杨明祥：水利气象大有可为

卫婷婷

古时候，科技不发达，“雷公”“电母”就是大自然实时的天气预报员。如今，伴随着互联网大数据等新兴技术的兴起，人们不仅可以在几个小时前，甚至可以在几天前预见未来的气象。气象为什么这么重要？因为自古以来，它就和人们的出行、采购、安全等息息相关。如今，各行各业都关注气象，并研发了相关的预报系统，中国水利水电科学研究院水资源研究所气候变化与水资源研究室主任杨明祥，就带领他的团队开发了流域降水预报服务平台等，为推动我国水利气象事业的发展贡献了力所能及的力量。

一波三折成就水利气象人生

在外人眼里，杨明祥一直是“别人家的孩子”，勤奋踏实，成绩优异。但他其实也经历过挫折，幸运的是，踏过荆棘铺就的道路后，他最终进入水利工程领域，为中国水利工程建设作贡献的同时，绽放出生命的光芒。

杨明祥出身军人家庭，“听我母亲说，我的姥爷是老八路，抗日战争时期，为了掩护村民撤退被俘，后来家人发现他的时候，手指断了，牙也没了，身上还有烙铁的印记。”这件事对杨明祥的触动很大，长大后，他立志为国作贡献，先是参军，后是报考空军飞行员，结果都因为近视度数太高，最终没能如愿。

杨明祥

但杨明祥报国的理想并没有熄灭。既然不能靠参军报国，那就另寻他路。对理想的坚定和执着，让他很快找到了新的目标。因为从小物理成绩优异，杨明祥有了要当一名核物理研究人员的理想，但因为高考接连失利，他最终选择进入南昌航空工业学院软件工程专业。为了有朝一日能实现最初的梦想，他不懈努力，“那个时候，学校很热，来上自习的最多四五个人，最少一个。”而杨明祥就是那个雷打不动，天天准时上自习的人。刻苦学习让他获得了丰厚的回报。大学4年，他拿了3个一等奖学金，1个二等奖学金，1个国家奖学金，1个优秀毕业生称号，几乎所有能拿的奖都拿了。刻苦努力的时候，杨明祥脑海里只有一个念想，就是考上研究生后好转专业。

然而因为学科跨度太大，杨明祥离最初的梦想渐行渐远，他最终也学会了换个角度重新审视命运的安排，“三百六十行，行行出状元。无论从事的是什么行业，只要肯努力，就一定能为国作贡献。”即使和命运斗争不过，也可以在另一个领域从容生活，杨明祥拥有这种能力——无论做什么都要做到极致，他虽然不喜欢软件工程专业，但却是当时整个年级编程学得最好的同学之一。

凭借出色表现，本科毕业后，杨明祥考上西安理工大学水利水电学院研究生，师从解建仓教授学习水文水资源专业，主要研究方向为水利信息化。3年之后，他又以全年级第一名的成绩考上清华大学博士。2012年9月—2015年7月，他就读于清华大学水利水电工程系（与中国水利水电科学研究院联合培养），师从王浩院士、王忠静教授、蒋云钟教高，主要研究方向为气象水文预报，从此与水利气象事业结下了情缘。

水木清华，钟灵毓秀。在清华大学导师的熏陶和启迪之下，杨明祥的研究越深入，对相关领域的探索欲望越强烈。博士期间，他几乎每天都是凌晨2点睡觉，早上5:30起床，奔忙于清华大学和中国水利水电科学研究院（简称“水科院”）之间。攻读博士学位的最后一年，因为要准备论文，为了抢占清华图书馆座位，住在水科院的杨明祥常常早上5点多就出门，然后骑车到清华学习，一整年风雨无阻。汗水浇灌换来丰收硕果，博士毕业后，杨明祥成为清华大学极少数3年就能博士毕业的优秀学生。

