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【砥砺耕耘一甲子 气象万千六十年】第五期
2019年09月16日    作者: 陈万隆 沈桐立    发布 : 校友办    

【编者按】当前,我国在各行各业中提倡并弘扬“工匠精神”,对于高等教育而言“工匠精神”同样重要。南京信息工程大学发展历程中就有一批这样的“教书匠”,潜心教学,痴心不改,精益求精,毕其一生,经历苦寒,育得“梅花香”。本期推出的两篇文章,讲的就是“一辈子只做一件事”的故事。

一辈子只做了一件事

——我与《小气候学》四十余年

作者:陈万隆

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陈万隆(1940- ),教授,硕士生导师。1964年入职南京气象学院。1987年在夏威夷大学气象学系进修、访问。曾任第22届中国气象学会干旱气象专业委员会委员、第24届中国气象学会大气物理专业委员会委员、九三学社江苏省委员会直属南京信息工程大学支社副主任委员。1995年获省教委“八五”期间先进科技工作者称号。集体获省部级科技进步奖6项,发表学术论文百余篇。

我和小气候结缘已有四十多个春秋,参加过的小气候考察有:1959年长江三峡气候考察,1965年高邮水稻田塑料薄膜水稻育秧实验,1975年青藏铁路沿线气候考察,1977年山西交城农业气候资源考察,1979年第一次青藏高原气象科学实验,1984年安徽大别山农业气候资源考察以及2005—2012年水稻、玉米花粉扩散田间实验等等。总之,我这一辈子就是围着小气候学转,人生可以简简单单,但事业不能平平淡淡,尽力做好一件事,实乃人生之首务。

高考前,我除了从地理课和1958年参加高考时了解到一点气象专业知识介绍外,可以说对气象科学知之甚少,更谈不上对它有什么爱好。最早对小气候学发生兴趣是在1959年上半年。大一下学期,我们参加了由南京大学气象学系气候教研室组织的长江三峡气候考察工作。我和55级(大四)的学长龚惠人(后改名为龚为人)被分配在巴东县江边观测点。他为人谦和,还时不时地给我灌输一些气候常识,逐渐引起我对小气候学的兴趣。有一天我们讨论到这次小气候考察的目的和预期结果时,这位大师兄郑重其事地对我说,小气候研究需要非常规气象资料,而且还要做到亲力亲为,比如设计小气候考察方案以及参加考察、获取和整理资料等都需要亲力而为,责无旁贷。虽然我对这次大师兄谈话的意义理解不深,但后来发现它对我从事小气候工作是受益匪浅的。

一、老教师的传帮带

1964年我从南大气象学系毕业并被分配到南气院农气系气候教研室小气候教学小组;在颇有名气的辐射气候学者翁笃鸣老师指导下,我开始步入小气候学教学、科研之路。这意味着我与小气候学真的结下不解之缘!

1964年下半年,翁老师给61级农气专业讲《小气候与农田小气候》课,《农田小气候》实习课的教学任务布置给我。当我跨进气象学院第一天开始就要求自己:不仅是每一门课程,即使是与课程关系不大的每件小事我都不能马虎,不能眼高手低。在我认真领会翁老师对实习课的要求后,将该课分解为课堂资料整理和田间观测两大部分,明确每一部分的目的和重点,并且在备课时要养成一种习惯,即想一想有什么地方可以改进。让学生真正学到一点知识和技能。例如,我发现《气象观测》一书中关于土壤热通量的计算方法有些繁琐、不直观,我就把它的计算方法设计成表格化的计算模式;这样对学生而言计算不仅十分便捷,而且容易校对、纠错。庞嘉棠老师经常对我们年轻教师说,千里之行始于足下。我每取得一点一滴的进步都与教研室的老教师的教诲分不开。

