——记中国海洋大学“筑峰第一层次”特聘教授、青岛海洋科学与技术国家实验室“鳌山人才卓越科学家”张绍晴
　　
本刊记者  王 辉

　　
　　
　　2016年年底，位于青岛市著名崂山风景区脚下的中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室里，迎来了一位世界专家——张绍晴。张绍晴是享誉全球的气候学领域耦合资料同化研究方面的领军人物。“耦合”“同化”这些别人听起来难懂的字眼，却是张绍晴眼里关注的兴趣点。
　　从孩提时代对大自然天气产生的好奇心，到青年时期坚定不移地选择天气学专业，再到后来不远万里、漂洋过海去美国学习耦合同化知识与开拓事业，然后在国际气候评估舞台上大展风采张绍晴用30年余年的时间，诠释了他对气象学领域的追求与热爱。
　　人生如若是一幅波澜壮阔的气象图，那么从最初“天气”到如今“气候”研究便是张绍晴人生气象图上的标记里程碑。而张绍晴用他多年来所付出的辛勤研究，向我们阐明了这一个又一个重要的科学问题。
　　
数值天气预报展头角
　　
　　1965年，张绍晴出生于贵州省黔西南州中部的兴仁县。兴仁县是一个地处高原、地形复杂的小县，受低纬度等多重因素影响，这里的气候表现为“山地多雨、高山凉润、冬无严寒、夏无酷暑”多样而温和的特征。当西太平洋副热带高压受天气系统影响而西伸，兴仁县就会出现短时间降水；当北冰洋和西伯利亚的冷空气南下，兴仁县又会刮起一阵冷风。“从小就生长在这样丰富的天气环境中，于是自然对天气产生了好奇。”张绍晴说。
　　1981年，天资聪颖的张绍晴作为兴仁县状元考上了南京大学。面对众多专业，他毫不犹豫地挑选了最感兴趣的天气学。天气学是研究大自然天气现象和天气过程物理本质及规律的一门学科。在上学期间，张绍晴便对雨、雪、风、云等各种天气现象和内在机制进行了全面的学习。他知道，要想了解未来的天气，就必须掌握一门时兴的科技——数值天气预报。于是在大学毕业后，他先进入国家气象中心的数值天气预报室，后又步入素有“中国气象人才摇篮”之称的南京气象学院，在那里开始钻研数值天气预报。
　　在人们日常生活中，出门前总免不了要看一看天气。数值天气预报自20世纪50年代起源至今，是被世界各国普遍采用的一种天气预报手段。数值天气预报的制作过程比较复杂，需将得到的气象观测数据用物理方程解析，然后以资料信息的形式同化到计算机数值模型上，再通过一系列积分运算最后得出未来天气的结果，从而对未来一定时段内天气状态进行预知。通常，数值天气预报工作，对从事者的数理基础和地球物理专业知识有较高的要求。
　　张绍晴通过几年的勤奋努力，已经完全具备了这些素质。研究生毕业后，他便以优异的成绩再分配回到国家气象中心的数值天气预报室，在那里开始从事深入的数值天气预报研发工作。
　　20世纪90年代后期，我国在“七五”国家科技攻关计划期间开始实行“中期数值天气预报系统”建设。中期数值天气预报是将我国天气预报时效从短期2～3天，延伸到7～10天。在工作期间，张绍晴也参加了该系统建设。他的出色工作使他不仅获得杰出研究成果奖、科技进步奖等奖项，而且成为中国气象学会数值预报专业委员会的一名委员。
　　虽然在国内气象学领域已取得了骄人的成绩，但在张绍晴的心里，他却渴望学习更先进的知识，憧憬在未知的领域里开辟出一片天地。正是因为这种对气象学领域不断探索的追求，才会让张绍晴产生了异国求学的想法。
　　
探索海天气候奥秘
　　
