揮手間氣象萬千
——記中國海洋大學(xué)“筑峰第一層次”特聘教授、青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室“鰲山人才卓越科學(xué)家”張紹晴

本刊記者 王 輝

揮手間氣象萬千
——記中國海洋大學(xué)“筑峰第一層次”特聘教授、青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室“鰲山人才卓越科學(xué)家”張紹晴

本刊記者 王 輝

2016年年底，位于青島市著名嶗山風景區(qū)腳下的中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室里，迎來了一位世界專家——張紹晴。張紹晴是享譽全球的氣候?qū)W領(lǐng)域耦合資料同化研究方面的領(lǐng)軍人物?！榜詈稀薄巴边@些別人聽起來難懂的字眼，卻是張紹晴眼里關(guān)注的興趣點。

從孩提時代對大自然天氣產(chǎn)生的好奇心，到青年時期堅定不移地選擇天氣學(xué)專業(yè)，再到后來不遠萬里、漂洋過海去美國學(xué)習(xí)耦合同化知識與開拓事業(yè)，然后在國際氣候評估舞臺上大展風采……張紹晴用30年余年的時間，詮釋了他對氣象學(xué)領(lǐng)域的追求與熱愛。

人生如若是一幅波瀾壯闊的氣象圖，那么從最初“天氣”到如今“氣候”研究便是張紹晴人生氣象圖上的標記里程碑。而張紹晴用他多年來所付出的辛勤研究，向我們闡明了這一個又一個重要的科學(xué)問題。

數(shù)值天氣預(yù)報展頭角

1965年，張紹晴出生于貴州省黔西南州中部的興仁縣。興仁縣是一個地處高原、地形復(fù)雜的小縣，受低緯度等多重因素影響，這里的氣候表現(xiàn)為“山地多雨、高山?jīng)鰸?、冬無嚴寒、夏無酷暑”多樣而溫和的特征。當西太平洋副熱帶高壓受天氣系統(tǒng)影響而西伸，興仁縣就會出現(xiàn)短時間降水；當北冰洋和西伯利亞的冷空氣南下，興仁縣又會刮起一陣冷風?！皬男【蜕L在這樣豐富的天氣環(huán)境中，于是自然對天氣產(chǎn)生了好奇。”張紹晴說。

1981年，天資聰穎的張紹晴作為興仁縣狀元考上了南京大學(xué)。面對眾多專業(yè)，他毫不猶豫地挑選了最感興趣的天氣學(xué)。天氣學(xué)是研究大自然天氣現(xiàn)象和天氣過程物理本質(zhì)及規(guī)律的一門學(xué)科。在上學(xué)期間，張紹晴便對雨、雪、風、云等各種天氣現(xiàn)象和內(nèi)在機制進行了全面的學(xué)習(xí)。他知道，要想了解未來的天氣，就必須掌握一門時興的科技——數(shù)值天氣預(yù)報。于是在大學(xué)畢業(yè)后，他先進入國家氣象中心的數(shù)值天氣預(yù)報室，后又步入素有“中國氣象人才搖籃”之稱的南京氣象學(xué)院，在那里開始鉆研數(shù)值天氣預(yù)報。

在國家海洋環(huán)境預(yù)報中心作學(xué)術(shù)報告

在國際合作研討會上

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，出門前總免不了要看一看天氣。數(shù)值天氣預(yù)報自20世紀50年代起源至今，是被世界各國普遍采用的一種天氣預(yù)報手段。數(shù)值天氣預(yù)報的制作過程比較復(fù)雜，需將得到的氣象觀測數(shù)據(jù)用物理方程解析，然后以資料信息的形式同化到計算機數(shù)值模型上，再通過一系列積分運算最后得出未來天氣的結(jié)果，從而對未來一定時段內(nèi)天氣狀態(tài)進行預(yù)知。通常，數(shù)值天氣預(yù)報工作，對從事者的數(shù)理基礎(chǔ)和地球物理專業(yè)知識有較高的要求。

