精彩访谈对话:中国顶级气象学家、基于原始方程的数值天气预报先驱曾庆存

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本次对话走近曾庆村——见证国家最高科学技术奖获得者、国际著名气象学家、中国顶尖气象学家曾庆村的光辉一生曾庆村院士接受现场采访的照片(来源:中国气象报)

中国之声全媒体网络报道(记者彭晓晓)2020年1月10日,2019年国家科学技术奖揭晓其中,中国工程院院士黄旭华和中国科学院院士曾庆存获得了最负盛名的国家最高科学技术奖。他们两个人,一个在不到13年的时间里,从零开始为中国创造了一个军事奇迹。这个奇迹的背后是“无名”黄旭华,中国第一代核潜艇的总设计师。一个是曾庆存,世界上第一位领先的气象学家,他提出用原始方程直接预测实际天气。曾庆村院士

访谈照片(来源:网易科技)介绍曾庆村

男,1935年5月生于广东省阳江市国际知名大气科学家拉斯格研究员1956年毕业于北京大学物理系,1961年获得前苏联科学院应用地球物理研究所副博士学位。回国后,先后在中国科学院地球物理研究所和大气物理研究所工作,担任大气物理研究所所长、中国气象学会理事和中国工业与应用数学学会理事。

| 1980年当选为中国科学院院士,1994年当选为俄罗斯科学院外国院士,1995年当选为发展中国家科学院院士,2014年当选为美国气象学会荣誉会员(学会最高荣誉)。他是全国劳动模范,全国先进工作者,中共十三届、十四届中央候补委员。曾庆村院士

在现代大气科学和气象学两大领域——数值天气预报和气象卫星遥感——做出了开创性的基础性贡献。他为大气科学的国际推广和地球物理流体动力学发展成为现代先进学科做出了重要贡献。他还在解决与国家需要密切相关的军事和民用气象服务的重大关键问题上取得了突出成就。

2017年被联合国气象组织授予国际气象科学最高奖项——“国际气象组织奖”这是一个终身成就奖,以表彰在世界上做出杰出贡献的气象科学家。2020年1月10日,他获得了2019年国家最高科学技术奖。

何从事气象研究60多年,是中国气象事业发展的参与者和见证者。他说,今天,中国的气象事业取得了巨大成就,在世界上具有重要意义。作为气象大国,我们应该增强对气象科学和气象事业发展的信心。虽然他已经85岁了,但他仍然在中国科学院大气物理研究所忙碌着,并且仍然在研究领域工作。

信息地图:曾庆存院士

你可能不熟悉他的名字,但你一定很熟悉他从事的工作——每天睡觉前看一下天气预报,明天是穿薄还是厚,带伞还是不带伞,你一定要“问问”曾老。

提出了世界上第一个用原始方程直接预报实际天气的方法

| 1957年,毕业于北京大学物理系的曾庆存被派往苏联学习先进的气象技术,为国家的建设和发展提供支持。当时,国际气象研究仍处于非常初级的阶段,经常出现假阳性和假阳性。“数值天气预报”仍然是一个精确度很低的简单方程

数值天气预报是将大气中的所有复杂数据通过大型计算机,利用所开发的可计算方程模型,在一定条件下预测未来一定时期内的大气运动状态和天气现象的一种方法。在这种预测方法中,最困难的是方程的算法。全世界的科学家都在解决最初的数值天气预报方程,但多年来一直没有结果。来到苏联一年后,曾庆存的导师把难题交给了他。

已经推导了整整一年半,只剩下曾庆存短短10个小时在一台大电脑上验证结果。在10小时的计算机验证中,26岁的曾庆存提出了世界上第一个利用原始方程直接进行实际天气预报的方法,并得到应用,预报准确率超过60%

中国第一颗气象卫星发射研究建立数值天气预报业务系统

1970年,35岁的曾庆存迎来了他人生中第二个未知的挑战——中国第一颗气象卫星的研究曾庆存从基本概念出发,从零开始,提出了一种求解遥感方程的反演算法,该算法已成为目前世界主要卫星数据处理和服务中心的主要算法。

