楊明祥：水利氣象大有可為

衛(wèi)婷婷

古時(shí)候，科技不發(fā)達(dá)，“雷公”“電母”就是大自然實(shí)時(shí)的天氣預(yù)報(bào)員。如今，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的興起，人們不僅可以在幾個(gè)小時(shí)前，甚至可以在幾天前預(yù)見(jiàn)未來(lái)的氣象。氣象為什么這么重要？因?yàn)樽怨乓詠?lái)，它就和人們的出行、采購(gòu)、安全等息息相關(guān)。如今，各行各業(yè)都關(guān)注氣象，并研發(fā)了相關(guān)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所氣候變化與水資源研究室主任楊明祥，就帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了流域降水預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)等，為推動(dòng)我國(guó)水利氣象事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)了力所能及的力量。

一波三折成就水利氣象人生

在外人眼里，楊明祥一直是“別人家的孩子”，勤奮踏實(shí)，成績(jī)優(yōu)異。但他其實(shí)也經(jīng)歷過(guò)挫折，幸運(yùn)的是，踏過(guò)荊棘鋪就的道路后，他最終進(jìn)入水利工程領(lǐng)域，為中國(guó)水利工程建設(shè)作貢獻(xiàn)的同時(shí)，綻放出生命的光芒。

楊明祥出身軍人家庭，“聽(tīng)我母親說(shuō)，我的姥爺是老八路，抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，為了掩護(hù)村民撤退被俘，后來(lái)家人發(fā)現(xiàn)他的時(shí)候，手指斷了，牙也沒(méi)了，身上還有烙鐵的印記?！边@件事對(duì)楊明祥的觸動(dòng)很大，長(zhǎng)大后，他立志為國(guó)作貢獻(xiàn)，先是參軍，后是報(bào)考空軍飛行員，結(jié)果都因?yàn)榻暥葦?shù)太高，最終沒(méi)能如愿。

楊明祥

但楊明祥報(bào)國(guó)的理想并沒(méi)有熄滅。既然不能靠參軍報(bào)國(guó)，那就另尋他路。對(duì)理想的堅(jiān)定和執(zhí)著，讓他很快找到了新的目標(biāo)。因?yàn)閺男∥锢沓煽?jī)優(yōu)異，楊明祥有了要當(dāng)一名核物理研究人員的理想，但因?yàn)楦呖冀舆B失利，他最終選擇進(jìn)入南昌航空工業(yè)學(xué)院軟件工程專業(yè)。為了有朝一日能實(shí)現(xiàn)最初的夢(mèng)想，他不懈努力，“那個(gè)時(shí)候，學(xué)校很熱，來(lái)上自習(xí)的最多四五個(gè)人，最少一個(gè)。”而楊明祥就是那個(gè)雷打不動(dòng)，天天準(zhǔn)時(shí)上自習(xí)的人。刻苦學(xué)習(xí)讓他獲得了豐厚的回報(bào)。大學(xué)4年，他拿了3個(gè)一等獎(jiǎng)學(xué)金，1個(gè)二等獎(jiǎng)學(xué)金，1個(gè)國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，1個(gè)優(yōu)秀畢業(yè)生稱號(hào)，幾乎所有能拿的獎(jiǎng)都拿了。刻苦努力的時(shí)候，楊明祥腦海里只有一個(gè)念想，就是考上研究生后好轉(zhuǎn)專業(yè)。

然而因?yàn)閷W(xué)科跨度太大，楊明祥離最初的夢(mèng)想漸行漸遠(yuǎn)，他最終也學(xué)會(huì)了換個(gè)角度重新審視命運(yùn)的安排，“三百六十行，行行出狀元。無(wú)論從事的是什么行業(yè)，只要肯努力，就一定能為國(guó)作貢獻(xiàn)?！奔词购兔\(yùn)斗爭(zhēng)不過(guò)，也可以在另一個(gè)領(lǐng)域從容生活，楊明祥擁有這種能力——無(wú)論做什么都要做到極致，他雖然不喜歡軟件工程專業(yè)，但卻是當(dāng)時(shí)整個(gè)年級(jí)編程學(xué)得最好的同學(xué)之一。

