张贺：建立地球系统数值模拟研发体系

地球系统的数值模拟是21世纪新兴的研究领域,与世界主要发达国家相比,我国在该领域的科学基础设施与技术的长期积累上仍存在一定差距,即便近些年“天河2号”“太湖之光”等超级计算机的出现让这一现状得到了一定缓解,但关键核心技术受制于人的局面还没有得到根本性改变,基础研究和重大源头创新能力亟待进步。“我还是希望能够建立属于我们中国自己的地球系统数值模拟的研发体系,不再受到别人的牵制。”中国科学院大气物理研究所副研究员张贺如是说。

气象之子

“我从小就对气象比较感兴趣。”张贺在谈到自己的研究方向的时候说道,“小时候每天准时观看《新闻联播》之后的天气预报,每次都拿个小本本记录各个省市的气温,时间长了之后就基本了解每年各个月份,每个城市的气温大概是多少。”就是这童年最初的兴趣使张贺和大气物理结下了不解之缘:从2002年做本科毕业论文开始,此后的整整20年时间,他都投入气候与环境的研究中。在1999年被保送北京大学攻读核物理的时候,张贺对自己的专业是不太感兴趣的:“因为是保送的,所以我选不了专业,当时进的是技术物理系下的核物理专业。”但也正是这个专业为张贺日后漫长而持久的科研工作打下了扎实的数学与物理基础。

2003年,以优异成绩毕业的张贺决定继续深造,变更专业前往中国科学院大气物理研究所(以下简称“大气所”)研究大气科学。因为专业之间的差异性与壁垒,张贺时不时担心自己会在严谨的学术上产生差错,但庆幸的是,大气所的几位导师都给了张贺十足的帮助。薛峰研究员是时任国际气候与环境科学中心副主任,在得知张贺所学的是物理专业后便将他推荐给了曾存庆院士。“曾存庆院士是我心中最优秀的榜样。”张贺回忆曾先生的时候说道,“他很善于发现你的特长,无论你是哪个专业的,他都能找到比较适合你的研究方向。”曾先生这样善于用人的思想至今依然刻在张贺的脑海里,因材施教也成为他日后培养人才的准则。

进入大气所以后,因为自己在数学物理上的长处,张贺便开始接触地球系统模式,这是一个将数学物理等公式或方程转换为能被计算机识别并应用的计算机程序。起初张贺对编程并不擅长,但他自身对气象的热爱与使命感帮助他度过了这段学习时光。地球系统模式的研发是一个周期长、成果产出慢的工作,但张贺下定决心开展模式研发的工作,他在研究生二年级时参加了大气所的博士研究生考试,并被顺利录取。经过5年的理论公式推导、程序代码编写和调试、大规模数值试验等枯燥而繁琐的工作,张贺最终完成了大气所系列大气环流模式IAPAGCM 4.0的研发,创新性地设计了高纬灵活性跳点格式和协调的时间分解算法,在保证模式总有效能量守恒的前提下,大幅提高了模式的计算效率。攻读博士期间,张贺曾到访美国纽约州立大学石溪分校,跟随该校的导师完成了一年的学习,主要从事模式研发及评估的相关工作,也拓展了他在地球系统模式研发领域的国际视野。

地球实验员

2021年6月23日,国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”在北京怀柔科学城落成启用。这是我国研制成功的首个具有自主知识产权的地球系统模拟大科学装置。而张贺正是此次中国科学院地球系统模式CAS-ESM的核心研发成员——担任“地球系统数值模拟装置”总工程师助理,作为团队核心成员主持了我国自主研制的地球系统模式CAS-ESM中各分量模式的耦合调试和模拟评估。

在张贺看来,相对于传统的气候系统模式,此次地球系统模式的成功建立是我国大气科学乃至地球科学领域的一项重大突破,它以地球系统各圈层数值模拟软件为核心,软、硬件协同设计,通过超级计算机强大的计算能力,站在更为宏观的视角,从全球的尺度分析地球五大圈层之间的相互作用,进而推演地球的过去,观察地球的现在,预测地球的未来。它将应用于我国及“一带一路”区域气候灾害的实时预报,为国家防灾减灾及制定未来气候变化应对的国家战略提供决策依据,同时还可以为气候变化的国际谈判提供科学支撑。

“这听上去和天气预报很像,但天气预报不是我们研究的重点,因为天气预报主要是由气象局来发布的,我们关注的是时间尺度更为长远的地球变化。”张贺对CAS-ESM做了额外的补充,“例如未来10～100年的全球气温变化、海平面上升高度、冰川消融程度等。”

