【人工合成淀粉：迷宫寻途2000天】2015年初，还在国外访问交流的蔡韬接到了马延和的电话：“未来所里计划做人工合成淀粉的项目，凭空制造。”
“凭空制造？这可能吗？”他有点惊讶。
6年后，他们把不可能变成了现实。中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称中科院天津工业生物所）通过复杂代谢途径的从头设计与精准调控，在国际上首次实现电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉。9月24日，这一研究成果于《科学》在线发表。
图：实验人员在做淀粉遇碘显色试验。 倪思洁摄
△ 从0到1 从无到有
淀粉作为一类重要的高分子碳水化合物，为人类生存提供了所需的热量。1万多年来，农业种植都是生产淀粉的唯一途径。
可植物光合作用的能量效率低、生长周期长，为了应对粮食安全问题，科学家探索出了杂交育种、模块育种、分子育种等办法，还建立了人工光合系统。
“但这些都没有脱离植物本身的固碳模式。就像是跑得再快，本质上还要依靠双脚。能不能跳出这个模式，造一辆汽车呢？”中科院天津工业生物所所长、人工合成淀粉项目首席科学家马延和说。
与此同时，我国的二氧化碳减排压力巨大，而以二氧化碳为原料合成所需物质是摆在所有科学家面前的一道难题。
“利用二氧化碳合成淀粉”，一听说这个项目，即便是领域内的知名专家也纷纷摇头，“植物的光合作用已存在十几亿年，至今还未完全弄清楚系统机制，你们能从头合成”？
大家的质疑不无道理，这是从没有人做过的事，翻遍所有文献库，也找不到任何关于合成路径、研究方法的线索。
2018年7月24日下午，中科院天津工业生物所副研究员、人工合成淀粉项目经理蔡韬在实验室楼上的会议室里，准备参加中科院重点项目阶段评审会。自立项以来，他和同事已试验了两年多，尝试了无数次，但都以失败告终，眼看着为期3年的项目就要完结，他们的压力积攒到了最大值。
3点多钟，蔡韬接到了实验室技术员乔婧发来的一张照片。照片中并排的3个试剂管，中间的碘溶液呈淡淡的蓝紫色，与左右两边的无色和深蓝色状态对比明显。
“两边的是对照组，中间的是最新一次的试验结果，与碘溶液反应变蓝。”乔婧说。
蔡韬立即打电话确认，得到肯定的回复后，仍不放心，一路小跑至实验室，直到亲眼见到试剂管，他才抑制不住地喊道，“太好了！太好了！我汇报时终于可以说‘制造路径全线打通’。”
技术员孙红兵记得，那天大家都很开心，蔡老师一改往日的严肃，脸上挂满了笑容。
“相当于长征路上的遵义会议。”“那真是我见过最美的颜色。”蔡韬对《中国科学报》记者说。
至此，人工合成淀粉正式迈出了“从0到1”的一步，人类对于生命科学的认知边界又拓宽了一点。
△ 迷宫寻途 从有到优
成功的喜悦抹平了此前所有的遗憾，以至于他们在讲述研究历程时，会下意识地将前期困难一笔带过。
可最初接到这一项目时，就连他们自己都不相信能做出来。自然反应中，淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应和细胞器间运输，在工业生产中，必须将其简化，又必须保证所有反应的充分和精准。
因此，如何将农业中复杂的合成途径简化为工业生产所需的简单合成途径，是人工合成淀粉面临的最大挑战。
经过计算机算法挖掘和筛选，研究人员在起点二氧化碳和终点淀粉之间，最终锁定了30条可能的路径，每一条包含9~12步重要反应。
每一条可能的路径都是一座“迷宫”。他们就处在每座首尾相连、层层嵌套的迷宫入口。每一座迷宫中又有数个“关卡”，也就是生化反应，想要过关，必须寻找到相应的“钥匙”，即能催化反应的特定的酶。
