專訪曾慶存 ：他的工作是數值天氣預報發展的一個里程碑

採寫｜章劍鋒 彭麗慧

出品| 本站科技《科學大師》欄目（ID：tech_163）

還是教師節前一天，年輕學生們敲開曾慶存的辦公室，對老師進行探望。十多位學生的到來，讓安靜的辦公室變得熱鬧起來。學生們給曾慶存送去的，不光有盆栽，賀卡，還有貼心置備的洗澡用具。

“都是在讀學生，”曾慶存不認爲自己的門下人才濟濟，“我這些學生不算多啊，人家其他領域的院士，能帶幾百個學生，我這裡來的是好幾屆的學生。”

人才短缺——曾慶存所在氣象研究領域也面臨這個問題。他解釋說，現在更多人要爲生計奔忙，坐不了冷板凳。一心一意搞科學的人，很少。

84歲的曾慶存，是中國科學院院士、中國氣象學會名譽理事長，也是在世界上享有極高知名度的氣象科學家（中國科學院官網的評價），早在上世紀50年代，他即進入氣象科學領域，成爲中國氣象學承前啓後的關鍵科學家之一。

“我們國家氣象學始祖輩的人物，像蔣丙然先生、劉衍豪先生、竺可楨院士、涂長望院士、趙九章院士、李憲之先生、盧鋈（wù）先生等，這是第一代。第二代，把西方比較先進的東西一點點引進來，就是葉篤正院士、謝義炳院士，還有顧震潮先生、陶詩言院士、呂炯先生、程純樞院士、高由禧院士、黃仕鬆先生、謝光道先生等，這是第二代。我們是第三代或第三代半。我們這一代，就是爲了實現數理化、工程化。這是趙九章先生於1958年提出來的，其執行和實現主要是上世紀70年代以後的事情。”

竺可楨和趙九章不用說，一個是集地理學家、氣象學家和教育家於一身的卓越科學家，一個則在氣象學、地球物理學、空間物理領域均有突出貢獻，且是兩彈一星功勳。名單中的葉篤正院士，則是中國現代氣象學主要奠基人之一、國家最高科學獎獲得者，他和謝炳義、顧震潮、陶詩言幾位先生，都是曾慶存的老師。

沿著前人的腳步，在氣象科學領域，曾慶存具有不少開創性建樹，他是中國最早從事氣象遙感衛星研究的科學家之一，也在國際上第一個成功使用原始方程進行數值天氣預報，由他首創的“半隱式差分法”，至今仍是世界天氣和氣候數值模式的核心技術之一，現在也被廣泛應用於各學科，成爲當代超級計算的主流算法之一。

通俗來講，今天不論你是在電視上還是在手機上看到的天氣預報，都有賴於數值預報在支撐。

“這是作爲天氣預報的基礎。現在沒有數值預報的結果，天氣預報員也不能只憑經驗報天氣。”

曾慶存告訴本站科技《科學大師》記者，經過近數年的發展，中國數值天氣預報的準確率和時效性已經有了質的提高。目前天氣預報的時效性已經提高到5-7天，也就是說7天內的大範圍天氣是可以預測的。因爲中國還有氣象衛星進行天氣監測，氣象衛星監測和數值天氣預測成爲兩大利器，尤其在氣象災害，如對臺風、暴雨等的監測、預測和防治方面，得到有效應用。據他說，比較而言，在中國境內登陸的颱風一個都沒漏掉，全都預報成功，所造成的災害大大減少。而放在過去，一個颱風登陸，可造成數千人死亡，現在的死亡大都是個位數，並且多有零死亡的情況。

此外，隨着氣象衛星技術的發展，中國在全球氣象科學領域的表現也越來越出色。雖然中國的氣象衛星發射晚於美國20多年，但目前中國的風雲衛星與歐盟、美國等三方，構成了世界氣象組織的極軌衛星氣象監測網，監測全球天氣，向世界各國提供服務。根據中國氣象局統計，截至2019年5月，使用風雲衛星數據的國家數量已增加至98個（數據來源於《人民日報》）。

