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世界上第一幅特别的天气图！系广东的他制成的

南方都市报 2024年09月29日 18:47
编者按：七十五载波澜壮阔，七十五载春华秋实。中国人民一代接着一代干，创造了令世界刮目相看的伟大成就。即日起，南都、N视频推出“新中国成立75周年特别策划——跨越时空的接力”，走进多个行业和领域，讲述几代人传承奋发进取精神，真抓实干、接力创新，坚定不移推进中国式现代化的生动故事。
9月，位于广州的中国气象局区域数值天气预报重点实验室里，黄丽娜博士与同事们总结复盘台风“摩羯”的预报情况。“结果表明，我们采用新版对流参数化方案可改进台风路径预报。”她对南都、N视频记者说道。

这个实验室的学术委员会主任，是国家最高科学技术奖得主、中国科学院院士曾庆存，89岁的他也是黄丽娜导师的导师。75年前，曾庆存还是广东阳江一户贫农的孩子，那时，农民多“看天吃饭”。直到1960年，他制成世界上第一幅以原始方程做真实预报的天气图，一举成为我国数值天气预报领域的关键人物。

上世纪80年代，戴永久拜师曾庆存门下，不止盯着“天”看，还向“下”探索，开始从事数值天气、气候、地球系统模式的陆面模式研究，探寻陆面过程及其与大气的相互作用。

从凭经验下地种田，到用科学数据预报，再到如今实时追踪台风，曾庆存、戴永久、黄丽娜师徒三代成为我国气象工作者七十五载接力奋斗、不断完善天气预报的缩影。他们，让风云可测，无惧风雨袭来。

新中国成立初期投身气象学

今年9月初，“摩羯”以“史上登陆我国最强秋台风”之势向广东袭来。当时，位于广州的中国气象局区域数值天气预报重点实验室里，黄丽娜博士正忙着检查各项工作。

2012年成立的区域数值天气预报重点实验室。

黄丽娜告诉南都记者，台风“摩羯”来临的那一周正好赶上她值班，“值班需要保障数值模式的稳定运行和模式产品的及时传输。如果有问题，要及时排查是模式计算的问题，还是数据传输的问题，或者是画图的问题”。

黄丽娜口中的“模式”，正是该实验室研发建立的热带区域“9-3-1”高分辨数值预报系统。其中包括，9km分辨率的南海台风模式和3km分辨率的华南中尺度模式，以及我国首个1km分辨率的业务数值预报模式。

与台风“摩羯”的实际路径对比，黄丽娜告诉南都记者，“模式存在一定的调整过程，较短预报时效模式结果与实况更接近”。

这个实验室的学术委员会主任，是国家最高科学技术奖得主、中国科学院院士曾庆存，今年89岁，也是黄丽娜导师的导师。

75年前，曾庆存还是农家少年时，我国的天气预报工作呈现另一副光景。

1949年，全国气象台站只有101个，天气信息情报及有关资讯图表极少，每天只有两张亚欧部分地区的地面天气图及一张间接推算的3000米高空图，图上测站稀疏，还有不少是成片空白。

预报员及整个预报组只有四五个人，因没有专门的填图员，进行分析预报的时间非常少。当时气象部门最主要的职责是服务军事和航空业，预报要素也很简单。

在中央军委气象局成立前两个月，为开国大典进行天气预报时，预报员写道：“1949年10月1日，北京，微风，多云转晴。”

军委气象局中央气象台旧址资料图。图片来源：中国气象科技展馆

新中国成立之初，百废待兴。1953年，一场严重的倒春寒对我国农业生产造成极大破坏。毛泽东主席对此很关心，指示“气象部门要把天气常常告诉老百姓”。

在此背景下，同年8月1日，为使气象工作更好地为国民经济建设服务，气象部门从军队建制转为政府建制。中央军委气象局改名为中央气象局。

1952年考入北京大学物理系的曾庆存也响应国家号召，“学校安排一部分学生改学气象学专业”，他毫不犹豫地答应了。

“1954年的一场晚霜，把河南40%的小麦冻死了，严重影响了当地的粮食产量，老百姓吃不饱肚子。如果能提前预判天气，做好防范，肯定能减少不少损失。”多年后，谈起自己的工作初心，曾庆存说道。

当时，谁也无法想到，这位从广东阳江农村走出来的寒门学子，将成为我国数值天气预报领域的关键人物——让农民从凭经验下地，变成靠数据、靠科学“看天”。

学成归国开创学科系统理论

“把天气常常告诉老百姓”，放在百年前，还是个世界难题。

20世纪初，国际上提出描述大气运动的完整原始方程式组（简称“原始方程”），认定用这些方程组可做定量天气预报。

但原始方程中需要计算的大气物理变量众多，包括温度、气压、湿度、风向、风速等，还包含涡旋和各种波动的运动过程。以当时的技术条件，要想以“追上天气变化的速度”将其计算出来，实现真正的“预报”，可谓是一种奢望。