等到好不容易通关时，往往还是见不到淀粉。毕竟可能的路径有30条，只有走对了唯一的一条，才算成功。
“这些被看作‘钥匙’的酶可能存在于自然界中，也可能并不存在，需要重新设计。最难的是，不同于‘一把钥匙开一把锁’，同一个酶能催化多个反应，但又会带来‘副作用’。”蔡韬说。
6年中，有近一半的时间，他们都卡在这些不同的路径里，有时找不到高效催化反应的酶；有时酶会优先和前面的底物反应，而后面的底物无酶可用；有时只能走通某一部分。
为了通过迷宫中的层层关卡，蔡韬等人与十几个课题组合作。“一个团队力量有限，希望能找到细分领域里最专业的人来合作。”他说。
那时的孙红兵、乔婧都变得异常敏感，她们怀疑自己做的每一个步骤。“可能是溶液加错、剂量没看准，是自己犯了低级错误”。可每一次重复后，她们不得不面对的事实是，操作没有错误，这条路行不通。
“与课题组同时进行多个课题不同，我们是项目制管理，6年中只有这一个项目，所以无论遇到什么都不会放弃。”蔡韬说，“最坏的结果就是失败，科研中的失败再正常不过，大不了从头再来。”
一次，蔡韬外出交流，会上有位科学家提出“利用二氧化碳电/氢还原合成甲醇”。“听到这个思路的一瞬间，我打了个激灵，脑子像通了电一样。我们是不是能以此为鉴，先将二氧化碳转化成甲醇，再将甲醇合成淀粉？”他说。
后来，便有了那张碘溶液呈淡蓝色的照片。
9月15日，《中国科学报》记者在中科院天津工业生物所看到，蔡韬手持一个15毫升的离心管，里面装有大半管的白色粉末，他介绍，“这是利用二氧化碳合成的第一管淀粉，与植物提取淀粉一模一样。”
如果说2018年他们完成了“从无到有”，那么从2018年至今，他们实现了“从有到优”。
△ 走出迷宫 探寻未知
在人工合成淀粉的试验中，蔡韬要找“最简单的路径”，在生活中，他也是如此。从家里到研究所，通常他会选择转弯最少、红绿灯最少的那一条路，慢慢地走。“这条路最直，行人也少，便于专心思考问题。”他说。
在孙红兵看来，蔡老师太想做成了，他满脑子都是项目，只要讨论试验，他的双眼便会立刻亮起来，声调也变得丰富。
“最让我感动的是，为了让我们专心试验，他会铺好所有的路，大到试验设计、与其他合作者沟通试验技术，小到买三角瓶、试剂管，6年来的每一天，他一刻都不愿耽搁。”孙红兵告诉《中国科学报》。
也正是如此，他们才能在相对短的时间内，完成对关键酶的定向改造，耦合从二氧化碳到甲醇的化学过程与从甲醇到淀粉的生物过程中反应条件的兼容，最终将合成效率提高130倍。与植物自然生成相比，其碳转化率提高了20~40倍。
实验室的小会议室，见证着他们的每一次讨论与争执，也见证着71页论文文稿的55次修改。
“蔡老师对文稿熟悉到什么程度呢？前几天我们需要查两个单词，单词所在的页数和位置，他脱口而出。”孙红兵说。
有一次，蔡韬改累了躺在床上休息，收到中科院天津工业生物所研究员江会锋发来的一个链接，标题中，他隐约瞥见了二氧化碳、淀粉的字眼，当即从床上弹起来，困意全无，心怦怦地跳，“不会有人已经做出来了吧”，他紧盯着手机加载条，直到看完摘要才长舒一口气，“原来是不同的研究，虚惊一场”。
科学研究令人着迷和残酷之处均在于此，当研究者身陷迷宫，在各个关卡奋力拼搏时，往往不知道领域内有多少位“竞争者”，更无从得知彼此的进度。他们只能逼迫自己快一点，再快一点，因为开拓者的桂冠只属于最先到达的人。
2021年8月，《科学》审稿通过，且不需补做任何试验。审稿专家认为，该工作“是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。
