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国家科学技术进步奖!气象领域这项“国之重器”如何锻造?

  发布时间:2021-11-05 15:33  

11月3日,2020年度国家科学技术奖励大会召开,作为气象领域的“国之重器”,“区域/全球一体化数值天气预报业务系统”荣获国家科学技术进步奖二等奖。同一天,一场即将横扫我国大部地区的冷空气尚未入境,气象部门提前发布的预报已传遍全国。

人们也许对此习以为常,但仔细想想,就会发现这并不平常。能够较为准确地预测大气活动,是一代又一代气象工作者多年不懈努力取得的成就。而这份巨大荣誉,对中国数值预报研发人员来说,既是对过往努力的肯定,也是催人奋进的鼓点。

“区域/全球一体化数值天气预报业务系统”荣获国家科学技术进步奖二等奖。

时代的抉择 —— 中国要有自己的数值预报

30多年前,在兰州大学数值预报课堂上,年轻的沈学顺见识了数值预报字面意义上的宏大——老师抱着一大摞从美国带回来的纸质方程代码,堆起来有书桌那么高。他想,如此庞大的工程究竟是怎么做出来的?

彼时,被《自然》杂志称为“一场静悄悄的革命”的数值天气预报,正在全球如火如荼开展。

数值天气预报,是基于数学物理学方法客观定量计算未来天气演变的科学。100多年前,其概念推出;上世纪50年代,试验取得成功;到20世纪70年代,国际数值天气预报实现业务应用。

从某种意义上说,数值预报系统性能的好坏、研发能力的高低,是决定气象现代化水平的关键。

在这种共识“驱策”下,我国数值天气预报研究从1954年起步。除了进行理论探索及研发试验外,1980年我国还建成短期数值天气预报业务系统。进入千禧年,中国气象局党组做出数值天气预报业务发展技术路线走适合中国国情、由国外引进为主转为自主开发为主的重大决策。“中国要有自己的数值预报,必须掌握气象业务核心科技,这是我们气象人的共同愿望。”随着团队不断壮大,如今已是“区域/全球一体化数值天气预报业务系统”研发团队负责人、中国气象局数值预报中心(以下简称“中心”)副主任的沈学顺,也早在新千年初主动选择回国从事数值预报研究。

数值预报模式复杂、系统内部各分量之间联系紧密,链条长、环节多,开发工作的体量和难度极大。“我们发展数值天气预报的路线一开始就非常明确。”中心副主任龚建东回想起前辈们的计划书,“一开始设定了比较好的技术架构和目标,虽然中间有波折,但总体发展路线非常对。”

接下来,就是长达20多年、科研人员付出无数心血的漫长跋涉。

“往大了说,我们有幸赶上了这个时代,这是国家重视科技发展的时代,也是中国气象局重视数值预报的时代,得到了‘重磅’投入研发的支持。”中心模式研发室主任孙健感受到背后团队的力量,“10年,20年,怎么走过来的,可能每个人自己心里才最清楚。”

从“零”到“一”再到“卓越” —— 要做就做世界领先的

在观看最近热播的电视剧《功勋》时,中心资料同化科科长张林时常产生一种跨越时空和行业的认同感。“刚开始,我们也是完全摸着石头过河。”

张林于2004年加入团队,主攻四维变分同化系统。2008年,中国气象局启动全球四维变分资料同化系统研发工作,这在国内尚属空白。“四维变分涉及模式动力框架的切线和伴随过程、并行计算、大数据等,技术难度很大。”龚建东说。

最难的时候,研发甚至停滞两年无法推进。思想起伏和不同声音并非没有。2013年,数值预报团队专门就技术路线开会。“要狠下决心做四维变分。”孙健回忆道,“现在做完了回头再看,大方向没错。”

随着2018年7月全球四维变分同化系统实现业务化,我国进入资料同化技术主流行列,成为继欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、法国、英国、加拿大和日本之后,全世界第六个自主建立四维变分同化系统的业务中心。

在研发过程中,这样的波折并非个例。但与团队其他成员一样,中心模式研发室副主任韩威一直记得团队成立的初心,“无论从中国气象局层面还是团队层面,我们要做的都是世界领先的数值预报中心。”

自2010年中心成立至今,他们已高质量完成一系列重大核心攻关任务,形成全球非静力平衡模式中三维参考大气的动力框架方案、预估修正半隐式半拉格朗日算法等一批拥有自主知识产权的核心关键技术,建成以中国气象局全球同化预报系统(以下简称“CMA-GFS”)为核心,高低分辨率搭配适当、确定性和集合预报有机结合的完整数值天气预报业务体系。“我们的数值预报一定要能走上国际,推动气象强国建设。”沈学顺说。

当然,建造如此庞大的复杂系统工程,不仅要向“领先”冲刺,还要对业务链条上的每个环节“精心打磨”。“我们就像在做气象工业产品,需要打磨,更要一点点迭代。”守在进入业务前的最后一个关口,每年汛期前,中心系统业务室副主任胡江凯的团队最希望的就是尽快完成系统升级。团队里最流行的一句话,是男足国家队临近比赛结束时,解说员常说的那句“留给你的时间不多了”。“但我们每次都加班加点实现了。”胡江凯说,“就像高铁飞驰,轨道上的每颗螺丝钉都很重要。”

