[兰州大学报]观气象而知云雨——“全球大气环流三型分解理论”背后的故事

日期: 2020-10-29 阅读: 来源: 关键词:

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云烟化雨,风停雪霁。俗话说:“天气就像小孩子的脸——说变就变。天冷时加衣,下雨时带伞,下雪时注意安全……这些司空见惯的天气现象和我们的生活息息相关,也与地球大气环流有着千丝万缕的关系。和捉摸不定的天气“打交道”是件困难的事,更遑论以此为研究对象。但兰州大学大气科学学院的胡淑娟教授及其团队却在大气环流理论研究路上一直积极探索着,走了近20年。

在全球变暖的背景下,重大自然灾害呈上升趋势,造成严重的经济损失和人员伤亡。我国由于特殊的地理环境,长期受气象灾害的严重影响,其中以干旱和洪涝灾害尤为显著。因此,以旱涝预测为焦点的月-季节尺度的气候预测一直都是国家发展的重大需求。然而,现有的气候模式预报的准确率远远不能满足实际需要,而气候预测不准的根本原因在于气候动力学基础理论的欠缺。

目前,国际上流行的大气环流理论要么只考虑中高纬度地区的大尺度水平运动、而忽略局部的垂直运动,要么只考虑低纬度地区的垂直运动、而忽略水平运动。然而,对于气候预测来说,需要同时考虑中高纬度大气环流与低纬度大气环流、以及水平运动与垂直运动的相互作用,亟需发展针对全球大气环流的动力学理论。

2020年8月,胡淑娟团队以“Theory of three-pattern decomposition of global atmospheric circulation”为题在高水平学术期刊SCIENCE CHINA:Earth Sciences上发表的论文系统性地介绍了他们在全球大气环流动力学理论研究方面所取得的重要进展;首次定量化地提出了全球水平型、经圈型及纬圈型环流的新定义,原创性地发展了全球大气环流三型分解模型,构建了全球大尺度环流动力学方程组理论,形成了完整的气候动力学新理论框架,弥补了传统研究中人为划分中高纬大气动力学和低纬度大气动力学的不足,为改进和提升我国月-季节时间尺度的气候预测奠定了理论基础。

20年里,胡淑娟和她的团队一边低头默默耕耘,一边抬头仰望“天空”,一点一点描绘着他们的“天空之城”。

幸遇恩师,不负嘱托:

“要做中国特色的”

胡淑娟是土生土长的兰大人,1993年她考入兰州大学数学系计算数学专业,2000年硕士毕业后留校工作,于2001年起转入大气院跟随著名气象学家丑纪范院士攻读博士学位。谈及自己是如何走上气象研究这条道路,胡淑娟的记忆回到了20年前。那时她对将来的博士之路有一番自己的规划:“当时想做点应用数学”。硕士导师丁方允教授了解到她这一想法后,就向她推荐了气象学研究领域的专家丑纪范院士。那时候,丑纪范院士正在考虑如何开展全球大气环流统一描述的动力学理论研究,并在找相关专业的学生。

“那时候我想都没敢想能跟着丑纪范先生读博士。”胡淑娟如是说。丑纪范先生是中国和国际上大气科学领域内少数专攻大气理论研究并做出重要贡献的学者之一,具有深厚的学术造诣,他的许多工作都是开创性的。

胡淑娟惴惴不安又满怀期盼地给在北京的丑纪范先生写了封信,说明了自身情况和求学意向,不久就等到了丑纪范先生的回信答复。“丑老师的回信让我很意外,也很感动。”这封信成为胡淑娟命运转折的重要节点,她定下了去北京读博士的行程,正式走上了气象研究的道路。

读博的日子里有诸多困难坎坷,不仅要快速适应新环境新生活,还要克服从数学到气象学专业跨越所造成的知识空缺,幸而丑纪范先生予以慷慨帮助。说起那段时光,胡淑娟至今依然充满感激:“丑老师给了我很大的帮助,生活上为我们当时几个学生提供住宿,学习上不仅要辅导我跨专业的课程,还要指导我的科研进展等等,让我在北京能安心地学习和工作。”很快地,胡淑娟的学习生活步入正轨,而这一切都和丑纪范先生的指导和帮助分不开。

在跟随老师交流学习的过程中,胡淑娟逐渐了解到丑纪范先生对大气环流研究的想法。传统的二维环流分解表示方法,常将全球大气环流人为划分为中高纬度大气环流与低纬度大气环流,进而导致中高纬大气动力学和低纬度大气动力学划分的不足。开展全球大气环流的统一描述是气象学家面临的重要难题。

