揮手間氣象萬千
——記中國海洋大學“筑峰第一層次”特聘教授、青島海洋科學與技術國家實驗室“鰲山人才卓越科學家”張紹晴

本刊記者 王 輝

揮手間氣象萬千
——記中國海洋大學“筑峰第一層次”特聘教授、青島海洋科學與技術國家實驗室“鰲山人才卓越科學家”張紹晴

本刊記者 王 輝

2016年年底，位于青島市著名嶗山風景區腳下的中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室里，迎來了一位世界專家——張紹晴。張紹晴是享譽全球的氣候學領域耦合資料同化研究方面的領軍人物。“耦合”“同化”這些別人聽起來難懂的字眼，卻是張紹晴眼里關注的興趣點。

從孩提時代對大自然天氣產生的好奇心，到青年時期堅定不移地選擇天氣學專業，再到后來不遠萬里、漂洋過海去美國學習耦合同化知識與開拓事業，然后在國際氣候評估舞臺上大展風采……張紹晴用30年余年的時間，詮釋了他對氣象學領域的追求與熱愛。

人生如若是一幅波瀾壯闊的氣象圖，那么從最初“天氣”到如今“氣候”研究便是張紹晴人生氣象圖上的標記里程碑。而張紹晴用他多年來所付出的辛勤研究，向我們闡明了這一個又一個重要的科學問題。

數值天氣預報展頭角

1965年，張紹晴出生于貴州省黔西南州中部的興仁縣。興仁縣是一個地處高原、地形復雜的小縣，受低緯度等多重因素影響，這里的氣候表現為“山地多雨、高山涼潤、冬無嚴寒、夏無酷暑”多樣而溫和的特征。當西太平洋副熱帶高壓受天氣系統影響而西伸，興仁縣就會出現短時間降水；當北冰洋和西伯利亞的冷空氣南下，興仁縣又會刮起一陣冷風。“從小就生長在這樣豐富的天氣環境中，于是自然對天氣產生了好奇。”張紹晴說。

1981年，天資聰穎的張紹晴作為興仁縣狀元考上了南京大學。面對眾多專業，他毫不猶豫地挑選了最感興趣的天氣學。天氣學是研究大自然天氣現象和天氣過程物理本質及規律的一門學科。在上學期間，張紹晴便對雨、雪、風、云等各種天氣現象和內在機制進行了全面的學習。他知道，要想了解未來的天氣，就必須掌握一門時興的科技——數值天氣預報。于是在大學畢業后，他先進入國家氣象中心的數值天氣預報室，后又步入素有“中國氣象人才搖籃”之稱的南京氣象學院，在那里開始鉆研數值天氣預報。

在國家海洋環境預報中心作學術報告

在國際合作研討會上

在人們日常生活中，出門前總免不了要看一看天氣。數值天氣預報自20世紀50年代起源至今，是被世界各國普遍采用的一種天氣預報手段。數值天氣預報的制作過程比較復雜，需將得到的氣象觀測數據用物理方程解析，然后以資料信息的形式同化到計算機數值模型上，再通過一系列積分運算最后得出未來天氣的結果，從而對未來一定時段內天氣狀態進行預知。通常，數值天氣預報工作，對從事者的數理基礎和地球物理專業知識有較高的要求。

張紹晴通過幾年的勤奮努力，已經完全具備了這些素質。研究生畢業后，他便以優異的成績再分配回到國家氣象中心的數值天氣預報室，在那里開始從事深入的數值天氣預報研發工作。

2 0世紀9 0年代后期，我國在“七五”國家科技攻關計劃期間開始實行“中期數值天氣預報系統”建設。中期數值天氣預報是將我國天氣預報時效從短期2～3天，延伸到7～10天。在工作期間，張紹晴也參加了該系統建設。他的出色工作使他不僅獲得杰出研究成果獎、科技進步獎等獎項，而且成為中國氣象學會數值預報專業委員會的一名委員。

雖然在國內氣象學領域已取得了驕人的成績，但在張紹晴的心里，他卻渴望學習更先進的知識，憧憬在未知的領域里開辟出一片天地。正是因為這種對氣象學領域不斷探索的追求，才會讓張紹晴產生了異國求學的想法。

