曾庆存,天气预报背后的“最强大脑”

作者: 陈霖

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2021年,记者在中科院大气所的办公室拜访曾庆存。他任所长期间,进行大刀阔斧的改革,如今虽退休多年,仍然参与科研工作,指导学生。(本刊记者 陈霖 / 摄)

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”。

“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”。

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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。

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“恩人”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。

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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)

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,县人民政府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。

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洪钟祥与曾庆存共事30多年,是老搭档,见证了他的领导与奋斗,也参与了中国大气科学家不断求索的过程。

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。”

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