根据曾庆存的理论,中国第一颗气象卫星风云一号于1988年成功发射,并首次发回清晰的遥感图像。中国开始建立数值天气预报系统,比国外晚了25年

为中国气象科学发展进入国际一流水平提供了强有力的支持。

2007,在曾庆村的倡议下,中国开始研制自己的地球系统数值模拟装置通过这个装置,可以研究和预测全球气候和生态环境的变化。在准确的数值天气预报的基础上,可以提前预测过去一年甚至几十年的气候形势,为中国气象科学发展进入国际一流水平提供有力支持。

数据图:曾庆村院士

你当初为什么选择从事气象工作?曾庆村,

:1954年河南的晚霜在抽穗前的一个晚上杀死了40%的小麦。可以想象,我是一个农民(生来如此),听了这话,真的很惊心动魄我们希望在中国做好气象和天气预报工作。我想读这个,我必须读好它

据说在苏州的第一年,导师就给了你一个数值预测的难题。当时的过程是什么?曾庆村,

:苏联当时只有一两台电脑。编程程序非常复杂。当时我们还需要10,000多条指令。如果你想打洞,用纸带打洞并打碎它们。我的手很笨拙,我慢慢地把它们打碎了。在国外留学时,急于回国想到早点回国做出贡献。然而,当时我国没有大型计算机,无法实现大量的困难计算。长期以来,我们只能在坚持改进原有方程的同时,做一些气象研究的理论工作。

20世纪90年代,中国从国外引进计算机,为大量数值天气预报业务提供了强大的条件,并迅速推出了自己的数值天气预报业务。虽然起步较晚,但在全球中期数值天气预报中已达到发达国家水平。

青年曾庆存留学苏联

中国气象预报国际地位如何?曾庆村,

:中国气象发展总体上处于世界先进水平。例如,卫星遥感和数值预报是气象灾害监测和预报的两个重要工具,大大提高了世界科学防灾减灾的能力。近年来,这两项技术在我国发展迅速,国际地位不断提升。

天气预报有哪些国际合作?我们应该为哪些成就感到骄傲?曾庆村,

:中国已经形成了比较完善的综合气象观测系统,能够实时监测全球天气,准确捕捉过去五年影响中国登陆的36个台风。没有遗漏任何东西。它对暴雨等恶劣天气系统也有很强的监测能力。从整个世界来看,由美国、中国、欧洲、日本和其他国家的气象卫星组成的世界观测系统可以提供大致完整的全球云分布和气象数据。

利用这些数据进行数值天气预报,时间限制在7天以内,提前3-4天准确报告登陆地点和强度,甚至提前7天报告风力发电,这是世界气象界的一大进步。其中,中国的贡献是显而易见的,值得骄傲。

意味着我国的气象信息可以与世界上其他国家共享?曾庆村,

:欧洲、美国和中国,其极地轨道气象卫星组成监测网络,对全球天气进行全天候监测,并将这些数据和信息提供给世界使用。我们也有固定卫星,即相对固定在地球上方某一区域的卫星,这些卫星在美国、欧洲、中国和日本都有。在赤道上空,我们可以连续监视一大片区域。例如,在包括南中国海在内的太平洋和包括中太平洋和印度洋在内的印度洋上,覆盖的区域可以远至北纬50度(黑龙江),远至南纬澳大利亚。它能够持续监测整个地区。我们也在这方面为世界服务。

我们和欧洲、美国、日本等。刚刚形成了一个完整的气象信息网络,为世界各国提供监测数据。我们中国气象局提出了“全球监测、全球预报和全球服务”的政策和计划。因此,世界气象组织非常赞赏中国。中国还向一带一路沿岸国家提供气象服务和人员培训

我们的监控精度是多少?曾庆村,

:我们可以探测到世界各地的台风和雷暴。所有外国卫星都有监测计划,我国有卫星,风云4号有外国地球静止卫星没有的计划。当然,我们可以骄傲,但我们不能骄傲。

我们花了多长时间实现这一功能?曾庆村,

:确切地说,我们最早的气象卫星是在1970年制造的。当时,我在其中做了一些初步的理论和方法研究,也制定了我国初步的气象卫星计划。然而,我们的气象卫星发射于1988年,比美国晚,比苏联晚,大约20年后。然而,1966年的美国气象卫星也是实验性的,不容易使用,方向也不好。好的一个应该是三轴定位,美国在20世纪70年代末就是这样做的。我们在设计时考虑到了这一点,然后我们的国家系列气象卫星做到了。