时隔6年，蔡韬等终于走出了迷宫的弯弯绕绕，来到了更广阔的天地，他是世界上第一个走到这里的人。他很自豪，更重要的是，他想继续往前走，去追求更大、更多的未知。https://t.cn/A6Mfhbc7
“凭空制造？这可能吗？”他有点惊讶。
6年后，他们把不可能变成了现实。中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称中科院天津工业生物所）通过复杂代谢途径的从头设计与精准调控，在国际上首次实现电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉。9月24日，这一研究成果于《科学》在线发表。
图：实验人员在做淀粉遇碘显色试验。 倪思洁摄
△ 从0到1 从无到有
淀粉作为一类重要的高分子碳水化合物，为人类生存提供了所需的热量。1万多年来，农业种植都是生产淀粉的唯一途径。
可植物光合作用的能量效率低、生长周期长，为了应对粮食安全问题，科学家探索出了杂交育种、模块育种、分子育种等办法，还建立了人工光合系统。
“但这些都没有脱离植物本身的固碳模式。就像是跑得再快，本质上还要依靠双脚。能不能跳出这个模式，造一辆汽车呢？”中科院天津工业生物所所长、人工合成淀粉项目首席科学家马延和说。
与此同时，我国的二氧化碳减排压力巨大，而以二氧化碳为原料合成所需物质是摆在所有科学家面前的一道难题。
“利用二氧化碳合成淀粉”，一听说这个项目，即便是领域内的知名专家也纷纷摇头，“植物的光合作用已存在十几亿年，至今还未完全弄清楚系统机制，你们能从头合成”？
大家的质疑不无道理，这是从没有人做过的事，翻遍所有文献库，也找不到任何关于合成路径、研究方法的线索。
2018年7月24日下午，中科院天津工业生物所副研究员、人工合成淀粉项目经理蔡韬在实验室楼上的会议室里，准备参加中科院重点项目阶段评审会。自立项以来，他和同事已试验了两年多，尝试了无数次，但都以失败告终，眼看着为期3年的项目就要完结，他们的压力积攒到了最大值。
3点多钟，蔡韬接到了实验室技术员乔婧发来的一张照片。照片中并排的3个试剂管，中间的碘溶液呈淡淡的蓝紫色，与左右两边的无色和深蓝色状态对比明显。
“两边的是对照组，中间的是最新一次的试验结果，与碘溶液反应变蓝。”乔婧说。
蔡韬立即打电话确认，得到肯定的回复后，仍不放心，一路小跑至实验室，直到亲眼见到试剂管，他才抑制不住地喊道，“太好了！太好了！我汇报时终于可以说‘制造路径全线打通’。”
技术员孙红兵记得，那天大家都很开心，蔡老师一改往日的严肃，脸上挂满了笑容。
“相当于长征路上的遵义会议。”“那真是我见过最美的颜色。”蔡韬对《中国科学报》记者说。
至此，人工合成淀粉正式迈出了“从0到1”的一步，人类对于生命科学的认知边界又拓宽了一点。
△ 迷宫寻途 从有到优
成功的喜悦抹平了此前所有的遗憾，以至于他们在讲述研究历程时，会下意识地将前期困难一笔带过。
可最初接到这一项目时，就连他们自己都不相信能做出来。自然反应中，淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应和细胞器间运输，在工业生产中，必须将其简化，又必须保证所有反应的充分和精准。
因此，如何将农业中复杂的合成途径简化为工业生产所需的简单合成途径，是人工合成淀粉面临的最大挑战。
经过计算机算法挖掘和筛选，研究人员在起点二氧化碳和终点淀粉之间，最终锁定了30条可能的路径，每一条包含9~12步重要反应。
每一条可能的路径都是一座“迷宫”。他们就处在每座首尾相连、层层嵌套的迷宫入口。每一座迷宫中又有数个“关卡”，也就是生化反应，想要过关，必须寻找到相应的“钥匙”，即能催化反应的特定的酶。
