曾慶存，天氣預(yù)報背后的“最強大腦”

以下為《環(huán)球人物》雜志2021年9月的原文報道》》》

2021年，記者在中科院大氣所的辦公室拜訪曾慶存。他任所長期間，進(jìn)行大刀闊斧的改革，如今雖退休多年，仍然參與科研工作，指導(dǎo)學(xué)生。（本刊記者 陳霖 / 攝）

2021年春節(jié)前夕，在北京海淀一處簡樸的住宅里，兩位老人的手緊緊握在一起：一位是梁啟超的侄女、年逾九旬的老共產(chǎn)黨員梁思萃，另一位是國家最高科學(xué)技術(shù)獎得主、86歲的大氣學(xué)家曾慶存。他們闊別近40多年了。那天，曾慶存專程登門，拜謝在轉(zhuǎn)折關(guān)頭推動了他科研事業(yè)的“恩人”。

“梁老媽媽！思萃同志！”這是見面時曾慶存說的第一句話。這聲稱呼仿佛一部穿越近半個世紀(jì)的中國科學(xué)家成長史，也勾連了幾代名士為國惜才的跌宕故事。

重逢僅3個月后，梁思萃因病辭世。曾慶存一生謙虛低調(diào)，不太多談個人，卻破例見記者。他想讓那段恩情，以及前輩的襟懷被世人銘記，也想讓中國大氣科學(xué)的求索、不易與創(chuàng)新為后人熟知。

“曾景潤”被破格提拔

1978年，已過不惑之年的曾慶存還是中科院的一名助理研究員，一天接到通知：破格提升，任研究員。他由此成為改革開放后享受國家津貼的第一批知識分子。

“破格提升”在當(dāng)時極其罕見。在業(yè)務(wù)評級上邁過門檻后，曾慶存得以在更大平臺上做事，接著評上“文革”后第一批全國勞動模范，很快又成為學(xué)部委員，是新中國成立以來第三批院士，后來又獲得2019年國家最高科學(xué)技術(shù)獎，習(xí)主席親自頒獎。回顧起來，那次“破格提拔”是他人生的轉(zhuǎn)折點。這要提到他在北大的校友、梁啟超侄女梁思萃：當(dāng)年梁思萃協(xié)助中科院領(lǐng)導(dǎo)選拔科研工作者，力薦了這個無名之人……

新中國成立前，北京大學(xué)化學(xué)系學(xué)生梁思萃是一名地下黨員，為解放事業(yè)作出了貢獻(xiàn)。新中國成立后，她擔(dān)任過公安部部長羅瑞卿的秘書，1952年申請以“調(diào)干生”的身份重回北大讀書，兼任學(xué)生工作。那時北大評三好學(xué)生，梁思萃是評定委員之一。氣象專業(yè)唯一獲此殊榮的是曾慶存，他操著廣東口音。梁啟超也是廣東人，梁思萃對曾慶存留下了印象。

1956年，黨中央提出“向科學(xué)進(jìn)軍”的口號，曾慶存立志為國家作貢獻(xiàn)，在畢業(yè)前入了黨，第二年經(jīng)選拔，赴蘇聯(lián)留學(xué)，入讀蘇聯(lián)科學(xué)院地球物理研究所，師從著名氣象專家基別爾，主攻“數(shù)值天氣預(yù)報”。

2021年初，曾慶存拜訪梁思萃。40多年間，兩人失去聯(lián)系。這次見面3個月后，梁思萃因病辭世。

這就要說說天氣預(yù)報的發(fā)展歷程。早期，人們看天看云，憑經(jīng)驗預(yù)測天氣;后來有了數(shù)值預(yù)報，也就是先建立用來描述天氣演變過程的方程組，輸入代表不同大氣狀態(tài)的數(shù)據(jù)，在計算機(jī)上求解，用來預(yù)測天氣。這說起來簡單，可在當(dāng)時是全球氣象界的大難題，美國到1950年才用計算機(jī)嘗試進(jìn)行數(shù)值預(yù)報，但歷經(jīng)數(shù)年仍難以大規(guī)模應(yīng)用到預(yù)報業(yè)務(wù)中。

一天，曾慶存靈機(jī)一動，何不化繁為簡？“天氣變化過程分快、慢兩種階段，前人大多放在一起計算，如果我分別計算，快的用隱式解，慢的用顯式解，再加以整合呢？”他拿紙筆驗證了1萬多行的程序，最終成功了，提出“半隱式差分法”的計算模式。那年，曾慶存才26歲。拿到這個新模式，莫斯科世界氣象中心立刻開始應(yīng)用，天氣預(yù)報準(zhǔn)確率提高到61%。

