【我们兰大人-38】天空星手画书意——专访“万人计划”科技创新领军人才田文寿教授

日期: 2019-06-09 阅读: 来源: 关键词:

作者:校报记者团 蒋云鑫 本报记者 任 妍

他痴迷于在大气环境中探索自然的奥秘,也曾留恋在武侠江湖中享受快意人生,当现实与虚拟的七经八络被打通,他得出了“科研精神与武侠精神是相通的”结论。

他深谙“教师的首要职责是教书”的道理,也曾在课堂上被学生挑战、被学生的问题当堂难住,当铁定了“培养出几个能超过我的学生”的心,他认识到“质疑才能推动进步”。

他有着破解 “天气和气候预测的精度和时效”这个国际性难题的雄心壮志,也有着带领兰大大气学科实现国际化的长远规划,但短期内面临的两场“大考”却使他直言“千斤重担”。

他便是我校大气科学学院院长田文寿教授,于2019年初入选第四批国家“万人计划”科技创新领军人才名单。

大气化学-气候模式获国际好评

一层淡蓝色的臭氧,在距离地面十公里以上的高空像“卫士”一样忠诚地守护着地球,它阻断了大量紫外线的侵入,为地表生物提供了存活的基本环境。

上个世纪80年代,南极臭氧空洞的发现引发了学界的高度恐慌,有关臭氧破坏、臭氧空洞修复及臭氧空洞出现对地球气候等方面影响的研究一浪高过一浪。这些年,臭氧层逐渐呈现出恢复趋势。但是,臭氧的恢复进程以及臭氧空洞完全修复的时间至今在国际范围内都是未解之谜,这也是田文寿的主要研究方向之一,“预测出臭氧空洞恢复的具体时间”,是他一直以来的奋斗目标。

为了预测臭氧层的恢复时间,田文寿在已有的化学机理和大气模式的基础上,发展建立了一个耦合的包括平流层大气的“大气化学-气候”模式。相较于之前只考虑大气运动的模式,这个模式可以模拟大气里面的化学过程,特别是与臭氧有关的化学反应。

2006年,政府间气候变化专门委员会(IPCC)开展了臭氧评估报告,参与评估的一共15个模式,田文寿发展的“大气化学-气候”模式因性能良好名列第四,并获得了世界气象组织(WMO)发布的臭氧损耗评估报告和世界气候研究计划设立的平流层-对流层过程及其在气候中的作用(WCRP/SPARC)关于化学-气候模式评估报告的好评,田文寿也因此被邀请参与撰写2010年SPARC的大气化学-气候模式的评估报告。

随后,他用该模式探索了大气化学与气候的相互作用,特别是温室气体增多、臭氧含量不断发生变化的背景下天气气候的变化特征,取得了一系列的创新成果。

平流层研究的执迷者

21世纪初,对平流层的研究在国际上尚处于起步阶段。基于对平流层对流层相互作用对对流层天气和气候的重要影响的认识,2006年刚归国回校工作不久的田文寿敏锐地捕捉到了国内在这一方面有很大的发展空间,继而逐步开始了在这一方面的研究。

接下来的十年,静待花开。从2016年开始,田文寿团队在平流层对流层相互作用方面的研究逐渐 “开花结果”。

其研究表明:平流层中的极涡正在由北美大陆向欧亚大陆偏移,因为极涡中温度极低,导致了欧亚大陆冬天的极寒天气逐渐增多。但同时,极涡从北美大陆“逃离”,并不意味着北美大陆的气温会越来越高,相反,在绕地球纬圈传播的大气罗斯贝波的作用下,北美大陆的天气也会变冷。这严重威胁到了人们的生产生活和社会经济的发展。

极涡为什么会偏移?这源于北半球高纬度地区积雪的变化和海冰的减少,积雪的变化和海冰的减少则是由于全球气候变暖,而全球气候变暖的原因就回到了人所共知的问题上:人类向大气中排放了大量温室气体。

全球气候变暖一方面使部分海冰消融成水,“原先能被海冰反射到大气中的能量,现在就会被水吸收”,地球大气所吸收的能量就会发生变化;另一方面,积雪和海冰的变化使得大气中的波动发生变化,进而导致极涡的偏移。