等到好不容易通关时，往往还是见不到淀粉。毕竟可能的路径有30条，只有走对了唯一的一条，才算成功。
“这些被看作‘钥匙’的酶可能存在于自然界中，也可能并不存在，需要重新设计。最难的是，不同于‘一把钥匙开一把锁’，同一个酶能催化多个反应，但又会带来‘副作用’。”蔡韬说。
6年中，有近一半的时间，他们都卡在这些不同的路径里，有时找不到高效催化反应的酶；有时酶会优先和前面的底物反应，而后面的底物无酶可用；有时只能走通某一部分。
为了通过迷宫中的层层关卡，蔡韬等人与十几个课题组合作。“一个团队力量有限，希望能找到细分领域里最专业的人来合作。”他说。
那时的孙红兵、乔婧都变得异常敏感，她们怀疑自己做的每一个步骤。“可能是溶液加错、剂量没看准，是自己犯了低级错误”。可每一次重复后，她们不得不面对的事实是，操作没有错误，这条路行不通。
“与课题组同时进行多个课题不同，我们是项目制管理，6年中只有这一个项目，所以无论遇到什么都不会放弃。”蔡韬说，“最坏的结果就是失败，科研中的失败再正常不过，大不了从头再来。”
一次，蔡韬外出交流，会上有位科学家提出“利用二氧化碳电/氢还原合成甲醇”。“听到这个思路的一瞬间，我打了个激灵，脑子像通了电一样。我们是不是能以此为鉴，先将二氧化碳转化成甲醇，再将甲醇合成淀粉？”他说。
后来，便有了那张碘溶液呈淡蓝色的照片。
9月15日，《中国科学报》记者在中科院天津工业生物所看到，蔡韬手持一个15毫升的离心管，里面装有大半管的白色粉末，他介绍，“这是利用二氧化碳合成的第一管淀粉，与植物提取淀粉一模一样。”
如果说2018年他们完成了“从无到有”，那么从2018年至今，他们实现了“从有到优”。
△ 走出迷宫 探寻未知
在人工合成淀粉的试验中，蔡韬要找“最简单的路径”，在生活中，他也是如此。从家里到研究所，通常他会选择转弯最少、红绿灯最少的那一条路，慢慢地走。“这条路最直，行人也少，便于专心思考问题。”他说。
在孙红兵看来，蔡老师太想做成了，他满脑子都是项目，只要讨论试验，他的双眼便会立刻亮起来，声调也变得丰富。
“最让我感动的是，为了让我们专心试验，他会铺好所有的路，大到试验设计、与其他合作者沟通试验技术，小到买三角瓶、试剂管，6年来的每一天，他一刻都不愿耽搁。”孙红兵告诉《中国科学报》。
也正是如此，他们才能在相对短的时间内，完成对关键酶的定向改造，耦合从二氧化碳到甲醇的化学过程与从甲醇到淀粉的生物过程中反应条件的兼容，最终将合成效率提高130倍。与植物自然生成相比，其碳转化率提高了20~40倍。
实验室的小会议室，见证着他们的每一次讨论与争执，也见证着71页论文文稿的55次修改。
“蔡老师对文稿熟悉到什么程度呢？前几天我们需要查两个单词，单词所在的页数和位置，他脱口而出。”孙红兵说。
有一次，蔡韬改累了躺在床上休息，收到中科院天津工业生物所研究员江会锋发来的一个链接，标题中，他隐约瞥见了二氧化碳、淀粉的字眼，当即从床上弹起来，困意全无，心怦怦地跳，“不会有人已经做出来了吧”，他紧盯着手机加载条，直到看完摘要才长舒一口气，“原来是不同的研究，虚惊一场”。
科学研究令人着迷和残酷之处均在于此，当研究者身陷迷宫，在各个关卡奋力拼搏时，往往不知道领域内有多少位“竞争者”，更无从得知彼此的进度。他们只能逼迫自己快一点，再快一点，因为开拓者的桂冠只属于最先到达的人。
2021年8月，《科学》审稿通过，且不需补做任何试验。审稿专家认为，该工作“是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。