探索海天氣候奧秘

1995年，對氣象學懷有遠大抱負的張紹晴來到了美國。他先是以訪問科學家身份進入美國國家環境預報中心，在那里進行了1年學習。在學習過程中，他接觸到一種新的數值模式資料同化制作方法——共軛變分。共軛變分原本屬于處理函數的數學領域，但將它運用在數值天氣預報模式資料同化的制作上，可以更好地解決觀測資料同化的一些問題。張紹晴在掌握該方法后，又了解到在以往資料同化中存在一個問題:數值模型的理想化導致預報結果與現實天氣存在較大差距。

針對這一問題，初到美國的張紹晴便提出“用共軛變分方法改進數值天氣預報模型的初始化”設想。他說：“初始條件中的平衡性對于數值天氣預報的精確度十分重要。如果用共軛變分的方法把數值模型的初始值調整到觀測的狀態上又能保持模式的平衡性，這樣一來，數值模型往前一積分，便會得到未來一定時段內較準確的天氣預測。”

幸運的是，張紹晴的想法不僅得到美國國家環境預報中心模士發展中心主任康奈爾博士的認可，而且康奈爾還決定進一步資助他到美國佛羅里達州立大學氣象系去讀博士。張紹晴接受了這項資助，并利用博士期間論文課題，為美國國家環境預報中心建立了一套“全球物理過程的共軛變分數值天氣預報模型”。這套模型為美國7～10天數值天氣預報精度的提高建立了一個研究平臺，還讓張紹晴得到了一個更好的工作機遇。

2000年，正值張紹晴博士畢業之際，他接到來自美國普林斯頓大學的面試邀請。彼時，普林斯頓大學正與美國海洋大氣管理局（NOAA）下設的地球流體動力實驗室（GFDL）合作，開發一項叫作“大氣—海洋耦合預報”的研究計劃。這項計劃打算將NOAA傳統的大氣—海洋耦合模型與海洋氣象觀測資料進一步同化，從而得出未來更長時間尺度內的氣候預報。得知張紹晴在美國國家環境預報中心工作和博士研究期間在資料同化方面有過出色表現，普林斯頓大學和GFDL決定邀請他參加該計劃的面試。

為了準備該面試，張紹晴認真了解了該計劃。對于未來的研究，他的心中已經有了明確的方向。他掌握到，大氣與海洋——這兩個原本分屬于氣體和液體的流體動力學研究對象，卻同是影響氣候形成的關鍵因子。大氣的變化是一個快變過程，而海洋運動則屬于慢變過程。由于海水的粘性比較大，比熱容比較高，再加上地球表面71%是海洋，所以要想實現對氣候的預報，就必須將海洋與大氣耦合，一起同化。然而在以往的大氣—海洋資料同化過程中，使用的方法是先將大氣、海洋各自的觀測資料同化到各自的模型上，再將獲得的結果結合在一起。但如此一來，因為分量間相互作用的不協調，所以導致耦合模型在預報的精度上有很大局限。

在與普林斯頓大學和GFDL人員交談過程中，張紹晴指出上述問題，并且再一次提出自己的設想。“將大氣與海洋的觀測資料放在同一模型內進行同化。只有這樣，才能解決分量間相互作用的協調問題，模型的初始信號才不容易衰減，因而模型的預報精度才能進一步得到有效提升。”

普林斯頓大學和GFDL的人員知道這是個具有科學野心的設想，在科學和技術上要面臨很多的挑戰，但一旦實現，必將給氣候可預報性領域帶來新的突破。他們決定讓張紹晴來承擔這個計劃。接下來的日子里，為實現這一設想，張紹晴足足花費了8年的時間，先作為普林斯頓大學訪問科學家（博士后），后作為大學聯合大氣研究中心的科學家在這個領域里專注地進行研究。在這8年里，他不僅逐漸開創出一套新的耦合資料同化理論和算法，還發明了一種新的參數估計技術。他的大氣—海洋耦合資料同化系統不僅提高了對季節到年際尺度的氣候預報技巧，而且同時有潛力能連慣性地制作年代際氣候預報。為了表彰他的成就，NOAA不僅特意為其頒發了杰出研究論文獎，還為其提供長期研究經費，鼓勵其作為領導人在該方面開展深入研究。

