观云测风六十载：吕达仁院士谈地球系统观测的初心与使命

气象学家

发布于 2026-03-26 12:46:43

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文章被收录于专栏：气象学家气象学家

受访专家：吕达仁

采访小组：王卓妮薛建军林晓玉郑秋红

【编者按】纵观历史进程，大气观测从简单的仪器观测走向自动化，从传统的温、压、湿、风等要素观测演进为覆盖整个地球系统的多圈层、多要素综合立体观测网络。在数字化与人工智能（AI）高速发展的当下，地球系统观测技术正经历日新月异的变革，为揭示大气奥秘和应对气候变化提供了强大支撑。回顾地球系统观测科学与技术的迭代发展，中国在该领域成绩斐然。其中，中间层 - 平流层 - 对流层雷达（MST 雷达）从无到有，历经三代升级，对青藏高原科学研究和气象业务发展做出了重要贡献。在这些进展背后，一定存在一些鲜为人知的关键细节，也包含面临的挑战与机遇。比如，是什么支撑着老一辈科研人员矢志不渝扎根地球系统观测事业？新的发展格局下，如何培养兼具理论深度与实践能力的复合型人才？面对 AI 技术变革，如何解决可解释性与数据质量问题？国际合作与竞争中，数据共享的壁垒又该如何打破？本期访谈中，中国科学院院士吕达仁以其科研实践为脉络，深入探讨了地球系统观测的初心与使命。从 MST 雷达的研发历程到 AI 技术的应用前景，从人才培养的革新到全球数据共享的破局之道，这段充满智慧与使命感的对话，将为读者打开一扇窥探地球系统科学前沿的窗口。

当前，在数字化与人工智能（AI）高速发展的时代背景下，观测技术正经历着前所未有的变革与突破。地面观测、卫星遥感观测、空间探测等多元观测手段，已成为揭示大气乃至整个地球系统奥秘的重要基石。在这探索的征程中，一代代科学家以观测为笔，描绘出大气运动的壮阔图景，吕达仁院士正是这一过程的杰出参与者和见证者。从云物理研究起步，到引领中国中间层 - 平流层 - 对流层雷达（MST 雷达）科学技术的跨越式发展，吕达仁院士的科研轨迹生动展示了无数科研工作者投身 “大气科学之基” 这一伟大事业，见证了中国地球系统观测从跟跑、到并跑、再到领跑的奋斗历程。为此，我们有幸与吕达仁院士展开对话（链接 - 1，图 1），通过两场访谈，追溯他在大气探测领域的科研足迹，感悟老一辈科学家坚守初心的精神传承，共话地球系统科学（图 2）的发展前景与使命担当。访谈主题为 “观云测风六十载：吕达仁院士谈地球系统观测的初心与使命”。

链接-1：受访专家简介

吕达仁，大气物理学家，中国科学院院士，中国科学院大气物理研究所研究员。1962 年，本科毕业于北京大学地球物理系；1966 年，研究生毕业于中国科学院大气物理研究所；1995 年，创建了中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室；2005 年，当选为中国科学院院士；2024 年，当选首批中国气象学会会士。主要从事大气与地球系统科学基础与高技术研究，最早提出 “消光 - 小角散射综合反演大气气溶胶粒子谱” 的原理，开发了中国大陆首个 VHF/ST 雷达，作为首席科学家领衔承担国家自然科学基金委首批资助的国家重大科研仪器设备研制专项 “多波段多大气成分主被动综合探测系统（APSOS）”。先后担任国家自然科学基金委重大项目、科技部 973 项目、中国科学院科技先导专项等的首席科学家。长期担任中国载人航天科学应用系统的专家和项目首席。曾任国际气象与大气科学协会（IAMAS）执行委员、中国空间科学学会常务理事等多个国内外学术职务。曾获国家自然科学三等奖 1 项，国家科技进步二等奖 1 项，以及中国科学院等部委颁发的重大成果奖、自然科学奖等 8 项。发表学术论文 100 余篇，合作专著 3 本，为相关领域的研究提供了重要的理论参考和学术支持。

采访小组：回顾您的科研经历，从云物理方向拓展到地球系统科学观测，在每个阶段都取得了丰硕的成果。这不仅是研究方向的转变，更是将理论认知转化为服务国家战略需求的重要实践。在这样充满挑战的转型过程中，是什么样的信念或者使命指引着您始终扎根地球系统观测研究，一路披荆斩棘奋力前行？