胡淑娟说:“我们想解决气候预测所需要的针对全球大气环流的气候动力学理论框架。”大气环流的三型分解理论强调用全球的视角去看待实际大气运动问题,不仅要看到不同纬度地区主导的、典型的大尺度环流运动,还应当考虑各纬度地区其他环流的重要作用。就像观察一条流动的河,不仅关注表面水平方向的运动,而且看到其内部垂直方向的暗流运动一样。

“全球大气环流三型分解”就在这样的情况下产生了,国外还没有人触及到这个领域。胡淑娟说:“这‘三型’的名字还是丑老师起的。”“全球大气环流三型分解理论”中的“三型”分别是水平型、经圈型和纬圈型。水平型环流描述的是大气环流中的水平运动,其主要集中在中高纬度地区。经圈型环流和纬圈型环流表述的分别是低纬度地区垂直运动占主导的大尺度环流。实际的大气环流可以看成是这“三型”环流之和的形式。

理论思想提出来了,还需要建立定量化的数学方程组,需要进行严谨的计算验证。这一重任就落在了数学专业出身的胡淑娟身上。胡淑娟说:“我要做的是给出严谨的数学描述过程,来验证‘三型’的物理思想。”作为一名刚接触气象知识的跨专业学生,面对全新的大气理论框架,胡淑娟接到任务后感到忐忑不安,但她被丑纪范先生想要做出中国自己的东西的决心和毅力所激励,决定接过这个研究任务,胡淑娟说:“丑老师认为这是一件非常重要的、非常有意义的创新性工作,他一直提倡理论不要被国外牵着鼻子走,要做自己的、要做中国特色的。”

2001年,不愿辜负恩师厚望的胡淑娟担起“大气环流三型分解”的理论研究重任,“丑老师思想深刻,我很受鼓励,跟着他踏踏实实做点事情,我觉得很荣幸。”于是她将这个刚刚“萌芽”的理论揣进怀里,开始慢慢培育它,并一直坚持研究到现在。

温柔坚韧,不惧坎坷:

“不着急,慢慢做”

“全球大气环流三型分解理论”的建立及验证过程是困难艰辛的,不仅需要合理的物理思想,还需要坚实的数理基础。刚开始,胡淑娟及其团队对如何定量化处理以及如何构建数学模型毫无头绪,“国外没有三型理论的构建工作,所以就没什么参考,当时没有想到方法,是真的不知道该怎么办。”面对无从下手的理论,她陷入了深深的焦虑中,但是一想到“全球大气环流三型分解理论”的研究工作是老师心心念念想要做下去的科研项目,胡淑娟觉得不能辜负,就坚持着去探索。

胡淑娟说:“理论想法用定性的语言表达比较容易,但是用定量化的数学方程组表示出来就比较困难了。怎样将大气环流思想与数学模型定义结合,怎样结合才能导出合理的方程组,怎样导出才能让方程组各项有物理意义,这些问题都亟待解决。”

研究道路上有很多难以攻克的困难,但胡淑娟却没有放弃。一个人想不明白就去找老师同学讨论,“丑老师都会给一个大方向的指导。”她将在讨论中迸发的点滴灵感都记下来,然后继续琢磨。

“丑老师的指导思想深刻,真正实现起来都很困难。记得一个师弟当时很形象地说,我们去找丑老师,多数是满怀沮丧地进门,兴高采烈地出门,过后不久就又继续满怀沮丧。”胡淑娟觉得最困难的一项工作就是建立三型环流分解的动力学方程组,当时没有合适的思路,再加上大气运动方程组本身的复杂性,“将演算推导过程的草稿纸堆满地是常态。”

“最终还是去找丑老师讨论才解决了问题,老师建议我不要逐项的去推导,试着利用算子方程的形式,从算子性质的宏观角度去建立方程组。老师的话让我突然有醍醐灌顶、茅塞顿开的感觉。”“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,最终,沿着丑纪范“算子方程”的路子,胡淑娟找到了合适的方法,突破了组建方程组的研究瓶颈。

这是一眼望不到头的漫漫研究征程,胡淑娟坦言:“说实话我一直很惭愧,感觉对不住老师,因为项目进展太慢了。”“全球大气环流三型分解理论”的推进不仅需要深刻的理论思考,更需要大量的计算推导、算法设计以及编程实现,所以很难在短期内出成效,虽然知道这个道理,但现实的艰难还是难免让胡淑娟灰心丧气。每每和老师汇报交流之时,胡淑娟都对自己缓慢的进展不好意思。但丑纪范并没有催促责备,反而总是耐心鼓励她:“不着急,慢慢做。”

在丑老师的理解下,胡淑娟备受鼓舞和感动,更加坚定了“板凳要坐十年冷”的决心。为继续推进研究,团队付出了大量的时间和心血,他们不惧理论研究之缓慢,哪怕只能向前推进一小步也不放弃。