而早在1970年代初期，曾慶存就是中國氣象衛星起始階段參與研發的科學家之一。

除了極軌衛星，曾慶存告訴《科學大師》，和歐盟、美、日等國一樣，中國也有自己的地球靜止氣象衛星，這種衛星固定在地球上空某個特定的點上，能實現對星下點及其周圍廣袤地區進行連續不斷的監測。

中國當下正在地球上空運行的靜止衛星已達四顆，其中的風雲四號衛星，性能強大，除了能提供各種雲圖外，還能探測星下廣大地區的三維溫度和水汽分佈，以及探測雷電，而且能實現隨時觀測，隨時發報告。

2016年6月22日，世界氣象組織授予曾慶存第61屆“國際氣象組織獎”，這個獎被譽爲世界氣象科學的最高獎。世界氣象組織主席戴維·格蘭姆斯對曾慶存在衛星氣象遙感理論、數值天氣氣候預測理論、氣象災害預測和防控調度問題，以及全球氣候變化和地球系統模式等方面作出的傑出貢獻予以高度評價。

曾慶存眼下參與的一項重要科研工作，是位於北京遠郊懷柔的國家大科學裝置——地球系統數值模擬裝置的落地建設。他和其他科學家一道，歷經9年的努力推動，使之立項，並將於2020年完成建設。

儘管年事已高，並沒有擔任正式的頭銜，但曾慶存在其中發揮着重要的作用，他是大科學裝置總項目的創導者，也是地球系統模式研製的總負責人之一。

《科學大師》記者瞭解到，這個科學裝置，研究應用面極廣，包括了氣象學和大氣科學、海洋科學、固體地球科學、空間科學、生態環境、水資源和農業科學及其他方向。此外，據曾慶存說，連地震預測研究，也可包括在內。

中國科學院北京綜合研究中心的一份資料介紹，目前只有美國和日本擁有自己的地球模擬器。中國建設的這個地球數值模擬大裝置，將既能加深人類對地球環境過程基本規律的認識，也能提升中國在全球氣候和環境變化問題上的話語權，因爲沒有科學研究在國際上就說不上話。

“不進則退。”

問到擔心不擔心中國的氣象科學研究在世界上掉隊的問題，曾慶存回答《科學大師》記者，要用發展的眼光看問題，道路總是有起伏、不平坦的，但他也明確稱，他這一代也是繼往開來，只是打了個基礎，他更寄望於將來，“以後中國的氣象科學有黃金時期。重要的是我們必須抓緊基礎研究和爲人民服務宗旨，就會有永遠堅持的動力，一個臺階一個臺階地攀上頂峰。”

以下爲採訪正文：

一，“我們相信能搞成”

科學大師：您推動現在的地球系統數值模擬大科學裝置的建設，意圖是什麼？

曾慶存：首先是爲了研究全球氣候與環境變化這個很重要的問題，國際上都在搞數值模擬研究。所用的數學模式非常複雜，包括有大氣的模式、有海洋的模式、有陸地環境的物理模式、有植物的生態變化的模式、有水文的模式、有北極南極冰變化的模式，還有二氧化碳怎麼被吸收和排放出去的模式。現在一共有七八個模式，耦合在一塊，就叫做地球系統模式。

從本世紀開始，國際上形成共識，要研究長期氣候變化，必須要有這種大的數學模式，氣候變化規律才能算出，纔有一定的科學根據。我們國家原來沒有那麼大的計算機進行模擬，所以我們就強烈地呼籲，我們中國要自主研發地球系統模式。

通過這個專門的超級計算設備，既要把氣候問題研究清楚，同時也想把地球各個圈層的關係，比如氣圈、水圈、陸地圈的構成，水怎麼循環、怎麼蒸發、怎麼降雨之類的，也搞清楚。再深一點，地下水是什麼樣的，熱的地幔怎麼流動的，礦山的礦物怎麼生成的，火山是怎麼出現的，要弄清這些規律，也要搞一個定量的模式進行理論研究。