世界上第一张使用原始方程的天气图为什么你说你是第一个使用原始方程进行数值天气预报的人?世界上有什么结论吗?曾庆村,

:天气预报(发展过程)分为两个阶段。一个是经验预测,指的是看天气图,用简单的规则推断某一天的天气情况。这主要是基于经验。后来,当计算机用于分析和计算时,它是数值天气预报。这是第二个也是非常重要的阶段。

我国的经验预测主要用在20世纪60年代,甚至在70年代和80年代上半期。1950年,美国开始使用电子计算机进行数值预测实验,使用一个高度简化的模型,即涡度方程,许多国家也纷纷效仿。经过几年的测试,结果是它不能用于预测业务,因为精度低,原始方程必须用于研究。

我在1961年发现原始方程中不同时间尺度的过程可以用不同的方法计算,这就发展了“半隐式差分法”来求解原始方程进行数值天气预报,并取得了成功次年,苏联立即应用了实际天气预报服务美国知道

。将这篇文章翻译成英语,供内部参考。然后他们花了几年时间来开发自己的一套,也就是完全显式的格式。虽然时间步长很小,计算量也很大,但他们使用了一台大型计算机,计算很成功。1968年,他们发表了一篇文章

199时代是在冷战的背景下,西方不愿提及苏联的工作。从那时起,世界已经使用原始方程进行数值预报,因此数值预报方法已经成为实际天气预报的业务。因此,数值天气预报的业务应用从原始方程的成功解开始。我的半隐式差分法是最早的由于其优越的性能,半隐式差分方法在数值预测中仍被广泛应用

2 016年,世界气象组织证实我的工作是开创性的。这篇文章写在授予我的国际气象组织奖证书上。曾庆存院士早期访谈截图

你推进地球系统数值模拟科学仪器建设的意图是什么?曾庆村,

:首先,为了研究全球气候和环境变化这个非常重要的问题,国际上正在进行数值模拟研究。所使用的数学模型非常复杂,包括大气模型、海洋模型、陆地环境的物理模型、植物的生态变化模型、水文模型、北极和南极的冰变化模型以及二氧化碳吸收和排放的模型。现在有七个或八个耦合在一起的模式,称为地球系统模式。

自本世纪初以来,国际上已有一种共识,即要研究长期气候变化,这样一个庞大的数学模型是必要的,而且气候变化的规律只能计算出来并有一定的科学依据。我国没有这么大的计算机进行模拟,所以我们强烈呼吁中国独立开发地球系统模型。

,通过这种特殊的超级计算装置,不仅需要清楚地研究气候问题,而且还想了解地球各种球体之间的关系,如气球、水圈和地球球体的组成,水是如何循环、蒸发和降雨等。更深层的是,什么样的地下水,热地幔是如何流动的,矿坑中的矿物是如何产生的,火山是如何出现的。为了理解这些规律,我们还必须为理论研究建立一个定量模型。

也有地震。我们有许多台站对断裂带或断层活动的长期监测记录。通过对这些监测数据的分析和计算,科学家们已经能够计算出地震发生时的震中、震级、裂缝程度和破坏中心。如果能够建立断层带活动的力学理论模型进行模拟,并整合长期监测数据,就有可能(提前)计算出断层带中岩层何时何地断裂,即预测地震。

简而言之,对全球气候和地球环境变化的研究依赖于这种装置,我们相信这是可以做到的

你刚才谈到了地震预测。这个地球科学仪器能完全实现吗?

曾庆村:50年后,在某种程度上,地震是可以预测的当然,这是我的考虑。也许更早,也许更晚因为地震,比如地下断层,至少需要监测50年左右。通过不断监测它的发展和变化,可以发现一些规律。此外,理论模型的模拟结果可以进行比较和综合,从而掌握断裂带的活动规律,进行地震预报试验。例如,地震是在一两年前预测的,或者更近一点。我认为总的趋势是可以预测的,尽管可能不太准确。

