張賀：自主創(chuàng)新地球系統(tǒng)模式

肖貞林

地球系統(tǒng)的數(shù)值模擬是21世紀(jì)新興的研究領(lǐng)域，與世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在該領(lǐng)域的科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)的長(zhǎng)期積累上仍存在一定差距，即便近些年“天河2號(hào)”“太湖之光”等超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)讓這一現(xiàn)狀得到了一定緩解，但關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人的局面還沒(méi)有得到根本性改變，基礎(chǔ)研究和重大源頭創(chuàng)新能力亟待進(jìn)步?！拔疫€是希望能夠建立屬于我們中國(guó)自己的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬的研發(fā)體系，不再受到別人的牽制?！敝袊?guó)科學(xué)院大氣物理研究所副研究員張賀如是說(shuō)。

氣象之子

“我從小就對(duì)氣象比較感興趣?！睆堎R在談到自己的研究方向的時(shí)候說(shuō)道，“小時(shí)候每天準(zhǔn)時(shí)觀看《新聞聯(lián)播》之后的天氣預(yù)報(bào)，每次都拿個(gè)小本本記錄各個(gè)省市的氣溫，時(shí)間長(zhǎng)了之后就基本了解每年各個(gè)月份，每個(gè)城市的氣溫大概是多少?！本褪沁@童年最初的興趣使張賀和大氣物理結(jié)下了不解之緣：從2002年做本科畢業(yè)論文開(kāi)始，此后的整整20年時(shí)間，他都投入氣候與環(huán)境的研究中。在1999年被保送北京大學(xué)攻讀核物理的時(shí)候，張賀對(duì)自己的專(zhuān)業(yè)是不太感興趣的：“因?yàn)槭潜Ｋ偷?，所以我選不了專(zhuān)業(yè)，當(dāng)時(shí)進(jìn)的是技術(shù)物理系下的核物理專(zhuān)業(yè)?！钡舱沁@個(gè)專(zhuān)業(yè)為張賀日后漫長(zhǎng)而持久的科研工作打下了扎實(shí)的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)。

2003年，以優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)的張賀決定繼續(xù)深造，變更專(zhuān)業(yè)前往中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大氣所”）研究大氣科學(xué)。因?yàn)閷?zhuān)業(yè)之間的差異性與壁壘，張賀時(shí)不時(shí)擔(dān)心自己會(huì)在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)上產(chǎn)生差錯(cuò)，但慶幸的是，大氣所的幾位導(dǎo)師都給了張賀十足的幫助。薛峰研究員是時(shí)任國(guó)際氣候與環(huán)境科學(xué)中心副主任，在得知張賀所學(xué)的是物理專(zhuān)業(yè)后便將他推薦給了曾存慶院士?！霸鎽c院士是我心中最優(yōu)秀的榜樣?！睆堎R回憶曾先生的時(shí)候說(shuō)道，“他很善于發(fā)現(xiàn)你的特長(zhǎng)，無(wú)論你是哪個(gè)專(zhuān)業(yè)的，他都能找到比較適合你的研究方向?！痹壬@樣善于用人的思想至今依然刻在張賀的腦海里，因材施教也成為他日后培養(yǎng)人才的準(zhǔn)則。

進(jìn)入大氣所以后，因?yàn)樽约涸跀?shù)學(xué)物理上的長(zhǎng)處，張賀便開(kāi)始接觸地球系統(tǒng)模式，這是一個(gè)將數(shù)學(xué)物理等公式或方程轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別并應(yīng)用的計(jì)算機(jī)程序。起初張賀對(duì)編程并不擅長(zhǎng)，但他自身對(duì)氣象的熱愛(ài)與使命感幫助他度過(guò)了這段學(xué)習(xí)時(shí)光。地球系統(tǒng)模式的研發(fā)是一個(gè)周期長(zhǎng)、成果產(chǎn)出慢的工作，但張賀下定決心開(kāi)展模式研發(fā)的工作，他在研究生二年級(jí)時(shí)參加了大氣所的博士研究生考試，并被順利錄取。經(jīng)過(guò)5年的理論公式推導(dǎo)、程序代碼編寫(xiě)和調(diào)試、大規(guī)模數(shù)值試驗(yàn)等枯燥而繁瑣的工作，張賀最終完成了大氣所系列大氣環(huán)流模式IAPAGCM 4.0的研發(fā)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了高緯靈活性跳點(diǎn)格式和協(xié)調(diào)的時(shí)間分解算法，在保證模式總有效能量守恒的前提下，大幅提高了模式的計(jì)算效率。攻讀博士期間，張賀曾到訪美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校，跟隨該校的導(dǎo)師完成了一年的學(xué)習(xí)，主要從事模式研發(fā)及評(píng)估的相關(guān)工作，也拓展了他在地球系統(tǒng)模式研發(fā)領(lǐng)域的國(guó)際視野。

