曾庆存在莫斯科上机记
2020-02-26 15:33:12
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《计算机六十年》编者注:我在《溯源中国计算机》中说,想精确统计出究竟有多少人到苏联学习过计算机及相关技术,是十分困难的。因为,有一些学习数学、物理与应用科学的同学,也在苏联学习并使用了电子计算机。获得2019年度国家最高科学技术奖的中国科学院院士曾庆存就是曾在苏联精心上机解决难题的一位留学生,因为他的工作,将苏联气象预报准确率提升到了61%,前所未有。自此,数值预报成为气象预报的主要方法。1958年,中科院计算所派出的刘慎权先生,在苏联科学院计算中心就学,他上机同样是在深夜,可每次只有40分钟。而曾庆存每天却有10个小时,可见他的课题的难度与重要性。因为,他的题目是气象分析,而中国那时研制的104计算机的第一个课题也是气象。

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(作者《北京日报》记者 张航,摘录)

1952年,国家扩大高校招生,曾庆存报考了北京大学物理系,被顺利录取。大学四年,他寒暑假都没有回家,埋头读书。物理、气象、数学……他如饥似渴,汲取着知识。

1954年的一场晚霜,冻死了河南40%的小麦,北京大学物理系安排一部分学生学气象学专业,曾庆存毫不犹豫地报了名。曾庆存大学毕业后,他被选派进入苏联科学院应用地球物理研究所学习,师从著名气象学专家基别尔。

自此,使“天有可测风云”,成为曾庆存一生的事业。

看到中国学生扎实的数学、物理功底,基别尔想要“难为难为”曾庆存,为他选了一道当时气象预报界的“世界级”难题作为论文题目——应用斜压大气动力学原始方程组做数值天气预报的研究。

1950年,美国气象学家利用计算机做出了第一张24小时天气形势预报图,“数值天气预报”一词正式使用。数值天气预报就是根据大气动力学原理建立描述天气演变过程的方程组,输入观测资料作为初值,用计算机数值求解,预测未来天气。当时世界上虽已尝试用动力学方法作天气形势短期预报,但都做了超级简化,结果是不能达到实用要求。导师基别尔也在做数值预报的研究,可困难重重尚未完成。就拿计算来说,原始方程组包含需要计算的大气要素变量很多,例如温度、气压、湿度、风向、风速等等,又包含有涡旋和各种波动的运动过程,这在当时的条件下,常规计算很难追上“老天爷”变幻莫测的速度。

“导师把这个题目给我时,所有的师兄都反对,认为我很难取得突破,还有拿不到学位的风险。但导师很信任我。”曾庆存说。

这也许是30岁前,曾庆存遇到过的最大挑战,苦读冥思,依旧是他的应对之法。几经失败,坚持不懈。1960年10月的一天,已经在计算机旁守候了两天两夜的曾庆存灵光一闪,“何不化繁为简,暂时隐去那些不必要的气象要素参考项,先各自计算不同的气象参数,再加以整合呢?”

在导师的指导下,曾庆存全力攻坚。当时,计算机在苏联是稀缺宝贝,曾庆存每天只有10个小时的上机时间,而且还只能在深夜。曾庆存白天用纸算,晚上带着纸条去上机,一万多行程序,一条条验证……

终于,1961年,曾庆存首创“半隐式差分法”数值预报。这项成果立即在莫斯科世界气象中心应用,当时就将气象预报准确率提升到了61%。

前所未有。

自此,数值预报成为气象预报的主要方法。

在苏联获得副博士学位后,曾庆存立即回国,踏上祖国大地的那一刻,他觉得无比踏实,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。”

1966年1月,中国科学院决定将气象研究室从地球物理研究所分出,正式成立大气物理研究所。曾庆存在此,一直工作至今。

刚回国时,国内没有高速电子计算机,曾庆存在原始方程数值天气预报方面只能做非常有限的工作。他集中注意力研究大气和地球流体力学的基本理论问题,以及数值天气预报进一步发展中要解决的理论问题。这在当时看来十分抽象和“脱离实际”,但极具前瞻性。后来证明,曾庆存的研究,对数值预报进一步的发展极为重要,也为后来我国的科学家们将数理科学和地球科学的交叉融合打下了发展的基础。