　　1995年，对气象学怀有远大抱负的张绍晴来到了美国。他先是以访问科学家身份进入美国国家环境预报中心，在那里进行了1年学习。在学习过程中，他接触到一种新的数值模式资料同化制作方法——共轭变分。共轭变分原本属于处理函数的数学领域，但将它运用在数值天气预报模式资料同化的制作上，可以更好地解决观测资料同化的一些问题。张绍晴在掌握该方法后，又了解到在以往资料同化中存在一个问题:数值模型的理想化导致预报结果与现实天气存在较大差距。
　　针对这一问题，初到美国的张绍晴便提出“用共轭变分方法改进数值天气预报模型的初始化”设想。他说：“初始条件中的平衡性对于数值天气预报的精确度十分重要。如果用共轭变分的方法把数值模型的初始值调整到观测的状态上又能保持模式的平衡性，这样一来，数值模型往前一积分，便会得到未来一定时段内较准确的天气预测。”
　　幸运的是，张绍晴的想法不仅得到美国国家环境预报中心模士发展中心主任康奈尔博士的认可，而且康奈尔还决定进一步资助他到美国佛罗里达州立大学气象系去读博士。张绍晴接受了这项资助，并利用博士期间论文课题，为美国国家环境预报中心建立了一套“全球物理过程的共轭变分数值天气预报模型”。这套模型为美国7～10天数值天气预报精度的提高建立了一个研究平台，还让张绍晴得到了一个更好的工作机遇。
　　2000年，正值张绍晴博士毕业之际，他接到来自美国普林斯顿大学的面试邀请。彼时，普林斯顿大学正与美国海洋大气管理局（NOAA）下设的地球流体动力实验室（GFDL）合作，开发一项叫作“大气—海洋耦合预报”的研究计划。这项计划打算将NOAA传统的大气—海洋耦合模型与海洋气象观测资料进一步同化，从而得出未来更长时间尺度内的气候预报。得知张绍晴在美国国家环境预报中心工作和博士研究期间在资料同化方面有过出色表现，普林斯顿大学和GFDL决定邀请他参加该计划的面试。
　　为了准备该面试，张绍晴认真了解了该计划。对于未来的研究，他的心中已经有了明确的方向。他掌握到，大气与海洋——这两个原本分属于气体和液体的流体动力学研究对象，却同是影响气候形成的关键因子。大气的变化是一个快变过程，而海洋运动则属于慢变过程。由于海水的粘性比较大，比热容比较高，再加上地球表面71％是海洋，所以要想实现对气候的预报，就必须将海洋与大气耦合，一起同化。然而在以往的大气—海洋资料同化过程中，使用的方法是先将大气、海洋各自的观测资料同化到各自的模型上，再将获得的结果结合在一起。但如此一来，因为分量间相互作用的不协调，所以导致耦合模型在预报的精度上有很大局限。
　　在与普林斯顿大学和GFDL人员交谈过程中，张绍晴指出上述问题，并且再一次提出自己的设想。“将大气与海洋的观测资料放在同一模型内进行同化。只有这样，才能解决分量间相互作用的协调问题，模型的初始信号才不容易衰减，因而模型的预报精度才能进一步得到有效提升。”
　　普林斯顿大学和GFDL的人员知道这是个具有科学野心的设想，在科学和技术上要面临很多的挑战，但一旦实现，必将给气候可预报性领域带来新的突破。他们决定让张绍晴来承担这个计划。接下来的日子里，为实现这一设想，张绍晴足足花费了8年的时间，先作为普林斯顿大学访问科学家（博士后），后作为大学联合大气研究中心的科学家在这个领域里专注地进行研究。在这8年里，他不仅逐渐开创出一套新的耦合资料同化理论和算法，还发明了一种新的参数估计技术。他的大气—海洋耦合资料同化系统不仅提高了对季节到年际尺度的气候预报技巧，而且同时有潜力能连惯性地制作年代际气候预报。为了表彰他的成就，NOAA不仅特意为其颁发了杰出研究论文奖，还为其提供长期研究经费，鼓励其作为领导人在该方面开展深入研究。
　　能够获得这些荣誉，张绍晴感到高兴的同时，对耦合模式资料同化研究也更加努力了。
