把地球“裝進(jìn)”計算機(jī)

祁可晴

一直以來，從核爆炸模擬、油藏模擬，到極端天氣預(yù)報等，高性能計算始終守護(hù)著國家的安全和安寧，甚至成為衡量一個國家綜合實(shí)力的基準(zhǔn)之一，它與航天技術(shù)、航母制造等尖端技術(shù)一樣，被視為是國家實(shí)力的象征。

高性能計算（High?Performance?Computing，簡稱HPC），指使用大量處理器單元或者某一個集群中的多臺計算機(jī)來完成復(fù)雜、海量計算任務(wù)的計算機(jī)系統(tǒng)和環(huán)境。HPC也被視為計算機(jī)科學(xué)與工程的“皇冠”，在生命科學(xué)、地球科學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、生物制藥、基因測序、圖像處理等多種學(xué)科領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

來自中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院的副教授胡才博，正是一位使用HPC研究地球地震、構(gòu)造的科研工作者。他期待通過自己的研究讓科學(xué)界和社會大眾更好地了解地球的真實(shí)面貌，感受地球的魅力。

探索地球

胡才博的大學(xué)4年過得很快樂，他讀的是自己感興趣的專業(yè)——地球物理，跟隨老師參加社會實(shí)踐和野外勘探，更是給了他直觀地感受地球、認(rèn)識地球的機(jī)會。同時，胡才博對自己也很嚴(yán)格，他認(rèn)真學(xué)習(xí)如何寫程序代碼，掌握了許多知識，得到了不小的鍛煉，取得了優(yōu)異的成績。但在胡才博的心中，始終有一個小小的遺憾。

“我高考的目標(biāo)是北京大學(xué)，但是沒能如愿，最后選擇了中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）?！痹谥袊刭|(zhì)大學(xué)（武漢）（下簡稱“地大”）4年的時光里，地大的校訓(xùn)“艱苦樸素，求真務(wù)實(shí)”深深地鼓舞著胡才博繼續(xù)勇攀科學(xué)高峰。在地大的最后一年，胡才博決定報考北京大學(xué)地球物理專業(yè)的研究生，實(shí)現(xiàn)自己的夢想。

功夫不負(fù)有心人。2003年，胡才博如愿以償考入北京大學(xué)地球物理專業(yè)，碩博連讀，他的專業(yè)方向也有了一些變化。“北大地球物理和地大地球物理相比，有較大的差異，地大的地球物理當(dāng)時主要偏向工程實(shí)踐，而北大的地球物理則主要關(guān)注地球深部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜動力學(xué)過程等理論性問題?！?/p>

來到北京大學(xué)后，胡才博系統(tǒng)學(xué)習(xí)了許多關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地球動力學(xué)的相關(guān)知識，尤其是彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流體力學(xué)等力學(xué)課程。除了理論知識的提升外，在計算機(jī)編程方面，胡才博自主開發(fā)了一些有限元程序，包括：二維、三維，彈性、熱彈性、孔隙彈性、黏彈性、彈塑性、黏塑性、黏彈塑性，連續(xù)模型、非連續(xù)模型，多物理場耦合等，大大提升了他的計算機(jī)編程能力。

“我很感謝北大的導(dǎo)師蔡永恩教授，他非常負(fù)責(zé)任，手把手教我如何寫程序，我們經(jīng)常在組會上討論研究中的問題，他給了我很多肯定和鼓勵，無條件地支持我，還十分注重培養(yǎng)我嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度，讓我受益匪淺。”2009年，胡才博順利博士畢業(yè)，之后他繼續(xù)在北京大學(xué)開展了兩年的博士后工作。

回望在北京大學(xué)的8年時間，胡才博心里有許多的感慨，這是一段令人難忘的成長經(jīng)歷，也讓他堅(jiān)定了繼續(xù)學(xué)習(xí)、開闊眼界的決心。胡才博兩次前往美國高校進(jìn)行訪學(xué)，他先后在美國密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校地質(zhì)學(xué)系和美國肯塔基大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系進(jìn)行訪學(xué)，分別師從劉勉教授和王振明教授。這兩次訪問，開闊了胡才博的學(xué)術(shù)眼界，提升了他對地球科學(xué)的興趣和熱情。

低谷中新生

2013年到2018年對胡才博來說是低谷的6年。在這段時間里，很多瑣碎的事情交織在一起，讓他集中不了精力，研究進(jìn)展緩慢，成果也比較少，但胡才博并沒有因此放棄。

2018年，胡才博的科研之路迎來了曙光。他主持了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃的子課題研究，主要參與三維陸地冰蓋有限元數(shù)值模擬程序開發(fā)及應(yīng)用，研究了祁連山地區(qū)的現(xiàn)代冰川消融會對祁連山地區(qū)產(chǎn)生的影響。自工業(yè)革命以來，與人類活動密切相關(guān)的全球氣候變化正在加速冰川消融。因此，胡才博選擇研究現(xiàn)代冰川消融、消失對地表變形產(chǎn)生的時空變化這一具有理論和現(xiàn)實(shí)意義的課題，期待以自身研究尋找相關(guān)問題的答案。