时隔6年，蔡韬等终于走出了迷宫的弯弯绕绕，来到了更广阔的天地，他是世界上第一个走到这里的人。他很自豪，更重要的是，他想继续往前走，去追求更大、更多的未知。https://t.cn/A6Mfhbc7
【他们的工作，告诉你要不要带伞、需不需添衣、城市该不该暂时“停摆”未雨绸缪】半夜睡不着，预报员经常会找把椅子坐在阳台上，仰头望着天，等雨来。
他们的工作，既能告诉你明天要不要带伞、需不需添衣，有时也决定水库要不要炸坝泄洪、村庄需不需全员撤离、城市该不该暂时“停摆”未雨绸缪。
凌晨4点，中央气象台预报大厅。
此时北京的天空依旧暗沉，离破晓还有一段时间。
电脑前，孙军正在查看雷达回波图，画着降水量预报图，来回对比分析各种天气资料。
作为中央气象台首席预报员，他需要指导早间天气公报，审核签发暴雨预警。
电话不停地响，不断有同事拿材料向他询问……
而这仅仅是一天工作的开始。接下来，孙军要准备每天8点“雷打不动”的全国天气会商，与重点地区的预报员会商天气趋势，并审核各种预报产品，向决策服务部门提供预报材料，应对媒体记者采访……同时，他还要时刻关注并调阅各类天气图，组织天气会商，与同事一起分析和判断天气形势。
“每一次天气过程下来，都感觉像打了一场仗。”孙军说。
这是一份特殊的职业。因为天气变化分分秒秒变幻莫测、从不停歇。
偏不得，错不得
2019年8月10日凌晨两点，台风“利奇马”在浙江温岭一带沿海登陆。中央气象台台风与海洋气象预报中心预报员向纯怡是当天大夜班的预报员。“那晚整个中央气象台大楼灯火通明，大家紧盯着屏幕，几乎整晚没有休息。”她回忆说。
通宵达旦，对所有预报员来说是家常便饭。虽然可以白班、小夜、大夜三班倒，但他们一直“闻天而动”，随时到岗。尤其在4~9月汛期、7~9月台风活跃时期、重大事件或活动的气象保障期，以及较高灾害性天气预警级别情况下，他们几乎连轴转。预报大厅里的氛围更是紧张凝重。
向纯怡几乎全程参与了“利奇马”的预报工作。她说，那几天承受的压力如泰山压顶般令人窒息。
“我们的每一句预报结论、每一次预报调整都可能影响防灾减灾部署。偏不得、错不得。”
与其他预报不同，台风预报还有一项特殊任务——与国际接轨。“我们需要在每天的8个预报时次，定时向国际发报。”
向纯怡告诉《中国科学报》记者，在观测平台上，预报员需要紧盯地面观测数据、雷达数据和卫星云图资料的实时更新。在仔细分析数据的基础上，当值预报员需要每3个小时滚动做一次台风路径、强度预报，并在整时整点对外发报，不得有任何拖沓滞后。
“我的心情就像运动员参加奥运会为国争光一样。因为向国际发布台风预报，代表着我们国家的官方预报水平。”向纯怡说。
没有完美的预报
预报总会存在偏差，偏差小则表示预报做得好。尤其是强天气过程，预报难度非常大，极容易出现偏差。
2005年的台风“麦莎”就因预报失误一度成为公众关注的焦点。当时，预报“麦莎”将给北京带来“十年来最大暴雨”，使全城上下枕戈待旦，但最后发现是虚惊一场，甚至成为网上的笑料。
缺乏台风预报经验是预报不准的原因之一。“预报经验极其重要。否则在极端天气事件面前，未经‘世故’的预报员很容易‘心中无数’。”孙军说。
2012年“7·21”北京特大暴雨的预报也出现过比较明显的偏差。作为当时的值班首席，孙军觉得没有做出较准确的降水量级预报，心里十分沉重。
“当时我们报的24小时最大降雨量约为150毫米，但实况监测显示，这个数值已经超过了400毫米。”谈及当时的预报偏差，孙军直言，那时的他们还“不太敢报”。
历史上，北京几乎没有出现过这么强的极端降雨，超过100毫米的降雨都很少。可想而知，预报员缺乏这类强降雨的预报经验。此外，预报员尚未完全掌握极端暴雨复杂的机理和影响因素。不过，在孙军看来，在当时的预报技术水平下，他们的工作已经做得很好了。