现在没有这个装置,我们能科学地预测地震的发生吗?曾庆存,

:从某种程度上说,它是可以预测的,但它只能是零散的,甚至是滞后的,即只能从事后的补充计算中获得。此外,在实践中,它依赖于替代品的其他指标,如蚂蚁出来和蛇出来。的确,它有一定的相关性然而,地层如何振动以及哪一部分将被破坏还不清楚,时间序列也不清楚。依靠这些来寻找相关性并不是一门完整的科学。

现在我们有了这个装置,这样将来我们就可以对地震进行更完整的科学计算,并获得更多的监测数据。这肯定要好得多,最终有可能实现准确的地震预测。当然,有一定的误差范围。就像气象科学一样,早在20世纪60年代,在一个特定的地区,天气预报最多只能提前一天。今天,有了更好的监测网络和数值天气预报,它可以在七天内预报。后来的地震预测可能是类似的发展。

数值预测的实际意义是什么?你能给我举个例子吗?曾庆村,

:数值预测在中国起步较晚,但在过去的几十年里发展迅速。如今,中国气象部门已经有了自己开发和使用的数值预报系统,为经济和社会发展提供了强有力的保障。

以广东为例。近年来,当地数值预报模式的改进使广东省逐步实现了重大气象灾害“零死亡”的“显著”目标。过去,当台风袭击广东时,伤亡人数可能达到数万,但现在它可以实现“零死亡”,提前三天发布天气警报,甚至覆盖港口和在广阔的南中国海作业的每一艘船只。这种保障能力是显著的。

中国已经有哪些天气预报基础设施?

曾庆村:中国已成为世界上气象服务体系最完善、保护范围最广、服务效益最突出的国家之一地面观测站网密度世界第一,气象雷达网密度世界第一,气象服务项目世界第一。自动气象站的数量是无与伦比的,6万多个自动气象站覆盖了96.5%的乡镇。我们应该向我国所有的气象工作者致敬正是由于他们在看似平凡的岗位上坚持不懈的努力,集中精力加强防范,坚持以人为本的思想,努力提高气象服务能力,我们才建成了一个具有中国特色的庞大气象服务体系,保证了人民生命财产的每一个细节安全,保证了国家、社会、各行业乃至个人活动的顺利进行。

我们普通人更关心气象科学与实际社会生活的关系例如,根据官方数据,2019年9号超级台风“利奇马”影响了许多省(市)的1402.4万人,209.7万人被紧急转移。对于这场毁灭性的气象灾难,我们的预测能提前到什么程度?

曾庆村:现在可以提前5-7天例如,五天前的一次台风,我们可以给出一个大概的方向,当然有一些误差。但总的来说,现在台风预报相当准确。例如,中央气象台的台风预报模式和广东省气象局开发的华南台风预报模式,确实取得了良好的效果。

24小时的着陆点预报误差只有30 ~ 50公里。例如,台风朱山是去年最严重的台风,被称为“风王”。当时,预报和实际情况都落在广东省台山和阳江之间。今年登陆我国的超级台风“利马”,从天气预报的角度来看也是成功的。五到三天前预测的台风登陆路径发出了超级台风的警告。

至于灾害的严重程度,那是另一个问题,它与地理和环境条件以及防灾减灾措施有关。内陆地区人民的防灾经验、意识和知识需要进一步加强和提高。台风

是如何预报的?曾庆村,

:例如,在西太平洋上空,发现了一些热带云。它们会发展成台风吗?我们的气象卫星都在监测,把获得的初始数据输入计算机进行计算,用数值预报来预测它的发展趋势,它什么时候会变成台风?运动路线是什么?卫星随时连续监测,随时进行数值预测,制作四维图像,并将四维图像实时传送给相关机构。特别是,在我国着陆的可能性已经在着陆前三天进入警戒状态,并进行加密监测和预测。

我们的地球同步卫星通常可以在6分钟内发回图像,例如温度如何,降水如何,涡旋云系统和海面上的逆风场如何,并且可以在15分钟内给你一个相对完整的区域的定量数据。没有这些来自气象卫星的实时数据和信息,很难做出好的数值天气预报。这两者相辅相成,是气象部门的两大利器。它们也是气象事业和气象科学现代化的两个重要标志。

如何看待天气预报的准确性和可预测性?

