曾庆存1935 年 5 月出生于广东省阳江市,中国科学院大气物理研究所研 究员、国际知名大气科学家。1956 年毕业于北京大学物理系,1961 年在前苏联科学院应用地球物理研究所获副博士学位。回国后先后在中国科学院地球物理研究所和大气物理研究所工作,曾任大气物理研究所所长、中国气象学会理事长、中国工业与应用数学学会理事长。1980 年当选中国科学院学部委员(院士),1994 年当选俄罗斯科学院外籍院士,1995 年当选发展中国家科学院院士,2014 年当选美国气象学会荣誉会员(学会最高荣誉),是全国劳动模范、 全国先进工作者、第十三和十四届中共中央候补委员。曾庆存院士为现代大气科学和气象事业的两大领域——数值天气预报和气象卫星遥感做出了开创性和基础性的贡献,为国际上推进大气科学和地球流体力学发展成为现代先进学科做出了杰出贡献,并密切结合国家需要,为解决我国相关气象业务的关键问题 做出了卓著功绩。荣获 2019 年度“国家最高科学技术奖”。
少年立志 才华初显
曾庆存出生于一个贫困的农民家庭。他曾在《和泪而书的敬怀篇》 一文中提到自己的幼时生活:“小时候家贫如洗,拍壁无尘。双亲率领他们的孩子们力耕垅亩,只能过 着朝望晚米的生活。深夜劳动归来,皓月当空,在门前摆开小桌,一家人喝着月照有影的稀粥——这就是美好的晚餐了。”
虽然家境贫寒,但曾父曾母对子女的教育却是格外重视。曾氏祖辈历代皆以种田为生,鲜有读书人。 曾庆存的父亲曾明耀在幼时曾读过3年私塾,却因其父早逝而不得不过早地承担起养活全家、照料幼弟幼妹的任务。读书是曾父的未竟之志,一生对知识的崇敬和渴求深 深影响着他的教育理念和教育方式。有一次曾父在挑肥途中遇见小学校长,校长问:“家中有几个孩子?都多大年纪?”在得知曾父家中有适龄读书的孩子后,校长对曾父说一定要让孩子读书,曾父随即毫不迟疑将哥哥曾庆丰送入小学。由于曾父曾母每日在田间劳作,年幼的曾庆存在家中无人照顾,哥哥便带着他一起上学堂听课。曾庆存就这样以非正规的身份开始了学生时代,日日往返于田野学堂。
一边劳动、一边读书、打着赤脚、衣衫褴褛的兄弟对来之不易的读书机会倍加珍惜,成绩一直名列 前茅。小学没毕业,曾庆存弟兄便参加了百里挑一的“跳考”,直接进入初中读书。上了中学后,兄弟 俩又因成绩优异先后获得了学校 16 个公费读书名额中的2个。
新中国成立后的1952年,国家经济开始全面恢复,政府重视和扩大高校招生,曾庆存响应国家号召报考了北京大学物理系,被顺利录取。 新中国成立之初,无论是抗美 援朝,还是国内的国民经济建设, 我国都急需气象科学人才。在乡村长大的曾庆存对农业生产和人民生 活受天气和气候的重大影响有深切 的感受。所以物理系安排一部分学 生学气象学专业,曾庆存就服从并 很快适应了。
气象学深深地吸引着这个年轻人。“我印象很深的一件事,1954 年的一场晚霜把河南 40% 的小麦冻死了,严重影响了当地的粮食产量。 如果能提前预判天气,做好防范, 肯定能减不少损失。”曾庆存说自己经历过饥饿,深有体会。在北京大学求学期间,曾庆存延续着幼时刻苦学习的劲头,在校埋头苦读。
20世纪50年代的气象科学还处于描述性和半理论半经验阶段,国际上的天气预报刚从经验性向客观定量化起步。即将毕业的曾庆存到中央气象台实习时,看到气象预报员们废 寝忘食地守候在天气图旁进行分析判断和发布天气预报。但由于缺少精确的计算,做天气预报往往只能是定性分析判断和凭经验做预报,心里没有把握。曾庆存看在眼里,记在心上,下决心要研究客观定量的数值天气预报,提高天气预报的准确性,增加人们战胜自然灾害的能力。
