算的準確性。上百萬行的代碼都是一行行敲出來的，一點點的錯誤都不能出，哪怕是打錯了一個字母，程序都會出錯。“出錯容易，但要找出出錯的地方卻很難，”張賀感慨道，“有時候一個錯誤找一兩個月都是正常的。”在他看來，這是一份相對枯燥也比較辛苦的工作，需要花費非常多的時間和精力。

2015年9月，在張賀所在的團隊攻克了計算不穩定、氣候漂移等一系列技術難題后，CAS-ESM1.0發布。之后為提高模式性能，張賀帶領團隊設計并開展了數千次的數值積分試驗，通過對模式誤差來源的深入剖析，持續對模式物理方案及相關參數進行改進和優化。歷經近5年努力，張賀及其團隊于2020年1月完成了新一代CAS-ESM2.0的定型，并完成了第六次國際耦合模式比較計劃CMIP6的相關模擬試驗。相比CAS-ESM1.0，CASESM2.0在大氣模式、海洋模式、陸面模式、植被動力學模式、耦合器等分量模式的關鍵算法及物理參數化方面都有了顯著的改進，尤其對當代氣候有較好的模擬能力，如全球輻射平衡、20世紀全球增暖趨勢、ENSO的周期和振幅、海冰的季節變化等，能夠準確地模擬大氣及海洋的經向熱輸送及大西洋經圈翻轉環流的垂直廓線。

新時代領航者

“在模擬器立項之前，我們的整體水平還是比歐美落后大概8～10年，但現在我們的差距已經越來越小了，在模擬器建成之后，我們已經能達到相關領域并跑甚至領先的水平了。”張賀對于當前地球模擬系統的建立是相當自豪和滿意的。20世紀80年代，氣候的數值模擬在中國剛剛起步，那時我國高性能計算機的發展水平落后了世界一大截，氣候模式的計算只能依賴發達國家淘汰的計算機。同樣的計算內容，發達國家先進計算機一天能完成的工作放在我國要算上三四天，研究速度與研究效率都受到了極大的束縛。此外，高精尖核心技術的缺失也是氣候模式發展緩慢的重要原因之一。高性能的計算機與算法技術大量依賴進口，以“技術引進—消化吸收—再創新”為主的科研體系在一定程度上幫助我國氣象科研工作者跟上國際步伐，但卻在尖端科技領域處處碰壁，以美國為首的部分西方國家對中國實施長期的技術封鎖，禁止超級計算機等高精尖產品的買賣，中國一直在被外國卡住科研的喉嚨。

但艱難的時光不會一直持續下去，進入21世紀以來，我國的計算機產業進入了飛速發展的階段，除了計算機整體計算能力的提高，還出現了“神威·太湖之光”等世界頂尖超級計算機，這為地球系統模式的自主研發打下了硬件基礎。而隨著國家對地球系統模式發展與氣候變化領域重視程度的與日俱增，研發屬于中國人自己的地球系統模式的任務就顯得日益急迫起來。就在此時，張賀與他的團隊臨危受命，接下了這個關鍵而緊急的任務。

“一定要走自主研發的道路，所有代碼一定要自己寫。”張賀強調，“一旦走上自主研發的道路，地球系統模式將不受外國的任何影響，不受外國的任何牽制，中國將發展的都是屬于自己的東西，再也不用懼怕外國的技術封鎖。”

從0到1的過程是異常艱辛的，地球系統模式的研發周期較長，出成果較慢，研究的人也相對比較少。但張賀與他的團隊選擇了堅持，在他看來，這是一種科研工作者特有的傳承，是帶有浪漫主義色彩的夢想。因為設備落后而無法繼續完成任務的前輩們的遺憾將由新時代的青年接過，繼續一步一個腳印地將中國氣象向前推進，CAS-ESM將不止會有1.0、2.0，還會不斷研發更加完善、更加精細的3.0、4.0，它將像手機一樣去不斷地更新換代。

“我們的模式在某些地方可能比國外稍顯落后，但是我們還是希望能夠通過自主研發的方式，擺脫國外的牽制，通過一代代中國氣象人的不懈努力，帶領中國的氣象事業到達世界領先的水平。”談起CAS-ESM的未來，張賀的眼神里充滿了希望。