曾庆村:并非所有的天气都能准确预测科学对待大气科学,积极向公众和政府部门普及气象预报的准确性和可预测性。预测准确率不能达到100%的原因之一是自然界充满了偶然性和极端性。

大气是流体。在物理和数学方面,有无限的“自由度”。很难准确地找出流体方向的细节。就像面对气体中无数的分子一样,其中一个分子如何运动是物理上无法精确描述的。

二是观测系统不够详细和准确,许多现象和小尺度天气系统没有提前观测到

此外,我们还有许多法律没有得到承认。例如,像龙卷风这样的灾难性天气,没有预警是无法观测到的,触发机制充满了偶然性和极端性。提前预测是当前一个世界性的问题。尽管

的技术水平正在提高,我们仍然可以听到人们的评论。天气预报不准确。你的答案是什么?曾庆村,

:有些地方是监测盲点,仪器无法检测,检测分辨率不够。如果你不能检测和辨别,你怎么能做出预测呢?更重要的是,本质上是有偶然性的,偶然性是不会被报告的

但是在一定的大范围内,比如北京这样的大范围和几个小时内的整体情况,机会就减少了,其中大部分是可以被探测和辨别的,而且预测的概率也高得多。例如,北京三个小时或六个小时后会下雨是可以预测的。它是基于现有的科学统计和定期分析。当然,也有概率分布。不可能每次都准确预测。总是有预测不准确的情况。这是一个科学声明。

也超出了目前无法报道的科学水平,比如空间距离,需要雷达才能覆盖,100公里可以覆盖和预测,只能说100公里以内的事情,不能预测100公里以外的天气

还有一个,长期天气很难甚至不可能预测,这是由科学混乱造成的观察误差导致可预测的时间限制,并且通常不允许比该时间限制更长的预测。目前,预测只有5-7天,超过这个时间是不允许的。如果时间更长,我们只能考虑平均情况。例如,一两个季度的平均情况,特别是中国的旱涝,能提前半年预测吗?这是可能的当有强烈的信号预兆时,比如厄尔尼诺,它会更加准确。在正常情况下,它仍然没有得到很好的控制,只是一个粗略的预测供参考。

对未来的长期气候变化无能为力?曾庆村,

:地球系统模型建立后,可以检验一年的气候预测,或者在一些有预兆的天气条件下,两年是可能的。我不敢说10年或100年后天气会是什么样子,因为有许多因素和变量,而不仅仅是人类排放二氧化碳的单一因素。除了

的预报外,现在能在多大程度上实现人工影响天气?

曾庆存:在我的研究中,有一个自然控制论,它与你提出的问题有关,那就是如何用数学和物理的方法来研究人工影响天气。在理论上,我提出了这个问题,但在实践中仍然不可能实现,因为按照理论方法实践有许多技术条件,这些条件是困难的,还没有解决。

我国已进行了20至30年的大规模人工影响天气试验,如防雹和增雨。防雹是相当成功的,增雨也有许多成功的经验,但目前仍是以经验为基础,还没有足够的总结,也没有系统的理论和工程操作规范的形成。

例如,如果你把一枚火箭射入云中,使它下雨,那是因为天空中有足够的客观条件。如果你撞上一枚火箭,你只需向云中添加催化剂,将更多的水蒸气凝结成大水滴,就会有更多的降雨,也就是说,降水会增加。这种技术手段是部分可能的。

当然,云中的雨滴都不见了。再打也没用。技术手段应该说是有限的这取决于非常好的条件。然而,在理论上,只要你掌握了这些定律,列出方程式并给出初始条件,你就能解决它们并告诉你如何操作以及能增加多少降雨量。然而,仍然有一些技术无法实现,也无法解决。例如,

,空气污染的排放减少量已经在理论上计算过了,如PM2.5是如何形成的,它是什么规律,方程公式是怎样的,所有这些都应该是可能的。特别是当PM2.5主要是人为因素引起时,它是可以解决的。重要的是要理解法律,列出精确的等式,并适当地监督它。从今年到明年,我希望在监测和控制人为排放方面有所突破。烟雾是可以解决的,也就是说,理论上可以找到减少排放的最佳方法。避免一刀切,也就是说,我们可以从理论上计算出在重点地区需要减排多少,以确保北京和天津的空气质量达到标准。此外,良好的天气条件也将使一些企业能够更频繁地开始生产,确保他们不会在平均每年的基础上亏损,生产和污染控制不会被推迟。当然,最彻底的方法是开发一种不污染环境的技术。在这方面,我国取得了相当大的进步,并有着光明的未来。

