青春系列 | 曹洁：扎根中尺度动力学研究 播撒气象科教之花

编者按：

他们探寻机理、他们追风逐电、他们深夜伏案、他们反复演算，中国科学院大气物理研究所优秀青年学者是他们共同的注解。在这背后，有多少科研故事与青葱往事？走进【青春系列】，让我们一同了解。

灿烂的笑容，清晰的思路，极富感染力的表达。曹洁，中国科学院大气物理研究所副研究员，一名瞄准我国中尺度动力学和数值预报的“建筑师”，一名脚踏实地推动科研成果为气象业务所用的“实干家”，一名坚持科研、教育、科普并重用心培植气象兴趣种子的“护林员”。从业十余年，致力于中尺度动力学理论及其在灾害天气分析和数值预报应用等相关研究，用十分汗水，投身中尺度动力学这一古老而又充满挑战的大气科学分支学科。

科研成果要为气象业务所用

数值天气预报是基于数学物理学方法客观定量计算未来天气演变的科学，能够刻画未来一定时段的大气运动状态和天气现象，是现代气象业务的核心科技。加密观测、高性能计算机和机器学习等技术的大发展，为灾害天气数值预报的进步提供了广阔空间。天气是不同尺度系统的综合体，各尺度系统的发生发展和消亡遵循一定的物理规律且会相互作用，如果不厘清动力学机理、只是单纯采取提高分辨率和计算精度等数学技巧，不仅很难分析出日常天气变化和极端天气事件的影响因子，而且不能排除干扰预报有序进行的“噪音”，于是放大预报误差，导致对极端天气的漏报和空报。因而，构建中尺度平衡模型的理论框架，并在数值模式中实现算法化，既能充分使用观测和模式输出的高分辨率资料揭示灾害天气的成因和机制，也能为数值模式资料同化提供动力约束、从而提高模拟预报水平，为我国持续性极端暴雨和台风异常路径预测，以及青藏高原等复杂地形影响下高原涡和西南涡等天气系统的识别提供动力学支撑。“科研成果要为气象业务所用，经得起反复检验，多次总结和订正，最终用于每一次‘实战’，提高天气预报准确率。这是陶诗言先生一生都在努力的事情，也是我们从事中尺度动力学和天气学研究的中青年人的目标。”曹洁定下目标。目标锁定，势要达成。今年，她研发的数值模式地形追随坐标系下半平衡模型在复杂地形区的释用技术取得重要进展，完成了青藏高原涡追踪方法和梅雨锋上中尺度涡旋识别方法的设计和检验。“高原涡和西南涡的生成、移动和发展每个阶段都可能给重庆山区和长江中下游地区带来持续性强降水，准确识别对预报员做好天气气候预测有重要意义。”曹洁解释。

一直以来，高原涡的实时识别主要依靠预报员主观识别，时效性不够、工作量大，而且存在一定漏报，而曹洁等人设计的客观识别方法能提早36到48小时识别涡旋并持续追踪，漏报率明显降低。不仅如此，围绕科研成果应用，曹洁深挖各中小尺度诊断量，研发台风、暴雨等灾害性天气分析与预报工具。其中，开发的关于任意形状有限区域流函数和速度势的高效高精度求解技术，可以从水平风场分离出旋转、辐散和变形风分量，可直接用到模式后处理和天气诊断分析中，已被国内外多个机构使用；参与NOAA研发的高分辨率模式台风中心定位技术，可准确定位台风中心，为数值模式发展台风重定位技术、提高台风路径和强度预报准确率提供有效工具。谈及执着于将研究成果业务化的原因，曹洁有自己的坚持，“这是我从事灾害性天气分析预报类科研工作的意义之一，哪怕是理论上的一点小进步，在现有高分辨观测和模拟资料的支持下，都可能提高数值预报准确率，实现保障人类生产生活的一大步。”

