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2023年中国工程院院士沈学顺:给数值天气预报一颗“中国芯”

发布时间:2023年11月29日 来源:中国气象报社

沈学顺,1967年出生于河南省南阳市,1987年6月毕业于兰州大学地质地理系,并于1992年被国家教委选拔为中日联合培养博士生,赴日本东京大学气候系统研究中心留学。2021年,任中国气象局地球系统数值预报中心副主任。2023年当选中国工程院院士。

沈学顺是科技部重点领域创新团队负责人、国家气象创新工程及中国气象局天气气候一体化模式重点创新团队首席科学家、中国气象学会数值预报专业委员会主任,专注于我国数值预报科技创新,是该领域的学科带头人,在气象核心科技自立自强方面发挥了领军作用。

沈学顺主持构建了我国自主、完备的数值天气预报科学与工程技术体系,主持建立了国家区域/全球一体化数值天气预报业务系统(GRAPES),主持研制了下一代天气气候一体化高精度可扩展大气模式原型系统。致力于自主数值天气预报模式的创新发展和核心技术研发工作,为推动我国数值天气预报科研和业务自主创新做出了重要贡献,改变了我国天气预报及保障服务依赖国外全球数值天气预报技术的现状。

2014年,沈学顺在全国数值预报学术交流会上发言。

数值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预报技术,作为气象业务的核心科技,被誉为气象事业的“芯片”。从早期以国外引进为主,到自主研发掌握核心科技,再到发展以地球系统模式为目标的下一代模式,历经数十载磨砺,如今,我国的数值预报已实现自主研发、应用、改进、发展的良性循环,全面建立了国家级数值天气预报业务体系,实现业务应用和产品服务,还形成了一支贯穿全技术链条的高素质研发团队和业务应用队伍。

特别是近二十余年,我国的数值预报发展步入快车道:2001年,中国气象局组建数值预报创新基地(即中国气象科学研究院数值预报研究中心),开启全球/区域同化预报系统(GRAPES)研发工作;2010年,中国气象局数值预报中心成立,吹响了我国数值预报业务体系全面自主研发的号角;2021年,中国气象局地球系统数值预报中心(以下简称“数值预报中心”)成立,聚焦科技自主可控、体制机制创新、核心技术攻关和高水平人才队伍建设,探索新型举国体制,并持续改革发力。

“坚持自主研发,中国人必须有自己的数值预报模式!”数十载砥砺前行,这是气象工作者的共同心愿,也是沈学顺的坚定信念。

志存高远,做向上生长的人

20世纪60年代,沈学顺出生在河南省南阳市社旗县的一个小村庄里。“虽世代务农,父母大字都不识几个,但是对我的教育格外重视。”沈学顺回忆道,“就像给我起的名字一样,学顺,学顺,希望我一辈子的学业道路,都顺顺利利。”

虽然家境并不富裕,但父母在供沈学顺读书上却毫不含糊。在他的记忆里,常常浮现幼时的画面——一个小男孩坐在田间地头,捧着几本小人书,读得津津有味。

沃土之下,种子总会萌芽,向上生长。热爱学习,并且想要走出家乡去看看外面世界的沈学顺,一直都很珍惜来之不易的读书机会,他说:“我走得并不快,但是在别人停顿的时候我也在走,坚持下去,我就走在了前面。”1983年,沈学顺考入兰州大学地质地理系,攻读气象学专业,由此踏上了一生追寻的气象之路。

“选择气象学专业是因为小时候听说气象站的观测员们会穿着白大褂‘捣鼓’那些仪器设备,觉得很好玩儿、很气派,所以填报了气象专业。”沈学顺边笑边回忆。

2011年,沈学顺在第一次数值预报国际科学指导委员会上发言。

如果说,冥冥之中有着某种力量,牵引着他在气象领域一直走下去,现在来看,这种力量可以诠释为热爱与努力。

大学期间,在数值预报课上,沈学顺经常看到老师抱着一大摞纸,印的都是从美国带回的方程代码,堆起来有书桌那么高。如此庞大的工程究竟是怎么做出来的?那个时刻,他就对数值预报产生了浓厚的兴趣。

读书期间,沈学顺遇到了一位对自己影响很大的老师——时任兰州大学大气科学系系主任丑纪范。跟着老师学习的情景,沈学顺仍历历在目,“丑老师的课能带给我一些新理念、新思路。我经常拿着自己推导不出的公式请教丑老师,他会在很短的时间内,告诉我应该怎么做。”后来,丑老师当选为中国科学院院士,他那严谨的治学态度和对科研的钻研精神至今还深深感染着沈学顺。