張賀

地球?qū)嶒?yàn)員

2021年6月23日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”在北京懷柔科學(xué)城落成啟用。這是我國(guó)研制成功的首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)模擬大科學(xué)裝置。而張賀正是此次中國(guó)科學(xué)院地球系統(tǒng)模式CAS-ESM的核心研發(fā)成員——擔(dān)任“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”總工程師助理，作為團(tuán)隊(duì)核心成員主持了我國(guó)自主研制的地球系統(tǒng)模式CAS-ESM中各分量模式的耦合調(diào)試和模擬評(píng)估。

在張賀看來(lái)，相對(duì)于傳統(tǒng)的氣候系統(tǒng)模式，此次地球系統(tǒng)模式的成功建立是我國(guó)大氣科學(xué)乃至地球科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，它以地球系統(tǒng)各圈層數(shù)值模擬軟件為核心，軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，站在更為宏觀的視角，從全球的尺度分析地球五大圈層之間的相互作用，進(jìn)而推演地球的過(guò)去，觀察地球的現(xiàn)在，預(yù)測(cè)地球的未來(lái)。它將應(yīng)用于我國(guó)及“一帶一路”區(qū)域氣候?yàn)?zāi)害的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，為國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)及制定未來(lái)氣候變化應(yīng)對(duì)的國(guó)家戰(zhàn)略提供決策依據(jù)，同時(shí)還可以為氣候變化的國(guó)際談判提供科學(xué)支撐。

“這聽(tīng)上去和天氣預(yù)報(bào)很像，但天氣預(yù)報(bào)不是我們研究的重點(diǎn)，因?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)主要是由氣象局來(lái)發(fā)布的，我們關(guān)注的是時(shí)間尺度更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的地球變化。”張賀對(duì)CAS-ESM做了額外的補(bǔ)充，“例如未來(lái)10～100年的全球氣溫變化、海平面上升高度、冰川消融程度等?！?/p>

張賀作為CAS-ESM最為關(guān)鍵的核心研發(fā)人員，負(fù)責(zé)最棘手的分量模式耦合及優(yōu)化調(diào)試工作。他表示，工作是非常困難的，除了要解決技術(shù)上的難題，還要保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。上百萬(wàn)行的代碼都是一行行敲出來(lái)的，一點(diǎn)點(diǎn)的錯(cuò)誤都不能出，哪怕是打錯(cuò)了一個(gè)字母，程序都會(huì)出錯(cuò)?！俺鲥e(cuò)容易，但要找出出錯(cuò)的地方卻很難，”張賀感慨道，“有時(shí)候一個(gè)錯(cuò)誤找一兩個(gè)月都是正常的?！痹谒磥?lái)，這是一份相對(duì)枯燥也比較辛苦的工作，需要花費(fèi)非常多的時(shí)間和精力。

2015年9月，在張賀所在的團(tuán)隊(duì)攻克了計(jì)算不穩(wěn)定、氣候漂移等一系列技術(shù)難題后，CAS-ESM1.0發(fā)布。之后為提高模式性能，張賀帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開(kāi)展了數(shù)千次的數(shù)值積分試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)模式誤差來(lái)源的深入剖析，持續(xù)對(duì)模式物理方案及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。歷經(jīng)近5年努力，張賀及其團(tuán)隊(duì)于2020年1月完成了新一代CAS-ESM2.0的定型，并完成了第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃CMIP6的相關(guān)模擬試驗(yàn)。相比CAS-ESM1.0，CASESM2.0在大氣模式、海洋模式、陸面模式、植被動(dòng)力學(xué)模式、耦合器等分量模式的關(guān)鍵算法及物理參數(shù)化方面都有了顯著的改進(jìn)，尤其對(duì)當(dāng)代氣候有較好的模擬能力，如全球輻射平衡、20世紀(jì)全球增暖趨勢(shì)、ENSO的周期和振幅、海冰的季節(jié)變化等，能夠準(zhǔn)確地模擬大氣及海洋的經(jīng)向熱輸送及大西洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流的垂直廓線。