用得好才是硬道理 —— 数值预报是硬碰硬,每天都在被检验

每一天,数值天气预报业务体系按时按点产出海量产品,除了为部门内的气象业务提供不间断支撑以外,还为包括水利部等20多个单位提供一年365天不间断数值预报数据产品,为“一带一路”沿线20多个国家和地区提供气象灾害预报预警产品支撑。

这是数值预报必须面对的“战场”。“研发数值预报这件事是实实在在的,来不得半点虚假。”沈学顺说。

2016年CMA-GFS投入业务,预报性能持续提升,在同台竞技中,北半球可用预报时效与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国国家环境预报中心(NCEP)的差距逐年减小。2019年7月,中国气象局中尺度天气数值预报系统(以下简称“CMA-MESO”)实现全国范围3公里分辨率业务化运行,次月9公里分辨率的中国气象局区域台风数值预报系统实现业务运行,“首战”即成功应用于超强台风“利奇马”的路径捕捉预报。

“CMA-MESO从开始研发就以业务需求为引领,边研发边应用,收到预报员的反馈和诊断评估后,促进我们再研发。”中心区域模式科科长黄丽萍解释,“其中很大原因就是强对流数值预报产品不能依赖国外。”

及时将产品送到预报员平台,成为数值预报科技成果业务转化应用的坚强后盾,是中心系统业务室主任陈静团队的目标。在这个过程中,中心专门建立了业务用户大会机制,创新应用推广方式,推动行业内外用户了解和更好地应用CMA系列数值预报产品。“每年我们还会专门到部分省份调研。”陈静说,今年因为疫情调研推迟,后续打算改用视频方式完成。

与业务的紧密结合不仅在“用户关”,也延展到监测阶段。

迎战超强台风“利奇马”期间,风云四号A星与数值预报隔空星-地互动、深度交融、彼此成就——A星通过全球四维变分同化系统同化应用,有效改善模式的初始场,提高了台风路径及强度预报水平,成为国家级数值预报业务体系应对复杂天气过程的一次生动实践。

2020年6月,CMA-MESO升级至5.0版本,建立3公里分辨率逐3小时快速循环同化预报系统,全国192部实时业务雷达资料同化应用,国家级区域高分辨率数值预报系统实现公里级循环同化预报。

沈学顺注意到今年极端天气事件带来的灾害影响:“数值预报作为气象预报的核心科技,要为国家安全和护佑百姓福祉做出贡献。”

团队的力量 —— 一个人走得快,一群人能走更远

很多个夜晚,韩威踏进办公大楼,都会看到沈学顺和龚建东房间的灯光。“不是一天两天,而是几年甚至十几年。”韩威感慨,“然后,默默地,我们就这样做成了。”

这是个秉承“攀登、坚持、奉献、创新”精神,以打上“坚韧、踏实、奉献、淡泊”标签为豪的团队。

“每个人都踏踏实实,都有科学家精神,做事很实在。”中心模式研发室副主任陈起英说。

并非没有诱惑。“做模式很难发文章,薪资也比不上市场化公司的编程人员。”中心模式研发室动力框架科高工苏勇说,“但大家都坚守这份事业。”

并非没有纠结。在陈静面前流泪的团队成员不止一两位。2018年12月,随着中国气象局全球集合预报系统实现业务应用,我国自主研发的数值天气预报体系补齐了最后一块“拼图”。

那是一段疯狂的日子,为了保证业务运行,陈静团队几乎一周七天“驻守”办公室,没日没夜做了66组实验。

“有人在我面前累到哭,我只能安慰说,熬过这段时间。”陈静想起最初从四川来北京,也有人觉得她放弃了舒服日子找苦头,“我想了很久,还是这份热爱支持着我们一直走到现在。”

令人欣慰的是,多年团结拼搏得到充分肯定。

2013年,数值预报创新团队入选科技部“创新人才推进计划重点领域创新团队”。高分辨率资料同化与数值天气模式创新攻关团队在历次第三方专家考核和终期评估中均获得第一名。

在这个团队里,不断有人获得全国优秀科技工作者、全国三八红旗手、全国巾帼建功标兵、中组部“万人计划”、政府特殊津贴、中国气象局科技领军人才、全国优秀气象科技工作者、全国优秀青年气象科技工作者、谢义炳青年气象科技奖等荣誉。

“获此殊荣想感谢谁?”这个问题一问出,有太多答案——党和国家对气象事业的重视,中国气象局党组多年谋划部署,前辈们打下的坚实基础,团队持之以恒攻关,每个办公室夜晚闪亮的灯光……但每个人都清楚,他们依然在攀登路上。

为了大力发展我国自主可控的地球系统数值预报模式,建设我国自主培养的气象科技创新队伍,推动地球系统数值预报技术和业务高质量发展,今年9月30日,中国气象局地球系统数值预报中心成立。

沈学顺说,接下来将进一步发展数值预报技术,加深对地球系统的基本物理、化学和生态系统过程的认识,汇聚各领域研究成果。