四年后,凭借着每个学年专业第一的优异成绩,沈学顺被推免至兰州大学大气科学系,攻读天气动力学专业硕士学位。三年后,他留在兰州大学,继续攻读天气动力学博士学位。

谈及留学日本的经历,沈学顺再次打开了话匣子,“当年的国家教育委员会和日本文部省每年都会有一个联合培养博士的计划,当年兰州大学只有一个名额,在程麟生老师的推荐下,我前往日本进一步深造。”为了更好地适应异国的学习环境,沈学顺花费了一年的时间学习日语。

身处国外,沈学顺心中却一直牵挂着国内气象事业的发展,“中国要有自己的数值预报模式”是他内心坚定的信念,无数个披星戴月、远在异乡的夜晚里,是科技强国的决心、坚持不懈的恒心,激励着他一步一个脚印地走下去。博士毕业后,他在东京大学气候系统研究中心担任助理研究员、文部教官。在这里,他潜心钻研,只为学习、掌握更多技术,争取未来可以走出一条我国自主研发的数值预报之路。

2001年,时任中国气象科学研究院院长张人禾到日本参加一个学术研讨会,沈学顺在与他交谈中得知,中国气象局成立了数值预报创新基地,自主研发数值预报系统。当张人禾征询沈学顺意见,问他愿不愿意回国参加数值预报系统研发之时,沈学顺振奋异常并欣然同意。翌年,沈学顺回国进入数值预报创新基地。2003年,沈学顺任创新基地首席研究员,自此踏上了他和团队攻关研发我国自主知识产权的数值预报系统GRAPES的征途。

把工作和国家需求紧密联系

人生才有意义

那时,我国数值预报系统的全面自主研发刚起步,沈学顺与同事们一起搭建微机群、写程序、推公式、多方求证等,经历了许许多多个废寝忘食的日夜。

“GRAPES,直译为‘葡萄’,但对中国的气象工作者来说,这个词远不止葡萄那么简单,它代表着我国具有自主知识产权、面向21世纪的‘全球/区域通用数值天气预报系统’。”幽默的沈学顺笑言。

如何在深入理解和借鉴国外先进经验的基础上,搭建适合国情的数值预报系统,这是GRAPES系统研发之初面临的重要问题。各关键环节计算方案的反复推敲、试验、验证贯穿在承担任务各小组的整个研发过程中。有时,仅仅一个微小的细节问题都可能导致模式整体性能下降,甚至导致全部过程推倒重来。一次次的尝试似乎在提醒整个团队:照搬解决不了核心技术,没有自主创新、没有丰富的研究基础和知识经验累积,就不可能有事业的可持续发展。“20年来,我们走了很多路,有些路是弯路,但事实证明,在中国气象局党组的把舵定向下,坚定不移地大力发展我国自主可控的数值预报模式这条路,走对了!”说到此,沈学顺倍感欣慰。

早在2000年,中国气象局党组就高度重视数值预报模式开发,希望通过创新基地的建设,集中数值预报研发和业务力量,建立一支稳定的数值预报模式研发核心队伍,加快推进我国新一代数值预报模式的发展。到2023年,《中国气象局党组关于加强数值预报人才队伍建设的若干措施》印发,中国气象局党组进一步提出加强数值预报人才队伍建设,为加快建设高水平数值预报人才高地指明了方向。另外,还不断吸纳高等院校、科研院所和企事业单位主动参与中国气象局数值模式研发;围绕关键核心难题,鼓励国内外数值预报研发力量通过“揭榜挂帅”“赛马制”等方式开展联合攻关;建立以自主数值预报模式研发为核心,国家级协同、国省统筹的全国数值预报研发新格局。

沈学顺与团队成员讨论问题。

“每一次前进都具有革命性意义”,从“中国制造”跨向“中国智造”,其间,沈学顺和团队经历了20年。

不过,在引以为傲的同时,沈学顺清醒地认识到,瞄准核心技术自主研发这条路道阻且长。“数值预报中心面临的任务繁重,还要在预报精准化上下功夫,未来,我们要继续坚持下一代模式研发的阶段性任务和发展目标,制定地球系统模式发展路线图,逐步增强数值预报全链条自主可控能力。”沈学顺坚定地说。

不负众望的数值预报模式

这20年,沈学顺的身份不断发生着变化:中国气象局数值预报创新基地首席研究员,创新基地副主任、主任;中国气象局数值预报中心副主任,入选首批科技领军人才、第一批国家“万人计划”;国家重点领域创新团队——数值预报团队的负责人,国家气象创新工程“高分辨率数值模式和资料同化”的首席科学家;数值预报中心副主任,全国优秀科技工作者……