張紹晴通過幾年的勤奮努力，已經(jīng)完全具備了這些素質(zhì)。研究生畢業(yè)后，他便以優(yōu)異的成績再分配回到國家氣象中心的數(shù)值天氣預(yù)報室，在那里開始從事深入的數(shù)值天氣預(yù)報研發(fā)工作。

2 0世紀9 0年代后期，我國在“七五”國家科技攻關(guān)計劃期間開始實行“中期數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)”建設(shè)。中期數(shù)值天氣預(yù)報是將我國天氣預(yù)報時效從短期2～3天，延伸到7～10天。在工作期間，張紹晴也參加了該系統(tǒng)建設(shè)。他的出色工作使他不僅獲得杰出研究成果獎、科技進步獎等獎項，而且成為中國氣象學(xué)會數(shù)值預(yù)報專業(yè)委員會的一名委員。

雖然在國內(nèi)氣象學(xué)領(lǐng)域已取得了驕人的成績，但在張紹晴的心里，他卻渴望學(xué)習(xí)更先進的知識，憧憬在未知的領(lǐng)域里開辟出一片天地。正是因為這種對氣象學(xué)領(lǐng)域不斷探索的追求，才會讓張紹晴產(chǎn)生了異國求學(xué)的想法。

探索海天氣候奧秘

1995年，對氣象學(xué)懷有遠大抱負的張紹晴來到了美國。他先是以訪問科學(xué)家身份進入美國國家環(huán)境預(yù)報中心，在那里進行了1年學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，他接觸到一種新的數(shù)值模式資料同化制作方法——共軛變分。共軛變分原本屬于處理函數(shù)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，但將它運用在數(shù)值天氣預(yù)報模式資料同化的制作上，可以更好地解決觀測資料同化的一些問題。張紹晴在掌握該方法后，又了解到在以往資料同化中存在一個問題:數(shù)值模型的理想化導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果與現(xiàn)實天氣存在較大差距。

針對這一問題，初到美國的張紹晴便提出“用共軛變分方法改進數(shù)值天氣預(yù)報模型的初始化”設(shè)想。他說：“初始條件中的平衡性對于數(shù)值天氣預(yù)報的精確度十分重要。如果用共軛變分的方法把數(shù)值模型的初始值調(diào)整到觀測的狀態(tài)上又能保持模式的平衡性，這樣一來，數(shù)值模型往前一積分，便會得到未來一定時段內(nèi)較準確的天氣預(yù)測。”

幸運的是，張紹晴的想法不僅得到美國國家環(huán)境預(yù)報中心模士發(fā)展中心主任康奈爾博士的認可，而且康奈爾還決定進一步資助他到美國佛羅里達州立大學(xué)氣象系去讀博士。張紹晴接受了這項資助，并利用博士期間論文課題，為美國國家環(huán)境預(yù)報中心建立了一套“全球物理過程的共軛變分數(shù)值天氣預(yù)報模型”。這套模型為美國7～10天數(shù)值天氣預(yù)報精度的提高建立了一個研究平臺，還讓張紹晴得到了一個更好的工作機遇。

2000年，正值張紹晴博士畢業(yè)之際，他接到來自美國普林斯頓大學(xué)的面試邀請。彼時，普林斯頓大學(xué)正與美國海洋大氣管理局（NOAA）下設(shè)的地球流體動力實驗室（GFDL）合作，開發(fā)一項叫作“大氣—海洋耦合預(yù)報”的研究計劃。這項計劃打算將NOAA傳統(tǒng)的大氣—海洋耦合模型與海洋氣象觀測資料進一步同化，從而得出未來更長時間尺度內(nèi)的氣候預(yù)報。得知張紹晴在美國國家環(huán)境預(yù)報中心工作和博士研究期間在資料同化方面有過出色表現(xiàn)，普林斯頓大學(xué)和GFDL決定邀請他參加該計劃的面試。