这一发现成功地解释了在全球气候变暖的大背景下,俄罗斯、中国和北美大陆的冬天为什么会出现越来越多的极寒天气。

作为当时团队的最新研究成果,2016年,田文寿团队以“PersistentShiftoftheArcticPolarVortextowardstheEurasianContinentinRecentDecades”(近几十年北极极涡持续偏向欧亚大陆)为题在国际气候变化领域顶级期刊“NatureClimateChange”(自然·气候变化)上发表了论文,受到国际社会的广泛关注与报道。

与此同时,田文寿团队关注到了另外一个现象:北半球臭氧总量变化存在一种“欧洲-北美”偶极子模态,在过去3年,它在欧亚大陆上空呈现逐渐增强的负异常中心,而在北美大陆上空则存在正的异常中心,表明欧亚大陆的臭氧损耗速率相比同纬度其他地区更加显著。同时,欧亚大陆上空的晴空紫外线强度也明显偏强。

他进一步的研究表明:这些现象与北极海冰减少引起的平流层极涡向欧亚大陆偏移密切相关。一方面,极涡向欧亚大陆偏移会将极涡内部低浓度的臭氧空气输送至欧亚大陆上空,稀释那里的臭氧空气;另一方面,北极极涡内部浓度异常偏高的活性氯空气也被输送至欧亚大陆平流层,造成更强的臭氧化学损耗。

这一研究首次揭示了气候变化对于臭氧恢复的影响不仅可以通过改变平流层辐射和温度影响臭氧的反应速率,还可以通过北极海冰变化引起的极涡偏移影响区域臭氧总量的变化。该研究成果以 “StratosphericozonelossovertheEurasiancontinentinducedbythepolarvortexshift”(极涡偏移引起欧亚大陆平流层臭氧损耗)为题于2018年发表在Nature子刊 “Nature Communications”(《自然·通讯》)上。

在平流层和对流层相互作用的研究中,田文寿不仅获得了1项973项目子课题、2项国家自然科学基金重点项目和国家杰出青年基金的支持,而且培养出了一支平流层的研究团队,该团队入选科技部2017年创新人才推进计划“重点领域创新团队”。

力争破解大气观测瓶颈

通过对平流层对流层相互作用的研究,田文寿给自己制定了一个更宏大的目标:解决天气和气候预测的精度和时效这个国际性难题。

要解决这一国际性难题,首要的障碍就是改变平流层大气的研究手段。

目前国际上常规的研究平流层大气的主要手段是模式研究和观测研究,但由于过去我国在这方面投入经费少、观测能力低而多采取模式研究的方式,即便是少量的观测研究也主要依赖于欧美国家的卫星观测资料开展。

随着我国观测卫星的增多和探测能力的提升,田文寿致力于将原来以模式为主的研究升级为观测与模式相结合的研究,“所以依托国家子午工程二期站,我们规划在萃英山气候站的基础上建立一个全大气层观测系统。如果建成,这将是继吕达仁院士在西藏建立全大气层观测系统之后的第二个观测系统,可以和西藏的观测系统形成高原地区的观测网,有助于全面监控气候、天气和大气成份的变化,提高天气和气候预报的水平”。

在田文寿看来,全大气层观测系统的建立中最难破解的技术瓶颈便是高中层大气水汽和大气成分探测仪器的精度问题,“平流层中某些重要大气成份的含量非常少,现有的仪器无法做到准确探测”。

教师的本分是培养人才

对于科研和教学之间的关系这一老生常谈的话题,田文寿和很多人一样有着同样的认识:“在高等教育中,教学是第一位的,科研是必不可少的。成功的教学离不开科研经历和科研成果的支撑,但教师最主要的本分工作还是培养人才。”

自回校任教以来,田文寿始终坚持给本科生上课,即使是在“教授可以申请不上课”的特殊政策时期,他也没有走下过讲台,先后承担《大气物理学》、《流体力学》、《大气科学导论》等课程的教学。

教学中,田文寿一方面将书本上的知识和最前沿的科学研究结合起来,“要让学生及时掌握学界在这一领域目前的研究动态”;另一方面“我会告诉学生学这些知识有什么用、能解决什么问题,这样才能激发学生对所学内容的兴趣”。