吕达仁：可以说，最重要的两种因素相互交织，点亮了我的人生。一方面，我成长的年代激发了我强烈的民族责任感和时代使命感，激励我始终以缩小中国与世界气象科技差距为己任，以投身科学、勇攀高峰为毕生追求。我成长于国家百废待兴、科技工作筚路蓝缕开拓前行的时期，落后就要挨打，这种时代背景让我早早意识到科研对国家建设和发展至关重要。我最初的科研工作集中在云雾物理学领域，着重研究云与降水粒子的增长与演化。随后，我从云雾物理领域转向雷暴云和射电气象领域，以更好地服务国家的重大需求和长远发展。这是因为单独的云雾物理已经远不能满足当时国民经济和国防科技对大气物理学科的需求，所以为了满足国家发展需要，党和国家指向哪里我们就要往哪里走，扩展研究方向刻不容缓。同时，国际科技发展前沿的动态也时刻牵动着我的心。当时，我看到国外在大气探测技术等方面不断取得突破，早在 20 世纪 40 年代以罗斯贝为首的芝加哥学派就开始开展数值天气预报试验。1960 年美国发射了第一颗气象卫星，开启了气象卫星观测的新纪元。我深感差距，也激发了我去追赶超越的决心，在上学期间我就投身于模型试验研究，利用能够构建与实际大气相似的大气环流模拟转盘试验来深入探究大气环流相关问题。做科学研究，我们不仅要追求学术卓越，更要有家国情怀，勇担时代使命。

另一方面，我的导师顾震潮先生，以他孜孜不倦的开拓创新精神和鞠躬尽瘁的无私奉献精神，滋养着我走出了自己的气象人生路。当年我从北京大学本科毕业，来到中国科学院大气物理研究所师从顾震潮先生攻读硕士研究生，在顾先生的指导下我的科研从理论转向实践。顾先生的一生，热爱祖国，以国家需要为己任，呕心沥血。在 20 世纪 50 年代，他毅然放弃即将获得的博士学位，回国参加新中国建设。在中国还没有计算机的情况下，采用手算图解法开展数值积分试验，经过 1 年的努力发布了中国第一张用数值预报做出的寒潮预报图，开创了中国数值天气预报工作的先河。顾先生在科研中坚持国家利益至上，多次为了国家需要改变自己的研究方向，总是从国家、民族的重大现实需求出发，创造性地提出问题，以任务带科研，开辟了云物理和人工影响天气、雷电物理、大气湍流和大气探测等研究领域。顾先生以国家需求为导向的科研理念深深影响了我，面向国家发展需要和国际科学前沿，成为我毕生开展科研工作要传承和发扬的宗旨。同时，顾震潮先生在大气科学领域的卓越成就和开拓精神，为我的科研工作奠定了坚实的学科基础，引领我站在巨人的肩膀上继续在大气物理领域不断深入探索。

采访小组：从您的科研履历不难看出，每个阶段都取得了从理论创新到技术突破的系统性成果。比如，您带领团队研发的 MST 雷达，历经三代升级，其在技术层面、应用领域和科研价值等方面都具有重要意义。从无到有，再到国际领先的突破，其间的历程一定是很艰辛的，请您将取得这些成就背后的工作为我们稍作总结，以及您认为 MST 雷达下一步的升级方向是什么呢？（或者地球系统观测技术的未来发展方向是什么？）

吕达仁：在我的科研生涯中，MST 雷达的研发与发展占据极为重要的地位，成功实现了从科学理论到科学实践的创新过程。设计 MST 雷达的理论基础来自于 20 世纪苏联学者В.И. 塔塔尔斯基（Tatarskii, Valerian Ilich）的相关论文，他在试验观测的基础上，将大气湍流的统计理论用于电磁波在随机介质中的传播研究，从而奠定了电磁波在湍流大气中传播理论的基础，这也为我们后续利用电磁波测量湍流大气和研制 MST 雷达提供了坚实的理论支撑。MST 雷达作为专门用于观测大气层的无线电探测雷达，能够对中间层、平流层和对流层的中性大气风场以及湍流特性展开观测。它能获取到三维风场、波动、湍流等多尺度的大气动力学特征信息，这一雷达技术对于我们全面了解大气环境至关重要，无论是在天气预报的精准度提升，或是在空间环境监测的可靠性增强方面，都有着极为广泛的应用前景。