如何提高预测的准确性?曾庆村,

:中国气象发展总体上处于世界先进水平。我们有最先进的观察系统和数据。如何充分发挥这些数据的最大价值,需要研发人员的不懈努力,以及预测操作人员的大胆使用和验证,并提出更高的要求,以达到相互促进的目的。

应利用“刺绣技艺”和“工匠精神”提高遥感数据分析和数值天气预报应用能力,使其定量准确。它还包括为灾害(包括自然和人类形式)的数值预报或预测发展数学模型,救灾时间安排的决策,以及救灾行动的及时调整。

气象学家团结起来,积极借鉴实际和现有经验,互相学习,充分发挥每个人的优势。我们必须有探索未来的勇气和创新精神。

对于“一带一路”发展计划,中国的气象研究成果能为全球带来什么机遇?曾庆村,

:“一带一路”沿线大多数国家气象灾害频发,其中东南亚和南亚的主要气象灾害有暴雨、洪水、台风等。,监控能力相对较弱然而,中国在探测和预报业务技术方面有一个完整的独立研发系统。“风云二号”和“风云三号”气象卫星已被纳入全球业务应用气象卫星序列。

“一带一路”倡议为中国气象服务造福全球提供了新的机遇。参与“一带一路”建设,一方面可以利用自身优势,为区域经济发展提供防灾减灾服务;另一方面,有利于促进自身能力的提升,打造具有竞争力的国际气象服务品牌。

建议支持更多国家建设卫星数据接收站,为提高当地观测能力提供强有力的支持,积极实现国家数据的共享和互操作性,使更多国家具备科学防御气象灾害的能力

中国有句俗话,人可以征服自然。你认为人类真的能征服自然吗?曾庆村,

:首先,我们必须理解和掌握自然规律的应用,这样才能趋利避害。有了现代科学的监测方法,一旦我们知道了自然规律,我们就能有效地利用自然,但我们不能违反自然规律。在某种程度上,以某种方式改善或改变自然是可能的。例如,干旱和沙漠化,加上防护林带和塞罕坝,北京几乎没有沙尘天气。这是一种符合自然规律的情况。然而,我们不能做任何违反自然法则的事情。我们不仅不能这样做,我们甚至会遭受痛苦,否则会适得其反。现代人有一种误解,认为“人类可以征服自然”就是按照自己的意愿改变自然。事实上,“叮”这个词并不意味着“叮”。什么是“丁”?古代人,尤其是“皇帝”,讨论社会和人事问题,相信和强调天命,天命是由天命决定的。春秋战国时期,一些学者认为情况并非总是如此,只要做对了,人们就可以决定自己的命运。这就是“人类将征服自然”的理念如何“确定”

?曾子的《大学》说:“知止可以晚一点安定下来,晚一点安定下来,晚一点安静下来,晚一点安静下来,晚一点思考,晚一点思考,然后得到它。””可见,“知止”要“定居”了那么,什么是“停止”?“止于完美”

“完美”表示完美也就是说,人们应该好好培养自己,理解并遵守法律。“可以”就是去做显然,这种“确定性”就是稳定性。稳定意味着了解并遵守法律。要对待自然,你必须理解自然法则,并按照它们行事。也就是说,一旦你稳定下来并能找到一条路,你就能合理地改善自然环境,与自然和谐相处。这应该是解释说一个人必须能够战胜自然是错误和夸张的。

事实上意味着人并不是万物的万能主人。曾庆村,

:是的,我们必须理解自然规律,并按照它们行事。我们不能违反自然法则。

得知自己获得了2019年国家最高科学技术奖,你有何感想?曾庆村,

:我很平静地接受了这个奖项。我还是要努力学习,带着学生一起去。毕竟,国家让我上大学,没有它我就没有这些。感谢国家,因为国家不强大,我能做什么?这真的是发自内心的感激

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央视综合新闻,网易,中国气象新闻获取数据

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责任编辑:胡宇春

199原文发布“中国之声全媒体网”聚合媒体,公开号

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