青春系列 | 曹潔：扎根中尺度動(dòng)力學(xué)研究 播撒氣象科教之花

編者按：

他們探尋機(jī)理、他們追風(fēng)逐電、他們深夜伏案、他們反復(fù)演算，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所優(yōu)秀青年學(xué)者是他們共同的注解。在這背后，有多少科研故事與青蔥往事？走進(jìn)【青春系列】，讓我們一同了解。

燦爛的笑容，清晰的思路，極富感染力的表達(dá)。曹潔，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所副研究員，一名瞄準(zhǔn)我國(guó)中尺度動(dòng)力學(xué)和數(shù)值預(yù)報(bào)的“建筑師”，一名腳踏實(shí)地推動(dòng)科研成果為氣象業(yè)務(wù)所用的“實(shí)干家”，一名堅(jiān)持科研、教育、科普并重用心培植氣象興趣種子的“護(hù)林員”。從業(yè)十余年，致力于中尺度動(dòng)力學(xué)理論及其在災(zāi)害天氣分析和數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用等相關(guān)研究，用十分汗水，投身中尺度動(dòng)力學(xué)這一古老而又充滿挑戰(zhàn)的大氣科學(xué)分支學(xué)科。

科研成果要為氣象業(yè)務(wù)所用

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是基于數(shù)學(xué)物理學(xué)方法客觀定量計(jì)算未來(lái)天氣演變的科學(xué)，能夠刻畫(huà)未來(lái)一定時(shí)段的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象，是現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)的核心科技。加密觀測(cè)、高性能計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的大發(fā)展，為災(zāi)害天氣數(shù)值預(yù)報(bào)的進(jìn)步提供了廣闊空間。天氣是不同尺度系統(tǒng)的綜合體，各尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和消亡遵循一定的物理規(guī)律且會(huì)相互作用，如果不厘清動(dòng)力學(xué)機(jī)理、只是單純采取提高分辨率和計(jì)算精度等數(shù)學(xué)技巧，不僅很難分析出日常天氣變化和極端天氣事件的影響因子，而且不能排除干擾預(yù)報(bào)有序進(jìn)行的“噪音”，于是放大預(yù)報(bào)誤差，導(dǎo)致對(duì)極端天氣的漏報(bào)和空?qǐng)?bào)。因而，構(gòu)建中尺度平衡模型的理論框架，并在數(shù)值模式中實(shí)現(xiàn)算法化，既能充分使用觀測(cè)和模式輸出的高分辨率資料揭示災(zāi)害天氣的成因和機(jī)制，也能為數(shù)值模式資料同化提供動(dòng)力約束、從而提高模擬預(yù)報(bào)水平，為我國(guó)持續(xù)性極端暴雨和臺(tái)風(fēng)異常路徑預(yù)測(cè)，以及青藏高原等復(fù)雜地形影響下高原渦和西南渦等天氣系統(tǒng)的識(shí)別提供動(dòng)力學(xué)支撐。“科研成果要為氣象業(yè)務(wù)所用，經(jīng)得起反復(fù)檢驗(yàn)，多次總結(jié)和訂正，最終用于每一次‘實(shí)戰(zhàn)’，提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。這是陶詩(shī)言先生一生都在努力的事情，也是我們從事中尺度動(dòng)力學(xué)和天氣學(xué)研究的中青年人的目標(biāo)?！辈軡嵍ㄏ履繕?biāo)。目標(biāo)鎖定，勢(shì)要達(dá)成。今年，她研發(fā)的數(shù)值模式地形追隨坐標(biāo)系下半平衡模型在復(fù)雜地形區(qū)的釋用技術(shù)取得重要進(jìn)展，完成了青藏高原渦追蹤方法和梅雨鋒上中尺度渦旋識(shí)別方法的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)?！案咴瓬u和西南渦的生成、移動(dòng)和發(fā)展每個(gè)階段都可能給重慶山區(qū)和長(zhǎng)江中下游地區(qū)帶來(lái)持續(xù)性強(qiáng)降水，準(zhǔn)確識(shí)別對(duì)預(yù)報(bào)員做好天氣氣候預(yù)測(cè)有重要意義。”曹潔解釋。