1956 年,即将大学毕业的曾庆存提交了入党申请书。他说:“我入党的初心非常简单,响应党中央向科学进军的号召,为祖国建设贡献力量。我决心把一切献给党、献 给祖国和人民。”适逢国家大规模经济建设正在开始进行,派遣学生去苏联留学是当时国家科技事业发展的重要措施。
1957年底至1961年初,曾庆存通过国家考试被选拔派遣至苏联科学院应用地球物理研究所作研究生,师从国际知名气象学家苏联科学院通讯院士基别尔。苏联的研究生培养制度十分正规严格,曾庆存不仅在规定必须完成 的课程上达到了全优,还选择了 其他课程,常常坐地铁到莫斯科大学去听数学课,去别的研究所听讲座和学术报告,这些都为他 以新的视野进入气象学研究打下了坚实的基础。
由于扎实的数学物理功底,他的导师基别尔为他选择了一道理论分析十分困难、计算起来极其复杂、时人不大敢问津的世界著名难题作为他的论文题目,即应用斜压大气动力学原始方程组做数值天气预报的研究。“他把这个题目给我 时,所有的师兄都反对, 认为我不一定研究得出来,可能拿不到学位。 导师信任我,还是让我选择了这个题目。”曾庆存说。
那也许是25岁的曾庆存遇到过的极大挑战。当时世界上虽已尝试用动力学方法作天气 形势短期预报,但都做了很严重的简化,结果 不能达到实用要求。因此,亟须在原始方程研究方面取得突破,使数值预报能够在天气预报业务中得到 应用。这个问题那时在世界范围内还尚未被解决。当时,基别尔也在 研究原始方程,但他的研究开展了 一半,碰到很大困难,尚未完成。 就计算方面来说,原始方程需要计 算的大气物理变量很多,例如温度、 气压、湿度、风向、风速等;又包含有涡旋和各种波动的运动过程, 这在当时的计算条件下,要想“追上天气变化的速度”将其计算出来, 实现真正的“预报”,几乎是不可能的。
曾庆存苦读冥思,反复试验,几经失败,终于从分析大气运动规律的本质入手,想出了用不同 的计算方法分别计算不同过程的方法,一试成功,最后只用了很少的计算机机时就把论文做完了。 他提出的方法叫“半隐式差分法”, 是世界上首个用原始方程直接进行实际天气预报的方法,随即用于实际天气预报业务,至今仍在沿用。应用原始方程是一个划时代的进步,当今数值天气预报业务都基于原始方程。
留学苏联对曾庆存的科研道路有着深远的影响。通过三年半的学习,他打下了深厚的理论功底,也养成了严密的科学逻辑思维。此外, 苏联科学的传统和导师基别尔的既 严谨又创新的工作作风,也一直影响着他此后的研究工作。
攻难克艰 成就卓著
1961 年,曾庆存在苏联科学院获副博士学位后立即回国,写下一首《自励》诗:“温室栽培二十年, 雄心初立志驱前。男儿若个真英俊, 攀上珠峰踏北边。”踏上祖国土地的那一刻,年仅 26 岁的曾庆存就 向朝思暮念的祖国表明心迹,绝不 辜负国家的培养,一定要在气象科 学领域踏上世界最高峰。他被分配到中国科学院地球物理和气象研究 所气象研究室工作。在强烈使命感的趋使下,他开始了科学报国、求实奉献、勇攀高峰、服务社会的科研生涯,并取得了一个个重要科技成果。
力学的数学物理系统理论创立数值天气预报与地球流体
曾庆存毕业回国后,苦于当时没有电子计算机条件,于是便集中注意力研究大气和地球流体力学以及数值天气预报中的基础理论问题,这在当时看来是十分抽象和“脱离实际”的,但后来证明这对数值预报进一步的发展是十分必要和极为重要的。他创立的数值天气预报与地球流体力学的数学物理系统理论主要包含:建立了完整的地转适应过程理论、地转适应过程与大尺度大气运动演变过程的弱非线性相互作用及准可分性理论(1961-1963),阐明了天气系统演变的大气动力学和热力学的本质特性。