1965年开学初,系主任冯秀藻教授接到省农林厅薄膜覆盖水稻育秧的小气候研究课题并交给翁老师,项目交给石河子兵团农学院来院进修的周天老师。我作为助手协助周老师制定研究方案和做好田间实验观测的准备工作。临行前我问冯主任对这次课题还有什么指示,他很谦和地对我谆谆教导说:也没什么,不过啊小陈,首先你要好好地向农林厅郝工程师和当地农民学习,同他们搞好关系;其次,还要重视生产实践。俗话说“实践出真知”嘛,哪怕是一孔之见也是难能可贵的;欲至千里,先积跬步!初来乍到,我同冯主任直接联系不多,但每次冯主任同我谈话总是和蔼可亲的,也没有半点架子。正是受到冯主任这“一孔之见”、“先积跬步”的启发,我在每次承担考察任务时都会仔细想想业务上会有什么问题以及该如何应对。在冯主任和翁老师指导下,我们在高邮县省农林厅实验田于65年4月上旬开始观测,至5月下旬顺利完成田间观测任务。接下来周老师分析水稻育秧的薄膜覆盖内、外小气候特征对比,而我则研究这种薄膜覆盖内小气候形成的原因,任务虽然有些棘手,通过整理和分析观察资料,终于在66年初完成论文初稿。自己刚工作不到一年领导就分配给我科研任务,我觉得很荣幸,后来才逐渐意识到这是领导锻炼和培养我的一种方式。

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图1.薄膜覆盖水稻育秧小气候观测( 1965年4月,高邮)

 《薄膜覆盖水稻育秧的小气候研究课题》是我第一次接受研究任务,它在国内首次从理论上揭示膜内小气候形成的主要原因。由于这项研究既有学术意义,又有农业生产意义,在65年底我们将论文投给南京大学学报(自然科学版),次年因文革开始、学术刊物停刊,论文只能在农林厅内部文集上发表。

二、高原气候考察

1975年气候教研室受青海省气象局邀请参加了青藏铁路沿线气候考察项目。该项目由青海省气象局局长戴加洗(我院1965届校友)和我院翁老师以及中央气象局气象科学研究院张家诚院长负责。除我之外参加的教师还有庞嘉棠、屠其璞、叶桂鑫以及73级气候专业三十多名学生。7月份我院考察队四十余人开赴西宁市。在进入昆仑山垭口考察地之前,我除了跟翁老师学习一些专业知识(如阅读他的小气候教案等资料)以外,主要任务是协助气象局的李工程师完成仪器设备的准备工作。例如,用小型风洞鉴定风速表,包括我们带去的一批手提风速表等。这是我第一次接触风洞试验工作,当李工程师很快教会我使用后,他就放手让我独立干。同他相处几天后彼此比较熟悉了,我向他讲明,除了观测地面风速以外,还要观测峡谷内风速的垂直分布。因为当气流沿着峡谷走向穿越时,气流受到峡谷两侧地形压挤作用而加大并在谷中某一高度上出现最大风速。当设计师在半冻土山地上设计高架铁路或公路时除了考虑地质条件外,还要考虑风灾等因素。因此有必要增加一项边界层测风项目。他欣然同意并为此提供两台经纬仪、两瓶氢气和一箱小球测风气球。在多次有利风向条件下,我们测到垭口谷内最大风速出现在离谷底向上平均谷高2/3处。当然,这种最大风速出现的高度不是常数,还与峡谷内侧坡度以及谷高与谷底(或中部)宽度的比例有关。

野外考察初期,考察队的大部分队员住在昆仑山垭口(冻土带),海拔四千多米,荒无人烟,时至8月份有时下小雪。队员们都穿着军用皮大衣在野外工作。入住几天后我开始感到头昏、头痛、头胀,四肢无力,想呕吐,不能平躺入睡,不时发出的难忍的噪音,才意识到这是严重的高山反应。为了不影响大家休息,我搬进了旁边的小帐篷住。每天清晨起床,都会发现自己的眉毛和小胡子结上了薄薄一层霜,可见气温是如何的低。我没有想到我的体质竟然不如队里弱不禁风的女学生。在这样恶劣环境和健康状况不佳的条件下,我怀疑自己能否硬扛到底。我担心自己的身体吃不消,一度想退居海拔底的格尔木基地,但又一想,不能打退堂鼓呀,否则我的项目谁来做?再坚持坚持吧!说也奇怪,从此我身上的高山反应渐渐消退了。这就是人们常说的“挑战自我,坚持下去,才能见到曙光”吧!


