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科研探索无止境 气象万千入梦来

来源:  发布时间:2023-03-24

——记中国气象科学研究院大气成分和环境气象研究所研究员王宏

刘玉杰

 

 

多年来,随着科技发展以及生产生活对天气预报的客观需要,我国天气预报从仅有一两天内的短期预测,发展到如今兼有跨季度、跨年度的长期气候预测和即时系统预报。当前我国天气预报不但能为日常出行和生产活动提供便利,更能为国家防灾减灾发挥积极作用。这一系列进步的取得离不开广大气象工作者的日夜辛劳和无私奉献,中国气象科学研究院大气成分和环境气象研究所研究员王宏就是其中兢兢业业、默默付出的一员。对她而言,从短期天气预报岗位走向支撑天气预报的关键技术——气象模式研发工作的这十几年,气象风云不只变幻在天穹之上,更变幻在很多和她一样奋战在气象工作各个领域一线人员的点滴积累里。

走进王宏及其研究团队的科研世界,你会发现这是一个“看似熟悉又很陌生”的神奇科学世界:所谓气象模式研发,就是一项为天气预报提供支撑的系统工程。但事实上,气象监测数据并不能直接服务于天气预报,而是需要相关人员运用大气科学专业的学科知识,特殊的数学、物理方程组将其完整表达出来,通过对方程组进行离散化、求解,并用计算机语言进行系统编程、计算得到定量预报,再结合天气预报员经验形成人们所熟知的天气预报信息。

围绕国家需求和气象事业发展的需求,王宏十年如一日地致力于科技创新和对气象业务的支撑能力的提升,在沙尘、大气化学、雾-霾等气象模式研发领域收获了累累硕果,也在科研工作中培养了新一代气象研究专业人才。但她一直反复强调自己只是千万气象工作者中的普通一员,这是一条充满意义又充满挑战的漫漫长路,唯有奋楫笃行。

 

掌控人生 探索未知

 

回顾过往的人生历程,王宏坦言:“我并不是一开始就坚定要走科研的路。”按照她自己的话说,她人生的前30年一直按部就班,未曾有过明确的职业方向。求学期间,她成绩优异,没有特别偏爱的学科,虽因机缘巧合而选择了中国海洋大学的气象类专业,但直到毕业都从未想过要从事相关领域的科研工作。认真完成学业是性格和习惯使然,最初从事与气象有关的工作也只是顺其自然。

大学毕业之后,王宏成为河北省气象局一名短期天气预报员,日常的工作是分析来自不同原始资料的数据,跟踪能影响所在城市范围以内的天气状况,进行短期天气预报等。最初的两年一切都很新鲜,任何有助于个人能力成长的事情她都乐意去学,也学得飞快,这是一段相对愉快的日子。但是一转眼7年过去了,王宏惊觉自己几乎每天都在重复同样的工作,“未来就像一洼水塘,一抬眼就望见了边际”,因此生出了要到外面再闯一闯的想法。

契机出现在1998年,这一年南京信息工程大学联合中国科学院大气物理研究所(以下简称“大气物理研究所”)对外招收在职研究生,王宏因能力出众而被单位推荐继续深造。随后她相继以优异的成绩完成硕士及博士学业,并于2004年加入中国气象科学研究院工作至今。

其间王宏发表论文总计104篇,其中《科学引文索引》(SCI)论文93篇,核心论文12篇,总被引用量2100以上;主持国家重点研发计划大气污染专项、国家自然科学基金委重大项目课题、中国气象科学研究院基本科研业务重点项目等国家、省部级和军队项目多项;作为主要技术骨干参加科技部“973”重大专项和中国气象局“风云四号”科研试验卫星在数值预报领域的应用示范等国家和部级科研项目多项;作为主要研发人员之一,先后获得中国气象局科技研发奖一等奖、中国气象学会气象科技进步成果奖一等奖。