全球第一台 MST 雷达在 1974 年诞生于秘鲁。中国在开发第一代自主技术的 MST 雷达（图 3）时，国内的高精度信号处理及探测等相关技术积累薄弱，并缺乏系统的大气探测理论和模型，加之研究条件异常艰苦，每前进一步都困难重重。我们从最基础的雷达探测原理出发，历经多年日夜奋战，终于在极化交替和自适应信号提取等关键技术上取得突破性创新。这部雷达的成功诞生，意义非凡，它填补了中国在该领域的空白。迈入 21 世纪，我们团队并未满足于已有的成绩，又积极投身于第二代 MST 雷达的研发工作。在这个阶段，我们聚焦于提升雷达的探测精度以及拓展其探测范围。通过对雷达硬件设备进行全方位的优化升级，同时大力研发更为先进的数据处理算法，第二代 MST 雷达的性能实现了质的飞跃，它在探测能力与数据质量方面已达到国际先进水平。基于第一、二代 MST 雷达研制与应用中长期积累的经验，第三代 MST 雷达充分结合前沿科技与先进探测需求进行优化设计，应用全数字二维相控阵技术、多极化技术等实现了非常灵活的探测，多项技术指标与能力达到了国际先进水平。目前，第三代 MST 雷达在青藏高原大气与空间科学研究等领域发挥着关键且独特的作用，助力中国跻身国际大气探测领域前沿。MST 雷达升级换代的历程，正是中国的科学与技术实现从跟跑、并跑到努力领跑世界的多部门多单位多领域几代人奋斗的缩影。

就 MST 雷达下一步的升级方向而言，我们有着诸多极具前景的探索路径。一是进一步提升探测能力与观测灵活性。充分采用最先进的雷达技术，根据科技与应用需求，在观测灵活性上创新。实现自适应高时空分辨率、精准、快速扫描跟踪，对不同大气目标、系统过程及其发生与发展演变进行精细探测，获取新知。二是算法研发与数据质量进一步提升。需从原始 IQ 数据出发，研发新算法，准确识别大气弱信号，从本质上改进数据质量。在首要基于探测原理的基础上，适当引入 AI 算法辅助提高。三是联合其他设备，扩展应用。MST 雷达的回波中还包含水汽、温度及其梯度等信息，值得深入挖掘。对云降水过程、天气系统发展演变有较强监测能力。可进一步与云雷达、测雨雷达、激光雷达等协同观测，获取更加丰富准确的大气要素信息。通过长期、连续观测大气垂直结构、成分输送等关键信息，为应对气候变化提供科学支撑。

MST 雷达的升级发展成果均可应用于风廓线雷达、ST 雷达等，因其探测原理相同，仅工作频段不同。前沿研究成果与气象业务应用的深入结合也是一个重要发展方向，可助力进一步提升观测数据质量并应用于数值天气预报、再分析数据制作、大模型构建等

采访小组：当前，伴随着新一轮技术革命和地球系统科学的快速发展，对大气科学学科建设和人才培养提出了全新的要求和挑战。一方面，由于在最初的学科设置及人才培养模式上都不能 “未卜先知”，目前沿用传统的课程体系，未能及时覆盖气象领域新的技术和方法，使得高校和科研机构的人才源头培养与实际业务工作内容的脱节现象较为严重。另一方面，随着新型观测装备的迭代升级，基层专业技术人员在面对新技术、新产品时缺乏足够的应对能力。因此，就大气学科人才培养而言，您认为该如何培养既具备扎实理论知识，又能将其灵活应用于实际工作的复合型人才？

吕达仁：纵观气象科学的发展，我认为至少经历了物理化、新技术化和工程化的三大转折性变革。三次变革与观测技术进步互为驱动：物理化依赖于观测数据的同化与模式迭代，新技术化通过空 - 天 - 地立体观测与 AI 技术重构预测范式（图 4），工程化则必须精细化监测设备来推动气象服务从预警向暖云增雨等主动干预和跨领域的系统治理转型。每一次变革都对人才培养体系提出了全新的要求。未来，气象学将向 “预测地球系统” 演进，深度融合数字技术，实现从天气气候预测到地球系统管理的跨越。在这一进程中，气象学家需要兼具物理建模能力、工程系统思维和 AI 素养，以应对气候变化带来的复杂挑战。从这个意义上讲，无论是在过去、现在或是将来，从事气象科学研究或业务实践工作，都需要复合型人才。