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图2.1975年青藏高原铁路沿线合影

(左至右:翁笃鸣、张家诚、戴加洗、陈万隆)

1978年3月,中国迎来了科学研究的春天,各种学科的科研活动生气蓬勃地陆续展开了。国家气象局(当时称为中央气象局)和中国科学院高原大气物理研究所、南京气象学院等联合多个单位蕴酿已久的第一次青藏高原气象科研实验(TIPEX -1)进入倒计时。负责实验计划和任务执行的专家叶笃正、高由禧和章基嘉等先生,决定1979年5—8月由高由禧先生组织、开展第一次青藏高原气象科研实验,由高原大气所、南京气象学院、南京大学气象系和国家计划委员会下属地理研究所分别组成四支野外考察队伍深入西藏高原那曲、狮泉河和拉萨等高原腹地负责近地面层小气候观测工作。

拉萨考察站设立在拉萨郊外西藏自治区农科院平坦的苜蓿草地上,海拔3560米。我和翁老师先后轮流负责该考察站工作。生活条件比1975年在昆仑山垭口考察时有了改善。四位考察队队员在困难的条件下出色地完成了气象科学实验任务,获得了丰富的高原气象资料,也取得一批可喜的科研成果。但由于是首次实验,考虑不周,实验设备严重短缺,所以该实验不尽人意的地方也不少。(注:此项成果集体获得国家气象局1987年气象科学奖一 等奖和1990年国家自然科学奖三等奖。)

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图3.我院参加首次青藏高原科学实验总结和学术研讨大会人员

前排右一:章基嘉  右二:罗 漠   左一:徐凯;

后排右一:陈万隆 右三:彭永清 右四:翁笃鸣 右五:吕君宁 

1980年8月下旬,课题组在乌鲁木齐召开了我国首次青藏高原科学实验(TIPEX -1)总结和学术研讨大会。我院参加会议的有罗漠、章基嘉、翁笃鸣、吕君宁、彭永清、郑昌圣、徐凯和我。会议期间我发现罗院长听报告很认真仔细。有一次在会下,他问我:“你们把平原、低海拔地区搞的那一套小气候考察方法直接搬到高原上来用,有没有想过合适不合适?要不要修正什么的?”我回答说:“合适吧!”他接着问:“何以见得?”这句话可把我问住了,想糊是糊不过去的,我就实话说,因为大家都没有提出异议嘛。“没有异议,就是正确的?”罗院长心平气和地接着说,“欲至千里,先积蛙步!不要人云亦云,要多做调查研究。”这一问,我无语了。我随口说了句:我回去再考虑考虑。这一考虑就是6—7年。那么如何证明低海拔适用的小气候考察方法也适用高海拔地区?我利用TIPEX -1获得的近地层气象观测资料,经过计算结果得到高原近地层相似函数(又称通用函数),并以此计算单位空气质量的湍流通量与采用其他作者获得的低海拔平原地区近地层相似函数计算的单位空气质量的湍流通量相一致。这说明莫宁—奥布霍夫(Monin- Obukhov)近地层相似理论的适用性不受海报高度的影响。马耀明、王介民等(高原气象,2002,Vol.21,No.5)和徐祥德、周明熠等(Adv.Atmos Sci,2003,Vol.20,No.3,343 - 348)采用超声风温仪和红外温度计等设备分别在黑河地区和高原上近地层观测实验也得出明莫宁—奥布霍夫近地层相似理论在高海拔地区同样适用的类似结论。这说明我们曾用于低海拔地区的小气候考察原理与方法(包括能量交换的计算)是适用于高原地区近地层的。

1998年和2012— 2016年中国气象局、中国科学院大气物理研究所、寒区旱区环境与工程研究所等单位并联合国内外科研机构开展了第二次和第三次的青藏高原大气科学实验研究。但由于种种原因我院这两次高原气象科学实验研究项目边缘化了。

三、拓展小气候研究

我自上世纪80年代初患上高血压和高血脂症后,不宜再参与高海拔地区气候考察,我的科研活动范围只能限于低海拔地区了。此时我结合给研究生开设的“边界层气象”讲座,开始思考自己如何拓宽小气候学研究方法。有人以为我企图另辟途径,离开了《小气候学》方向,其实这两者是一个整体。上世纪80年代中期,南京大学赵敏教授是国内用数值模拟方法研究大气边界层的先驱,而我院只有才入职不久的周竟男老师刚刚起步;1987年我到夏威夷大学进修、收集较多有关的文献,发现我国的边界层数值模拟研究已落后国外一二十年。人无远虑,必有近忧。现在不迎头赶上,等待何时?于是我毛遂自荐了!