還有地震，我們對斷裂帶或斷層活動，有許多臺站長時間的監測記錄，通過對這些監測資料的分析計算，現在科學家已能做到，地震一發生很快就算出震中在哪，震級多少，裂度多少，破壞中心在哪。如果能再建立一個斷裂帶活動的力學理論模式進行模擬，並融合長期的監測資料，就有可能（預先）算出該斷裂帶在何時何處會發生岩層斷裂，也就是說，把地震預報出來。

總之，研究全球氣候和地球環境的變化，都要靠這個裝置，我們相信能搞成。

二，在未來50年，也許地震能被預測

科學大師：您剛纔講到預報地震，這個地球大科學裝置能完全實現嗎？

曾慶存： 50年後在某種程度上地震是可以預報的。當然這是我的考慮。也許會早一點，也許會晚一點。因爲地震，比如說對於地下的斷層，至少要有50年左右的監測，不斷地監測它發展和變化，可以找到某些規律，再加上理論模式的模擬結果，對比融合，就可以掌握該斷裂帶活動的規律，試作地震預報了。比如說，地震發生的一兩年之前給預報出來，或者說再臨近一點就預報出來。大概趨勢我想是可以預報出來的，儘管可能不太準確。

科學大師：現在沒有這個裝置，我們從科學上能預測到地震的發生麼？

曾慶存：也可以說一定程度上能預測，但是隻能是支離破碎的，甚至是滯後的，即（從）事後進行的補算得到。另外，在實用上，則是靠別的代用品指標，比如說螞蟻出來了，蛇出來了，確實它有一定的相關性。但是，到底地層是怎麼震動的，會斷哪一塊，不知道，時間序列上也搞不清楚，靠這些來找相關性是不太完整的科學。

現在我們搞這個裝置，以便將來對地震有更大的完整的科學計算，和（獲得）更多的監測資料，肯定要好得多，最終有可能實現精準的地震預測。當然，有一定的誤差範圍。就像氣象科學一樣，早在上世紀六十年代之前，在一個具體的地域裡，氣象預報頂多只能提前一天，而在今天，有了較好的監測網和數值天氣預測，可以預報七天。以後地震預測也許可能是類似的發展。

三，中國氣象科學進入了世界先進水平

科學大師：有說法是我們國家的大氣科學和氣象事業處於世界一流水平，這方面有什麼指標嗎？

曾慶存：主要還是看理論研究和監測、預報實踐及氣象服務水平。比如理論認識怎麼樣？監測到不到位？預報準不準？氣象服務達到什麼程度？從這些層面來衡量，應該說從總體上講中國是在一流水平。在氣象科學上面，誰也不好說是最高的，美國和歐洲也不能（這樣）說，他們也還有不夠的一面。但是，中國的氣象觀測站密度之大，我們可以講是最好的。密密麻麻，你要說自動觀測站，一個省就有好幾千個。中國氣象部門對社會服務覆蓋面之廣和項目之多，以及氣象人員爲人民服務的精神、辛勞和敬業，是世界上很突出的。

科學大師：美國的水平怎麼樣？

曾慶存：電子計算機和用電子計算機作數值天氣預報試驗，是美國先做出來的。他們發射氣象衛星，在空間上觀測地面上的氣象，也是最早的。不過，現在歐洲趕上去了，中國也趕上來了。不管怎麼樣，中國現在從數值天氣預報，從氣象衛星監測水準來講，是世界先進的。現在歐盟、美國、中國三家組成了世界氣象組織主導的世界氣象衛星監測網。

科學大師：意思是說，我們國家的氣象信息是有能力和全球其他國家共享的？

曾慶存：歐洲、美國、中國，這三家的極軌氣象衛星組成了一張監測網，對全球氣象進行全天候監測，這些數據信息供給全世界使用。我們還有靜止衛星，就是相對固定在地球上空某一個區域的衛星，美國有，歐洲有，中國有，日本有。在赤道上空，我們可以連續監測一個很大的區域。比如說在太平洋，包括南海和印度洋，包括中太平洋和印度洋，覆蓋的面積，北邊可以到北緯50度（黑龍江）以北，南緯到澳大利亞以南，有能力對整個這個地區連續地監測，這方面我們也爲世界服務。