新時(shí)代領(lǐng)航者

“在模擬器立項(xiàng)之前，我們的整體水平還是比歐美落后大概8～10年，但現(xiàn)在我們的差距已經(jīng)越來(lái)越小了，在模擬器建成之后，我們已經(jīng)能達(dá)到相關(guān)領(lǐng)域并跑甚至領(lǐng)先的水平了?！睆堎R對(duì)于當(dāng)前地球模擬系統(tǒng)的建立是相當(dāng)自豪和滿意的。20世紀(jì)80年代，氣候的數(shù)值模擬在中國(guó)剛剛起步，那時(shí)我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平落后了世界一大截，氣候模式的計(jì)算只能依賴(lài)發(fā)達(dá)國(guó)家淘汰的計(jì)算機(jī)。同樣的計(jì)算內(nèi)容，發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)計(jì)算機(jī)一天能完成的工作放在我國(guó)要算上三四天，研究速度與研究效率都受到了極大的束縛。此外，高精尖核心技術(shù)的缺失也是氣候模式發(fā)展緩慢的重要原因之一。高性能的計(jì)算機(jī)與算法技術(shù)大量依賴(lài)進(jìn)口，以“技術(shù)引進(jìn)—消化吸收—再創(chuàng)新”為主的科研體系在一定程度上幫助我國(guó)氣象科研工作者跟上國(guó)際步伐，但卻在尖端科技領(lǐng)域處處碰壁，以美國(guó)為首的部分西方國(guó)家對(duì)中國(guó)實(shí)施長(zhǎng)期的技術(shù)封鎖，禁止超級(jí)計(jì)算機(jī)等高精尖產(chǎn)品的買(mǎi)賣(mài)，中國(guó)一直在被外國(guó)卡住科研的喉嚨。

但艱難的時(shí)光不會(huì)一直持續(xù)下去，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，除了計(jì)算機(jī)整體計(jì)算能力的提高，還出現(xiàn)了“神威·太湖之光”等世界頂尖超級(jí)計(jì)算機(jī)，這為地球系統(tǒng)模式的自主研發(fā)打下了硬件基礎(chǔ)。而隨著國(guó)家對(duì)地球系統(tǒng)模式發(fā)展與氣候變化領(lǐng)域重視程度的與日俱增，研發(fā)屬于中國(guó)人自己的地球系統(tǒng)模式的任務(wù)就顯得日益急迫起來(lái)。就在此時(shí)，張賀與他的團(tuán)隊(duì)臨危受命，接下了這個(gè)關(guān)鍵而緊急的任務(wù)。

“一定要走自主研發(fā)的道路，所有代碼一定要自己寫(xiě)?！睆堎R強(qiáng)調(diào)，“一旦走上自主研發(fā)的道路，地球系統(tǒng)模式將不受外國(guó)的任何影響，不受外國(guó)的任何牽制，中國(guó)將發(fā)展的都是屬于自己的東西，再也不用懼怕外國(guó)的技術(shù)封鎖?！?/p>

從0到1的過(guò)程是異常艱辛的，地球系統(tǒng)模式的研發(fā)周期較長(zhǎng)，出成果較慢，研究的人也相對(duì)比較少。但張賀與他的團(tuán)隊(duì)選擇了堅(jiān)持，在他看來(lái)，這是一種科研工作者特有的傳承，是帶有浪漫主義色彩的夢(mèng)想。因?yàn)樵O(shè)備落后而無(wú)法繼續(xù)完成任務(wù)的前輩們的遺憾將由新時(shí)代的青年接過(guò)，繼續(xù)一步一個(gè)腳印地將中國(guó)氣象向前推進(jìn)，CAS-ESM將不止會(huì)有1.0、2.0，還會(huì)不斷研發(fā)更加完善、更加精細(xì)的3.0、4.0，它將像手機(jī)一樣去不斷地更新?lián)Q代。

“我們的模式在某些地方可能比國(guó)外稍顯落后，但是我們還是希望能夠通過(guò)自主研發(fā)的方式，擺脫國(guó)外的牽制，通過(guò)一代代中國(guó)氣象人的不懈努力，帶領(lǐng)中國(guó)的氣象事業(yè)到達(dá)世界領(lǐng)先的水平?！闭勂餋AS-ESM的未來(lái)，張賀的眼神里充滿了希望。