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)國家相比，我國在該領(lǐng)域的科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)的長期積累上仍存在一定差距，即便近些年“天河2號”“太湖之光”等超級計(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。“我還是希望能夠建立屬于我們中國自己的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬的研發(fā)體系，不再受到別人的牽制?！敝袊茖W(xué)院大氣物理研究所副研究員張賀如是說。

氣象之子

“我從小就對氣象比較感興趣?！睆堎R在談到自己的研究方向的時候說道，“小時候每天準(zhǔn)時觀看《新聞聯(lián)播》之后的天氣預(yù)報(bào)，每次都拿個小本本記錄各個省市的氣溫，時間長了之后就基本了解每年各個月份，每個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)論文開始，此后的整整20年時間，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)攻讀核物理的時候，張賀對自己的專業(yè)是不太感興趣的：“因?yàn)槭潜Ｋ偷模晕疫x不了專業(yè)，當(dāng)時進(jìn)的是技術(shù)物理系下的核物理專業(yè)?！钡舱沁@個專業(yè)為張賀日后漫長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)異成績畢業(yè)的張賀決定繼續(xù)深造，變更專業(yè)前往中國科學(xué)院大氣物理研究所（以下簡稱“大氣所”）研究大氣科學(xué)。因?yàn)閷I(yè)之間的差異性與壁壘，張賀時不時擔(dān)心自己會在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)上產(chǎn)生差錯，但慶幸的是，大氣所的幾位導(dǎo)師都給了張賀十足的幫助。薛峰研究員是時任國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心副主任，在得知張賀所學(xué)的是物理專業(yè)后便將他推薦給了曾存慶院士。“曾存慶院士是我心中最優(yōu)秀的榜樣?！睆堎R回憶曾先生的時候說道，“他很善于發(fā)現(xiàn)你的特長，無論你是哪個專業(yè)的，他都能找到比較適合你的研究方向。”曾先生這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)物理上的長處，張賀便開始接觸地球系統(tǒng)模式，這是一個將數(shù)學(xué)物理等公式或方程轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識別并應(yīng)用的計(jì)算機(jī)程序。起初張賀對編程并不擅長，但他自身對氣象的熱愛與使命感幫助他度過了這段學(xué)習(xí)時光。地球系統(tǒng)模式的研發(fā)是一個周期長、成果產(chǎn)出慢的工作，但張賀下定決心開展模式研發(fā)的工作，他在研究生二年級時參加了大氣所的博士研究生考試，并被順利錄取。經(jīng)過5年的理論公式推導(dǎo)、程序代碼編寫和調(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)域的國際視野。

地球?qū)嶒?yàn)員

2021年6月23日，國家重大科技基礎(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。這是我國研制成功的首個具有自主知識產(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)試和模擬評估。

在張賀看來，相對于傳統(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)，通過超級計(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)而推演地球的過去，觀察地球的現(xiàn)在，預(yù)測地球的未來。它將應(yīng)用于我國及“一帶一路”區(qū)域氣候?yàn)?zāi)害的實(shí)時預(yù)報(bào)，為國家防災(zāi)減災(zāi)及制定未來氣候變化應(yīng)對的國家戰(zhàn)略提供決策依據(jù)，同時還可以為氣候變化的國際談判提供科學(xué)支撐。

“這聽上去和天氣預(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)主要是由氣象局來發(fā)布的，我們關(guān)注的是時間尺度更為長遠(yuǎn)的地球變化?！睆堎R對CAS-ESM做了額外的補(bǔ)充，“例如未來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。上百萬行的代碼都是一行行敲出來的，一點(diǎn)點(diǎn)的錯誤都不能出，哪怕是打錯了一個字母，程序都會出錯?！俺鲥e容易，但要找出出錯的地方卻很難，”張賀感慨道，“有時候一個錯誤找一兩個月都是正常的?！痹谒磥?，這是一份相對枯燥也比較辛苦的工作，需要花費(fèi)非常多的時間和精力。

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)并開展了數(shù)千次的數(shù)值積分試驗(yàn)，通過對模式誤差來源的深入剖析，持續(xù)對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，CAS-ESM2.0在大氣模式、海洋模式、陸面模式、植被動力學(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、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)值模擬在中國剛剛起步，那時我國高性能計(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)算只能依賴發(fā)達(dá)國家淘汰的計(jì)算機(jī)。同樣的計(jì)算內(nèi)容，發(fā)達(dá)國家先進(jìn)計(jì)算機(jī)一天能完成的工作放在我國要算上三四天，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氣象科研工作者跟上國際步伐，但卻在尖端科技領(lǐng)域處處碰壁，以美國為首的部分西方國家對中國實(shí)施長期的技術(shù)封鎖，禁止超級計(jì)算機(jī)等高精尖產(chǎn)品的買賣，中國一直在被外國卡住科研的喉嚨。

但艱難的時光不會一直持續(xù)下去，進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的計(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)。而隨著國家對地球系統(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)屬于中國人自己的地球系統(tǒng)模式的任務(wù)就顯得日益急迫起來。就在此時，張賀與他的團(tuán)隊(duì)臨危受命，接下了這個關(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?！睆堎R強(qiáng)調(diào)，“一旦走上自主研發(fā)的道路，地球系統(tǒng)模式將不受外國的任何影響，不受外國的任何牽制，中國將發(fā)展的都是屬于自己的東西，再也不用懼怕外國的技術(shù)封鎖?！?/p>

從0到1的過程是異常艱辛的，地球系統(tǒng)模式的研發(fā)周期較長，出成果較慢，研究的人也相對比較少。但張賀與他的團(tuán)隊(duì)選擇了堅(jiān)持，在他看來，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想。因?yàn)樵O(shè)備落后而無法繼續(xù)完成任務(wù)的前輩們的遺憾將由新時代的青年接過，繼續(xù)一步一個腳印地將中國氣象向前推進(jìn)，CAS-ESM將不止會有1.0、2.0，還會不斷研發(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外稍顯落后，但是我們還是希望能夠通過自主研發(fā)的方式，擺脫國外的牽制，通過一代代中國氣象人的不懈努力，帶領(lǐng)中國的氣象事業(yè)到達(dá)世界領(lǐng)先的水平?！闭勂餋AS-ESM的未來，張賀的眼神里充滿了希望?？?/p>

（責(zé)編：蘇寒山）3CE9BC42-4A6E-415B-996C-0BE41FB7771D