在研究中，胡才博建立了祁連山地區(qū)一條典型地質(zhì)剖面的二維平面應(yīng)變麥克斯韋（Maxwell）黏彈性有限元模型，研究1956—2106年間，在冰川不斷消融引起的地表載荷和兩側(cè)地塊的不斷構(gòu)造擠壓作用下，祁連山地區(qū)地表變形、地應(yīng)力的時空演化，定量評估研究區(qū)域主要斷層帶的地震危險性的時空變化。

胡才博說：“這個項(xiàng)目是我?guī)е业牡谝粋€研究生一起做的，時間很充裕，我?guī)缀跆焯旌退懻?。他進(jìn)步很大，我的進(jìn)步也很大，我們一起把我原來做的工作進(jìn)行了非常系統(tǒng)的總結(jié)，也做了很多具體的地球科學(xué)的工作?！?/p>

在胡才博的低谷期，中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會主席石耀霖院士和實(shí)驗(yàn)室主任張懷教授給了他很多關(guān)心和幫助。胡才博說：“從2016年開始，我跟著石老師和張老師做項(xiàng)目，參與國家重大項(xiàng)目，讓我得到了巨大的提升。此外，石老師還帶領(lǐng)我嘗試月球、火星相關(guān)領(lǐng)域的新研究。”

就這樣，胡才博的研究范圍從地球擴(kuò)展到了月球。月球作為地球的衛(wèi)星，一直受到各界科學(xué)家的關(guān)注。月球淺表的溫度變化特征是月球探測的重要內(nèi)容之一，與其相關(guān)的變形和熱應(yīng)力的時空分布對于熱事件月震的成因更有至關(guān)重要的作用。

特別是隨著對類探月的月壤樣品和各種觀測數(shù)據(jù)的分析和研究，科學(xué)家對熱月震的時空分布和月壤的熱-彈性性質(zhì)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，為之后定量研究月球淺表的熱月震和熱事件的動力學(xué)機(jī)制奠定了較好的基礎(chǔ)。

“我建立的是二維模型，但材料參數(shù)和邊界條件是一維的，與月表附近的月巖跟月壤的熱-彈性參數(shù)有很大的區(qū)別，因此，建立二維模型，甚至三維模型是非常必要的，這會是未來進(jìn)一步探究月表附近的熱月震的重要方向之一?！焙挪χ蟮难芯砍錆M了期待。

自2018年以來，胡才博及其學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)在《地球科學(xué)前沿》（Frontiers?in?Earth?Science）、《國際地球物理學(xué)雜志》（Geophysical?Journal?International）、《中國科學(xué)：地球科學(xué)》等國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文12篇。

太極之道

胡才博年輕的時候喜歡打太極拳，在北京大學(xué)讀書的時候，他還加入了太極拳協(xié)會，擔(dān)任協(xié)會會長。不難看出，他十分認(rèn)同太極的文化和理念，這些理念也貫穿了他生活的方方面面。

在那段很長的低谷期里，胡才博開始嘗試寫詩，經(jīng)?；叵脒^去練習(xí)太極拳時對太極的感悟，慢慢排解心中的壓力。“詩一開始是胡亂寫的，后來慢慢學(xué)習(xí)平仄押韻，寫得更好一些了?，F(xiàn)在還會去參加詩詞比賽，像去年我就拿了中國科學(xué)院大學(xué)職工工會的一等獎。太極拳雖然不練了，但是太極的理念永遠(yuǎn)在我的心中，它教會了我許多人生的道理?！焙挪┞冻隽诵θ?，盡管他的科研道路并不平坦，走過一些彎路，但他仍然對未來充滿信心。

面對家庭，胡才博坦言，事業(yè)只是人生的一個部分，它不是人生的全部，所以絕對不能為了工作，放棄了陪伴家人的時間。關(guān)于學(xué)生培養(yǎng)，胡才博強(qiáng)調(diào)因材施教，強(qiáng)調(diào)充實(shí)基礎(chǔ)，從不強(qiáng)求學(xué)生短期之內(nèi)就有重大突破?！坝械娜耸巧倌甑弥?，有的人是大器晚成，你不能用一個標(biāo)準(zhǔn)要求所有的學(xué)生。打牢基礎(chǔ)，才能行穩(wěn)致遠(yuǎn)?！?/p>

面對科研，胡才博的心愿很簡單。他希望能對地球、月球乃至火星有更多的認(rèn)識，增加科學(xué)界對地球科學(xué)和行星科學(xué)的認(rèn)識，進(jìn)而推動地球科學(xué)和行星科學(xué)的發(fā)展?！叭嘶畹猛ㄍ敢稽c(diǎn)，或許更能全身心地投入科學(xué)研究?！焙挪┤缡钦f道。

（責(zé)編：蘇寒山）