為了準備該面試，張紹晴認真了解了該計劃。對于未來的研究，他的心中已經(jīng)有了明確的方向。他掌握到，大氣與海洋——這兩個原本分屬于氣體和液體的流體動力學(xué)研究對象，卻同是影響氣候形成的關(guān)鍵因子。大氣的變化是一個快變過程，而海洋運動則屬于慢變過程。由于海水的粘性比較大，比熱容比較高，再加上地球表面71%是海洋，所以要想實現(xiàn)對氣候的預(yù)報，就必須將海洋與大氣耦合，一起同化。然而在以往的大氣—海洋資料同化過程中，使用的方法是先將大氣、海洋各自的觀測資料同化到各自的模型上，再將獲得的結(jié)果結(jié)合在一起。但如此一來，因為分量間相互作用的不協(xié)調(diào)，所以導(dǎo)致耦合模型在預(yù)報的精度上有很大局限。

在與普林斯頓大學(xué)和GFDL人員交談過程中，張紹晴指出上述問題，并且再一次提出自己的設(shè)想?！皩⒋髿馀c海洋的觀測資料放在同一模型內(nèi)進行同化。只有這樣，才能解決分量間相互作用的協(xié)調(diào)問題，模型的初始信號才不容易衰減，因而模型的預(yù)報精度才能進一步得到有效提升?！?/p>

普林斯頓大學(xué)和GFDL的人員知道這是個具有科學(xué)野心的設(shè)想，在科學(xué)和技術(shù)上要面臨很多的挑戰(zhàn)，但一旦實現(xiàn)，必將給氣候可預(yù)報性領(lǐng)域帶來新的突破。他們決定讓張紹晴來承擔這個計劃。接下來的日子里，為實現(xiàn)這一設(shè)想，張紹晴足足花費了8年的時間，先作為普林斯頓大學(xué)訪問科學(xué)家（博士后），后作為大學(xué)聯(lián)合大氣研究中心的科學(xué)家在這個領(lǐng)域里專注地進行研究。在這8年里，他不僅逐漸開創(chuàng)出一套新的耦合資料同化理論和算法，還發(fā)明了一種新的參數(shù)估計技術(shù)。他的大氣—海洋耦合資料同化系統(tǒng)不僅提高了對季節(jié)到年際尺度的氣候預(yù)報技巧，而且同時有潛力能連慣性地制作年代際氣候預(yù)報。為了表彰他的成就，NOAA不僅特意為其頒發(fā)了杰出研究論文獎，還為其提供長期研究經(jīng)費，鼓勵其作為領(lǐng)導(dǎo)人在該方面開展深入研究。

在主持國際學(xué)術(shù)交流會議

能夠獲得這些榮譽，張紹晴感到高興的同時，對耦合模式資料同化研究也更加努力了。

全球氣候變暖的敲鐘者

2008年，張紹晴正式加入GFDL，成為美國聯(lián)邦政府的一名研究員。

GFDL是全球大氣—海洋耦合資料同化研究的先行者，在上個世紀80年代建立起全球第一個大氣—海洋耦合模式。與此同時，GFDL也是研究全球氣候變暖的一塊金字招牌，被尊為“全球變暖研究之父”的詹姆斯·漢森便曾經(jīng)在這里工作過，并且首次提出了全球氣候變暖的危險性。能在氣象學(xué)領(lǐng)域至高殿堂工作，張紹晴十分珍惜。從他正式加入GFDL的那一刻起，一項重要的科研任務(wù)——全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)的研究便落在了他的肩上。

全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)是針對全球氣候變暖而設(shè)立的研究平臺。自上個世紀90年代起，全球氣候變暖進一步加劇引起了聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的高度關(guān)注。為了解決這一關(guān)系人類安危的問題，IPCC從1990年起便每隔5年撰寫一次評估報告（AR），將世界各地有關(guān)全球氣候變化最好的科學(xué)技術(shù)拿來評估。而全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)正是為預(yù)報和評估全球年代際尺度氣候變化而設(shè)立的警鐘，張紹晴則是站在這一平臺上的敲鐘人。

