从望天到测天：他们用中国力量解密气象难题

我国数值天气预报经过70年发展，已实现从感性认识到理性认识的蜕变，赶上世界先进水平，这离不开以曾庆存为代表的科学家的努力，他们在原始方程求解、理论建设、气候预测及地球系统模式研制等方面取得众多成果。原始方程求解难题背景：20世纪初国际提出描述大气运动的原始方程，但因需计算众多大气物理变量且当时计算能力有限，难以实现“预报”。1950年前后美国做出第一幅“数值预报天气图”，但随后几年大规模应用验证中，任何模式预报正确率均小于50%，无法业务应用，气象科学界认识到要依靠求解原始方程。曾庆存的突破：1960年计算机能力提升，曾庆存在导师建议下加入破解原始方程难题队伍。他面临计算机内存小、计算速度难满足预报要求等难题，首创“半隐式差分法”，将波动和涡旋分开计算，先算快波再算慢波并综合。1960年冬天，他用小内存计算机算出世界上第一幅以原始方程做真实预报的天气图，该模式在莫斯科世界气象中心试用一年准确率超60%，1962年开始向全球发布数值天气预报，这是世界采用斜压原始方程做天气预报业务的开端。理论建设回国后的准备：1961年曾庆存学成归国，当时我国高速计算机资源缺乏，他决定转入更深入抽象的基础研究。理论成果：他和合作者实现多个“首次”，创立数值天气预报与地球流体力学的数学物理系统理论和计算方法等。1979年他撰写的《数值天气预报的数学物理基础》一书出版，开创相关理论，引发国际学界关注，此后应用数学界形成研究大气和地球流体力学问题的数学分支。气候预测研究布局：1990年前后，中期天气预报和短期气候预测重要性凸显，世界气候变化问题研究急迫性增加。曾庆存带领团队进行跨季度气候预测研究，设计出大气环流模式、大洋环流模式，独创的动力框架跻身国际先进行列。预测系统建立：该模式从1990年开始连续5年用于季度和跨季度气候预测均成功，1994年建立世界第一个实际应用的短期气候预测系统。地球系统模式研制研制背景：1990年曾庆存参加世界气候变化大会后忧心忡忡，回国后带领团队研究气候变化问题，得出二氧化碳含量翻番后导致大气升温1.75℃的结论，被IPCC第一次评估报告补充报告引用，萌生建立我国地球系统模式的念头。研制原因：中国必须有自己的地球系统模式，一是我国天气气候独特，在他国模式中不一定能很好体现；二是天气气候预报预测若不能自主可控，将来会有风险。研制过程与成果：2003年大气所提出研制建议，2007年获立项支持，2021年我国首个研制成功的地球系统数值模拟大科学装置“寰”诞生。它能通过计算模拟真实地球变化和规划建设方案，为生态系统演变等提供可靠参考，帮助科研人员认识地球变化，我国已向IPCC提交其模拟数据，它还被广泛应用于多个重大科学领域，提升了我国地球科学整体创新能力。