2005年春,中国农业科学研究院贾士荣先生和我校姚克敏老师计划研究水稻花粉扩散问题,希望我加入研究团队,我欣然地接受了邀请。我和队友胡凝、姚克敏和刘寿东等在高斯扩散模型基础上建立了水稻花粉扩散模式,提出模式气象参数和生物学参数的确定方法。为此我们共同设计了相应的水稻田间微气象和水稻开花期花粉观测方案。

2009年姚克敏、胡凝和我及中国农科院、吉林省农科院等联合申请到国家自然科学基金转基因生物新品种培育重大专项(2009ZX0811—0918)课题。姚克敏老师思路敏捷,踏实能干,计划性强,作物栽培经验丰富。我们于2010年、2011年分别在江苏省农科院溧水实验园区和吉林省公主岭农村开展了玉米花粉扩散实验。这两次实验表明我和贾士荣先生、姚克敏等老师的合作是一个专业互补、密切配合的范例。

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图4.水稻花粉扩散实验田里的近地层气象梯度观测

(2005年6月,江苏省农科院)

以上两次田间实验获得了水稻田和玉米田微气象的丰富资料,花粉扩散模型及其应用填补了国内外的空白。

至于上世纪80—90年代我的研究内容逐渐扩大到应用大气边界层数值模拟方法研究局地气候变化,乃是我个人健康状况和兴趣所致,也是形势发展的必然。其实,这一时期我所研究的内容仍旧与小气候学密切相关;与传统小气候研究方法相比,只是方法更多了一些,更加适应专业的发展。

总之,我入职刚一年就有幸承担教学与科研任务,在院、系领导的培养和学术氛围熏陶下,我风雨兼程沿着小气候学道路砥砺前行四十余年,终于见到彩虹。很多时候,我们缺的不是想法很少,而是缺乏勇气和挑战。心无旁骛的一辈子只做好一件事,一是服从单位发展的需要,二是不折腾、尽力而为。



数值天气预报课程建设的往事回忆

作者:沈桐立

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沈桐立(1939- ),教授,硕士生导师。1963年毕业于北京大学,参与中国气象局主持的“八五”、“九五”等科技攻关项目及国家973项目;主持国家自然科学基金项目2项,参与4项;先后指导过60余名研究生。1996年获国家气象中心科技进步一等奖,中国科学院科技进步三等奖。1999年获“江苏省高校科技工作先进个人”称号。2004年及2006年分别获江苏省高等教育省级教学成果二等奖及省级精品课程二等奖。2007年所参加数值天气预报课程获得国家级精品课程建设项目。2011年获江苏省高等教育省级教学成果一等奖。

数值天气预报是上世纪中叶才发展起来的,属于新兴的学科。如今数值天气预报水平已成为衡量各国科技水平的一个重要标尺。我自从1963年大学毕业来校任教,直到2013年教“长望班”数值天气预报课为止。整整50年一直在教学第一线默默地、辛勤地工作。大多数学生对我的讲课是欢迎的,更有很赞赏的。这是对我教学能力充分的肯定。我要感谢这些学生对老师的信任,我更要感谢我们学校给了我这样的机会和展示能力的平台,我热爱我们的学校。

对于大气科学来说,这么重要的课程在我校的学科建设中并不是一帆风顺的。先来介绍两个花絮:

其一:必修课与选修课之争。

现在来看,数值预报课程当属大气科学专业的必修课程无疑。但在上世纪70-80年代要求改为选修课的呼声还是比较高的。其原因是搞数值天气预报需要使用计算机,而当时一台计算机的价格非常昂贵(例如,我校在80年代初期,利用世界银行贷款,花费了近100万美元,引进了一台日本生产的计算机M360,其性能仅相当于后来生产的一台486微机)。国家气象局的经费状况也不可能给省级气象部门配备类似的计算机,这表明省级气象部门不可能搞数值天气预报。我校当时的培养目标是:面向广大台站培养所需的气象人才。在这种情况下,毕业生将来大多数是不会去做数值天气预报的。于是就有“学了无用”或者要求改为“选修课”的呼声。在这种情形下,我校领导坚持战略眼光,坚持了这门必修课,回想起来,是多么正确和英明呀!