有了之前多年的研究基礎(chǔ)，張紹晴這一次的研究進展比較順利。但在研究過程中，還是遇到了一個困擾他的小小難題——臺風。臺風是出現(xiàn)于熱帶海洋上的氣旋，對沿海地區(qū)有著巨大的殺傷力，但對氣候形成來說卻屬于中小尺度的擾動。因此，在氣候研究中一直存在一個關(guān)于臺風的經(jīng)典難題：在大氣大尺度環(huán)流背景下，臺風常常被觀測資料同化過程排除掉。

對于這一難題，張紹晴百般思索，最終提出用“大尺度背景調(diào)整方案”來解決它。他先是掌握了大尺度背景環(huán)流對中小尺度擾動的調(diào)制基礎(chǔ)，然后將臺風的時空活動在模型上進行正確地反演。這樣，有了臺風的“加入”，張紹晴的全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)預(yù)報精度便再一次得到提升。

2013年10月，IPCC-AR5如期發(fā)布。在對全球所有氣候預(yù)報科技手段進行評估之后，作為NOAA代表的張紹晴研發(fā)的“全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)”脫穎而出，被評為“全球唯一能一致性制作季節(jié)到年代際氣候預(yù)報的系統(tǒng)”。對于NOAA和張紹晴而言，這無疑是一份至高的肯定與榮譽。美國聯(lián)邦商業(yè)部為了表彰張紹晴及其團隊多年的辛勤耕耘，特地為其頒發(fā)了研究和發(fā)展金牌獎。張紹晴也因而一躍成為世界范圍內(nèi)耦合資料同化研究方面的領(lǐng)軍人物。

“耦合同化”在人們的日常中生活究竟有什么用？舉個例子來說，2015年張紹晴與合作團隊聯(lián)合發(fā)表在Nature Communications的1篇論文中提到，美國東北部的紐約港海平面在2009～2010年突然“跳漲”了128毫米。人們普遍認為，這次“跳漲”是歷史上850年一遇的罕見事件。然而張紹晴及其合作者卻用全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)分析得出，這次“跳漲”有30%原因來自大氣與海洋之間的相互作用。有了全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)，今后人類便不必擔心生活中偶爾出現(xiàn)的極端類天氣事件。

“對于研究天氣、氣候預(yù)報的人來說，其過程就像考古一樣?！睆埥B晴用十分貼切地形容概括了他過去近30年的研究歷程，“考古學(xué)所采用的方法是通過考察古董認知歷史，理解歷史的演變規(guī)律，然后預(yù)測未來人類的發(fā)展。而天氣、氣候研究與考古雖屬不同領(lǐng)域，但二者在研究方法上卻有異曲同工之妙。耦合資料同化就是對天氣—氣候的歷史進行重建，準確的歷史重建就是我們對未來天氣—氣候狀態(tài)進行準確預(yù)報預(yù)測的基石?！?/p>

在美國氣象學(xué)領(lǐng)域“考古”了20余年后，張紹晴本人也收獲滿滿。而出于對該領(lǐng)域高端領(lǐng)軍人才的需求，太平洋彼岸的祖國也正式向張紹晴發(fā)出邀請函。

區(qū)域天氣—氣候發(fā)展護航人

自古以來，人類社會的生產(chǎn)生活就離不開天氣和氣候。而如今，伴隨著國家對海洋經(jīng)濟經(jīng)濟發(fā)展的重視，習(xí)近平總書記明確指出：“要發(fā)展海洋科學(xué)技術(shù)，著力推動海洋科技向創(chuàng)新、引領(lǐng)型轉(zhuǎn)變?！弊鳛楹Ｑ蟠笫?，黨的十八大以來，山東以打造平臺、集聚海洋高端人才為突破口，引領(lǐng)海洋經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展。出于對高端、有國際影響力的領(lǐng)軍人才需求，青島海洋國家實驗室及中國海洋大學(xué)決定花重金從美國引入第一位天氣、氣候?qū)W領(lǐng)域研究的杰出專家張紹晴。