　　
全球气候变暖的敲钟者
　　
　　2008年，张绍晴正式加入GFDL，成为美国联邦政府的一名研究员。
　　GFDL是全球大气—海洋耦合资料同化研究的先行者，在上个世纪80年代建立起全球第一个大气—海洋耦合模式。与此同时，GFDL也是研究全球气候变暖的一块金字招牌，被尊为“全球变暖研究之父”的詹姆斯·汉森便曾经在这里工作过，并且首次提出了全球气候变暖的危险性。能在气象学领域至高殿堂工作，张绍晴十分珍惜。从他正式加入GFDL的那一刻起，一项重要的科研任务——全球气候耦合资料同化系统的研究便落在了他的肩上。
　　全球气候耦合资料同化系统是针对全球气候变暖而设立的研究平台。自上个世纪90年代起，全球气候变暖进一步加剧引起了联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的高度关注。为了解决这一关系人类安危的问题，IPCC从1990年起便每隔5年撰写一次评估报告（AR），将世界各地有关全球气候变化最好的科学技术拿来评估。而全球气候耦合资料同化系统正是为预报和评估全球年代际尺度气候变化而设立的警钟，张绍晴则是站在这一平台上的敲钟人。
　　有了之前多年的研究基础，张绍晴这一次的研究进展比较顺利。但在研究过程中，还是遇到了一个困扰他的小小难题——台风。台风是出现于热带海洋上的气旋，对沿海地区有着巨大的杀伤力，但对气候形成来说却属于中小尺度的扰动。因此，在气候研究中一直存在一个关于台风的经典难题：在大气大尺度环流背景下，台风常常被观测资料同化过程排除掉。
　　对于这一难题，张绍晴百般思索，最终提出用“大尺度背景调整方案”来解决它。他先是掌握了大尺度背景环流对中小尺度扰动的调制基础，然后将台风的时空活动在模型上进行正确地反演。这样，有了台风的“加入”，张绍晴的全球气候耦合资料同化系统预报精度便再一次得到提升。
　　2013年10月，IPCC-AR5如期发布。在对全球所有气候预报科技手段进行评估之后，作为NOAA代表的张绍晴研发的“全球气候耦合资料同化系统”脱颖而出，被评为“全球唯一能一致性制作季节到年代际气候预报的系统”。对于NOAA和张绍晴而言，这无疑是一份至高的肯定与荣誉。美国联邦商业部为了表彰张绍晴及其团队多年的辛勤耕耘，特地为其颁发了研究和发展金牌奖。张绍晴也因而一跃成为世界范围内耦合资料同化研究方面的领军人物。
　　“耦合同化”在人们的日常中生活究竟有什么用？举个例子来说，2015年张绍晴与合作团队联合发表在Nature Communications的1篇论文中提到，美国东北部的纽约港海平面在2009～2010年突然“跳涨”了128毫米。人们普遍认为，这次“跳涨”是历史上850年一遇的罕见事件。然而张绍晴及其合作者却用全球气候耦合资料同化系统分析得出，这次“跳涨”有30%原因来自大气与海洋之间的相互作用。有了全球气候耦合资料同化系统，今后人类便不必担心生活中偶尔出现的极端类天气事件。
　　“对于研究天气、气候预报的人来说，其过程就像考古一样。”张绍晴用十分贴切地形容概括了他过去近30年的研究历程，“考古学所采用的方法是通过考察古董认知历史，理解历史的演变规律，然后预测未来人类的发展。而天气、气候研究与考古虽属不同领域，但二者在研究方法上却有异曲同工之妙。耦合资料同化就是对天气—气候的历史进行重建，准确的历史重建就是我们对未来天气—气候状态进行准确预报预测的基石。”
　　在美国气象学领域“考古”了20余年后，张绍晴本人也收获满满。而出于对该领域高端领军人才的需求，太平洋彼岸的祖国也正式向张绍晴发出邀请函。
　　