万丈高楼平地起，求学期间的刻苦努力为杨明祥打下了坚实的基础。2015年博士毕业后，他选择留在水科院水资源研究所从事气候变化、智慧水务、气象水文预报等方面的研究工作。如今，杨明祥已经成为气候变化与水资源研究室主任，自2020年10月起，挂任三峡集团科学技术研究院水资源高效利用技术研究中心副主任。期间，他作为项目负责人或技术骨干先后参与完成国家自然科学基金、科技支撑、重点研发计划等科研项目40余项，相关科研成果获大坝工程学会科学技术奖特等奖1次，大禹水利科学技术奖一等奖1次、二等奖1次，中国水利水电科学研究院科技进步奖特等奖2次；作为主要完成人提出的“变化环境下气象水文预报关键技术”被水利部鉴定为国际领先，相关核心技术在黄河、长江等大江大河得到了推广应用；作为项目负责人或技术骨干编制了《北京水务信息化顶层设计》《北京城市副中心智慧水务顶层设计》等报告；2017年入选中国科协青年人才托举工程；公开发表学术论文40余篇，出版专著6部，获得发明专利20余项、软件著作权20余项。

从最初一名胸怀核物理研究梦想的有志青年，到刻苦努力最终找到人生航向的水利气象研究工作者，历经本科时期的计算机软件工程学习、硕士时期的水利信息化研究、博士时期的气象水文工作，虽然过程一波三折，但也意外成就了杨明祥别样的科研人生。将这些交叉学科知识融会贯通于水利气象研究中，他成长为一名复合型人才。

初涉项目奠定坚实基础

非常幸运，杨明祥留在中国水利水电科学研究院接触的第一个项目，就为水利领域带来了一个突破性成果。

这一项目是雅砻江流域的项目，杨明祥和团队主要负责为雅砻江流域提供气象水文的一体化预报。当时，雅砻江流域主要基于监测站来做调度计划，如此一来，就存在一个显而易见的弊端：预见期短，多数断面的预见期只有几个小时，这对于防灾减灾和兴利调度都是极为不利的。

杨明祥深知，这一现状已经成为业内顽疾，必须着手解决。虽然初出茅庐，但凭借着扎实的基础和一股拼搏干劲，最终，他成功地将气象预报信息加进水文预报中，使水文预报的预见期延长到了3～7天。然而，这个想法在实践过程中也遇到了很多问题。

首先是气象预报模型的本地化。当时，项目组用的是美国气象模型——中尺度数值天气预报模型（WRF）。这套模型刚刚面世不久，全国将此模型应用于生产实践中的人也还很少，所以引进陌生的模型时，“拿过来之后才发现效果不太好”。

然而这一问题只能自己解决。杨明祥发现，美国模型是根据自己国家特点研制的，但雅砻江流域受地形等影响，整个天气系统非常复杂，因此这套模型一开始并不适用。为了让模型更加符合雅砻江流域的特点，杨明祥和团队对模型进行了本地化改进。一是将模型所用的地形分辨率从900米改成30米，精细地形数据，引入更多的地形信息；二是更新植被等数据信息。“美国模型里用的是全球数据，对中国特定的流域来说不够精确和精细，所以我们就做了改进。”

然而，精细化数据引进之后，模型虽然有改进，但是效果还是不太明显，“没有达到理想状态，距离实际应用还差了很大一截”。这让杨明祥有些苦恼，但他并没有气馁，他说：“预报是水库调度的信号灯，如果预报没做好，影响效益是其一，如果影响到安全就是大事，所以必须打起精神，继续做改进。”

在仔细梳理一番后，杨明祥及其团队一致认为，雅砻江流域的降水预报模型需要特别设计，因为“这个地区的气象系统十分多变，降水成因复杂，今天用得好的参数化方案到明天可能就不是最优的了”。从实际情况出发，他们最终提出了一个基于天气形势索引的动态参数化方案。

这个动态参数化方案的优势在哪里呢？杨明祥介绍说：“因为雅砻江气象复杂，如果只采取一套参数化方案，必然会预报不准，所以我们采取多套方案，可以在预报前，通过监测数据分析现在的大气形势，然后根据大气形势动态地选择提前备好的参数化方案，以此有针对性地做预报。”