那時，國際關(guān)系風(fēng)云詭譎，美國知道了這一發(fā)現(xiàn)，但不愿意提及蘇聯(lián)，便把文章翻譯成英文，作為內(nèi)參，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出一套計算方式，也成功了，于1968年發(fā)表成果。此后，以“半隱式差分法”為基礎(chǔ)的數(shù)值預(yù)報方法得以大規(guī)模應(yīng)用在全球的天氣預(yù)報中。曾慶存酷愛寫詩，在研究生畢業(yè)時寫下“男兒若個真英俊，攀上珠峰踏北邊”以自勵?；貒?，他立即進(jìn)入中科院地球物理研究所工作，一直待在氣象研究室里，后來研究室發(fā)展為大氣物理研究所（簡稱大氣所），他還是埋頭搞研究，一直是名助理研究員。

1978年，北京召開全國科學(xué)大會，鄧小平明確指出“現(xiàn)代化的關(guān)鍵是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化”“知識分子是工人階級的一部分”?？萍冀绱鬄檎駣^，中科院開始重新評定職稱，打算從業(yè)務(wù)骨干中破格提拔一批。

此時梁思萃是中科院科技干部管理處處長，在院領(lǐng)導(dǎo)指揮下主持骨干技術(shù)人員的破格提拔工作。她很清楚，新中國迎來新的發(fā)展機(jī)遇，急需一流科研人才。曾慶存通過了評定委員會答辯。梁思萃當(dāng)然記得這位校友，但為求穩(wěn)妥，專門到他家里考察，一瞧，窩在10平方米的破舊小房子搞研究，儉樸專注，大受觸動。她便力薦曾慶存，將其提拔為研究員，每月增加50塊錢津貼，作為生活補助。當(dāng)時享受這種待遇的還有大數(shù)學(xué)家陳景潤，不少人開玩笑說曾慶存是“曾景潤”。

數(shù)年之后，曾慶存才得知這些提拔的細(xì)節(jié)，可“恩人”梁思萃已調(diào)到其他工作崗位，兩人失去聯(lián)系。向記者回憶起來，曾慶存感慨：“她是老革命，萃音同粹，純粹的粹，大公無私，一心為國。”直到2019年一次偶然機(jī)會才聯(lián)系上，后因疫情，2021年初得以重逢。

其實，梁思萃提拔曾慶存，“既是偶然，也是必然”，因為曾慶存是一位“與天賽跑”的科學(xué)家。

1990年，意大利的世界實驗室團(tuán)隊來中科院參觀交流，時任大氣所所長曾慶存（左三）進(jìn)行接待。（資料圖） 

推動了氣象學(xué)理論化

今年7月1日，慶祝中國共產(chǎn)黨成立100周年大會開始時間從9：00提早到了8：00，而原定于6月29日的《偉大征程》演出也提前到了28日，其中一個原因就是天氣變化。氣象學(xué)包括天氣動力學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣環(huán)境學(xué)，而天氣預(yù)報屬于業(yè)務(wù)部分，相對獨立。業(yè)務(wù)部門會使用曾慶存等人的研究成果。我們每天出門要看天氣預(yù)報，國家舉行大型活動也要選天氣穩(wěn)定時，可見大氣科學(xué)工作的重要性。如今，數(shù)值天氣預(yù)報的3—5天準(zhǔn)確度可達(dá)70%—80%。

曾慶存在幼年時期就對大氣產(chǎn)生了興趣。他出生在廣東陽江的一個村莊，放學(xué)后和哥哥曾慶豐先到田間勞動。家里窮，沒有牛，小慶存和哥哥就當(dāng)“牛”拉繩索，父親在后面扶犁，直至太陽西墜。吃完晚餐，父親拿火把，和兄弟倆一起溫習(xí)知識。小慶存犯困打盹兒，下巴叩到桌面，父親敲敲他的小腦袋，督促他不得犯懶。一次臺風(fēng)過境，狂風(fēng)暴雨，全家人躲在屋里。檐上漏雨，父親說：“久雨疑天漏。”小慶存隨聲應(yīng)答：“長風(fēng)似宇空。”這就成了父子一起寫的詩。