张贺作为CAS-ESM最为关键的核心研发人员,负责最棘手的分量模式耦合及优化调试工作。他表示,工作是非常困难的,除了要解决技术上的难题,还要保证计算的准确性。上百万行的代码都是一行行敲出来的,一点点的错误都不能出,哪怕是打错了一个字母,程序都会出错。“出错容易,但要找出出错的地方却很难,”张贺感慨道,“有时候一个错误找一两个月都是正常的。”在他看来,这是一份相对枯燥也比较辛苦的工作,需要花费非常多的时间和精力。

2015年9月,在张贺所在的团队攻克了计算不稳定、气候漂移等一系列技术难题后,CAS-ESM1.0发布。之后为提高模式性能,张贺带领团队设计并开展了数千次的数值积分试验,通过对模式误差来源的深入剖析,持续对模式物理方案及相关参数进行改进和优化。历经近5年努力,张贺及其团队于2020年1月完成了新一代CAS-ESM2.0的定型,并完成了第六次国际耦合模式比较计划CMIP6的相关模拟试验。相比CAS-ESM1.0,CAS-ESM2.0在大气模式、海洋模式、陆面模式、植被动力学模式、耦合器等分量模式的关键算法及物理参数化方面都有了显著的改进,尤其对当代气候有较好的模拟能力,如全球辐射平衡、20世纪全球增暖趋势、ENSO的周期和振幅、海冰的季节变化等,能够准确地模拟大气及海洋的经向热输送及大西洋经圈翻转环流的垂直廓线。

新时代领航者

“在模拟器立项之前,我们的整体水平还是比欧美落后大概8～10年,但现在我们的差距已经越来越小了,在模拟器建成之后,我们已经能达到相关领域并跑甚至领先的水平了。”张贺对于当前地球模拟系统的建立是相当自豪和满意的。20世纪80年代,气候的数值模拟在中国刚刚起步,那时我国高性能计算机的发展水平落后了世界一大截,气候模式的计算只能依赖发达国家淘汰的计算机。同样的计算内容,发达国家先进计算机一天能完成的工作放在我国要算上三四天,研究速度与研究效率都受到了极大的束缚。此外,高精尖核心技术的缺失也是气候模式发展缓慢的重要原因之一。高性能的计算机与算法技术大量依赖进口,以“技术引进—消化吸收—再创新”为主的科研体系在一定程度上帮助我国气象科研工作者跟上国际步伐,但却在尖端科技领域处处碰壁,以美国为首的部分西方国家对中国实施长期的技术封锁,禁止超级计算机等高精尖产品的买卖,中国一直在被外国卡住科研的喉咙。

但艰难的时光不会一直持续下去,进入21世纪以来,我国的计算机产业进入了飞速发展的阶段,除了计算机整体计算能力的提高,还出现了“神威·太湖之光”等世界顶尖超级计算机,这为地球系统模式的自主研发打下了硬件基础。而随着国家对地球系统模式发展与气候变化领域重视程度的与日俱增,研发属于中国人自己的地球系统模式的任务就显得日益急迫起来。就在此时,张贺与他的团队临危受命,接下了这个关键而紧急的任务。

“一定要走自主研发的道路,所有代码一定要自己写。”张贺强调,“一旦走上自主研发的道路,地球系统模式将不受外国的任何影响,不受外国的任何牵制,中国将发展的都是属于自己的东西,再也不用惧怕外国的技术封锁。”

从0到1的过程是异常艰辛的,地球系统模式的研发周期较长,出成果较慢,研究的人也相对比较少。但张贺与他的团队选择了坚持,在他看来,这是一种科研工作者特有的传承,是带有浪漫主义色彩的梦想。因为设备落后而无法继续完成任务的前辈们的遗憾将由新时代的青年接过,继续一步一个脚印地将中国气象向前推进,CAS-ESM将不止会有1.0、2.0,还会不断研发更加完善、更加精细的3.0、4.0,它将像手机一样去不断地更新换代。

“我们的模式在某些地方可能比国外稍显落后,但是我们还是希望能够通过自主研发的方式,摆脱国外的牵制,通过一代代中国气象人的不懈努力,带领中国的气象事业到达世界领先的水平。”谈起CAS-ESM的未来,张贺的眼神里充满了希望。(转载科学中国人)