憑借出色表現(xiàn)，本科畢業(yè)后，楊明祥考上西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院研究生，師從解建倉(cāng)教授學(xué)習(xí)水文水資源專業(yè)，主要研究方向?yàn)樗畔⒒?年之后，他又以全年級(jí)第一名的成績(jī)考上清華大學(xué)博士。2012年9月—2015年7月，他就讀于清華大學(xué)水利水電工程系（與中國(guó)水利水電科學(xué)研究院聯(lián)合培養(yǎng)），師從王浩院士、王忠靜教授、蔣云鐘教高，主要研究方向?yàn)闅庀笏念A(yù)報(bào)，從此與水利氣象事業(yè)結(jié)下了情緣。

水木清華，鐘靈毓秀。在清華大學(xué)導(dǎo)師的熏陶和啟迪之下，楊明祥的研究越深入，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的探索欲望越強(qiáng)烈。博士期間，他幾乎每天都是凌晨2點(diǎn)睡覺(jué)，早上5:30起床，奔忙于清華大學(xué)和中國(guó)水利水電科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱“水科院”）之間。攻讀博士學(xué)位的最后一年，因?yàn)橐獪?zhǔn)備論文，為了搶占清華圖書(shū)館座位，住在水科院的楊明祥常常早上5點(diǎn)多就出門，然后騎車到清華學(xué)習(xí)，一整年風(fēng)雨無(wú)阻。汗水澆灌換來(lái)豐收碩果，博士畢業(yè)后，楊明祥成為清華大學(xué)極少數(shù)3年就能博士畢業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生。

萬(wàn)丈高樓平地起，求學(xué)期間的刻苦努力為楊明祥打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2015年博士畢業(yè)后，他選擇留在水科院水資源研究所從事氣候變化、智慧水務(wù)、氣象水文預(yù)報(bào)等方面的研究工作。如今，楊明祥已經(jīng)成為氣候變化與水資源研究室主任，自2020年10月起，掛任三峽集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院水資源高效利用技術(shù)研究中心副主任。期間，他作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或技術(shù)骨干先后參與完成國(guó)家自然科學(xué)基金、科技支撐、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等科研項(xiàng)目40余項(xiàng)，相關(guān)科研成果獲大壩工程學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)1次，大禹水利科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1次、二等獎(jiǎng)1次，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)2次；作為主要完成人提出的“變化環(huán)境下氣象水文預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)”被水利部鑒定為國(guó)際領(lǐng)先，相關(guān)核心技術(shù)在黃河、長(zhǎng)江等大江大河得到了推廣應(yīng)用；作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或技術(shù)骨干編制了《北京水務(wù)信息化頂層設(shè)計(jì)》《北京城市副中心智慧水務(wù)頂層設(shè)計(jì)》等報(bào)告；2017年入選中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程；公開(kāi)發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，出版專著6部，獲得發(fā)明專利20余項(xiàng)、軟件著作權(quán)20余項(xiàng)。

從最初一名胸懷核物理研究夢(mèng)想的有志青年，到刻苦努力最終找到人生航向的水利氣象研究工作者，歷經(jīng)本科時(shí)期的計(jì)算機(jī)軟件工程學(xué)習(xí)、碩士時(shí)期的水利信息化研究、博士時(shí)期的氣象水文工作，雖然過(guò)程一波三折，但也意外成就了楊明祥別樣的科研人生。將這些交叉學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通于水利氣象研究中，他成長(zhǎng)為一名復(fù)合型人才。

初涉項(xiàng)目奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

非常幸運(yùn)，楊明祥留在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院接觸的第一個(gè)項(xiàng)目，就為水利領(lǐng)域帶來(lái)了一個(gè)突破性成果。

這一項(xiàng)目是雅礱江流域的項(xiàng)目，楊明祥和團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)為雅礱江流域提供氣象水文的一體化預(yù)報(bào)。當(dāng)時(shí)，雅礱江流域主要基于監(jiān)測(cè)站來(lái)做調(diào)度計(jì)劃，如此一來(lái)，就存在一個(gè)顯而易見(jiàn)的弊端：預(yù)見(jiàn)期短，多數(shù)斷面的預(yù)見(jiàn)期只有幾個(gè)小時(shí)，這對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)和興利調(diào)度都是極為不利的。

楊明祥深知，這一現(xiàn)狀已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)頑疾，必須著手解決。雖然初出茅廬，但憑借著扎實(shí)的基礎(chǔ)和一股拼搏干勁，最終，他成功地將氣象預(yù)報(bào)信息加進(jìn)水文預(yù)報(bào)中，使水文預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期延長(zhǎng)到了3～7天。然而，這個(gè)想法在實(shí)踐過(guò)程中也遇到了很多問(wèn)題。