新中國成立后，政府號召年輕人考大學(xué)，縣人民政府派車送學(xué)生去廣州考試。出發(fā)那天，曾慶存在車站排隊，父親走到他面前，把墨硯塞進(jìn)他口袋里。曾慶存很爭氣，考上北京大學(xué)物理學(xué)系，上大學(xué)后身高也從一米五躥到了一米七多，哥哥曾慶豐則考上北京地質(zhì)學(xué)院，后來成了著名地質(zhì)學(xué)家。

在北大讀書時，曾慶存去河南實習(xí)，遇上一場晚霜，一夜之間凍死了2/5的小麥，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)丶Z食收成。曾慶存年幼時也餓過肚子，當(dāng)下決定精鉆大氣科學(xué)，學(xué)會預(yù)判天氣，幫助人們減少損失。在氣象圖符號中，雨是綠色，雷是紅色。曾慶存在中央氣象局實習(xí)時，就負(fù)責(zé)給雨和雷標(biāo)記顏色。每次春雨來臨，他涂到綠色，既興奮，又感動。

1970年，曾慶存被緊急調(diào)去研究大氣遙感和氣象衛(wèi)星。大氣遙感是指儀器不直接同某處的大氣接觸，而是在一定距離以外測定大氣的成分、運動狀態(tài)和氣象要素。當(dāng)時，這個領(lǐng)域在國際上剛剛興起，而中國尚是空白。曾慶存經(jīng)過研究，提煉出遙感領(lǐng)域的理論，寫成《大氣紅外遙感原理》。這是國際上第一本系統(tǒng)講述衛(wèi)星遙感定量理論的專著，澄清了長久以來的一些模糊和錯誤觀念。

此后，曾慶存重新回到大氣動力學(xué)研究領(lǐng)域，花了5年寫成長達(dá)80萬字的《數(shù)值天氣預(yù)報的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)》。這被國際氣象學(xué)界認(rèn)為是世界首創(chuàng)。美國氣象學(xué)者評價這本書標(biāo)志著“氣象學(xué)理論化已完成”。1980年，45歲的曾慶存被選為中國科學(xué)院學(xué)部委員，成為當(dāng)時最年輕的學(xué)部委員之一。

1984年，曾慶存成為大氣所所長，如何在新的時代背景下搭班子、選團(tuán)隊？曾慶存進(jìn)行了大刀闊斧的改革。而這些要從一座塔說起。

一個“會下棋”的戰(zhàn)略科學(xué)家

在北京市海淀區(qū)北土城附近有一座300多米高的塔，聳立在周邊高樓之中，用來實時監(jiān)測首都的氣象要素和空氣質(zhì)量。曾慶存親切地叫它“大塔”。

20世紀(jì)60年代，中蘇關(guān)系惡化，美國又對中國技術(shù)封鎖，東南沿海局勢緊張，中央決定將一些重要工廠向西部轉(zhuǎn)移或者建立分廠，史稱“三線建設(shè)”。為確保安全，建廠選址原則是“靠山、分散、隱蔽”，建廠前還要預(yù)判周邊大氣環(huán)境，研究“排放或泄漏出來的污染物如何流動和擴(kuò)散”等。大氣所的洪鐘祥是國內(nèi)最早進(jìn)行大氣環(huán)境研究的人之一，參與了選址工作。每次做試驗，重達(dá)數(shù)噸的實驗物資和儀器設(shè)備都靠肩背人扛運到山上。他們豎起特制的桿子，安裝儀器，測量近地層大氣風(fēng)速、溫度、濕度;再放氣球測量高空風(fēng)溫變化，計算擴(kuò)散能力;有時還要施放煙幕，用照相機(jī)觀測煙道走向及其擴(kuò)散情況。

洪鐘祥與曾慶存共事30多年，是老搭檔，見證了他的領(lǐng)導(dǎo)與奮斗，也參與了中國大氣科學(xué)家不斷求索的過程。

不過，有效觀測時間只有幾十天，他們想：“一個月的數(shù)據(jù)不能代表四季的情況，一年也不能代表多年。有必要建立能長年累月、風(fēng)雨無阻運轉(zhuǎn)的觀測站。”