在国际会议上做报告

公众的好奇是开展气象科教的天然优势

虽然中尺度动力学如同整个区域数值预报系统的“地基”，但这一基础领域，却也是数值预报的薄弱环节之一，在我国大气科学领域专门从事这一分支学科研究的人也较少。“除了对数学、物理和编程要求较高，产出慢、常常需要推倒再来也是让不少人‘知难而退’的原因。”曹洁解释到。气象学关系国计民生，若能引导更多人热爱气象、投身气象，让公众给予气象行业进步更多的宽容和支持，并鼓励那些怀揣梦想却因产出慢陷入沮丧的学生，那这一古老学科的生命力和活力也将大大增强。这一次，曹洁将目光转向了科普和教学。在“龙卷风之乡”美国俄克拉荷马州求学和工作的经历和自己幼时便对教学充满兴趣让她意识到，科研虽然“高冷”，但并非不能接地气。“小时候我们都知道天气有秘密，这种好奇心是开展气象科普的天然优势，即便是长大后，与生活息息相关的天气也能引发大规模讨论。”曹洁说，“而且科研最终目的是改善老百姓的生活，让他们理解并参与其中，也有利于大众支持科研事业。”自2018年起，她主讲中国科学院继续教育网《漫话天气预报》、《天气预报到底准不准》系列课程；担任中国科学院大学研究生专业核心课《中小尺度天气动力学与数值模拟》助教，主讲国际学院一级核心课《遥感在气候变化、土地科学和强天气的应用》；在线上线下为公众和中小学生科普“观云识天气”等知识。她还参与气象部门培养首席预报员科研能力的项目，与业务人员加强交流合作，推动科研成果解决实际问题，并在此过程中不断检验、改进自己的研究。给中小学生做科普

对曹洁来说，科研始终是本职工作，但如果合理平衡时间精力，科普教育不仅能增强科研表达能力，拓展灾害天气学在大气科学其他分支学科甚至是其他研究领域的认知度和合作空间，同时也能培植公众和孩子们心中的气象“种子”，引导更多人理解、支持气象，愿意加入其中来揭秘天气奥秘。“其实我还有些‘私心’。”曹洁笑着补充，“中尺度动力框架的研发虽然很有挑战，但也格外枯燥，我们的日常就是推导数学公式、编写代码、刷论文，可能相当长阶段没有结论；而做科普和教学，从图片到动画，素材丰富多彩，收获公众的认可，也能在一定程度上告诉自己也告诉大家不要畏难，这件事情值得去做。”不论是科研，还是科普和教学，曹洁都表示自己还在学习的路上，导师和项目合作老师们都给她树立了榜样，2015年入选中科院青年创新促进会人才项目，更让她看到了更多优秀青年人才的科研、科普和业务化能力，认识到自己还有非常大的进步空间。2019年，曹洁入选青促会北京分会理事会，主编《青促会会刊》，更与这些优秀人才加深了合作交流。“看到同龄人的优秀，会有紧迫感，但好在老师们很早就告诉我，百花齐放，每个人的研究方向不同，我要做的是我这个领域的高精尖。”如今，她也成了别人的老师，同样的话又自她口中说出：找到自己的优势所在，并把它充分发挥到工作上，不因为失败而沮丧，坐得住冷板凳，最终才啃得下硬骨头。

曹洁 副研究员

（女，1983年6月出生）

主要从事中尺度动力学理论及其在灾害天气分析和数值预报应用相关研究。曾在美国NOAA和俄克拉荷马大学联合中尺度气象研究所工作4年；自2013年起，任中科院大气所云降水物理与强风暴院重点实验室副研究员。曾获中科院院长奖、科教结合教育创新项目一等奖、大气所优秀博士论文奖，2015年入选中科院青年创新促进会。发表学术论文20余篇，获批软件著作权5项。主持国家自然科学基金3项、重点项目课题1项，参与国家科技支撑计划、重大科技基础设施项目和重点研发计划多项。

作者： 中国科学院大气物理研究所