在讲到“能量守恒”定律时,田文寿不仅说“只要你肯努力,没有的迟早都会有,这就体现了能量守恒”,而且将能量守恒比作谈恋爱:“谈恋爱的时候快乐,分手了就难过,那些没谈过恋爱的,没有快乐也就没有难过”。

浓重的家乡口音成为田文寿授课的最大障碍,他也一直为不能讲一口流利标准的普通话而困扰。在一次讲课时,田文寿讲道“科学问题是要有‘前提’的”,学生们将“前提”听成了“墙体”,因而百思不得其解,最后田文寿做了板书大家才会心一笑。自此,为了尽可能地避免因自己的口音给学生造成误会,田文寿在讲课中不仅使用PPT,而且会将关键的词句进行板书,并不断追问学生能否听懂,“有时候坏事变成好事,我的课堂教学力求逻辑性,因为我讲的有些词学生听不懂,这更驱使自己好好教课。”

如此一来,学生们都觉得“田老师的课听起来有点费劲”,但“大家都喜欢上,因为他能把深奥的知识讲得通俗易懂,擅于结合前沿科学知识启发学生,让学生在学习专业基础课的同时了解最新的科学进展。他还很注重与学生交流,尤其鼓励学生质疑”,大气科学学院青年教师雒佳丽这样说道。

田文寿也因此获得甘肃省高等教育教学成果奖二等奖、兰州大学第三届“我最喜爱的十大教师”、兰州大学教学成果一等奖等多项教学奖励和荣誉。

质疑才能进步

上课时,田文寿不仅鼓励学生质疑授课内容或指出讲错之处,更鼓励学生敢于提问、质疑教材、质疑权威,“哪个学生上课敢于质疑,不论质疑的对错,我都在平时成绩里给加分”。相反,“对于发现了我的错误而没有指出来的学生,我会扣他的平时成绩”。

夜明珠晚上会发光,这个平常的就像人生来就会呼吸一样的现象,田文寿也从未去思考论证过“为什么”。而就在他用大气辐射学的知识给学生讲解物体为什么会发光的时候,有一名学生当场提问:“能否用大气辐射学的知识解释夜明珠晚上发光的原因”?

“我从来没想到过这个问题,当时就被难住了”。

而当他讲到 “宇宙中任何物体的速度不能超过光速”时,另一名学生则指出“现代物理学已经提出光速并不是极限速度”。对于这个基于还没有得到证实的现代物理学猜想而提出的质疑,“我很欣赏学生这种勤于思考和敢于提问的精神,当场也给予了充分的肯定”。

在田文寿看来,相比对学生善于发现问题、勇于提出问题的能力的赞赏,被学生难住而带给自己的小小的尴尬并不算什么,“质疑才能推动科技进步”。

正如田文寿在他的QQ日志中写的那样:“就单纯的学和问的范畴,我窃以为一定是要无所畏惧、不怕权威、争鸣不已才对,否则问者不敢问,想学的学不到,哪有进步可言?

“读书述职”

自己和学生共同提升,是田文寿对进步的最低要求;培养出几个超过自己的学生,则是田文寿对进步更大的期待,“自我回国以来,倾注心血最多的应该也就是研究生的培养教育”,正如他在2015年的毕业季所写:“不论他们走到哪里,我的眼睛总会在背后注视着他们,看着他们成长、长成,直到我老眼昏花,再也看不清他们”。

每周一次组会、每学期一次爬山或郊游,这样的团队活动在田文寿看来,仅仅是加强团队交流凝聚、丰富团队业余生活的一种稀疏平常的方式。

每年一本读书任务、年底统一交流读书心得体会的做法,才是田文寿督促学生进步的有力措施,学生们戏称“读书述职”。

每年春学期开学,田文寿都会给每位研究生提出“用一整年时间读一本专业之外的书”的要求,年底的“读书述职”会上,“学生们轮流给大家讲讲自己读了什么书,书的大致脉络是什么,他读了有什么感悟思考,我会根据每个人交流的情况进行点评或者提问”。