70年代初，美國總統(tǒng)尼克松在正式訪華之前派來先遣隊，由四星上將黑格帶隊。當(dāng)時周恩來陪黑格到北京飯店看夜景，黑格說：“北京的污染和我們紐約差不多呀！”周恩來想，不能危害人民健康，下決心治理北京的空氣污染。1973年底，中科院向國務(wù)院呈送《關(guān)于建設(shè)氣象觀測鐵塔的報告》，第二年就得到特批，由大氣所承辦。洪鐘祥作為技術(shù)總負(fù)責(zé)人，和團(tuán)隊調(diào)查了北京10年來的風(fēng)速風(fēng)向及溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)地面以上三四百米的高度內(nèi)，風(fēng)速和溫度變化最劇烈，便將觀測塔高度設(shè)在325米。塔上設(shè)置15個觀測平臺，安裝各種儀器，歷經(jīng)5年，終于獨立自主建成中國第一座大型氣象環(huán)境自動化監(jiān)測塔，高度居亞洲第一、世界第二。

建塔的波折和不易，曾慶存都看在眼里。上任大氣所所長沒多久，他在一次會上見到洪鐘祥，徑直走過來說：“能不能來幫我，當(dāng)副所長？”

當(dāng)時洪鐘祥只是一個研究室副主任，因研究方向不同，與曾慶存私下沒什么來往，被直接一問，嚇了一跳。后經(jīng)慎重考慮，洪鐘祥接受任務(wù)，共事后發(fā)現(xiàn)，這位所長很不一般：“老曾是不可多得的戰(zhàn)略科學(xué)家，抱負(fù)大，站得高、看得遠(yuǎn)，好比下棋，一般人最多看兩步，老曾可以看三步、五步，很有前瞻性。”

曾慶存提出要把大氣所建成“一個社會主義現(xiàn)代化的研究所”。1985年中科院擬開放第一批實驗室，本沒有大氣所的實驗室，他得知后，連夜趕到院領(lǐng)導(dǎo)家里“立軍令狀”，并在第二天的會上陳述必要性，最終獲批，才有了“大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室”“大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點實驗室”，前者在1990年獲得先進(jìn)集體獎，曾慶存作詩：“有志諸君齊努力，會當(dāng)絕頂看明朝。” 

研究所和實驗室都有曾慶存的“性格”。比如，早年全國只有北京大學(xué)和南京大學(xué)設(shè)立了氣象學(xué)專業(yè)，基本只招氣象專業(yè)的學(xué)生，但曾慶存打破常規(guī)，還招數(shù)學(xué)、物理、生態(tài)、化學(xué)、遙感等專業(yè)的學(xué)生，他相信現(xiàn)代科學(xué)需要有交叉學(xué)科背景的人才。此外，他還招伊拉克、泰國等第三世界國家的學(xué)生，有名巴基斯坦留學(xué)生是中科院培養(yǎng)的首位外籍博士，回國后曾任國家氣象局局長。在曾慶存領(lǐng)導(dǎo)下，大氣所是中科院優(yōu)秀研究生培養(yǎng)單位，也是國務(wù)院學(xué)位辦公布的首批優(yōu)秀博士培養(yǎng)點和優(yōu)秀博士后流動站。

10年共事中，洪鐘祥常想：“老曾是大科學(xué)家，我要盡量把研究所的行政事務(wù)處理好，保證他有更多時間考慮重大戰(zhàn)略以及如何在國際上打開路子。”曾慶存搭起了互相信任的領(lǐng)導(dǎo)班子，后來卸任所長時，由洪鐘祥接任，將這一套改革延續(xù)了下來。

至今，“大塔”仍是全球唯一一座坐落在繁華都市中心地段的大型氣象環(huán)境綜合監(jiān)測塔，全天候記錄氣象要素和污染物的變化。根據(jù)不完全統(tǒng)計，近10年來氣象塔測量資料已提供給國內(nèi)外27家單位，應(yīng)用于國家“973”重大項目、中科院先導(dǎo)專項、灰霾專項等研究，如今也為碳達(dá)峰、碳中和等重大戰(zhàn)略提供重要參考。

這座高325米的大氣塔見證了北京城40多年的變遷，也服務(wù)于國家重大需求和基礎(chǔ)理論研究。（本刊記者 陳霖/攝）

人“定”而后勝天

退休后，曾慶存迎來了新的課題：讀懂地球。

今年6月，記者跟隨曾慶存前往北京遠(yuǎn)郊懷柔，參加地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置（簡稱大裝置）的落成啟動會。這是他晚年的心血。