首先是氣象預(yù)報(bào)模型的本地化。當(dāng)時(shí)，項(xiàng)目組用的是美國(guó)氣象模型——中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型（WRF）。這套模型剛剛面世不久，全國(guó)將此模型應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中的人也還很少，所以引進(jìn)陌生的模型時(shí)，“拿過(guò)來(lái)之后才發(fā)現(xiàn)效果不太好”。

然而這一問(wèn)題只能自己解決。楊明祥發(fā)現(xiàn)，美國(guó)模型是根據(jù)自己國(guó)家特點(diǎn)研制的，但雅礱江流域受地形等影響，整個(gè)天氣系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此這套模型一開(kāi)始并不適用。為了讓模型更加符合雅礱江流域的特點(diǎn)，楊明祥和團(tuán)隊(duì)對(duì)模型進(jìn)行了本地化改進(jìn)。一是將模型所用的地形分辨率從900米改成30米，精細(xì)地形數(shù)據(jù)，引入更多的地形信息；二是更新植被等數(shù)據(jù)信息。“美國(guó)模型里用的是全球數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)特定的流域來(lái)說(shuō)不夠精確和精細(xì)，所以我們就做了改進(jìn)?！?/p>

然而，精細(xì)化數(shù)據(jù)引進(jìn)之后，模型雖然有改進(jìn)，但是效果還是不太明顯，“沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)，距離實(shí)際應(yīng)用還差了很大一截”。這讓楊明祥有些苦惱，但他并沒(méi)有氣餒，他說(shuō)：“預(yù)報(bào)是水庫(kù)調(diào)度的信號(hào)燈，如果預(yù)報(bào)沒(méi)做好，影響效益是其一，如果影響到安全就是大事，所以必須打起精神，繼續(xù)做改進(jìn)?！?/p>

在仔細(xì)梳理一番后，楊明祥及其團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為，雅礱江流域的降水預(yù)報(bào)模型需要特別設(shè)計(jì)，因?yàn)椤斑@個(gè)地區(qū)的氣象系統(tǒng)十分多變，降水成因復(fù)雜，今天用得好的參數(shù)化方案到明天可能就不是最優(yōu)的了”。從實(shí)際情況出發(fā)，他們最終提出了一個(gè)基于天氣形勢(shì)索引的動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案。

這個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？楊明祥介紹說(shuō)：“因?yàn)檠诺a江氣象復(fù)雜，如果只采取一套參數(shù)化方案，必然會(huì)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)，所以我們采取多套方案，可以在預(yù)報(bào)前，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析現(xiàn)在的大氣形勢(shì)，然后根據(jù)大氣形勢(shì)動(dòng)態(tài)地選擇提前備好的參數(shù)化方案，以此有針對(duì)性地做預(yù)報(bào)。”

事實(shí)證明，團(tuán)隊(duì)一年的心血并沒(méi)有白費(fèi)，整個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)較好地滿足了業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。不僅如此，經(jīng)相關(guān)專家鑒定，項(xiàng)目的技術(shù)部分完成得十分出色，相關(guān)成果“變化環(huán)境下氣象水文預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)”也獲得大禹水利科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)榮譽(yù)。

雅礱江的項(xiàng)目，給了楊明祥極大的自信和鼓舞，后來(lái)，他繼續(xù)精進(jìn)氣象水文預(yù)報(bào)技術(shù)，并將研究對(duì)象從流域短期尺度擴(kuò)大到中長(zhǎng)期尺度，將預(yù)見(jiàn)期從7天延長(zhǎng)到一年。在徑流預(yù)報(bào)方面，他和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的模型還可以根據(jù)大氣環(huán)流、海溫、海冰等指標(biāo)來(lái)判斷流域一年的情況，雖然“不是非常精細(xì)的，是趨勢(shì)性的”，但也得到了水利部相關(guān)部門的高度認(rèn)可。

楊明祥

厲兵秣馬踏入“雙碳”戰(zhàn)場(chǎng)

2020年，在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間，中國(guó)提出將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)二氧化碳排放于2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。承諾一出，全國(guó)上下開(kāi)始為零碳排放的目標(biāo)做準(zhǔn)備。楊明祥所在的氣候變化研究室，也立刻響應(yīng)中央號(hào)召，因地制宜，開(kāi)展南水北調(diào)碳中和研究。