对此，欧美和苏联率先做出尝试，但任何一种模式的预报正确率均小于50%，无法实现业务应用。

曾庆存（右）与同学在苏联留学时的合影。

1957年，曾庆存被选拔派遣至苏联科学院应用地球物理研究所学习，师从国际著名气象学家基别尔。在基别尔的建议下，曾庆存加入了破解原始方程难题的研究队伍，他的研究论文题目被确定为《应用斜压大气动力学原始方程组做数值天气预报研究》。

回忆研究初始，曾庆存表示“真是一点办法没有，到处都是问题，怪不得人家不敢动手”。当时，苏联计算机的内存只有2048个单元，他面临的第一个难题就是如何把原始方程里繁多的变量都放入这狭小的内存中。他几经尝试，才终于找到了方法。

但更大的难题也来了——怎样才能使计算速度满足做预报的要求？经过无数次思索和试验，曾庆存意识到，大气里有波动、涡旋，波动变化很快，涡旋变化则比较慢。既然难以兼顾，那为什么不先分开计算，经过一段时间再把二者综合起来？这种分开计算的方法即曾庆存首创的“半隐式差分法”。

1960年的一个冬夜，窗外大雪纷纷，整个机房被计算机的电子管烘得热乎乎。午夜12时，轮到曾庆存使用计算机了，他迫不及待地想要验证他的新想法。

由于计算量大幅减少，计算机算完时，时间刚到凌晨1时。结果也令人惊喜，世界上第一幅以原始方程做真实预报的天气图成功问世。

之后，该模式在莫斯科世界气象中心试用了一年，准确率超过60%，符合天气预报实际业务要求。1962年，莫斯科世界气象中心开始用该方法向全球发布数值天气预报。这是世界采用斜压原始方程做天气预报业务的开端。
在曾庆存出国研究的那段日子里，中国也在自主钻研数值预报的理论与业务。

起初，人们预测天气全凭经验，例如谚语中说“朝霞不出门，晚霞行千里”“燕子低飞蛇过道，蚂蚁搬家雨就到”。经验虽可取，但是否应验还得碰运气。

1955年，中央气象局气象科学研究所开始尝试用图解法作两层模式500百帕（约5500米）24小时的预报，全部由人工进行。

1959年，国产104电子计算机研制成功。虽然它只有8000次/秒的运算速度，但为数值预报的业务试验创造了条件。经过几年的努力，1965年春，中央气象台开始发布逐日的48小时500百帕预报。

1961年，曾庆存学成归国，进入中国科学院工作。在那段技术、资源都匮乏的年代里，他与合作者先后创立数值天气预报与地球流体力学的数学物理系统理论和计算方法，阐明天气系统演变的大气动力学和热力学的本质特性。

曾庆存。

1970年2月，气象卫星研制任务正式下达。随后，曾庆存被紧急调任为卫星气象总体规划组的技术负责人。他克服重重困难，解决卫星大气红外遥感的基础理论问题，并于1974年出版《大气红外遥感（测）原理》一书。

1979年，被破格从助理研究员提拔为研究员的曾庆存出版《数值天气预报的数学物理基础》一书，开创大气和地球流体力学的数学物理系统理论，在国际学界引发广泛关注。日本气象局原局长新田尚于1980年发表评论：“这是世界上第一本这样的书，是气象学理论化的完成。”

黄丽娜向南都记者感慨，曾院士给后辈们提供了“巨人的肩膀”。

在追求准确性上“传帮带”

有论文记载，20世纪80年代，中国的短期灾害性天气预报业务能力已有所提高。

“尤其在1985年汛期，我国东北地区出现持续性暴雨过程，包括8月上中旬连续受3个北上台风低压的影响，导致严重洪涝灾害。对这一反常而严重的灾害性天气，由于各级气象台站严密监视天气变化，运用各种预报工具，加强联系和天气会商，作出了比较准确及时的短期预报，尤其对3个异常路径的台风作出了更为准确的预报。”

当时，随着中国经济社会的快速发展，中期天气预报和短期气候预测对于决策与规划的重要性愈发凸显。持续提升预报准确性成为众多研究人员的共同课题。

正是在这段时间里，如今的中国科学院院士、中山大学大气科学学院教授戴永久，拜师曾庆存门下，加入研究队伍。

中国科学院院士、中山大学大气科学学院教授戴永久。

要提升准确性，天气预报就不能只盯着“天”。除了大气层之外，地球系统的组成部分，如海洋、海浪、海冰和陆地表面，都会对天气的演变产生重大影响。

1987年，23岁的湖南邵阳小伙戴永久进入中国科学院，1992年留所担任大气物理研究所助理研究员，用他擅长的数学，跟着曾庆存研究数值天气预报。他曾向曾庆存作出保证：你给我时间，我绝对要做到世界最好。

