——记清华大学地球系统科学研究中心刘利

本刊记者  迟艳艳

十多年前，为唤起世界对日益严重的温室效应的重视，电影《后天》用超炫的特效打造出了惊心动魄的灾难场景，呈现出气候对人类威胁的急迫性与全面性。21世纪初，几乎在世界上每个角度都可以清楚感觉到地球气候的异常变化，展开全球气候变化研究刻不容缓。

近几年，清华大学地球系统科学研究中心副教授刘利的科研重点就放在对全球变化研究软件工具的开发上，其带领团队自主研发的我国首个地球系统模式耦合器C-Coupler1得到了国际同行的一致认可，把我国耦合器研究推进到了世界先进水平。

“学科交叉”求生机

地球系统模式是全球气候变化研究最基本的工具之一，通过同时模拟大气、海洋、陆面、海冰等气候分量的变化及其相互作用，这一系统可用于研究过去气候的演变规律和预测未来的气候变化。刘利所负责研发的就是地球系统模式的核心部件之一——耦合器。

“耦合器连接了地球系统模式中的多个分量模式（如大气模式、陆面模式、海洋模式和海冰模式等），能够实现分量模式间的并行计算，控制整个地球系统模式的积分模拟，并为地球系统模式研发提供一个易于分工协作的共享平台。”刘利如是介绍他和团队的研究对象。

早在上个世纪90年代初，国际上关于耦合器的研发就已经起步，其中法国CERFACS（欧洲科学计算研究中心）研发的OASIS耦合器和美国NCAR（国家大气研究中心）研发的CPL耦合器最具代表性。与之相比，我国在耦合器自主研发方面却几乎是一片空白，很长一段时间，我国地球系统模式发展不得不依赖于从国外引进的耦合器。这一局面直到2010年初才有机会得以改善。那一年，我国启动了“863”重点项目“地球系统模式中的高校并行算法研究与并行耦合器研制”，在杨广文教授和王斌教授的共同支持下，刘利带领团队开始研发耦合器C-Coupler，历时4年，实现了我国自主耦合器从无到有的突破。

刚开始面对耦合器自主研发这一项任务，当时处于博士后阶段的刘利心中充满了担忧甚至恐惧，这一方面是因为之前十年内刘利一直在计算机专业求学，未曾接触过地球系统模式，对于这一完全陌生的领域，可谓是“白纸一张”；另一方面是因为刘利在计算机专业求学过程中主要从事研究工作，仅对已有软件代码进行过少量修改，未曾设计研发过软件，对于软件的设计和开发，可谓是“白纸一张”。或许正是因为“白纸好写字”，刘利很快克服了跨学科从事科研容易产生的“水土不服”的问题。从最开始不知道如何入手、时常向地学专家询问需要自己做什么，到形成自己的地学思维，他逐渐完成了由听取需求，到提出需求，再到引领需求的转变。

“我们也曾经迷茫过”，刘利表示，C-Coupler小组一开始面临的最大困惑在于到底是引进已有耦合器做二次改进，还是自主研发。经过交流“碰撞”，组里最终取得了一致的决定：自主设计研发，独立做自己的耦合器。

对走这样一条道路，刘利感慨良多：“唯有独立自主，才能自强自立。也正因为这样才使得我们对耦合器的知识做全方位的、深入的学习，从而为耦合器的自主研发积累了坚实的基础。”

相对于国际上较成熟的团队研发体系，刘利所负责的C-Coupler小组实际上非常小。自2011年7月开始，组内的成员除了他之外，还有两位博士生，而且从2012年上学期开始，因为这两名博士生还未发表过论文，他们参加耦合器研发的时间被限定为每年基本不超过3个月。反观国外，美国NCAR耦合器CPL6由3家单位合力完成，（包括NCAR、Los Alamos实验室和Argonne实验室），其中NCAR团队中约有超过10名的固定工程师人员。“团队的规模小不仅增加了自主研发的难度，还给C-Coupler的推广带来了一定障碍”，刘利坦言团队面临的困难。在向国内模式团队推广C-Coupler时，模式专家关心的常常不仅是耦合器技术，还包括团队的规模和人员的稳定性等。

即便规模很小，刘利所在的团队依然能突破多个国际上耦合器研发所面临的技术难题，对此，他充满了感激：“一方面是因为团队成员共同辛苦努力的结果；另一方面是因为在开发过程中，北京师范大学、中国科学院大气物理研究所和国家海洋局第一海洋研究所等兄弟单位的专家为我们提供了很多有关于耦合器的经验、需求和建议，并提供了耦合模式版本以用于C-Coupler的测试。我们非常感谢他们给予的支持！”

坚持淡定方能胜利

菲利普斯曾说过：失败是成功之母。对此，刘利及其团队有很深刻的领悟。C-Coupler1共经历了两次软件设计研发，其中第一次以失败告终，而第一次的失败为第二次的顺利进行并取得创新成果奠定了坚实基础。

C-Coupler1的三维耦合功能和软件的模块化程度明显优于国际上其他耦合器；此外，C-Coupler是当前世界上唯一能确保模式模拟结果可精确重现的耦合器及模式平台，这是因为在用户用简单命令配置模式试验时，C-Coupler平台会自动生成一个文件包以记录试验的所有信息，这一文件包可为其他科学家精确重现试验结果提供保障。

当前，刘利带领团队已经在著名国际期刊GMD（Geoscientific Model Development）上发表了3篇论文，这一数量甚至追平了历史更为悠久、团队规模更大且更为－稳定的OASIS组，这标志着C-Coupler小组所取得的创新性得到了国际同行的认可。

值得一提的是，除了耦合技术的创新，C-Coupler团队还追求代码的“艺术”，“比如说，其他耦合器中实现耦合变量通信和插值这两个基本耦合器功能的代码有数千甚至上万行，但在C-Coupler1仅有几百行”。代码的“艺术”将更有利于C-Coupler的可持续发展。

总结多年在耦合器研发过程中积累下来的经验，刘利将最重要体会归结为“坚持和淡定”。他说，从发表论文的角度看，耦合器的研发是一个地地道道的“冷门”，要在“冷门”方向上做好工作，“坚持和淡定”是必须的。

直到现在，刘利每天还是会拿出一些时间用在耦合器的研发上。而对于未来发展，他希望可以将对耦合器研究的这份兴趣不离不弃地延续下去，以便将来可以做出更为先进，且更具创新性，甚至原创性的耦合器。此外，还要把C-Coupler的后续版本推广出去。他说：“论文在哪发表、发表多少篇并不重要，只有更多团队使用、真正促进了国内外模式的发展，我们长期的努力才算取得了初步成功”。

刘利还有个梦想，他希望C-Coupler的后续版本甚至能引领国际上其他耦合器的发展，虽然这个梦想有很大难度，但他坚信：“只要不断坚持和淡定，就会有机会”。作为博士生导师，刘利也一直努力地将这份“坚持和淡定”传承给自己的学生，“要真正做到淡定，需要很高的境界和修养，我自己也还是很难做到足够淡定”，为此，刘利和团队成员及学生们经常共勉。

近期，清华大学校长邱勇在本科生毕业典礼上鼓舞毕业生要“坚守初心”。作为清华大学2009年的博士毕业生，刘利也深深回味了这四个字，“我过去努力在做的、未来想做到的，难道不就是‘坚守初心’么”？除了坚持和淡定，刘利的初心还包括实事求是、诚实、严谨、要做就做最好、长期坚持奋战在一线。尽管漫漫人生路上充满了艰辛和诱惑，但刘利坚信，只要能“坚守初心”，无论会遇到多少困难，都将会有满满的收获。