南水北調(diào)工程，不少人對(duì)其都已經(jīng)耳熟能詳，然而，要問(wèn)它在碳中和政策下扮演什么角色，可能并不是所有人都清楚。楊明祥解釋說(shuō)，南水北調(diào)中線的輸水方式和東線的不一樣，中線水源地的高程高于北京，丹江口一開(kāi)閘，水會(huì)自動(dòng)流到北京，輸水過(guò)程全程不需要耗能。但是南水北調(diào)東線不一樣，東線是利用13個(gè)梯級(jí)30多座大型泵站從長(zhǎng)江口江都泵站提水，然后一級(jí)一級(jí)地往北供給山東、天津，總揚(yáng)程65m，總裝機(jī)容量36.62萬(wàn)kw，因?yàn)榈貏?shì)是南低北高，所以它的輸水成本和水價(jià)比較高，但是其受水區(qū)又多是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，所以水價(jià)問(wèn)題，特別是輸水成本問(wèn)題，就成為制約南水北調(diào)東線發(fā)揮效益的一個(gè)重要因素。

除了輸水成本及水價(jià)較高，對(duì)于這個(gè)高耗能的工程，如何減排也是一個(gè)問(wèn)題。那么如何在降低成本的同時(shí)降低碳排放呢？楊明祥團(tuán)隊(duì)想出一個(gè)妙招：用沿線風(fēng)、光電資源進(jìn)行調(diào)水。

這種方案可行嗎？很多人都在心里打了一個(gè)大大的問(wèn)號(hào)?！笆聦?shí)上，我們提出這個(gè)設(shè)想之后，確實(shí)有很多人提出了疑問(wèn)，第一個(gè)疑問(wèn)是沿線有足夠的風(fēng)、光資源嗎？第二個(gè)疑問(wèn)是風(fēng)電、光電經(jīng)常被稱為‘垃圾電’，出力的波動(dòng)性較大，是不是能夠滿足調(diào)水的要求？第三個(gè)疑問(wèn)是成本問(wèn)題，最終到底能不能降低調(diào)水成本？”楊明祥及團(tuán)隊(duì)當(dāng)然也清楚工程建議的提出意味著什么，所以在提出建議之前，他們已經(jīng)做了大量的調(diào)研，研究的數(shù)據(jù)可以“很完美地回答這些問(wèn)題”。

第一，他們對(duì)南水北調(diào)東線沿線，特別是風(fēng)資源進(jìn)行了調(diào)研、評(píng)估，發(fā)現(xiàn)風(fēng)資源非常豐富，特別是江蘇，風(fēng)資源完全可以支撐工程用電，目前已經(jīng)有一篇論文見(jiàn)刊；

第二，就是不穩(wěn)定的電怎么利用？“東線可以利用‘長(zhǎng)藤接瓜’式的調(diào)水線路，借助天然湖泊調(diào)蓄，解決因出力波動(dòng)帶來(lái)的水流波動(dòng)問(wèn)題?！焙?jiǎn)單來(lái)說(shuō)，沿線有很多天然的湖泊，可以充當(dāng)儲(chǔ)水池，這樣風(fēng)電雖然是不穩(wěn)定的，但是借助湖泊的調(diào)蓄，就可以將不穩(wěn)定的進(jìn)水調(diào)整為穩(wěn)定的出水；

第三，就是到底能不能降成本？楊明祥團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了評(píng)估，如果用風(fēng)電去抽水，可以把調(diào)水成本降低50%以上，且工程投入大概能在5～8年回本。而且這樣做還有一個(gè)好處：南水北調(diào)東線一些泵站可以正向抽水、反向發(fā)電，那么只要有風(fēng)就抽水，如果水抽多了可以利用多余的水發(fā)電，這樣總體的效果是既沒(méi)有耗費(fèi)大電網(wǎng)的電力，最后反而給大電網(wǎng)貢獻(xiàn)電。

鉆研核心技術(shù)，大膽創(chuàng)新，將科研成果寫在祖國(guó)大地上，這就是水利人對(duì)中央號(hào)召的回應(yīng)。“我覺(jué)得做碳減排研究工作很有意義，結(jié)合國(guó)家的需求，可以更好地實(shí)現(xiàn)我們的人生價(jià)值。”提到未來(lái)即將開(kāi)展的項(xiàng)目，楊明祥開(kāi)心地笑了，他很期待未來(lái)的這一段征程，因?yàn)樗呀?jīng)做好準(zhǔn)備，信心滿滿地等待著踏上碳中和的戰(zhàn)場(chǎng)。