“毕竟预报经验和水平都有限，我们在预报时非常慎重。即使看到有强暴雨的可能，也不敢贸然做判断，不会轻易报这么大的降雨量。”孙军说，有了多次极端降水预报经验，对于今年北京的几场暴雨预报，他们做到了“心中有数”。
即使“心中有数”，每当遇到较大天气过程时，当值的预报员仍旧吃不好、睡不好。“报了一场大雨，我们预报员其实是希望它能下来的。没下来，我们心里很焦虑。”
半夜睡不着，预报员经常会找把椅子坐在阳台上，仰头望着天，等雨来。
报得准太难了，这让预报员又焦虑又纠结。
2017年7月，吉林永吉县出现极端强降水过程，暴雨引发洪水。紧张的时刻出现了，水库眼看就要满了，需要作出紧急判断，是否进行炸坝分洪。如果炸坝，要提前部署水库下游防御措施及人员疏散转移。
“当时，我们估计如果未来的24小时降雨量超过40毫米，就得炸坝。”面前的路非常清晰，只需要判断降雨量会不会超过40毫米，而他们必须在短时间内迅速拍板。
“事情变得简单又困难。”这是孙军遇到最难的预报之一，事关重大，他反复分析着各种资料图，“结论必须尽量做到准确”。
经过中央气象台、吉林省气象台、吉林市气象台所有预报员的不断会商，最后，他们作出降雨量不会超过40毫米的预报判断，这也避免了炸坝带来的影响。
今非昔比，“方程”亦难解
“预报明天有大暴雨，到底几点下？”
“水库那边雨会有多大？”
“果园这里会下冰雹吗？”
……
大到国家工程的生产建设，小到百姓的工作生活，人们对天气预警预报水平的提高寄予更多期待。不管是台风预报，还是极端降水预报，预报员身上都扛着压力。这种压力从他们步入这个岗位起就开始了。
“就目前预报技术而言，很难满足需求。”孙军向《中国科学报》坦言，跟过去相比，现在的预报比以前进步了很多。
“天气预报怎么做？就是搜集大量的气象数据，利用数学方法求解未来天气的‘方程式’。”
1989年，孙军参加工作时，全国的气象观测站也就有2000个左右，能获得的观测资料非常有限。就拿卫星资料来说，预报员也仅依靠日本和美国的气象卫星云图分析天气系统，能看的只不过是几张打印的云图照片。数值预报资料更加有限，可参考的数值预报模式很少，而且基本不提供降水预报。
“没有足够的数据资料，我们就‘巧妇难为无米之炊’。”孙军的话语中透出了些许无奈。
现在，我国已拥有世界上在轨数量最多、种类最全的气象卫星，自动气象站达6万多个，数量、密度位居世界首位，气象资料的密集程度非常可观。但这些都无法保证天气预报完全准确。利用数值模式预报产品，结合预报员自身的主观经验，这是当前预报员开展预报业务的主要手段。
“天气预报不是纯确定性的工程技术，不能做到精准预报，预报员需要依靠自身经验修正数值预报的结果，这里存在很强的个体主观性。”成都信息工程大学大气科学学院教授肖天贵表示。
天气预报员需有“科味”
“要鼓励培养科研型天气预报人才！”
这是中国工程院院士、天气动力和数值预报专家李泽椿日前接受《中国科学报》专访时特别提出的建议。
在李泽椿看来，“预报员是战斗在第一线的人，如果他们在面对一手数据时，能针对现实问题即时研究、即时判断，那将是一支非常重要的生力军”。
当前，气象预报体系以数值天气预报模式为核心。肖天贵表示，数值模式不可替代，但其也呈现出难以克服的不完整性和不确定性，因此，更加需要气象预报员注重研究性思维。
“尤其在面对一些极端天气的新特征、新形势、新要素时，对预报人员的准确判断和及时决策提出了更高的要求，也对数值模式的性能提出了更高的要求。”南京信息工程大学大气科学学院副院长陈耀登说。只有对特殊个例进行研究总结，深入理解其中原理机制，才能寻找相应的预报着眼点，不断改进模式预报系统，进而提高预报能力。