在去年的“述职”会上,一位读了《千与千寻》的同学在分享完自己的读书心得后,田文寿提出让该同学谈一下 “这本书的深层次背景”,“他当时就被难住了”。

思考良久,该同学也没能回答出这个问题,却认识到“我们读书不能只图故事有趣,更重要的是要深入作者写作的社会环境和背景,才能真正读懂作品的内涵和意义”。

田文寿对该同学的反思和总结表示了肯定:“我让学生读书的初衷就是提高他们的个人修养,相较于碎片化的学习,读书更系统更有效。对我自己而言也是一种间接学习,我也不可能把所有的书读完”。

从未停止过读书

在田文寿看来,纯粹学文科或纯粹学理科的人在思维上取得大突破 “是比较难的一件事”。一方面,人文社会科学的研究同样需要回答关于自然界的问题,而自然科学知识的缺乏容易使思维受到限制,另一方面,自然科学的最高境界即是哲学,对于自然科学知识无法回答的问题,哲学或许是有力的思想武器,“文理兼修则可以活跃思维,使这些问题迎刃而解”。

读书便是解题的“利刃”。

谈及读书,田文寿附身顺手从办公桌最下层的抽屉里拿出了一本纸张微黄、页角微卷的老版《红楼梦》,“这我已经完整地几遍了,现在有时候也会随手拿起来翻上几页,经典,百看不厌”。

《资治通鉴》《史记》这些书目也都是田文寿的“床头必备”,每晚睡觉前总要翻看一下,“就像工具书一样”。甚至在家人观看历史题材电视剧时,田文寿也常常通过查阅书籍判断电视剧情节的真伪。

近期,田文寿迷上了王国维的《人间词话》和美国历史地理学家威廉·房龙的《地理的故事》,“《地理的故事》我这两年读了好几遍了,书中在地理学的专业知识中融入了经济、历史、社会等各方面的要素,逻辑清晰,每次读感受都不一样”。

说起读过最多的书,田文寿不假思索地说道:“武侠小说”。

从上研究生开始,田文寿便游遍了金庸、古龙、梁羽生笔下的武侠世界,“在虚拟的江湖中放松自己,品味一下那里面幻境一样的武功,扮演一下小说里令人羡慕不已的爱情故事的主角和配角,偶尔再给自己安一个虚拟的武林盟主当当,倒也惬意”。

科研精神与武侠精神是相通的

诸多武侠小说中,田文寿尤其醉心于金庸笔下的快意恩仇和侠骨丹心,一套《金庸全集》来来回回不知翻阅了多少遍,对从作者到武侠人物的每个人的生平经历、性格志趣等更是如数家珍。

《倚天屠龙记》中的张无忌善于将所学武功融会贯通、真正为自己所用,最后练得绝世武功,“这不仅得益于张无忌的勤学好问,也跟他的天赋有很大关系”。

但并非人人天赋异禀。

《天龙八部》中的虚竹,集多个门派的武功于一身,却在一次次比武打斗中落败。在田文寿眼中,虚竹并不是一个天资聪颖的人,正是凭着勤奋和坚韧,在某个瞬间打通了自己的“任督二脉”,使习得的各门功夫在血液中相融相生,成为书中的盖世英雄。

相较对张无忌过人天赋的钦佩,田文寿更赞赏虚竹超乎寻常的毅力和“看似有点傻笨”的坚持,“做学术也需要有这样的毅力和坚持,所以我认为科研精神和武侠精神是相通的”。

田文寿直言:“做科研是需要大量积累的,是要能坐得住冷板凳的。所以要想做出好的科研成果,首先就要有不求名利的心态,才能有像虚竹一样长期坚持的毅力。”

初入大气门

1987年参加高考的田文寿出于对当时兰大化学学科的向往,第一志愿报考了化学系,第二志愿才是大气系。

阴差阳错被第二志愿录取,这并没有带给田文寿太多不甘:“当时的想法就是事情既然已经这样了,就要努力做好”。

经过四年扎实刻苦的学习,毕业时田文寿排名全班第一,因此获得了班上唯一一个保研名额,“当时保研名额很少,能够保研是一种荣誉”。

在导师陈长和老师的精心指导下,1994年田文寿研究生毕业。尽管已经联系好了甘肃省电力局的工作,但“陈老师觉得我还是适合搞研究,不同意我去省电力局工作”,负责发放派遣证的办公室主任更是扣留了田文寿的派遣证。田文寿留校工作。