一直以來(lái)，高原渦的實(shí)時(shí)識(shí)別主要依靠預(yù)報(bào)員主觀識(shí)別，時(shí)效性不夠、工作量大，而且存在一定漏報(bào)，而曹潔等人設(shè)計(jì)的客觀識(shí)別方法能提早36到48小時(shí)識(shí)別渦旋并持續(xù)追蹤，漏報(bào)率明顯降低。不僅如此，圍繞科研成果應(yīng)用，曹潔深挖各中小尺度診斷量，研發(fā)臺(tái)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣分析與預(yù)報(bào)工具。其中，開(kāi)發(fā)的關(guān)于任意形狀有限區(qū)域流函數(shù)和速度勢(shì)的高效高精度求解技術(shù)，可以從水平風(fēng)場(chǎng)分離出旋轉(zhuǎn)、輻散和變形風(fēng)分量，可直接用到模式后處理和天氣診斷分析中，已被國(guó)內(nèi)外多個(gè)機(jī)構(gòu)使用；參與NOAA研發(fā)的高分辨率模式臺(tái)風(fēng)中心定位技術(shù)，可準(zhǔn)確定位臺(tái)風(fēng)中心，為數(shù)值模式發(fā)展臺(tái)風(fēng)重定位技術(shù)、提高臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供有效工具。談及執(zhí)著于將研究成果業(yè)務(wù)化的原因，曹潔有自己的堅(jiān)持，“這是我從事災(zāi)害性天氣分析預(yù)報(bào)類(lèi)科研工作的意義之一，哪怕是理論上的一點(diǎn)小進(jìn)步，在現(xiàn)有高分辨觀測(cè)和模擬資料的支持下，都可能提高數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)保障人類(lèi)生產(chǎn)生活的一大步?！?img src="https://pqnoss.kepuchina.cn/kepuyun/2023/07/08/18/1688720921917.png" alt="" />

在國(guó)際會(huì)議上做報(bào)告

公眾的好奇是開(kāi)展氣象科教的天然優(yōu)勢(shì)

雖然中尺度動(dòng)力學(xué)如同整個(gè)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的“地基”，但這一基礎(chǔ)領(lǐng)域，卻也是數(shù)值預(yù)報(bào)的薄弱環(huán)節(jié)之一，在我國(guó)大氣科學(xué)領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)從事這一分支學(xué)科研究的人也較少?！俺藢?duì)數(shù)學(xué)、物理和編程要求較高，產(chǎn)出慢、常常需要推倒再來(lái)也是讓不少人‘知難而退’的原因?！辈軡嵔忉尩?。氣象學(xué)關(guān)系國(guó)計(jì)民生，若能引導(dǎo)更多人熱愛(ài)氣象、投身氣象，讓公眾給予氣象行業(yè)進(jìn)步更多的寬容和支持，并鼓勵(lì)那些懷揣夢(mèng)想?yún)s因產(chǎn)出慢陷入沮喪的學(xué)生，那這一古老學(xué)科的生命力和活力也將大大增強(qiáng)。這一次，曹潔將目光轉(zhuǎn)向了科普和教學(xué)。在“龍卷風(fēng)之鄉(xiāng)”美國(guó)俄克拉荷馬州求學(xué)和工作的經(jīng)歷和自己幼時(shí)便對(duì)教學(xué)充滿興趣讓她意識(shí)到，科研雖然“高冷”，但并非不能接地氣?！靶r(shí)候我們都知道天氣有秘密，這種好奇心是開(kāi)展氣象科普的天然優(yōu)勢(shì)，即便是長(zhǎng)大后，與生活息息相關(guān)的天氣也能引發(fā)大規(guī)模討論?！辈軡嵳f(shuō)，“而且科研最終目的是改善老百姓的生活，讓他們理解并參與其中，也有利于大眾支持科研事業(yè)?！弊?018年起，她主講中國(guó)科學(xué)院繼續(xù)教育網(wǎng)《漫話天氣預(yù)報(bào)》、《天氣預(yù)報(bào)到底準(zhǔn)不準(zhǔn)》系列課程；擔(dān)任中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生專業(yè)核心課《中小尺度天氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬》助教，主講國(guó)際學(xué)院一級(jí)核心課《遙感在氣候變化、土地科學(xué)和強(qiáng)天氣的應(yīng)用》；在線上線下為公眾和中小學(xué)生科普“觀云識(shí)天氣”等知識(shí)。她還參與氣象部門(mén)培養(yǎng)首席預(yù)報(bào)員科研能力的項(xiàng)目，與業(yè)務(wù)人員加強(qiáng)交流合作，推動(dòng)科研成果解決實(shí)際問(wèn)題，并在此過(guò)程中不斷檢驗(yàn)、改進(jìn)自己的研究。給中小學(xué)生做科普