其二:教师有无能力之争。

搞数值天气预报需要使用计算机,但早期我校没有计算机,教师为了备课或做点研究需要出差到北京或上海,到那里去上机。那时北京和上海气象局的DJS6计算机性能连386微机都不如,能做什么研究可想而知。即便这样也不得不去。为了节省点经费,火车卧铺舍不得坐,住宿是挤在大房间,个中的辛苦只有自己知道。更为苦恼的是,在这样计算的条件下不容易出成果,写不出像样的文章。在周围教师不断地发表文章的压力下,我们的心情压抑,但很无奈。这种情况持续了十几二十年。时间长了,一些耐不住性子教数值天气预报的老师,不得不改变了科研的方向。而建设一个学科不做研究是不行的,坚持住方向、能沉得住气的我们,终于迎来了科学的春天。随着计算机的快速发展与普及,我们有了用武之地。我后来一年最多就能发十多篇有一定质量的论文,这真是“梅花香自苦寒来”。

下面,就课程建设的几个方面来进行回顾。

一、课程设置及变化

我校数值天气预报课程设置大体可分为三个阶段。1964年由廖翔云老师为我校首届60级学生首次开设了此课程;之后该课程调整为 “动力数值预报”,将动力气象与数值预报合并,并增设了“计算方法与程序设计”这门课;高考恢复后,数值天气预报又独立成一门课程单独开设,从77级至今。从本世纪初开始,围绕数值天气预报课程开设了许多专题课供学生选择,例如,中尺度数值模拟、大气数值模拟、气候变化的数值模拟、资料同化的数值模拟等,极大地丰富了有关数值天气预报方面的知识。

从课程内容上看,恢复高考前的教学内容,主要介绍数值天气预报经典内容。1981-2003年,教学内容进行了较大的扩充并系统化。介绍了地图投影、差分方法、过滤模式、正压原始方程模式、斜压原始方程模式、正压涡度方程谱模式等。2003年以后,本课程增加了模式的物理过程、资料的四维同化、MM4模式、MM5模式、WRF模式、GRAPES模式等内容,一些内容是安排在研究生阶段进行学习的。经过几十年的不断探索,目前已形成较为系统,较为成熟的课程体系。

二、教材的建设及其特色

数值天气预报教材建设始于1970年,1970年为适应将动力气象与数值预报合并为一门课程的教学需要,由多位教师合编了“动力数值预报”教材,(校内油印本)。数值天气预报课程重新单独开设后,1980年由我主持编写了“数值天气预报”教材,(校内油印本)。1995年,由田永祥为主编,编写了《数值天气预报教程》(气象出版社)。2003年和2006年,由我为主编,两次编写出版了《数值天气预报》(气象出版社)。该教材经多次修行后,成为 “十一五”国家级规划教材和 “十二五”江苏省高等学校重点教材。

经过几十年的不断努力,“数值天气预报”教材不断完善,形成了自己的特色,有专家评论说:该教材能紧密联系国内外最新科学技术的发展。能反映国内外数值天气预报理论研究和业务应用的最新进展。注重基本概念、基本理论、基础知识的介绍,强调理论联系实际,深入浅出、循序渐进,密切结合大气科学专业学生所具有的数理基础知识,并能与其它专业课程较好地衔接。因此,便于学生掌握数值天气预报的基本内容。

三、围绕课程建设的人才培养及科学研究

建校以来从事该门课程教学的主要教师仅有7-8位,他们绝大部分是上世纪六十年代后毕业的大学生,教学与科研,均缺乏老一辈的引领。唯有靠各自勤奋努力、刻苦钻研、忘寝废餐。例如:早期还没有算法语言的时候,为了上机计算,要学习手编程序。没有人教,也没有教材,全凭自己钻研,有时为一条指令就要花几天时间才能弄清它的确切含义,这需要动脑筋设计多种方案上机试验才能做到,这种困难碰到真是太多了。因此,目前能把这门课程建设成现在的水平实属不易。

我校是高等学校中“师生比”很大的学校,教师担任较繁重的教学工作。就是这群数值天气预报教学小组的年青老师,他们还围绕数值天气预报的方向从事了大量的科学研究工作。例如:在气象资料的自动化处理、气象资料的质量控制、模式嵌套边界条件的研究、台风移动和发展机理的数值模拟、中尺度数值模拟、陆气相互作用与气候数值模拟、陆面模式设计、资料的四维同化研究等等方面都进行了研究,并获得数十项各级科研的奖励。该课程先后获江苏省普通高等学校教学成果三等奖,江苏省高等教育省级教学(教材)成果二等奖,江苏省高等教育省级精品课程二等奖,江苏省高等教育省级教学成果一等奖,2006年被选为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,2007年被评为国家精品课程建设项目,2011年被评为江苏省高等学校精品教材,2013年被选为“十二五”江苏省高等学校重点教材。

如今,该课程作为国家级精品课程建设项目已上线,正在并继续为我国培养高水平数值天气预报人才发挥重要作用。


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