在成果转化方面,王宏主持的第四代航空数值天气预报业务系统的相关研究已经成功应用至国家重要领域。她作为主要技术骨干参加“亚洲沙尘暴数值预报系统”和“中国雾-霾数值预报系统”,两个数值预报系统均已在国家气象中心和多家相关的省气象局进行业务化运行多年,对沙尘暴预报和雾-霾预警、预报形成了重要技术支撑。

别看如今王宏的科研一帆风顺,实际上,她进入大气物理研究所之初并不自信。因为早年在基层工作的7年间,她几乎从未接触过气象的前沿研究,反观周围,不是经验丰富的前辈就是一直接触前沿知识的年轻学生。幸运的是,她得到了这些前辈和同事的关爱与帮助,在他们的支持下,王宏咬紧牙关迎难而上。随着对工作的逐渐熟悉,她不仅建立了科研的自信,而且在攻关过程中感受到了无与伦比的乐趣。自那以后,她才真正开始对科研产生了浓厚的兴趣,并决定将这种充满挑战的工作作为自己毕生的事业,去探索更多的未知挑战。

做学术研究,绝不能坐井观天、闭门造车。王宏的博士时期正是一个开阔视野、走向专业化的积累时期。彼时她常常跟随导师参与国际合作项目与学术交流。在学术交流过程中,她敏锐地察觉出自己与他人的差距在何处,并能够从中汲取知识的养分,不断充实自己,这为她后来的科研之路打下了无比坚实的基础。

不久后,王宏研究揭示了取样于中国沙漠的沙尘气溶胶比目前通用的撒哈拉沙漠的沙尘气溶胶具有更强的散射性,其不仅显著影响东亚地区沙尘辐射强迫大小的评估,而且会影响改变陆地上空的辐射强迫的符号。这是国内外首次提出中国沙漠沙尘气溶胶的独特光学特性(与世界其他沙漠地区相比)以及对东亚沙尘射强迫计算的重要影响。研究结果被国际知名科学家作为国际沙尘辐射效应研究亚洲沙尘的代表工作与世界其他地区的工作进行了对比。

到中国气象局数值预报基地工作后,王宏还作为主要技术骨干牵头建立了亚洲沙尘暴数值预报系统(GRAPES CUACE/dust),在模式中实现了沙尘-天气的双向反馈的在线计算,由此对模式气象场预报精度有所改进,在国内首次揭示了沙尘直接辐射对沙尘暴演变的负反馈机制。

向优秀前辈学习,积极交流,审视自我,一直是王宏获得丰硕成果的重要诀窍,这不仅使她在求学过程中收获满满,也令她在后来的工作中成长飞快。

 

集众人所长 促效率提升

 

2004年博士毕业后,王宏加入中国气象科学研究院/中国气象局数值预报基地,这是我国大气科学领域规模最大、学科种类最多的国家社会公益类研究机构之一,以研究灾害天气、数值天气模式、天气与气候系统、雷电防护与大气探测等为主攻方向。在这样一个底蕴深厚、人才济济、综合实力强劲的大家庭中,王宏获得了又一次飞跃式的成长。

中国气象局数值预报基地有着一周一次的例会制度。比起独自钻研,团队交流显然能够更快更好地帮助个人发现问题,从而极大促进个人工作效率和团队工作效率的提升。也正是得益于这种团队模式,通过诸多优秀前辈的指导和同行讨论,王宏在极短的时间内就取得了学术能力和数值预报编程的规范性学习等方面的长足进步。

“我们数值预报基地很多成员大多是数值模式领域专业水平非常高、造诣深的学者。”也许是因为面向业务化应用与科研院所、高校评价体系不同,这些高水平的科研人员虽专业积累深厚,却往往多年默默无闻,他们是奔向辽阔大海的涓涓细流,看似微不足道,却能够汇成难以匹敌的汹涌波涛。