不少大气物理所的工作人员都说,曾庆存对我国天气预报的重要贡献,除了数值预报领域,还有气象卫星领域。

上世纪60年代,美国和苏联已有了气象卫星,但中国依然是一片空白。1969年,为改变我国气象资料受制于人的局面,周恩来总理指示:“要搞我国自己的气象卫星”。曾庆存回国后根据国家需要将自己的科研方向扩大至整个大气科学,凭借扎实的数理基础,1970年,他被急调参加我国气象卫星工程。他以最快的速度、最饱满的热情投入到完全陌生的卫星工程和空间遥感问题的研究中。

全力攻坚克难,1974年,曾庆存发表长达30万字的专著《大气红外遥测原理》,提出“最佳信息层”等概念和方法,清楚地说明测湿和测温问题的原则差别,澄清了当时的模糊和错误观念,并为选择遥感通道提供了合理的原则,为利用卫星进行气象监测打下了理论基础。直到今天,这一理论都没有过时。

喜见国家强盛日 青灯伏案夜安心

曾庆存的研究,真的使“风云可测”。

凭借数值预报和气象遥感技术的成功应用,我国的气象预报准确度、分辨率和精细化水平都取得了长足的发展,尤其是台风预报跻身世界先进水平。

2018年9月,超强台风“山竹”袭扰我国沿海地区,预报的台风路径和最后的实际路径高度吻合,有效地服务了当地台风防御。“我们都看到了香港写字楼文件满天飞的视频,但实际上那次台风造成的人员伤亡很低。”曾庆存说,我国每年都会遭遇很多次台风过程,但通过提前预知,提前防御,很多次台风过程已经做到了老百姓零死亡。

2016年,世界气象组织授予曾庆存最高奖——国际气象组织奖。今年1月10日,他又摘得2019年度国家最高科学技术奖,耄耋之年的曾庆存已站在大气科学领域的学术高峰,但他仍然选择在科研一线坚守。

大院士,还会为小学生讲课。去年3月,中科院大气物理所为200余名小学生举办《气象预报的过去、现在与未来》讲座。年过八旬的曾庆存,全程站立讲课,并耐心回答孩子们的问题。“从孩子们好奇的目光中,我看到了未来我们国家气象事业发展的希望。”曾庆存说着,笑了,他笑得很开心。

从2007年起,曾庆存一直倡导、参与我国自主研制地球系统模式。“现在1至3天的短期天气形势预报已积累了比较完善的经验,但更长时间的气候预报精度还不够理想。”曾庆存说,对于中国来说,长江、黄河流域频繁发生干旱与洪涝灾害。两流域的干旱与洪涝灾害是中国自然灾害中造成经济损失最严重的气候灾害,每年造成大量的粮食损失和物资消耗,并严重影响工农业生产。若能实现对于未来几年、十几年甚至更长远的气候预测,将为国家减少数以亿计的人力物力和经济损失。

这也就是地球系统数值模拟装置的重要意义所在——可以对大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈等各圈层之间的相互联系、相互作用开展研究,帮助人类应对全球气候和生态环境的变化。

2011年,中国科学院向国家提出以研制我国地球系统模式为首要任务并带动地球科学模拟研究的“大科学装置”,获得批准。如今,地球系统数值模拟装置已经在怀柔科学城进入全面建设阶段,装置建设内容包括地球系统模式数值模拟系统、区域高精度环境模拟系统、超级模拟支撑与管理系统、支撑数据库和资料同化及可视化系统等。项目总投资125521万元,建筑面积24310平方米,预计2021年初步建成,2022年完成验收。“等建成了,我一定要去现场看一看。”曾庆存期待着那一天。

“喜见国家强盛日,青灯伏案夜安心。”摘得国家最高科学技术奖后,曾庆存常常提起这句话,这是他一生的写照,也是他奋斗一生的目标。

中科院计算所刘慎权先生在莫斯科使用计算机(1961年),图为控制台,计算机主机是后边高大的机柜。

曾庆存,1935年5月出生于广东省阳江市。中国科学院大气物理研究所研究员,国际著名大气科学家。1956年毕业于北京大学物理系,1961年在苏联科学院应用地球物理研究所获副博士学位,曾任大气物理研究所所长,中国气象学会理事长、中国工业与应用数学学会理事长。1980年当选中国科学院学部委员(院士),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了开创性和基础性的贡献,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了关键性贡献,为解决军用和民用相关气象业务的重大关键问题做出了卓著功绩。2020年1月10日,获国家最高科学技术奖。 

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