我們和歐、美、日等正好組成完整的氣象信息網，將監測數據提供給世界各國。我們中國氣象局就提出了：“全球監測，全球預報，全球服務”的方針和規劃，所以世界氣象組織很讚賞中國。中國還專門給一帶一路沿線國家提供氣象服務和人員培訓。

科學大師：我們監測的精確度怎麼樣？

曾慶存：全球範圍內，哪個地方有颱風，哪個地方有雷電，我們都探測得出來。凡是外國衛星有的監測項目，我們國家的衛星都有，而且風雲4號還有外國靜止衛星所無的項目。當然，我們可以自豪，但不可以驕傲。

科學大師：實現這個能力，我們花了多長時間？

曾慶存：準確地講，我們最早搞氣象衛星是1970年，當時我身在其中，進行了前期的理論和方法研究，也做出了我們國家最初的氣象衛星的方案。不過，我們的氣象衛星上天是1988年，晚於美國，晚於蘇聯，大約晚了20年。不過，美國1966年的氣象衛星也是帶試驗性的，不大好用，定向上不好。好用的應是三軸定位的，美國上世紀七十年代末才做到。我們當初設計時就考慮到了，後來我們國家系列的氣象衛星都做到了（這一點）。

四，現代化的數值天氣預報是怎麼問世的？

科學大師：爲什麼說應用原始方程作數值天氣預報您是首位？世界上對此有定論麼？

曾慶存：天氣預報（的發展歷程）分兩個階段，一個是經驗預報，就是看天氣圖，用簡單的一些規律推斷，預測某天天氣是什麼情況，這主要是靠經驗。到後來用計算機來分析計算，就是數值天氣預報，這個是第二個而且是很重要的階段。

我們國家上世紀60年代，甚至70年代、 80年代前半期，主要還是經驗預報。美國1950年開始用電子計算機做數值預報試驗，用的是高度簡化了的模式即渦度方程，很多國家也跟着試驗。試驗了數年，結果是不能在預報業務中使用，因爲精度低，還得用原始方程組，要研究。

我1961年發現，原始方程中不同時間尺度的過程，可以用不同的辦法來算，這就發展出了“半隱式差分法”，用來求解原始方程作數值天氣預報，成功了。第二年，蘇聯馬上用到實際天氣預報業務上了。

美國是知道的，把文章用英文翻譯過去，在內部參考使用。然後再用了幾年時間發展他們自己的一套，即全顯式格式，雖然時間步長很小，計算量很大很大，但他們用很大的計算機，計算也成功了。1968年他們發表文章。

那時代處於冷戰背景，西方都不願提蘇聯的工作。此後，世界都用原始方程組作數值預報，於是數值預報方法成爲實際天氣預報的業務。所以數值天氣預報業務化應用是從成功求解原始方程開始的，我這個半隱式差分法最早。由於半隱式差分法的優越性能，至今它仍在數值預報中廣泛使用。

2016年，世界氣象組織經過評審，確認我這個工作是先驅性的，在給我頒的獎——國際氣象組織獎的證書中，就有寫這一條。

五，災害傷亡不能都怪氣象部門

科學大師：我們普通人更關心氣象科學與實際社會生活的關係。官方數據披露，今年夏天的第9號超強颱風“利奇馬”，造成多個省份（市）1402.4萬人受災，209.7萬人緊急轉移安置，對於這種破壞性極強的氣象災害，我們的預報能夠提前到什麼程度？

曾慶存：現在可以提前5—7天。比如說颱風，5天之前，我們可以報出其大概走向，當然有一定的誤差。但總體來講，現在臺風預報相當準了。比如說中央氣象臺的颱風預報模式和廣東省氣象局研製的華南臺風預報模式，確實預報效果很好。

24小時作出的登陸點預報的誤差只差30公里到50公里。比如說颱風“山竹”是去年最厲害的颱風，稱爲“風王”，當時的預報和實況，都是在廣東省台山和陽江之間登陸。今年在我們國家登陸的超級颱風“利馬奇”，從氣象預報角度說，也是成功的。五天至三天前就預報出的颱風登陸路徑，發出了是超級颱風的警報。