直至1998年出国之前,田文寿在大气中气溶胶对天气和气候的影响方面做了一些研究工作,尤其是跟随陈长和老师、袁九毅老师、黄建国老师和张镭老师等参与了甘肃省环保厅 “兰州市西固区的环境影响评价项目”,“我主要负责西固区大气环境容量的计算和大量的现场观测工作”。

在开展项目的过程中,田文寿不仅看到了老教师们对工作孜孜以求和对科研一丝不苟的精神,更意识到“留在高校工作,不读博士是不行的”。

1998年,田文寿在考取到本院博士研究生的同时,意外地申请到了国家留学基金委资助的访问学者机会,“那个时候去国外学习还是很有诱惑力的”,田文寿前往英国爱丁堡大学做了访问学者。

回到兰大是最好的选择

访问学者期间所做的工作得到了国外导师的高度赞赏,一年后,导师以提供全额奖学金挽留田文寿继续攻读博士学位,“这也很有诱惑力”。

从1999年开始到2005年,三年攻读博士学位,三年做博士后,田文寿的六年光阴在英国利兹大学度过。

在此期间,田文寿主要围绕臭氧空洞和臭氧模式做了大量研究工作,取得了一些成绩。英国导师时不时问及田文寿对未来的规划,“他还是希望我最终留下来”,但在田文寿的心目中,“回国是迟早的事,从没有想过彻底留在英国”。

进入21世纪,中国与国际上的学术交流越来越多,田文寿多次回国参加学术会议或开展交流合作。在此过程中,田文寿明显感受到中国在经济和学术上的突飞猛进,“每年回来都能感觉到国家不一样了,这与在英国一成不变的孤单生活形成反差”。

与此同时,同在国外工作的众多研究人员中,有很多人已经回国或者有了回国的念头,“尽管当时还没有掀起回国热潮,但已经有了这个苗头”。

加之意识到在国外组建研究团队的困难,田文寿回国的想法越来越强烈。

2004年,兰州大学大气科学学院正式成立。作为独立建院的大气学院,尽管有诸多前辈老师的支撑,但对青年人才的需求依然很迫切,“需要更多的人一起来为大气院打拼”。

在丑纪范院士、袁九毅老师、黄建平老师、王式功老师等人的支持下,“尤其是诸位前辈老师帮我协调解决了职称、住房等待遇问题,让我特别感动”,全无后顾之忧的田文寿婉拒了国内其他高校的盛情邀请,于2005年回到兰州大学大气科学学院,“回到兰大是我最好的选择”。

2008年,田文寿彻底结束了中国英国两头奔波的“候鸟”工作状况,将工作重心完全转移到国内,在教学科研、人才培养等方面均做了大量工作,也才取得了前文所述的各项成果。

肩上千斤担

2018年9月,田文寿接过了大气科学学院院长这个重任,“真的是千斤重担,尤其是在建设‘双一流’学科的阶段,压力特别大”。

田文寿的压力首先来自于学院即将迎来的两场“大考”:2020年的“双一流”学科中期评估和2021年的教育部第五轮学科评估,“争取在全院师生的共同努力下,这两项评估都能取得一个好成绩”。

而在田文寿看来,学院的长远发展需从三个方面着手:适度扩大学院规模、丰富学科方向和提升国际化水平。

“扩大学院规模首先要加大人才的培养和引进力度,规模上去了,在做大做强现有学科的基础上,才能交叉培育新的学科增长点。与此同时,通过出台一系列的教学政策、奖励措施等狠抓本科教学质量,纠正以往重科研轻教学的思想。这些工作其实已经陆续在做了。通过这样一些努力,我们的教学科研无论是数量还是质量应该都能再上一个台阶。然后就积极推动合作办学,加强与高水平科研机构的深度合作,逐步实现国际化。”

(《兰州大学报》 2019年5月15日 总第936期 第02版:教学科研)

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编辑:赵洋

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