该理论已成经典并载于教科书中,其专著《数值天气预报的数学物理基础》(1979)开创了大气和地球流体力学的物理数学系统理论,将气象问题、动力学理论和数学方法有机地结合起来,充实了数值天气预报的数学物理理论基础,获得了国内外学者的高度评价。该开创性工作还影响到数学界,吸引了国内外一大批数学家参与到对地球流体力学偏微分方程问题进行研究。发展了“波包动力学”(1983)、“非标准模方法”和运动稳定性理论研究,在国际上被广泛应用于大气和大洋环流以及天气—气候动力诊断分析研究中。如欧洲中期天气预报中心的“集合预报”业务的核心方法之一“奇异向量”,其结构正是曾庆存1983年的“波包动力学”理论所揭示的。
数值天气和气候预测模式的研制与计算地球流体力学开创性研究
他首创了求解大气运动原始方程组的“半隐式差分法”,随后还发展了可使大气和地球流体力学方程数值解法在理论上严谨,又可作大规模长时效高性能计算的数值方 法,如“标准层结扣除法”和“平方守恒格式”等,这些方法至今仍是世界数值天气预报和气候预测的核心技术。将数值天气预报延伸至气候变化模拟和预测。1983年起,他和团队自主研制了大气环流、大洋环流、陆表过程以及气候系统和地球系统诸模式,参与了IPCC全球气候变化科学评估,也同时用于我国短期气候预测业务与气候和环境变化的数值模拟研究。他是国际知名的气候模式专家,应邀撰写了IPCC第一次科学评估报告气候模式专章,是该专章的3个主要作者之一。
建立大气遥感系统理论发展定量信息提取方法
国家决定研制自己的气象卫星,1970年曾庆存服从国家需要离开原来的研究工作,被中国人民解放军总参谋部紧急调任作为卫星气象总体组的技术负责人,期间既要领导该组搞气象卫星遥感总体设计规划等研究,又要探讨气象遥感的基本问题(当时国际上尚处于初始阶段,温湿等定量遥感不清楚)。他克服重重困难,终于解决了卫星大气红外遥感的基础理论问题,并利用一年时间写出了《大气红外遥感(测)原理》一书,于1974年出版。该书是当时国际上第一本系统讲述卫星遥感定量理论的专著,虽以红外和微波频谱法为主,也涵盖了角扫描法、光散射法、掩星法等,将各种辐射传输方程统一作为“遥感方程”处理。特别是提出的“最佳信息层”等概念和方法,正确解决遥感水汽通道的选取方法,是如今监测暴雨、台风等及灾害性天气的极重要手段。此外,他提出求解“遥感方程”的有效反演算法,该算法当前已成为世界各主要卫星数据处理和服务中心的主要算法,得到了广泛应用。
开创跨季度气候动力学预测研究和气象灾害监测预报与防灾调度方法研究
为进一步服务国民经济,面向国家需求,曾庆存于20世纪80年代起就致力于研究跨季度气候数值预测以及集卫星遥感、数值预测和超算于一体的气象灾害防控研究。
采用自研的气候系统模式在世界上率先作出跨季度气候距平的动力学预测,并在1994年建立世界第一个实际应用的短期气候预报系统。系统地研究了东亚沙尘暴天气的监测和预测,并应用于我国相应的业务系统。此后,还将遥感、数值预报和超算紧密联系,大大提高了气象灾害如台风等的预报预警时效和防控效果,保卫人民的生命财产安全和经济建设的顺利进行。在我国和东亚地区,灾害性天气和气候大多与季风密切相关。1992年起,给出“季风”“季风区”“季风指数”和“季风爆发”的客观严格的统一数学表达和动力学特征,揭示出季风的本质、成因、时空结构和变异,均已在实际工作中得到广泛应用。
提出人工调控自然环境的理论方法
曾庆存在1991年创立了自然环境自控和人工调控的新理论——自然控制论,他提出通过合理的人类活动减少对大气和环境的破坏是人类社会可持续发展和大气科学研究的新内涵。自然控制论已成功应用于大气污染和核生化污染风险防控等方面。