戴永久选择了向“下”看——从事数值天气、气候、地球系统模式的陆面模式研究。

30岁的他，在论文中写下了对研究的理解：“从水文学、农学、生态学和全球环境变迁等领域的研究工作者的角度来看，陆地是人类生存的场所，陆地水资源、作物产量、植被的演替、及其它物理环境等与人类生存活动息息相关的问题，都与陆面上的物理、化学过程有着密切的关系，为此也需要对陆面过程及其与大气的相互作用进行研究。”

为了达到向导师保证的“世界最好”水平，戴永久与团队成员攻坚克难，不断突破。

戴永久和团队关于高分辨率陆面过程模式的研究，其模式和数据被中国科学院、哈佛大学、剑桥大学等国内外知名高校、科研机构、政府部门、国际组织等广泛采用，并产生了一系列发表在《自然》《科学》等知名期刊上的高影响分子的论文以及一系列重要创新成果。

在成为院士后，戴永久并未就此止步。目前，他仍在开展地球系统模式陆面过程模式研制。

作为戴永久的博士研究生，黄丽娜告诉南都记者，尽管工作很忙，但戴老师一直坚持自己动手编写计算机程序。“他说，要真正到科研第一线去。不亲自去干，心里就发毛。”

超级计算机赋能新一代气象人

2023年，在区域数值天气预报重点实验室建设十周年高端论坛上，曾庆存、戴永久、黄丽娜师徒三代齐聚。

区域数值天气预报重点实验室建设十周年高端论坛。

当时，距离黄丽娜获得中山大学大气科学学院博士学位不过一年。她向南都记者表示，自己在2018年成为了戴永久的博士研究生，之所以选择研究数值天气预报与陆面过程模式，更多的是出于兴趣。

“在全球变暖的大背景下，极端天气频发，数值模式可以作为天气、气候预报预测的有效工具，它既是一个很热门的科研方向，又在业务预报中发挥重要作用。”

谈及两位老师的成就，黄丽娜称之为“两座高峰”，而自己只是在做一些力所能及的工作。

“我们工作中最重要的是保障模式一天两次的稳定运行。一次是早上八时起报，等‘天河二号’计算机算完后并作图，基本已经到下午三四时，我需要检查模式是否运行正常。另外一次是晚上八时起报，第二天早上凌晨三四时可以算完。”

黄丽娜补充道，中国气象局全国天气会商每天早上八时举行，如果广东有天气过程，会让广东省气象台发言，“我们需要在早上六时左右进行检查，有问题要及时反馈”。

在此次台风“摩羯”值班工作结束后，黄丽娜与同事们总结模式预报表现，并结合基于新版本模式开展台风“摩羯”复盘试验，分析模式预报偏差原因。“结果表明，我们采用新版对流参数化方案可改进台风路径预报。”

前山巍峨，后浪高涌。

自2013年以来，在历届广东省气象局领导和专家的关心以及学术委员会的指导下，实验室主任冯业荣带领四支研发团队，重点开展稠密资料同化技术、热带高分辨率模式动力框架、适用于热带地区的物理过程参数化方案、面向华南的高分辨率集合预报以及热带海-气耦合模式技术等研究工作。

根据2023年第十届全国台风及海洋气象专家工作组评估结果，南海台风模式2022全年台风路径和强度预报首次优于欧洲中期天气预报中心数值模式。

另外，实验室研发的百米级高分辨率分钟级资料同化模式系统，为2022年北京冬奥会提供了精准的赛区气象预报。高分辨率模式也为光伏、风能等新能源企业和中国海洋石油、中国南方电网等地方重要产业建设提供了科技支撑。

冯业荣说，未来，数值预报发展面临新的挑战，他们将充分利用数值预报国省合作机制、泛珠三角区域数值预报合作研发和粤港澳气象科技合作交流等机制，继续坚持核心技术自主研发，为推动热带区域数值模式高质量发展提质增效。

从内存只有2048个单元的计算机，到计算速度达到万兆次级的“天河二号”，黄丽娜感慨道：“超级计算机的蓬勃发展和观测数据的不断丰富，为我们年轻人提供了更好的平台和机会。我们也要对自己有新的要求，主动探索，担起新时代年轻人应该承担的责任。”


南方都市报（nddaily）、N视频报道

新中国成立75周年特别策划——跨越时空的接力
总策划：戎明昌 刘江涛
执行策划：王佳
统筹：南都记者 向雪妮
主笔：南都记者 马辉 张倩寒
本期采写：南都记者 周敏萱

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