至於成災重，那是另外的一個問題了，和地理環境條件及防災減災的措施有關。內陸地區人民羣衆的防災經驗、意識、知識還需要進一步加強和提高。

科學大師：颱風預報是怎麼做出來的？

曾慶存：比如說9天之前，在西太平洋上空，發現有一些熱帶雲團，會不會發展成颱風呢？我們氣象衛星都在監測，將獲取的初始數據輸入到電腦裡面來計算，用數值預報預測它的發展趨勢，什麼時候成颱風？移動路線如何？衛星又不斷地隨時監測，隨時進行數值預報、製作四維圖畫，實時傳遞給相關機構。尤其是有可能登陸我們國家的情況，登陸前三天就已進入警戒狀態，加密監測和預測。

我們的靜止衛星，一般6分鐘就可以發回一個圖像，比如說溫度怎麼樣，降水情況怎麼樣，渦旋雲系和海面上風場怎麼樣，15分鐘就可以給你一個較完整地區的定量數據。沒有氣象衛星的這些即時資料和信息，數值天氣預報很難做好。這兩個相輔相成，是氣象部門的兩大利器，也是氣象事業和氣象科學現代化的兩個重要標誌。

六，天上原來有這些氣象衛星“寶寶”

科學大師：我們這個氣象衛星在天上是怎麼分佈的？

曾慶存：現在有兩種衛星，一種叫極軌衛星，差不多是繞地球南北極飛行。我們國家，供世界使用的有四顆，叫風雲三號衛星系列，其中值班的即參加世界氣象衛星網絡併爲全世界提供服務的是兩顆。此外，還有一種叫做靜止衛星，固定在赤道上空某個位置上，相當於地面上是固定的。我們國家有四顆靜止衛星，叫風雲二號和四號系列，從東往西排列，覆蓋西太平洋和印度洋地區，對氣象情況進行時間連續不斷的監測。也提供世界服務，且有一顆是專門爲“一帶一路”沿線國家服務的。如果想要提高較小範圍區域的觀測的分辨率，我們還可用“高分衛星”，如高分四號、六號等等。

七，人工干預天氣，不是那麼容易

科學大師：雖然技術水平在提高，但還是能聽到老百姓議論，天氣預報不準，您有什麼解答？

曾慶存：有些地方是監測死角，儀器探測不到，探測的分辨率也不夠。探測不到，分辨不出，你怎麼能作預測？更何況，自然界裡面還存在偶然性，偶然性是報不了的。

但是在一定大的範圍，例如說北京市這麼大的範圍和數小時內的總情況，偶然性減小，大多又可探測到和分辨得出來，可預報出的概率就大得多。比如三個鐘頭以後、六個鐘頭以後北京地區會不會下雨，這個一般能報準，它有一個既有的科學統計和規律分析作爲基礎。當然，也有一個概率分佈，預報不可能每次報準，總有報不準的情況，這是科學的說法。

另外就是超出現有科學水平的也報不了，比如空間距離上，需要雷達能夠覆蓋得了，百公里能被覆蓋和預測，只能說百公里內的事情，就預測不了一百公里外的天氣。

還有一個，長期的氣象是難報甚至是預報不了的，這就是科學上的混沌現象所致。觀測的誤差導致有一個可預報的時限，長於此時限的預報一般是不準的。目前只能預報5—7天，超過這個時間就不準了。再長一些，只能考慮報平均狀態了，比如說一兩個季度的平均情況，特別是中國的旱澇，能不能提前半年預報？這是有可能的。當有強信號預兆，例如厄爾尼諾事件時，可以報得準些。在一般情況下，現在還不能很好地掌控，只是預測一個大概，供參考。

科學大師：那對未來的長期氣候演變，也是無能爲力的？

曾慶存：以後地球系統模型建成了，可以試驗作一年的氣候預測，或者在某些有先兆的氣象情況下，兩年大概也可以。至於預報十年以後、一百年的氣候怎麼樣，不敢說，因爲有很多因素和變量的作用，不只是人類排放二氧化碳這種單一的因素影響。