一位优秀的科研人员也许能将现有气象模式系统进行部分功能的改进升级,但要自主进行全新的系统研发,绝无可能离开众人的智慧和团队的力量。因为气象模式的研发工作并非仅仅涉及一类学科问题,而是涉及数学公式推导、大气物理、数据分析、计算机语言等诸多专业领域知识。对此,王宏有着深刻的体悟:“气象模式研发,一定是团队的工作,而不是个人的工作。”

得益于中国气象科学研究院大气成分和环境气象研究所环境气象模式团队的支撑,从2004年开始,王宏的研究方向从未变过,顺着一个方向深扎下去,以“钻得更深,学得更精”为目标。她说,多年以来,团队的支撑和协作让团队成员们都能够安心踏实地沉浸在研发工作中,而不必发愁“下一个项目去哪里承接”“经费不足”“研究方向有偏差”等问题,这对个人专业沉淀及团队整体实力成长而言,是难能可贵的。

 

卓有远见 甘尝科研之苦乐

 

放眼国际,人们对于雾-霾的关注早在100多年前就开始了,很多国外知名作品都曾提及这一工业污染现象,如《雾都孤儿》《福尔摩斯》等。而在我国,雾-霾引起社会广泛关注是从2011年年底美国大使馆发布北京空气污染信息开始的。事实上,早在2006年王宏等人就已经将目光投向雾-霾模式的研发,因此当雾-霾问题成为国内研究热点之际,他们就已经完成了部分系统的升级优化,在国内这一方向上处于领先地位。

在国家自然科学基金项目“气溶胶辐射对华北区域性持续重度污染天气影响的模拟研究”开展过程中,王宏等人发现:华北区域性持续重度污染天气发生时,PM2.5PM10最大可达平时的几十倍,对地气系统的瞬时辐射变温率非常可观,显著影响区域大气热力、动力和云结构,继而对天气预报的精准度产生不可忽视的影响。

为了更为深刻、全面地认识华北持续性重度污染天气发生、发展、维持和消亡的物理机制,提升中尺度污染模式对重度污染天气PM1PM2.5和气象场等的预报精度,王宏团队决定在中尺度污染气象模式中融合气溶胶实时预报浓度、光学特性和粒子谱最新观测数据,建立不同种类气溶胶的外部和内部混合方案,实现复合型气溶胶直接辐射效应的在线计算,完成气溶胶到云微物理过程的间接辐射效应的在线计算;同时在中尺度污染模式中实现复合型气溶胶-辐射-云过程的完全在线耦合,模拟研究气溶胶辐射对华北区域性持续重度污染天气热力、动力、层结特征、环流、云和降水过程的影响及由此引起的PM1PM2.5等时空分布的变化。

“做模式研发是一件随时可能让人崩溃的事。”王宏这样形容。此次工作不仅要进行单一的大气化学模式的研发,还需要将我国自主研发的新一代全球/区域多尺度统一的同化与数值预报系统与之在线耦合,这意味既要重走两个系统的全部制作流程,还要将大量数据和方程重新排列组合,要面对的是巨大的工作量和高难度技术难题。为了尽快推进研究进展,加班加点成为常事,甚至当研究工作进行到最为关键、难以为继的时候,整个团队的成员不得不时常工作至深夜。

过于忙碌的工作使王宏常常无法顾及家庭。女儿上小学时,常常被加班的王宏带到办公室,进入工作状态后,身边的孩子在做什么、学习状态是怎样的,她全然不知。身为母亲,她对孩子感到万分歉疚,但身为科研工作者,她问心无愧。对于女性科研工作者如何突破职业生涯天花板,王宏也有着自己的思考:“科研本无关性别,我们的工作中有大量的女同事,她们都能咬牙坚持、全力付出、圆满完成任务、获得同行的认可。她们所形成的榜样力量,能为之后更多女性科研人员的就业和职业生涯带去很好的指引。”

尽管牺牲良多,但无法否认,科研确实有让人着迷之处。每当研究有所突破,王宏的心中都会涌现出其他工作无法带来的成就感。“我们的模式完全是国内自主研发的环境污染预报模式!”对此,她无比自豪,并心甘情愿地付出:“科研工作的苦乐,只有身处其间才能有所体会。”