對(duì)曹潔來(lái)說(shuō)，科研始終是本職工作，但如果合理平衡時(shí)間精力，科普教育不僅能增強(qiáng)科研表達(dá)能力，拓展災(zāi)害天氣學(xué)在大氣科學(xué)其他分支學(xué)科甚至是其他研究領(lǐng)域的認(rèn)知度和合作空間，同時(shí)也能培植公眾和孩子們心中的氣象“種子”，引導(dǎo)更多人理解、支持氣象，愿意加入其中來(lái)揭秘天氣奧秘?！捌鋵?shí)我還有些‘私心’?！辈軡嵭χa(bǔ)充，“中尺度動(dòng)力框架的研發(fā)雖然很有挑戰(zhàn)，但也格外枯燥，我們的日常就是推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式、編寫(xiě)代碼、刷論文，可能相當(dāng)長(zhǎng)階段沒(méi)有結(jié)論；而做科普和教學(xué)，從圖片到動(dòng)畫(huà)，素材豐富多彩，收獲公眾的認(rèn)可，也能在一定程度上告訴自己也告訴大家不要畏難，這件事情值得去做?！辈徽撌强蒲?，還是科普和教學(xué)，曹潔都表示自己還在學(xué)習(xí)的路上，導(dǎo)師和項(xiàng)目合作老師們都給她樹(shù)立了榜樣，2015年入選中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)人才項(xiàng)目，更讓她看到了更多優(yōu)秀青年人才的科研、科普和業(yè)務(wù)化能力，認(rèn)識(shí)到自己還有非常大的進(jìn)步空間。2019年，曹潔入選青促會(huì)北京分會(huì)理事會(huì)，主編《青促會(huì)會(huì)刊》，更與這些優(yōu)秀人才加深了合作交流?！翱吹酵g人的優(yōu)秀，會(huì)有緊迫感，但好在老師們很早就告訴我，百花齊放，每個(gè)人的研究方向不同，我要做的是我這個(gè)領(lǐng)域的高精尖?！比缃瘢渤闪藙e人的老師，同樣的話又自她口中說(shuō)出：找到自己的優(yōu)勢(shì)所在，并把它充分發(fā)揮到工作上，不因?yàn)槭《趩剩米±浒宓?，最終才啃得下硬骨頭。

曹潔 副研究員

（女，1983年6月出生）

主要從事中尺度動(dòng)力學(xué)理論及其在災(zāi)害天氣分析和數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用相關(guān)研究。曾在美國(guó)NOAA和俄克拉荷馬大學(xué)聯(lián)合中尺度氣象研究所工作4年；自2013年起，任中科院大氣所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員。曾獲中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng)、科教結(jié)合教育創(chuàng)新項(xiàng)目一等獎(jiǎng)、大氣所優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)，2015年入選中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，獲批軟件著作權(quán)5項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目課題1項(xiàng)，參與國(guó)家科技支撐計(jì)劃、重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目和重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃多項(xiàng)。

作者： 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所