要培养这样的人才，首先，最重要的是完善人才培养环节。大气学科的人才培养要走在社会发展的前列，在高校教育体系中应前瞻性地布局相关专业与课程，根据气象科技发展革新气象相关专业的设置与课程安排。对于传统气象专业，大胆增设诸如 “气象大数据挖掘与分析”“气象卫星遥感新技术应用”“气象数值模拟前沿进展” 等课程，将气象领域最前沿的科技动态融入教学内容，让相关专业的学生深入理解现代气象科技背后的复杂原理与创新理念，从而为未来投身气象科技研发与应用工作构建起全面且扎实的知识架构。此外，针对在职气象工作人员，需构建一套更加完善且长效的持续学习机制，多开展气象科技在不同业务场景下的实际操作经验分享，同时整合丰富多样的学习资源，方便在职人员随时随地进行学习与自我提升，确保他们的专业知识和实践技能始终与快速发展的气象科技保持同步，进而能够熟练地将各类新技术、新方法运用到日常气象业务工作中。

其次，要善于激发大家的科研热情和学习兴趣。营造良好的学习氛围至关重要，我时常鼓励团队内部开展学术交流活动，分享各自的研究思路与成果，相互启发。在这样的交流中，年轻人往往能碰撞出创新的火花。同时，对于年轻人提出的新想法、新思路，给予充分的肯定与支持，引导年轻科研人员关注国际前沿科研动态，拓宽他们的视野。让他们明白，在满足国家战略需求的同时，我们也要站在国际科研舞台上，展示中国科技的实力。通过让他们接触到最新的科研理念与技术，激发他们在科研道路上不断开拓创新、勇攀高峰的热情，为国家的科技进步贡献更多力量。当他们带着创新的科研成果走出校园，进入工作岗位，便能迅速适应实际工作节奏，为气象监测、预报和服务的精细化提供创新性解决方案，从而实现从科研到实践的无缝对接。

第三，要重视强化基层气象工作人员的使命认知。目前，受限于工作属性，部分基层气象工作者对自己工作的认知仅停留在 “常规工作内容”，难以充分认识到平凡岗位的 “不平凡”。可以组织基层气象工作者深入学习气象工作在保障社会安全等方面的重要使命，结合本地实际案例阐述新科技在提升气象服务质量、增强气象灾害防御能力中的关键作用。让基层人员深刻认识到，学习新科技不仅是个人技能提升，而且更是履行气象工作职责、守护公众生命财产安全的必要途径，从而激发他们内心深处对学习新科技的使命感、责任感。让工作人员深刻认识到我们的很多工作并非孤立，而是切实服务于国家发展大局。对 MST 雷达的研究来说，我们致力于提升它的性能与应用范围，正是为了满足国家在精准气象监测、保障航空航天安全等方面的战略需求。当基层气象人员深刻认知到气象使命时，便会清晰意识到自身工作与社会安全、经济发展及应对气候变化紧密相连。这种使命感如同强大的内在驱动力，促使他们主动投入工作，积极学习新科技、新知识，不再局限于完成常规任务，为更好履行使命，他们会主动学习新知识，掌握新技能，如大数据分析、AI 技术在气象领域的应用等，从而拓宽个人的职业发展道路。这种自我意识的提升，不仅能为其个人带来更多的发展机会，也能促进基层气象队伍的整体素质提升，对气象领域实现高质量发展意义非凡。

采访小组：随着 AI 技术的不断发展，其在地球系统观测中发挥着越来越重要的作用。研究表明，借助 AI 能够高效地处理和分析多种来源的海量地球系统观测数据。但当前的 AI 模型还缺乏对结果的可解释性。您认为这会限制 AI 技术在地球系统观测领域的广泛应用吗？未来 AI 技术在地球系统观测领域的应用还会面临哪些挑战呢？

吕达仁：近年来，AI 在气象领域的应用发展迅猛。我认为 “目前，AI 本质上是技术范畴，还不是科学范畴”，但它又与科学存在紧密且复杂的关联，尤其是在地球系统观测领域。从技术层面看，AI 通过机器学习算法、大数据分析等手段，对地球系统观测数据进行高效处理和分析（图 5），这属于技术应用的范畴。它能够显著提升数据处理效率，挖掘传统方法难以发现的模式与规律。而科学关注的是对自然现象本质和规律的探索，AI 技术在地球系统观测中的应用，为科学研究提供了强大的工具，推动科学发展。借助 AI 技术处理海量数据，科学家能更深入地研究地球系统的各种过程，像气候变化、生态系统演变等，进而揭示其中的科学规律（图 6）。