在主持國際學術交流會議

能夠獲得這些榮譽，張紹晴感到高興的同時，對耦合模式資料同化研究也更加努力了。

全球氣候變暖的敲鐘者

2008年，張紹晴正式加入GFDL，成為美國聯邦政府的一名研究員。

GFDL是全球大氣—海洋耦合資料同化研究的先行者，在上個世紀80年代建立起全球第一個大氣—海洋耦合模式。與此同時，GFDL也是研究全球氣候變暖的一塊金字招牌，被尊為“全球變暖研究之父”的詹姆斯·漢森便曾經在這里工作過，并且首次提出了全球氣候變暖的危險性。能在氣象學領域至高殿堂工作，張紹晴十分珍惜。從他正式加入GFDL的那一刻起，一項重要的科研任務——全球氣候耦合資料同化系統的研究便落在了他的肩上。

全球氣候耦合資料同化系統是針對全球氣候變暖而設立的研究平臺。自上個世紀90年代起，全球氣候變暖進一步加劇引起了聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的高度關注。為了解決這一關系人類安危的問題，IPCC從1990年起便每隔5年撰寫一次評估報告（AR），將世界各地有關全球氣候變化最好的科學技術拿來評估。而全球氣候耦合資料同化系統正是為預報和評估全球年代際尺度氣候變化而設立的警鐘，張紹晴則是站在這一平臺上的敲鐘人。

有了之前多年的研究基礎，張紹晴這一次的研究進展比較順利。但在研究過程中，還是遇到了一個困擾他的小小難題——臺風。臺風是出現于熱帶海洋上的氣旋，對沿海地區有著巨大的殺傷力，但對氣候形成來說卻屬于中小尺度的擾動。因此，在氣候研究中一直存在一個關于臺風的經典難題：在大氣大尺度環流背景下，臺風常常被觀測資料同化過程排除掉。

對于這一難題，張紹晴百般思索，最終提出用“大尺度背景調整方案”來解決它。他先是掌握了大尺度背景環流對中小尺度擾動的調制基礎，然后將臺風的時空活動在模型上進行正確地反演。這樣，有了臺風的“加入”，張紹晴的全球氣候耦合資料同化系統預報精度便再一次得到提升。

2013年10月，IPCC-AR5如期發布。在對全球所有氣候預報科技手段進行評估之后，作為NOAA代表的張紹晴研發的“全球氣候耦合資料同化系統”脫穎而出，被評為“全球唯一能一致性制作季節到年代際氣候預報的系統”。對于NOAA和張紹晴而言，這無疑是一份至高的肯定與榮譽。美國聯邦商業部為了表彰張紹晴及其團隊多年的辛勤耕耘，特地為其頒發了研究和發展金牌獎。張紹晴也因而一躍成為世界范圍內耦合資料同化研究方面的領軍人物。

“耦合同化”在人們的日常中生活究竟有什么用？舉個例子來說，2015年張紹晴與合作團隊聯合發表在Nature Communications的1篇論文中提到，美國東北部的紐約港海平面在2009～2010年突然“跳漲”了128毫米。人們普遍認為，這次“跳漲”是歷史上850年一遇的罕見事件。然而張紹晴及其合作者卻用全球氣候耦合資料同化系統分析得出，這次“跳漲”有30%原因來自大氣與海洋之間的相互作用。有了全球氣候耦合資料同化系統，今后人類便不必擔心生活中偶爾出現的極端類天氣事件。

“對于研究天氣、氣候預報的人來說，其過程就像考古一樣。”張紹晴用十分貼切地形容概括了他過去近30年的研究歷程，“考古學所采用的方法是通過考察古董認知歷史，理解歷史的演變規律，然后預測未來人類的發展。而天氣、氣候研究與考古雖屬不同領域，但二者在研究方法上卻有異曲同工之妙。耦合資料同化就是對天氣—氣候的歷史進行重建，準確的歷史重建就是我們對未來天氣—氣候狀態進行準確預報預測的基石。”