同时,曾庆存还在气象科学其他方面也做出了重要贡献,赢得了科技界的肯定和敬重。他先后获得全国科技大会奖2项,国家自然科学二等奖2项,何梁何利科学技术进步奖,中国科学院自然科学一等奖5项和杰出科技成就奖1项;2014年被美国气象学会授予最高荣誉——荣誉会员,2016年被联合国世界气象组织(WMO)授予最高奖——国际气象组织奖(IMOPrize)。
学科建设 成就斐然
曾庆存不仅是一位优秀的科学家、科学带头人,还是一位杰出的科研工作领导者和组织者。1984年,49岁的曾庆存便挑起了中国科学院大气物理研究所所长的大梁。由于种种原因,20世纪80年代初期的大气所曾经有过一段很艰难的时间,加上当时处于体制改革所带来的剧烈变化,大气所人心涣散。此外,由于我国基础研究当时正处于极其困窘的境地。大气所缺少必要的科研经费、工作和生活条件的保证。没有科研大楼、实验室的建筑也极其简陋,研究室桌子就像小学教室一样拥挤,研究生没有自习室、资料无钱买、设备无钱更新,生活条件就更不必说了。刚刚从老一辈科学家手中接过接力棒的曾庆存面临着带领全所向前发展的紧迫问题。
1984年11月,刚刚上任数月的曾庆存就遵照中央关于中国科学院要“大力加强应用研究,积极而又有选择地参加发展工作,继续重视基础研究”的指示,提交了大气所“办所方针和改革设想”,提出长远目标是把大气所办成“一个社会主义的现代化的研究所”,成为“我国的一个高水平的大气科学研究中心,对国内外开放,在世界大气科学发展中做出贡献”。
曾庆存有远见的规划,也不忘鼓励全所找准自己的定位,提出“大气所是中国科学院的研究所,是国家队,应该高风格、高水平,敢于解决难题;还应看得更长远,预做准备”,鼓励全所上下为了国家和民族的利益团结协作起来。在他的带领下,大气所上下一心,顺应改革形势以及世界大气科学的发展趋势,进入了蓬勃的改革发展时代,经历了科技体制的重大变革。
在担任所长的9年间,曾庆存身体力行,历尽艰难。终于争取到在中国科学院建设的国家重点实验室中有两个大气科学方面的,即大气物理研究所建成了“大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室”和“大气边界层物理和大气化学国家重点实验室”。
1987年,当曾庆存得知第三世界科学院有意要在中国合办研究机构时,立即通过当时兼任第三世界科学院副院长的中国科学院院长卢嘉锡向第三世界科学院申请办“国际气候与环境科学中心”,几经周折也终于办成了,1991年成立,现已成为“中国科学院(CAS)-发展中国家科学院(TWAS)优秀中心”和“南方科技促进可持续发展委员会优秀科学中心”,该中心正式接收外国博士生。后又以此为基础,成立了CAS-TWAS-WMO国际气候论坛,已成为CAS与TWAS有关气候变化研究的品牌论坛。这两者成为我国大气科学的国际交流合作和为发展中国家培养科研人才的重要平台。
在曾庆存的辛勤带领下,大气所到达了一个新的辉煌的高度,他开创和领导的“大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室”“大气边界层物理和大气化学国家重点实验室”和“国际气候与环境科学中心”短短几年便在国际上颇有名气,成为我国大气科学基础研究的中坚力量。
不忘师恩 培育后学
已在科学界赫赫有名的曾庆存,却从未忘记来路。曾庆存对于曾经教导过、帮助过他的老师们或前辈们,总是怀抱着一颗感激和崇敬的心。谦虚低调的曾庆存谈及今日成就时,将功劳归于他人。“我庆幸有好的双亲和家庭亲人,读书时代有众多好的老师和同学,在工作中有众多好的领导、同志、同事、朋友、学生,所有这些保证了我总算还做出了一些有益的工作。”