“他心怀‘国之大者’!”数值预报中心资料同化技术室正高级工程师张林解释,“做自己的数值预报,我们完全是摸着石头过河。他归国后,愿意扎根一线,做最艰苦的、最基础性的工作。”有多少个夜晚,张林经过沈学顺的办公室时,都能看到他埋首书案,一遍一遍研究着枯燥的代码。在团队建设方面,沈学顺让经验传承,助团队前行,扛起了数值预报系统研发大旗。“他特别能稳定‘军心’,只要有他在,大家就会觉得有了主心骨。”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”;2014年,高分辨率资料同化与数值天气模式被确定为国家气象科技创新工程三大攻关任务之一……“很多核心算法和模块都是由他来带头不断积累、完善,从而冲破瓶颈、成功研发的,他沉得下心,也吃得了苦。”张林心悦诚服地说。

2021年,沈学顺(左6)和团队在获国家科学技术进步奖二等奖后合影。

对于自己能“吃苦”这件事,沈学顺一直认为这得益于自己的“农民”出身。“父辈能吃苦的品格可能遗传到我身上了吧。”他哈哈大笑着说。

沈学顺常说“凡做学问都应深入,深入才能得精髓”。对此,与其一起共事的科技业务处主任孙健深有感触,“我觉得他身上最大的优点就是做任何事情都十分专注,也耐得住寂寞,只要他钻到一门学问里,就会吃透它。”对于全球同化预报系统的攻关,孙健记忆犹新,如何从非线性增长的模式误差中找到关键因素,提高模式准确率,一直是团队想要突破的瓶颈。“没有捷径可走,我们一次次把模式‘拆解’开,尽可能收集更多的观测数据,然后通过对比后再完善模式的算法。”强降水预报准确率问题一直是GRAPES难啃的“骨头”,沈学顺带领科技部重点领域数值预报创新团队、天气气候一体化模式系统团队和模式资料同化与资料再分析团队进行深入研究,通过反复对比分析,使整个模式变得更加协调,分辨率的提升也促进了对中小尺度强对流天气模拟精度的提高。

2008年,数值预报中心启动GRAPES全球四维变分同化系统研发工作,那时,该领域在国内尚属空白,缺少技术积累和知识储备,在很长一段时期里,沈学顺与团队成员一边学习基础理论、一边进行各种研发调试,完成了最初的框架搭建,在三维变分同化的基础上,加入时间维度信息,也就是把静态的“三维变分”提高为有时间轴的“四维变分”,改善全球高分辨率GRAPES模式在降水、热带气旋等方面的预报性能。

在沈学顺的带领和团队所有成员的共同努力下,中国气象局数值预报业务模式性能稳步提升。2023年5月底,随着中国气象局全球同化预报系统4.0版本的正式业务运行,数值模式北半球可用预报天数突破8天,卫星资料同化占比达到80%,全球预报空间分辨率从25公里提升到12.5公里,达到国际先进水平;完成1公里1小时中尺度天气数值预报系统运行测试评估,开展中国东部区域的循环同化预报试验;建立适用于杭州亚运会的3公里对流尺度集合预报系统并实时运行。

再好的成果与技术都要落得实、用得上。每一天,数值天气预报产品都在被广泛地应用和检验。目前,团队建立了全链条0至15天无缝隙数值天气预报业务平台,为各级气象台站和水利部、生态环境部等部门提供预报产品支撑,有力支撑防灾减灾第一道防线;中国气象局全球数值预报系统作为世界气象中心(北京)的核心支撑,对“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;提供远洋导航所需全部国产数值预报产品,具备了自主全方位服务保障国家重大战略的能力……看着自己和团队研发的产品不断得到同行和来自各部门的认可,沈学顺认为,这比自己获得院士这一头衔还让人兴奋。“我们要对标国际先进,打造中国气象局数值预报模式品牌,为筑牢气象防灾减灾第一道防线、加快实现高水平气象科技自立自强贡献力量。”沈学顺十分坚定。

最后,当记者对他荣获2023年中国工程院院士表示祝贺时,沈学顺却显得很平静,“获得院士这个身份只是更重要的终身使命的开始,数值预报发展至今取得的成就是所有人共同努力的结果,荣誉属于所有气象人。而且我一直觉得,认真做学问,功到自然成!”(图片由沈学顺提供

(作者:唐淼 林禹彤 责任编辑:张林)

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