区域天气—气候发展护航人
　　
　　自古以来，人类社会的生产生活就离不开天气和气候。而如今，伴随着国家对海洋经济经济发展的重视，习近平总书记明确指出：“要发展海洋科学技术，着力推动海洋科技向创新、引领型转变。”作为海洋大省，党的十八大以来，山东以打造平台、集聚海洋高端人才为突破口，引领海洋经济创新发展。出于对高端、有国际影响力的领军人才需求，青岛海洋国家实验室及中国海洋大学决定花重金从美国引入第一位天气、气候学领域研究的杰出专家张绍晴。
　　从2014年起，我国中国海洋大学副校长吴立新院士便频频到美国去拜访张绍晴，希望他能回国加入我国的气候研究大队，为提升我国区域天气、气候预报水平保驾护航。面对吴院士的诚挚邀请，张绍晴最终下定了决心。他说:“国外这些年的生活对我来说太悠闲了，我很想回到国内去看一看，为祖国的海洋事业出上自己的一份力。”
　　2016年年底，以“科技部国家重点专项”为契机，张绍晴以中国海洋大学和青岛海洋国家实验室双职教授身份回到了国内。在成为中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室气候研究方面的带头人后，张绍晴将和其团队，在实验室原有的区域耦合天气—气候预报系统基础上，运用由他开创的“耦合资料同化理论”“参数估计技术”，为我国建立起一套无缝隙的天气—气候预报系统，解决我国区域天气、气候预报中存在的10～30天延伸期预报难题。
　　另外，张绍晴还将负责青岛海洋国家实验室区域智慧地球系统同化模块的核心建设。区域智慧地球系统涵盖了大气、海洋、海冰、陆面过程及生物化学过程等多分量，它的建设将为我国海洋强国和“一带一路”的发展奠定更加稳定的基石。
　　除了科研，张绍晴回国后肩负的另外一项使命便是为我国培养一批气候研究专业人才。一方面，他希望能将多年的“耦合同化”研究心得传授给学生；另外一方面，他将着重培养一批驾驭超级计算机的高级技术人才。对于为何培养这类的人才，张绍晴解释道：“因为在气候过程的研究中，动辄上万亿次的数值运算只有超级计算机才能完成。所以在接下来的研究计划里，我会着重培养一批会使用超级计算机的人才。”
　　每天清晨，在通往中国海洋大学鱼山校区的海边公路上，总可以看到一个骑自行车的身影，这个人便是张绍晴。张绍晴是一个热爱生活的人，为保持满满的科研战斗力，长期以来他一直坚持骑自行车去上班。尽管回国后还有许多问题需要他去适应和解决，但他始终乐观地期待着，在祖国的蓝天下，书写新的传奇。
　　
　　
专家简介：
　　张绍晴，美国气象学领域耦合资料同化研究专家，现任中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室教授。因在大气—海洋耦合资料同化和初始化研究方面所作出的杰出贡献，曾荣获美国国家海洋大气管理局杰出研究论文奖、美国联邦商业部研究和发展金牌奖。针对大气—海洋耦合资料同化过程中存在的协调性与平衡性问题，以及全球气候耦合资料同化系统建设中所存在的问题，曾在Nature Communications、Journal of Climate等杂志上发表研究论文逾70篇。因在天气、气候研究方面取得杰出成就，曾受邀在英国里丁大学、挪威贝尔根大学、美国夏威夷大学、日本东京大学、北京大学物理学院、北京国际气候论坛、首尔大学等多地开展学术演讲和授课。2013年，作为美国海洋大气管理局气候预报系统的代表，其设计的“全球气候耦合资料同化系统”参加联合国政府间气候变化专门委员会第5次评估报告，被评为全球唯一能一致性描述年际到年代际变化的气候预报系统。