科學大師：預測之外，人工干預天氣，現在能實現到什麼程度？

曾慶存：我的研究中，有一項自然控制論，和你提的這個問題有關，就是怎麼用數學和物理的辦法，研究人工改造或影響天氣。理論上，我提出來了，但是在實際尚沒有辦法實現，因爲按理論方法實踐起來要有許多技術條件，很難，尚未解決。

我們國家人工影響局部地區的天氣，如人工消雹和人工增雨，已有二三十年的大規模試驗。消雹相當成功，增雨也有不少成功經驗，但目前尚是憑經驗，總結得不夠，更沒有系統的理論和形成工程化的作業規範。

比如說打火箭到雲中去讓它下雨，那是因爲天上已經有足夠的客觀條件了，打火箭上去只是將催化劑加到雲中，使更多的水汽凝結成大水滴，就會下更多的雨水，即增雨。這個技術手段局部是可以的。

當然雲裡的能降雨的水滴下光了，你再打也沒用了。技術手段應該說是有限的。要取決於很精細的條件。不過理論上說，只要你掌握了規律，列出方程來，並給出初始條件資料，就可以求解，告知你怎樣作業，可增雨多少，但還得有技術，技術達不到的，也不能解決。

又例如，大氣污染的減排，從理論上算法已經有了，比如PM2.5怎麼形成的，是什麼規律，方程公式怎麼樣，這個都應能做到。尤其是PM2.5主要是人爲因素造成的情況下，可以解決。重要的是要認識規律，列出準確的方程式，且監管到位。

今年到明年，我希望在人工排放的監控、調控方面，可以有一些突破。霧霾可以解決，就是說從理論上能夠找到怎麼減排的最好方案。避免一刀切，即我們可按理論算出，在關鍵地區必須減排和應減排多少量，就可保證京津地區空氣質量達標。還有，氣象條件好時，還可使一些企業多開工生產，保證其按年份平均來計算，經濟不虧損，生產治污兩不誤。當然，最徹底的辦法是研究出工廠不排污的技術，這方面我們國家的研究還頗有進展，前途光明。

八，要正確理解“人定勝天”的說法

科學大師：中國曾流行一個說法，叫做人定勝天，您覺得人真能戰勝自然規律麼？

曾慶存：首先一定要懂得和掌握運用自然規律，做到趨利避害。用現代的科學監測手段，知道了自然規律之後，可以很有效地利用自然界，但不能違反自然界的規律。改善或者說改造自然界，在某些方面和某種程度上是可以做到的。比如干旱和沙漠化，有防護林、塞罕壩，北京因此也就幾乎沒有了漫天沙塵的天氣了。這個都是順應自然規律的情況。但違反自然規律的事情堅決不能做，不但做不到，甚至要吃苦頭，或適得其反。

現代人有個誤解，以爲“人定勝天”，就是按照人的意願或意志可以改變自然界。其實，這個“定”字，不是“一定”的意思，什麼叫定？古代的人，尤其是“天子”，討論社會和人事問題，相信和強調天命，即由天命定下來的。春秋戰國時代，有學者提出並非總是如此，人也可決定自己的命運，只要人做得對。這就是“人定勝天”的思想。

怎樣可以“人定”呢？曾子的《大學》說：“知止而後能定，定而後能靜，靜而後能慮，慮而後能得。”可見，“知止”才能“定”。那麼，什麼是“止”呢？要“止於至善”。

“至善”即十全十美。就是人要修養好，認識和遵守規律。“能得”就是辦得成事。可見，這個“定”是安定。安定，即懂得規律，遵循規律辦事。推廣到對待自然界，你必須懂得自然規律，按自然規律辦事，就是說你安定了，能夠找到辦法了，就可以合理改良自然界的情況，和自然和諧相處。應該是這樣解釋。說人一定能夠戰勝自然界，這個說法是不對的，是誇張的。

科學大師：實際上也就是說，人並不是無所不能的萬物主宰。

曾慶存：是的，一定要認識自然規律，一定要按規律辦事，不能違反自然規律。

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