事实证明，团队一年的心血并没有白费，整个预报系统较好地满足了业务应用需求。不仅如此，经相关专家鉴定，项目的技术部分完成得十分出色，相关成果“变化环境下气象水文预报关键技术”也获得大禹水利科学技术奖一等奖荣誉。

雅砻江的项目，给了杨明祥极大的自信和鼓舞，后来，他继续精进气象水文预报技术，并将研究对象从流域短期尺度扩大到中长期尺度，将预见期从7天延长到一年。在径流预报方面，他和团队研发的模型还可以根据大气环流、海温、海冰等指标来判断流域一年的情况，虽然“不是非常精细的，是趋势性的”，但也得到了水利部相关部门的高度认可。

杨明祥

厉兵秣马踏入“双碳”战场

2020年，在第75届联合国大会期间，中国提出将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争二氧化碳排放于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。承诺一出，全国上下开始为零碳排放的目标做准备。杨明祥所在的气候变化研究室，也立刻响应中央号召，因地制宜，开展南水北调碳中和研究。

南水北调工程，不少人对其都已经耳熟能详，然而，要问它在碳中和政策下扮演什么角色，可能并不是所有人都清楚。杨明祥解释说，南水北调中线的输水方式和东线的不一样，中线水源地的高程高于北京，丹江口一开闸，水会自动流到北京，输水过程全程不需要耗能。但是南水北调东线不一样，东线是利用13个梯级30多座大型泵站从长江口江都泵站提水，然后一级一级地往北供给山东、天津，总扬程65m，总装机容量36.62万kw，因为地势是南低北高，所以它的输水成本和水价比较高，但是其受水区又多是经济欠发达地区，所以水价问题，特别是输水成本问题，就成为制约南水北调东线发挥效益的一个重要因素。

除了输水成本及水价较高，对于这个高耗能的工程，如何减排也是一个问题。那么如何在降低成本的同时降低碳排放呢？杨明祥团队想出一个妙招：用沿线风、光电资源进行调水。

这种方案可行吗？很多人都在心里打了一个大大的问号。“事实上，我们提出这个设想之后，确实有很多人提出了疑问，第一个疑问是沿线有足够的风、光资源吗？第二个疑问是风电、光电经常被称为‘垃圾电’，出力的波动性较大，是不是能够满足调水的要求？第三个疑问是成本问题，最终到底能不能降低调水成本？”杨明祥及团队当然也清楚工程建议的提出意味着什么，所以在提出建议之前，他们已经做了大量的调研，研究的数据可以“很完美地回答这些问题”。

第一，他们对南水北调东线沿线，特别是风资源进行了调研、评估，发现风资源非常丰富，特别是江苏，风资源完全可以支撑工程用电，目前已经有一篇论文见刊；

第二，就是不稳定的电怎么利用？“东线可以利用‘长藤接瓜’式的调水线路，借助天然湖泊调蓄，解决因出力波动带来的水流波动问题。”简单来说，沿线有很多天然的湖泊，可以充当储水池，这样风电虽然是不稳定的，但是借助湖泊的调蓄，就可以将不稳定的进水调整为稳定的出水；

第三，就是到底能不能降成本？杨明祥团队对此进行了评估，如果用风电去抽水，可以把调水成本降低50%以上，且工程投入大概能在5～8年回本。而且这样做还有一个好处：南水北调东线一些泵站可以正向抽水、反向发电，那么只要有风就抽水，如果水抽多了可以利用多余的水发电，这样总体的效果是既没有耗费大电网的电力，最后反而给大电网贡献电。

钻研核心技术，大胆创新，将科研成果写在祖国大地上，这就是水利人对中央号召的回应。“我觉得做碳减排研究工作很有意义，结合国家的需求，可以更好地实现我们的人生价值。”提到未来即将开展的项目，杨明祥开心地笑了，他很期待未来的这一段征程，因为他已经做好准备，信心满满地等待着踏上碳中和的战场。