從2014年起，我國中國海洋大學(xué)副校長吳立新院士便頻頻到美國去拜訪張紹晴，希望他能回國加入我國的氣候研究大隊，為提升我國區(qū)域天氣、氣候預(yù)報水平保駕護航。面對吳院士的誠摯邀請，張紹晴最終下定了決心。他說:“國外這些年的生活對我來說太悠閑了，我很想回到國內(nèi)去看一看，為祖國的海洋事業(yè)出上自己的一份力?！?/p>

鍛煉身體，綠色環(huán)保、低碳出行是張紹晴的生活理念。

2016年年底，以“科技部國家重點專項”為契機，張紹晴以中國海洋大學(xué)和青島海洋國家實驗室雙職教授身份回到了國內(nèi)。在成為中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室氣候研究方面的帶頭人后，張紹晴將和其團隊，在實驗室原有的區(qū)域耦合天氣—氣候預(yù)報系統(tǒng)基礎(chǔ)上，運用由他開創(chuàng)的“耦合資料同化理論”“參數(shù)估計技術(shù)”，為我國建立起一套無縫隙的天氣—氣候預(yù)報系統(tǒng)，解決我國區(qū)域天氣、氣候預(yù)報中存在的10～30天延伸期預(yù)報難題。

另外，張紹晴還將負責青島海洋國家實驗室區(qū)域智慧地球系統(tǒng)同化模塊的核心建設(shè)。區(qū)域智慧地球系統(tǒng)涵蓋了大氣、海洋、海冰、陸面過程及生物化學(xué)過程等多分量，它的建設(shè)將為我國海洋強國和“一帶一路”的發(fā)展奠定更加穩(wěn)定的基石。

除了科研，張紹晴回國后肩負的另外一項使命便是為我國培養(yǎng)一批氣候研究專業(yè)人才。一方面，他希望能將多年的“耦合同化”研究心得傳授給學(xué)生；另外一方面，他將著重培養(yǎng)一批駕馭超級計算機的高級技術(shù)人才。對于為何培養(yǎng)這類的人才，張紹晴解釋道：“因為在氣候過程的研究中，動輒上萬億次的數(shù)值運算只有超級計算機才能完成。所以在接下來的研究計劃里，我會著重培養(yǎng)一批會使用超級計算機的人才。”

每天清晨，在通往中國海洋大學(xué)魚山校區(qū)的海邊公路上，總可以看到一個騎自行車的身影，這個人便是張紹晴。張紹晴是一個熱愛生活的人，為保持滿滿的科研戰(zhàn)斗力，長期以來他一直堅持騎自行車去上班。盡管回國后還有許多問題需要他去適應(yīng)和解決，但他始終樂觀地期待著，在祖國的藍天下，書寫新的傳奇。

專家簡介：張紹晴，美國氣象學(xué)領(lǐng)域耦合資料同化研究專家，現(xiàn)任中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室教授。因在大氣—海洋耦合資料同化和初始化研究方面所作出的杰出貢獻，曾榮獲美國國家海洋大氣管理局杰出研究論文獎、美國聯(lián)邦商業(yè)部研究和發(fā)展金牌獎。針對大氣—海洋耦合資料同化過程中存在的協(xié)調(diào)性與平衡性問題，以及全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)建設(shè)中所存在的問題，曾在Nature Communications、Journal of Climate等雜志上發(fā)表研究論文逾70篇。因在天氣、氣候研究方面取得杰出成就，曾受邀在英國里丁大學(xué)、挪威貝爾根大學(xué)、美國夏威夷大學(xué)、日本東京大學(xué)、北京大學(xué)物理學(xué)院、北京國際氣候論壇、首爾大學(xué)等多地開展學(xué)術(shù)演講和授課。2013年，作為美國海洋大氣管理局氣候預(yù)報系統(tǒng)的代表，其設(shè)計的“全球氣候耦合資料同化系統(tǒng)”參加聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第5次評估報告，被評為全球唯一能一致性描述年際到年代際變化的氣候預(yù)報系統(tǒng)。