在离开中学母校阳江一中的50年后,2002年,曾庆存撰写了一篇文章《忆师友》,怀念恩师叶观曦老师和冯思伟老师。他感念叶老师启发鼓励自己进步,教导自己要爱国家、要关心政治,感激冯老师严密的学者思维给了自己非常重要的启蒙。这一份母校的师恩,被曾庆存珍藏了50年。
对于大学和研究生时代的老师,曾庆存说:“对我影响较大的是赵九章先生、谢义炳先生、叶笃正先生和基别尔老师,他们为人类为真理搞科学的精神、严肃认真的治学方法和实事求是的态度。”对引领他走上大气科学道路的谢义炳院士,曾庆存更有着一份特殊的感情。他说:“让我印象最深的是谢先生的爱国情怀、科学情怀和培养学生薪火相传的情怀。他教育我们说,应该多为国家想,多考虑气象预报业务工作。他爱生如子,大学毕业时,我因家贫极想工作以孝敬双亲,恩师得知后按期给我家寄钱,消除我后顾之忧,让我安心去苏联读书。我非常感谢谢先生,我希望这样的精神能薪火相传。”这句感谢绝不是一句空话,而是一句被曾庆存践行一生的承诺。
如今,曾庆存已桃李满天下。他言传身教、诲人不倦,为我国气象事业培养了一批又一批优秀研究生和青年学者,这些人中的大部分已经成为国家大气科学研究和业务领域的骨干和顶尖人才,其中包括3位中国科学院院士、2位中国人民解放军少将、1位中国气象局副局长和不少的学科带头人。曾庆存还为发展中国家培养了多位留学生,其中古拉姆拉索尔为中国科学院培养的首位外籍博士,回国后任巴基斯坦国家气象局局长。
曾庆存对晚辈和学生严格要求但不苛刻,实事求是,因材施教。他对一些科研素质优异却不能继续科研道路的学生十分痛心,对于家里有困难的学生他会自掏腰包帮助他们。直到现在,曾庆存还在亲自带年轻人和学生,希望再为中国气象事业培养一些栋梁,为学科交叉建设桥梁,他现在的一个博士后说:“我们这些学生可不是挂名的,曾老师是真的在带我们,和我们一起提出问题、解决问题。曾老师特别注重学生的数理基础,特别注意多学科的交叉融合。”曾庆存带过的研究生和博士后中,除了来自大气科学专业背景外,还有来自基础数学、应用数学、物理学、力学、海洋科学以及控制论和环境科学等领域的。
曾先生虽然自身低调谦虚,但在科学上却是高标准严要求。他的治学态度十分严谨,特别是对于学生的论文从来容不得半点马虎。他时常教导学生要甘坐“冷板凳”,要有“十年磨一剑”的精神。学生的论文经过曾庆存的修改,一般都会密密麻麻布满他亲笔修改的意见,甚至还有加页的情况。在他的指导下,学生们完成和发表的论文往往都是经得起时间考验的“精品”。曾庆存一个学生在科学出版社2001年出版的《在鲜红的党旗下》一书中写道:“曾先生之所以受人敬仰,一是因为他崇高的人格魅力。曾先生从不计较个人名利,把科学报效祖国作为自己终生的奋斗目标和一贯的做人最高准则。二是他高深的学问、广博的学识和科研上敏锐的洞察力。三是严谨的治学态度。”
曾庆存在2005年发表于《气候与环境研究》的《帝舜(南风)歌考》一文中所作的一首结尾诗,充分反映了他爱祖国、爱科学和对青年科技工作者的勉励和期望:“季风时兮民康物阜,中华文化兮灿烂婀娜。继往开来兮中华学子,发扬我炎黄德智兮,永据科技之先河!”为了我国气象科技事业的发展,目前他依然奋战在科研第一线,一直领导和亲自参与研制我国具有自主知识产权的地球系统模式,是相关重大或重点项目的负责人或总顾问。2011年,中国科学院向国家提出以研制我国地球系统模式为首要任务并带动地球科学数值模拟研究的“大科学装置”,2016年获国家批准,曾庆存是该项目的创导者和科学总指导。此外,曾庆存在气象灾害的监测、预测和防控调度实用研究,非经典大气湍流理论和阵风机理研究中取得了重要贡献,并应用于生产实践中。已过耄耋之年的他,仍不忘初心,在探索气象的奥秘中奋力前行。(中国科学院大气物理研究所)