做中國自己的地球系統模式耦合器

遲艷艷

十多年前，為喚起世界對日益嚴重的溫室效應的重視.電影《后天》用超炫的特效打造出了驚心動魄的災難場景，呈現出氣候對人類威脅的急迫性與全面性。21世紀初，幾乎在世界上每個角度都可以清楚感覺到地球氣候的異常變化，展開全球氣候變化研究刻不容緩。

近幾年，清華大學地球系統科學研究中心副教授劉利的科研重點就放在對全球變化研究軟件工具的開發上，其帶領團隊自主研發的我國首個地球系統模式耦合器C-Coupler1得到了國際同行的一致認可，把我國耦合器研究推進到了世界先進水平。

“學科交叉”求生機

地球系統模式是全球氣候變化研究最基本的工具之一，通過同時模擬大氣、海洋、陸面、海冰等氣候分量的變化及其相互作用，這一系統可用于研究過去氣候的演變規律和預測未來的氣候變化。劉利所負責研發的就是地球系統模式的核心部件之一——耦合器。

“耦合器連接了地球系統模式中的多個分量模式（如大氣模式、陸面模式、海洋模式和海冰模式等），能夠實現分量模式間的并行計算，控制整個地球系統模式的積分模擬，并為地球系統模式研發提供一個易于分工協作的共享平臺。”劉利如是介紹他和團隊的研究對象。

早在上個世紀90年代初，國際上關于耦合器的研發就已經起步，其中法國CERFACS（歐洲科學計算研究中心）研發的OASIS耦合器和美國NCAR（國家大氣研究中心）研發的CPL耦合器最具代表性。與之相比，我國在耦合器自主研發方面卻幾乎是一片空白，很長一段時間，我國地球系統模式發展不得不依賴于從國外引進的耦合器。這一局面直到2010年初才有機會得以改善。那一年，我國啟動了“863”重點項目“地球系統模式中的高校并行算法研究與并行耦合器研制”，在楊廣文教授和王斌教授的共同支持下，劉利帶領團隊開始研發耦合器C-Coupler，歷時4年，實現了我國自主耦合器從無到有的突破。

剛開始面對耦合器自主研發這一項任務，當時處于博士后階段的劉利心中充滿了擔憂甚至恐懼，這一方面是因為之前十年內劉利一直在計算機專業求學，未曾接觸過地球系統模式，對于這一完全陌生的領域，可謂是“白紙一張”；另一方面是因為劉利在計算機專業求學過程中主要從事研究工作，僅對已有軟件代碼進行過少量修改，未曾設計研發過軟件，對于軟件的設計和開發，可謂是“白紙一張”。或許正是因為“白紙好寫字”，劉利很快克服了跨學科從事科研容易產生的“水土不服”的問題。從最開始不知道如何入手、時常向地學專家詢問需要自己做什么，到形成自己的地學思維，他逐漸完成了由聽取需求，到提出需求，再到引領需求的轉變。

“我們也曾經迷茫過”，劉利表示，C-Coupler小組一開始面臨的最大困惑在于到底是引進已有耦合器做二次改進，還是自主研發。經過交流“碰撞”，組里最終取得了一致的決定：自主設計研發，獨立做自己的耦合器。

對走這樣一條道路，劉利感慨良多：“唯有獨立自主，才能自強自立。也正因為這樣才使得我們對耦合器的知識做全方位的、深入的學習，從而為耦合器的自主研發積累了堅實的基礎。”

相對于國際上較成熟的團隊研發體系，劉利所負責的C-Coupler小組實際上非常小。自2011年7月開始，組內的成員除了他之外，還有兩位博士生，而且從2012年上學期開始，因為這兩名博士生還未發表過論文，他們參加耦合器研發的時間被限定為每年基本不超過3個月。反觀國外，美國NCAR耦合器CPL6由3家單位合力完成，（包括NCAR、Los Alamos實驗室和Argonne實驗室），其中NCAR團隊中約有超過10名的固定工程師人員。“團隊的規模小不僅增加了自主研發的難度，還給C-Coupler的推廣帶來了一定障礙”，劉利坦言團隊面臨的困難。在向國內模式團隊推廣C-Coupler時，模式專家關心的常常不僅是耦合器技術，還包括團隊的規模和人員的穩定性等。