不过，当前 AI 技术在地球系统观测应用中面临的模型解释性、数据质量等挑战，也需要科学研究来解决。模型缺乏结果解释性确实会在一定程度上限制 AI 技术在地球系统观测中的广泛应用。在地球系统观测领域，科学家和决策者需要理解模型预测背后的原理和依据，若无法清晰解释为何得出这样的结论，科学家难以从专业角度验证其合理性，决策者也会因缺乏对风险的清晰认知而在制定应对策略时有所顾虑。这就导致在实际应用中，部分人员更倾向于传统的、可解释性强的观测分析方法，即便其效率可能不如 AI 技术。不过，这并不意味着 AI 技术的应用会被完全阻碍。未来，如果可解释 AI 领域得到发展，即研究者们开发出能解释 AI 模型决策过程的技术，一旦这些技术成熟并广泛应用，模型解释性问题对 AI 技术推广的限制将得到缓解。

采访小组：基于您刚提到的 AI 在大数据处理中的应用优势，不难看出丰富的地球系统观测数据有望成为驱动科学发现的核心资产，然而，现实中由于数据共享意愿不强、数据共享技术挑战和国际合作机制等问题，使得数据的 “孤岛” 现象和 “碎片化” 问题日益凸显，限制了数据的充分利用和科学研究的深入发展。在您看来，该如何破除目前国际间地球系统观测数据共享的壁垒呢？

吕达仁：这个问题很好，对地球系统观测领域而言，随着观测范围与深度的拓展，各国积累了海量宝贵数据，其他研究领域也是如此。然而，当前数据共享面临诸多阻碍，严重限制了数据价值的挖掘与科学研究的推进。我认为造成这种情况的主要原因是数据私有化愿望强烈。数据之所以被私有化，背后有着复杂的原因。从安全角度看，各国担忧敏感数据泄露威胁国家安全；在经济层面，部分机构期望凭借数据垄断获取商业利益；在文化和观念方面，一些国家受传统主权观念束缚，不愿将数据拱手分享。这些因素致使大量有价值的数据被锁在数据 “孤岛” 中，无法发挥应有的作用。

如何解决数据私有化问题，这就需要各国在观念上做出改变，通过广泛的国际宣传，向各国阐明数据共享对全人类发展的重要意义。例如，在全球灾害预警方面，各国共享地震、气象等观测数据（图 7），能大幅度提升灾害预警的准确度和及时性，挽救无数生命。其次，在技术上，可以打造安全可靠的全球地球系统观测数据共享平台，运用现在流行的区块链等技术保证数据的可追溯和安全性，从而消除数据拥有者对数据滥用的担忧。此外，为确保数据使用过程中的安全问题，还可以设立一些独立的数据安全监督机构，通过对各国的数据共享情况进行评估和监督，确保数据共享机制的有效运行。

不可否认，数据私有化给地球系统观测数据共享带来了严峻挑战，但只要未来国际间秉持开放、合作的态度，在观念、激励机制、技术和合作机制等方面协同发力，就一定能打破数据垄断，实现数据的全球共享，推动地球科学研究取得更大突破。

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专家点评

许小峰

作为大气科学发展的基础，观测始终是揭示大气运动本质规律的关键环节。纵观大气科学发展的历史进程，大气观测从简单的仪器观测走向自动化，从传统的温、压、湿、风等要素观测演进为覆盖整个地球系统的多圈层、多要素综合立体观测网络。观测体系不断取得的革命性进步，不仅极大提升了人类对大气过程本身的认知水平，更为应对气候变化、理解地球系统过程、实现可持续发展提供了坚实的科学支撑。伴随着地球系统观测将朝着更高精度、更宽覆盖、更强智能的方向持续迈进，我们将会面临更为严峻的多重挑战：技术自主创新亟待突破重要装备的关键问题和难点；人才培养需要构建更加开放的跨学科教育体系；数据应用亟须建立高效的共享机制…… 本期对话中，吕达仁院士以其 60 载科研实践为镜，既分享了他坚守初心的心路历程，也就如何破解发展难题、践行科技使命给出了独到见解。这些经验与思考，不仅可以为青年学者树立榜样，也为推动中国地球系统观测事业高质量发展提供了重要启示。