在美國氣象學領域“考古”了20余年后，張紹晴本人也收獲滿滿。而出于對該領域高端領軍人才的需求，太平洋彼岸的祖國也正式向張紹晴發出邀請函。

區域天氣—氣候發展護航人

自古以來，人類社會的生產生活就離不開天氣和氣候。而如今，伴隨著國家對海洋經濟經濟發展的重視，習近平總書記明確指出：“要發展海洋科學技術，著力推動海洋科技向創新、引領型轉變。”作為海洋大省，黨的十八大以來，山東以打造平臺、集聚海洋高端人才為突破口，引領海洋經濟創新發展。出于對高端、有國際影響力的領軍人才需求，青島海洋國家實驗室及中國海洋大學決定花重金從美國引入第一位天氣、氣候學領域研究的杰出專家張紹晴。

從2014年起，我國中國海洋大學副校長吳立新院士便頻頻到美國去拜訪張紹晴，希望他能回國加入我國的氣候研究大隊，為提升我國區域天氣、氣候預報水平保駕護航。面對吳院士的誠摯邀請，張紹晴最終下定了決心。他說:“國外這些年的生活對我來說太悠閑了，我很想回到國內去看一看，為祖國的海洋事業出上自己的一份力。”

鍛煉身體，綠色環保、低碳出行是張紹晴的生活理念。

2016年年底，以“科技部國家重點專項”為契機，張紹晴以中國海洋大學和青島海洋國家實驗室雙職教授身份回到了國內。在成為中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室氣候研究方面的帶頭人后，張紹晴將和其團隊，在實驗室原有的區域耦合天氣—氣候預報系統基礎上，運用由他開創的“耦合資料同化理論”“參數估計技術”，為我國建立起一套無縫隙的天氣—氣候預報系統，解決我國區域天氣、氣候預報中存在的10～30天延伸期預報難題。

另外，張紹晴還將負責青島海洋國家實驗室區域智慧地球系統同化模塊的核心建設。區域智慧地球系統涵蓋了大氣、海洋、海冰、陸面過程及生物化學過程等多分量，它的建設將為我國海洋強國和“一帶一路”的發展奠定更加穩定的基石。

除了科研，張紹晴回國后肩負的另外一項使命便是為我國培養一批氣候研究專業人才。一方面，他希望能將多年的“耦合同化”研究心得傳授給學生；另外一方面，他將著重培養一批駕馭超級計算機的高級技術人才。對于為何培養這類的人才，張紹晴解釋道：“因為在氣候過程的研究中，動輒上萬億次的數值運算只有超級計算機才能完成。所以在接下來的研究計劃里，我會著重培養一批會使用超級計算機的人才。”

每天清晨，在通往中國海洋大學魚山校區的海邊公路上，總可以看到一個騎自行車的身影，這個人便是張紹晴。張紹晴是一個熱愛生活的人，為保持滿滿的科研戰斗力，長期以來他一直堅持騎自行車去上班。盡管回國后還有許多問題需要他去適應和解決，但他始終樂觀地期待著，在祖國的藍天下，書寫新的傳奇。

專家簡介：張紹晴，美國氣象學領域耦合資料同化研究專家，現任中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室教授。因在大氣—海洋耦合資料同化和初始化研究方面所作出的杰出貢獻，曾榮獲美國國家海洋大氣管理局杰出研究論文獎、美國聯邦商業部研究和發展金牌獎。針對大氣—海洋耦合資料同化過程中存在的協調性與平衡性問題，以及全球氣候耦合資料同化系統建設中所存在的問題，曾在Nature Communications、Journal of Climate等雜志上發表研究論文逾70篇。因在天氣、氣候研究方面取得杰出成就，曾受邀在英國里丁大學、挪威貝爾根大學、美國夏威夷大學、日本東京大學、北京大學物理學院、北京國際氣候論壇、首爾大學等多地開展學術演講和授課。2013年，作為美國海洋大氣管理局氣候預報系統的代表，其設計的“全球氣候耦合資料同化系統”參加聯合國政府間氣候變化專門委員會第5次評估報告，被評為全球唯一能一致性描述年際到年代際變化的氣候預報系統。