“近百年來，全球氣候和環(huán)境變化問題日益嚴(yán)重，上世紀(jì)60年代開始，國際科學(xué)界形成共識，要研究長期氣候變化。然而，如何研究地球？幾乎無法模擬出與真實環(huán)境完全一致的實驗室條件，也就難以通過做實驗的方式研究地球。”曾慶存說。

恰逢計算機(jī)出現(xiàn)，科學(xué)家提出，利用計算機(jī)求解，把經(jīng)過理論模型計算后的數(shù)值和實際對比，看是否和實際一致。后來，美國和日本建成了自己的地球模擬器。2005年，曾慶存提出地球系統(tǒng)模式設(shè)想并組織系列研討，此后百般努力，2013年終被列入“十二五”規(guī)劃項目。

與其他被列入五年計劃的科學(xué)裝置不同，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置是國內(nèi)第一個以軟件為核心的大裝置。實際上，“軟件能否成為核心”的爭論在建設(shè)初期給曾慶存帶來了不少困難。在公眾印象中，基礎(chǔ)設(shè)施大多是硬件設(shè)備。申請“十二五”立項時，不少人質(zhì)疑：“拿超級計算機(jī)去算不就行了，為啥非得專門搞個大裝置？”這時候，是獲得了國家最高科技獎的大氣學(xué)家葉篤正聯(lián)名曾慶存等人給時任總理溫家寶寫信，提出了軟件建設(shè)的重要性，保住了這個大項目。

如何理解大裝置？簡單說就是使用長期的數(shù)據(jù)資料對未來的天氣發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。在全球氣候與環(huán)境變化課題里，涉及的模式包括大氣模式、海洋模式、陸地環(huán)境物理模式、吸收和排放二氧化碳模式等。

周廣慶是曾慶存的學(xué)生，也是大裝置總工藝師，主要負(fù)責(zé)制作超級計算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)，他告訴記者：“軟件是大裝置的魂。”如果將這些模式換成數(shù)學(xué)語言，就是將牛頓第二定律方程組、熱力學(xué)定律方程組等耦合在一塊，拿到地球儀上求解，會發(fā)現(xiàn)計算量太大，僅靠人工無法求解。

在曾慶存的帶領(lǐng)下，周廣慶等人在專用超級計算機(jī)上運行了一套地球系統(tǒng)模式，“對地球的過去進(jìn)行反演、對現(xiàn)在進(jìn)行觀察、對未來進(jìn)行預(yù)測”。因此，大裝置就相當(dāng)于一個“地球?qū)嶒炇?rdquo;。

這個“看不見、摸不到”的裝置是如何運作的呢？記者跟隨曾慶存走進(jìn)機(jī)房，看到大裝置的“魂”：這套軟件一天可以計算出地球的大氣圈、水圈、巖土圈、生物圈等多個圈層10年左右的變化。

在曾慶存眼中，大裝置可以作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域的談判依據(jù)，提高中國在國際上的發(fā)言權(quán)。“大裝置能在一個范圍內(nèi)預(yù)測二氧化碳相關(guān)數(shù)據(jù)，比如每年減1%的排放量，氣候會變成什么樣？要減少多少二氧化碳？各國該怎么分擔(dān)？算出來，你才有發(fā)言權(quán)。”

可以說，堅持研發(fā)大裝置和曾慶存的哲學(xué)觀有關(guān)。古語“人定勝天”，很多人的理解是人能夠戰(zhàn)勝、改變自然界。但曾慶存不同意。“《大學(xué)》里說‘知止而后能定，定而后能靜，靜而后能慮，慮而后能得。‘止就是止于至善，‘至善就是認(rèn)識和遵守規(guī)律。可見，‘定是安定，遵循規(guī)律辦事。放到自然界，就是按自然規(guī)律辦事，與自然和諧相處。” 

接觸久了，身邊人會發(fā)現(xiàn)這是個可愛的老頭子，對研究上心，對生活省心，外出頂著大太陽，就戴頂草帽。一次去開會，他一身簡樸，被保安攔下，怎么也不相信他是與會的科學(xué)家，還是同事幫忙解釋才得以進(jìn)去。

70多年的大氣研究工作在曾慶存身上留下很深的烙印，每次遇到到天氣變化，總比常人更敏感，似與天地感同身受。1986年的早春，他趕上一場瑞雪。那幾年，北京冬雪稀少，他心花怒放，望著天笑了，遂寫下“雪欲融時天更冷，熱心卻與麥心同”。