好事多磨,“大气环流三型分解理论”的芽儿在经历十几年岁月的辛勤浇灌以后,终于有了绽放的姿态。

团队构建起了定量化表达全球大气环流的数学模型,他们在传统中高纬度环流表示过程中增加垂直环流的作用,在低纬度环流的表示中增加水平涡旋环流的作用,即将低纬度地区的垂直环流定量化描述过程推广至中高纬度地区,将中高纬度地区水平涡旋环流的描述推广至低纬度,从而更准确地反映整个地球大气环流的运行情况,一定程度上弥补了传统研究方法分区域考虑大气环流的缺陷。

看到“大气环流三型分解理论”在国内国际的影响力不断扩大,胡淑娟欣慰地说:“现在不像原来,它逐渐被大家关注和认可,很多业内专家学者都在和我们一起探讨研究这个理论。”

胡淑娟及其团队对将来的研究方向有着清晰的规划:“除了利用资料及新模型做大气环流的新特征研究之外,我们接下来还想做一些方程组的动力学性质方面上的研究,进一步完善这个方程组的动力学理论。”胡淑娟不满足于现状,依然保持赤诚坚韧的态度,继续推进“全球大气环流三型分解”的研究。

薪火相传,服务社会:

“非常有意义的工作”

“全球大气环流三型分解”理论能够帮助人们从全球的视角更加准确地描述实际大气环流的运行情况。胡淑娟说:“如果环流场能模拟好,降水就能预报好。”

“我国夏季异常旱涝的重大气候事件常与西太平洋副热带高压的异常演变密切相关。将我们的环流分解理论初步应用于西太副高的描述,揭示了2020年6、7月份长江中下游至江淮流域持续降水与西太副高持续异常的关系。”今年夏季,他们将理论与实际气候、降水等变化进行了对比,并得到了与实际情况相吻合的结果。

在团队参与的国家重点研发计划 《重大自然灾害监测预警与防范》重点专项2020年中期检查的工作汇报中,胡淑娟团队的理论工作得到专家的肯定,“期望我们的理论能够在重大气候事件的多模式最优集合预测方案中发挥重要作用。”这意味着大气环流三型分解理论能够帮助我们预防重大气候事件相关的气象灾害,将它带来的破坏降到最小。虽然现在还没有看到“大气环流三型分解理论”直接服务社会生活,但它却是不可或缺的。

胡淑娟说:“大气理论研究非常重要,非常有意义,但是要真把它用起来是非常困难的。一个理论应用起来,要经历一个漫长的过程。”所以将“大气环流三型分解理论”投入到实际还需要一定的时间,希望这个美好的愿望能早日实现。

“理论已经发展,实际应用现在才是起步,我的研究生慢慢能在这方面做一点工作,再加上其他老师的合作和支持,我相信这项工作能够发展得更好。”平时授课时,胡淑娟也会向本科生及其他老师的研究生渗透一些与“大气环流三型分解理论”相关的内容,鼓励大家运用此理论进行气象分析和研究。

她很注重培养学生的理论思考,愿意去倾听他们的想法,“学生的能力和潜力真的是无限的,稍一引导就能够撞出思想的火花。”胡淑娟每周都会定期和学生开两次组会,一次工作进展汇报,一次文献讲解。她鼓励博士生积极参加国际会议,要求硕士生每学年必须有一次参加国内会议并作学术报告的经历,“如果需要,我会带上学生一起去北京找丑老师讨论问题,这个习惯至今还在坚持。”她总是尽自己所能地去帮助学生,“有多大劲儿就使多大劲儿。”

为了能使学大气的研究生更好地理解基础理论,使他们由不惧怕数学公式逐渐到能理解和应用数学公式,胡淑娟在自己研究生学习室的墙上装上了一块黑板,方便随时和学生讨论并推导理论公式。随着学习室里学生人数的增多,这块黑板使用的频率低了,但它依然是学院研究生学习室里唯一的一块黑板。

“这是个很有意义的工作,我们会静下心来继续做这方面的工作。我现在就有邀请老师跟我的学生一起研究。既有院内外的老师,也有校内外的专家。如果有更多专家能够和我们合作研究那当然是更好的了。”随着理论被同行们慢慢接受,他们对“大气环流三型分解”的未来道路充满了信心。胡淑娟期待着“大气环流三型分解”将来的发展,期待业内更多人关注到这个问题,并且加入到探索研究与应用中。

(兰州大学报总第968期,2020年10月16日,第二版)

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文:孔子俊,杨宇洁
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编辑:江桥月
责任编辑:许文艳

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