科技名人126
2020年1月10日,85岁的中国科学院院士曾庆存荣获国家最高科学技术奖。陈海波这篇文章,讲述这位院士的科研故事——
"要有赛马的精神,像比赛的马一样勇敢向前冲。"
"天塌下来,你要撑得起。跌倒算什么,我们骨头硬,爬起来再前进。"
85岁的中国科学院院士曾庆存,语调铿锵。这位2019年度国家最高科学技术奖获得者,自称"气象科学老战士",得知获奖的那一刻,谦逊地自问"何德何能获得这个奖"。他在诗歌里表达追求:"科学钻研心寂静,苍生忧乐血沸腾。"这种追求,是"欲明事理穷追底",是"不求闻达亦斯文"。
2019年度国家最高科学技术奖两位获得者黄旭华(左)和曾庆存(右)的合影
为国选择气象学
出生广东阳江农村的曾庆存,从小就知道天气对于"靠天吃饭"的农民家庭的意义,"小时候家贫如洗,拍壁无尘。双亲率领我们这些孩子力耕垅亩,只能过着朝望晚米的生活。深夜劳动归来,皓月当空,在门前摆开小桌,一家人喝着月照有影的稀粥——这就是美好的晚餐了"。
1946年,曾庆存11岁。一次台风登陆,风雨交加。曾父决定考考两个儿子,提议对对子:久雨疑天漏。曾庆存与哥哥一边推敲,一边聊天,"从自然到人事,父子兄弟竟然联句得诗。久雨疑天漏,长风似宇空。丹心开日月,风雨不愁穷。"
1952年,曾庆存考取北大物理系。新中国成立之初,急需气象科学人才。系里准备安排一部分学生学气象学专业,老师鼓励同学们:而今万事俱备,只欠东风。曾庆存自然能理解这种安排,"有一件事我印象很深,1954年一场晚霜把河南40%的小麦冻死了,严重影响当地的粮食产量,如果能提前预判天气,做好防范,肯定能避免不少损失"。
求解世界级难题
天有不测风云,天气预报并非观云识天就可以做到的。曾庆存大学时在中央气象台实习,每天看着气象预报员守候在天气图旁分析判断,雨用绿色标注,雷用红色标注。"喜见春雷平地起,漫山绿雨半天红",由于缺少精确的计算,往往只能通过定性分析判断和凭经验预报,预报员心里都没把握。
经验性的天气预报,没法做到定量、定时、定点的判断。要做到这些,必须是客观定量的数值天气预报,这是20世纪50年代刚刚起步的一个领域。所谓数值天气预报,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,然后输入大气状态的初值和边界条件,用计算机数值求解,预测未来天气。"找出气象变化的规律,然后用数学方法把它算出来。"曾庆存当时有了一个愿望:研究客观定量的数值天气预报,提高天气预报的准确性。
1957年,曾庆存被选派至苏联科学院应用地球物理研究所读研究生,师从国际著名气象学家基别尔。在那里,曾庆存的学习劲头以及数学物理功底,深得基别尔认可。博士论文选题,导师给了他一个世界性难题——应用斜压大气动力学原始方程组做数值天气预报的研究。
要用原始方程组进行数值天气预报,第一步要了解大气运动的规律,第二步要思考用何种计算方法。大气运动如此复杂,这意味着计算量也非常大。而且,必须保证计算的稳定性和时效性。"计算的速度必须追上天气变化的速度,否则没意义。雨已经下了,你才算出来要下雨,有什么用?"曾庆存说。
那时,超级计算机的发展才起步。要想"追上天气变化的速度",必须在计算方法上有更多突破。曾庆存苦读冥思,反复试验和求证。1961年,几经失败后,曾庆存终于找到方法——"半隐式差分法",随即在莫斯科世界气象中心应用,预报准确率得到极大提升。这是世界上首个用原始方程直接进行实际天气预报的方法,如今半个世纪过去了,仍在国际上广泛使用。
这一年,曾庆存26岁。获得苏联科学院副博士学位的他,踏上了回国的路。
要"走中国道路"
回国后,曾庆存踌躇满志,"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。"攀珠峰,即追求科学的最高峰。珠峰有"北坡难南坡易"一说,"踏北边"除了寓意要"迎难而上",还有何意?多年后,他如此解释:珠峰北边为中国领土,"踏北边"就是要"走中国道路"。
曾庆存院士在中国科学院大气物理研究所的办公室里工作
由于当时没有电子计算机,曾庆存进入中科院地球物理所研究大气和地球流体力学以及数值天气预报中的基础理论问题,在数值天气预报与地球流体力学的数学物理系统理论研究中取得重要成果。这在当时看来是十分抽象和"脱离实际"的,但后来证明,这对数值预报进一步发展是极为重要的。
而在卫星气象遥感方面,曾庆存也作出开创性贡献。上世纪七十年代,气象卫星在国际上尚处于初始阶段,温湿等定量遥感都没研究清楚。1970年,曾庆存服从国家需要被紧急调任为卫星气象总体组的技术负责人,进入自己完全陌生的研究领域。
那段时间,曾庆存很忙。自己生病,拖着病躯奔波于各地;妻子和幼子无暇照顾,只能托寄于农村老家。他就像自己口中的"赛马"一样往前冲,终于解决了卫星大气红外遥感的基础理论问题,利用一年时间写出了《大气红外遥测原理》("遥测"今称"遥感")一书,并于1974年出版。这是当时世界上第一本系统讲述卫星大气红外遥感定量理论的专著,其中提出的"最佳信息层"等理论,是如今监测暴雨、台风等灾害性天气的极重要依据。此外,他提出求解"遥感方程"的有效反演算法,成为世界各主要气象卫星数据处理和服务中心的主要算法,得到广泛应用。
1988年9月7日,我国首次发射气象卫星"风云一号"
1988年9月,我国第一次成功发射气象卫星。在发射现场的曾庆存,喜不自禁,赋诗一首:"神箭高飞千里外,红星遥测五洲天。东西南北观微细,晴雨风云在目前。"近年来,他还带领团队积极参与全球气候和环境变化研究,发起和具体参与地球系统模式研究,并提出自然控制论等新理论。2016年,曾庆存获得全球气象领域的最重要奖项——世界气象组织颁发的国际气象组织奖。
(编辑 李平凡)