 

薪火相传 继往开来

 

延续此前的方向,王宏目前所主持的国家重点研发计划项目“全耦合多尺度雾-霾预报模式系统”正紧锣密鼓地开展。为了深入理解并合理量化雾-霾演变过程中组分、粒子谱、混合态和吸湿增长等对气溶胶光学特性的影响,建立基于雾-相对湿度-霾相互作用的能见度新算法,也为了深入认识中国高污染背景下,气溶胶-/-辐射相互作用及其对环流和雾-霾的反馈机理,王宏及其团队完全自主研发建立了全国—区域的雾-霾数值预报系统,计划形成全国—重点区域—城市尺度的雾-霾数值预报能力。此外,他们还将基于中国高污染背景观测的气溶胶凝结核/冰核方案用于改进和优化模式中气溶胶--辐射相互作用及其对雾-霾的反馈机制,实现以我国观测研究为基础的气溶胶-/-辐射-天气的完全在线耦合。

构建精细化的动力学新理论和新算法;建立气溶胶-/-辐射相互作用的在线反馈机制;在中央气象台和华北、华东和华南地区建立国家级和重点区域联动的多尺度雾-霾数值预报业务平台,开展雾-霾联合预报预警服务;实现雾-霾预报时效从小时到14天,雾-120小时预报准确率超过80%57天预报准确率超过70%714天预报准确率超过60%……未来几年,这一项目研发工作都将是王宏及其团队的工作重点,在气象模式研发的道路上,他们还有很多未知的困难需要克服。

除技术研发外,教学也是王宏一刻也不敢松懈的工作。

经过多年的积累和沉淀,如今王宏早已成为年轻一代学子眼中的优秀前辈,从自身的成长经历中,她凝练出了属于自己的教学理念和教学方式。她不仅要求学生每月进行一次例会总结,并且时常教导他们:“不要为写文章而写文章。重要的不是‘博士’这个身份,而是要在科研的路上走更远,科研的探索之路是永无止境的。”在她看来,作为一名即将踏上真正专业化道路的研究生,如果仅仅为了完成毕业论文而进行表面性问题研究,不去下苦功触碰一个领域的核心技术问题,专业程度远远不够。

“写文章一定要有专业素养,让他人能够从你的文章中得到科学启发。”王宏这种对于学生专业素养的严格要求是与导师石广玉教授一脉相承的。在她的印象中,每次学生作汇报的时候,老先生都气定神闲地坐在那里。“看他似乎在听,又似乎没在听,可一旦谁出了错,哪怕这错误毫不引人注意且无伤大雅,他都能立即发现。”“打住!”是王宏跟随石教授学习的那几年里,最常从他嘴里听到的词语之一。“他对科研的严格要求不仅体现在报告内容上,对报告的时间和方式也有严格标准。”至今,石教授当年的叮嘱仍被王宏记在心里:“作报告时,首先要想到自己作什么样的报告、你的听众是谁、主办方给你多长时间。不是说上去就按照你自己的思路讲,而是要根据这些因素进行调整。假如给你15分钟作报告,你15分钟讲不完叫无能。在别人提醒你时,你还不结束就叫无德。”王宏始终牢记先生的严格要求,并一直在她后来工作中尽力坚持。

这些专业素养的养成体现在平时难以引人注意的细节之上,当年未曾思虑太多,直到如今自己也开始教导学生,王宏才对老师的良苦用心有了更为深刻的体悟。在人才的一代代更迭之中,也许每个人的教学方式各不相同,但优良的精神作风和教学理念总会牢牢地刻画在光阴的车辙之上,永久地发扬传承下去。

在接下来的历程中,除了完成当前项目,王宏表示,她还会对此前工作进行系统总结,以期为更多优秀后来者奠定前进的道路基石,并继续肩负属于自己这一代人的责任与使命,去探索更遥远的未来。

(责编:袁园)


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