即便規模很小，劉利所在的團隊依然能突破多個國際上耦合器研發所面臨的技術難題.對此，他充滿了感激：“一方面是因為團隊成員共同辛苦努力的結果；另一方面是因為在開發過程中，北京師范大學、中國科學院大氣物理研究所和國家海洋局第一海洋研究所等兄弟單位的專家為我們提供了很多有關于耦合器的經驗、需求和建議，并提供了耦合模式版本以用于C-Coupler的測試。我們非常感謝他們給予的支持！”

堅持淡定方能勝利

菲利普斯曾說過：失敗是成功之母。對此，劉利及其團隊有很深刻的領悟。C-Coupler1共經歷了兩次軟件設計研發，其中第一次以失敗告終，而第一次的失敗為第二次的順利進行并取得創新成果奠定了堅實基礎。

C-Coupler1的三維耦合功能和軟件的模塊化程度明顯優于國際上其他耦合器；此外，C-Coupler是當前世界上唯一能確保模式模擬結果可精確重現的耦合器及模式平臺，這是因為在用戶用簡單命令配置模式試驗時，C-Coupler平臺會自動生成一個文件包以記錄試驗的所有信息，這一文件包可為其他科學家精確重現試驗結果提供保障。

當前，劉利帶領團隊已經在著名國際期刊GMD（Geoscientific Model Development）上發表了3篇論文，這一數量甚至追平了歷史更為悠久、團隊規模更大且更為一穩定的OASIS組，這標志著C-Coupler小組所取得的創新性得到了國際同行的認可。

值得一提的是，除了耦合技術的創新，C-Coupler團隊還追求代碼的“藝術”，“比如說，其他耦合器中實現耦合變量通信和插值這兩個基本耦合器功能的代碼有數千甚至上萬行，但在C-Couplerl僅有幾百行”。代碼的“藝術”將更有利于C-Coupler的可持續發展。

總結多年在耦合器研發過程中積累下來的經驗，劉利將最重要體會歸結為“堅持和淡定”。他說，從發表論文的角度看，耦合器的研發是一個地地道道的“冷門”，要在“冷門”方向上做好工作，“堅持和淡定”是必須的。

直到現在，劉利每天還是會拿出一些時間用在耦合器的研發上。而對于未來發展，他希望可以將對耦合器研究的這份興趣不離不棄地延續下去，以便將來可以做出更為先進，且更具創新性，甚至原創性的耦合器。此外，還要把C-Coupler的后續版本推廣出去。他說：“論文在哪發表、發表多少篇并不重要，只有更多團隊使用、真正促進了國內外模式的發展，我們長期的努力才算取得了初步成功”。

劉利還有個夢想，他希望C-Coupler的后續版本甚至能引領國際上其他耦合器的發展，雖然這個夢想有很大難度，但他堅信：“只要不斷堅持和淡定，就會有機會”。作為博士生導師，劉利也一直努力地將這份“堅持和淡定”傳承給自己的學生，“要真正做到淡定，需要很高的境界和修養，我自己也還是很難做到足夠淡定”，為此，劉利和團隊成員及學生們經常共勉。

近期，清華大學校長邱勇在本科生畢業典禮上鼓舞畢業生要“堅守初心”。作為清華大學2009年的博士畢業生，劉利也深深回味了這四個字，“我過去努力在做的、未來想做到的，難道不就是‘堅守初心么”？除了堅持和淡定，劉利的初心還包括實事求是、誠實、嚴謹、要做就做最好、長期堅持奮戰在一線。盡管漫漫人生路上充滿了艱辛和誘惑，但劉利堅信，只要能“堅守初心”，無論會遇到多少困難，都將會有滿滿的收獲。