从实践中获得的研究成果往往是数值模式无法反映的，却为预报提供了很好的理论依据。
比如，孙军等人通过对北京2012年“7·21”特大暴雨的实况诊断和极端性成因分析，提出了通过气象要素的异常表现来诊断和预报极端降雨的方法，并给出了华北暖区暴雨发生发展条件和极端强降水预报思路，为预报员建立极端强降水预报思路提供了重要参考，并在一定程度上对数值模式作出了订正。
“两张皮”掣肘 改革进行时
专家们坦承，在预报领域，科研与业务“两张皮”的现象还十分严重。
以数值天气预报为例，相关研究显示，中国论文产出量排名全球第5。科研院所和高校是数值天气预报领域的主力军，但论文的影响力普遍偏低，且与国际上主要数值天气预报业务中心相比，中国的全球预报能力和技术尚有差距。
事实上，我国大专院校、科研院所不乏具有应用价值的科技成果，但多数研究尚未得到应用。谈及原因，陈耀登认为，这和高校和科研院所“重论文”的科研评价机制有直接关系。在李泽椿看来，更重要的是缺乏应用平台，导致这些成果停留在论文层面，未能引领并驱动业务发展。
此外，肖天贵介绍，高校气象专业教师多为从学校到学校，博士毕业便就职教师岗位。没有业务实践经历，便很难把握研究的应用性。
另一方面，中央气象台天气预报室主任张恒德指出，虽然现在大多数预报员都在业务和科研两手抓，但实际上预报员提出和解决科学问题的动力和能力仍然不足。预报员面临着繁重的预报服务例行任务，预报难度大，他们自觉提炼科学问题的能动性还没有充分调动起来。
“预报员岗位特别辛苦，相对不易出成果，职称晋升压力大，很多学生毕业后可能会选择其它相对轻松且易出成果的岗位。”陈耀登表示，这对高校人才培养提出了新的要求。
2011年，中国气象局成立了首批国家级专家型预报员创新团队，围绕台风、暴雨、强对流3个专业领域分别组建了3支专家团队。
2019年，中国气象局提出“研究型业务”发展思路，计划逐步破除体制机制障碍，以科技创新驱动业务发展，以业务需求牵引科学技术进步。
同时，气象事业的能力和水平取决于集体的技术累积研究，而不是个人能力。
据中国气象局消息，有关国家级专家型预报员创新团队的相关研究内容正在改革计划中，将增加气候变化等研究方向。除了解决以上预报难题，团队还将加强预报技术的开发和研究，根据模式偏差和数据产品的实际应用，开发新算法，做出新型预报产品。#天气预报# https://t.cn/A6MVTGR4
他们的工作，既能告诉你明天要不要带伞、需不需添衣，有时也决定水库要不要炸坝泄洪、村庄需不需全员撤离、城市该不该暂时“停摆”未雨绸缪。
凌晨4点，中央气象台预报大厅。
此时北京的天空依旧暗沉，离破晓还有一段时间。
电脑前，孙军正在查看雷达回波图，画着降水量预报图，来回对比分析各种天气资料。
作为中央气象台首席预报员，他需要指导早间天气公报，审核签发暴雨预警。
电话不停地响，不断有同事拿材料向他询问……
而这仅仅是一天工作的开始。接下来，孙军要准备每天8点“雷打不动”的全国天气会商，与重点地区的预报员会商天气趋势，并审核各种预报产品，向决策服务部门提供预报材料，应对媒体记者采访……同时，他还要时刻关注并调阅各类天气图，组织天气会商，与同事一起分析和判断天气形势。
“每一次天气过程下来，都感觉像打了一场仗。”孙军说。
这是一份特殊的职业。因为天气变化分分秒秒变幻莫测、从不停歇。
偏不得，错不得
2019年8月10日凌晨两点，台风“利奇马”在浙江温岭一带沿海登陆。中央气象台台风与海洋气象预报中心预报员向纯怡是当天大夜班的预报员。“那晚整个中央气象台大楼灯火通明，大家紧盯着屏幕，几乎整晚没有休息。”她回忆说。
通宵达旦，对所有预报员来说是家常便饭。虽然可以白班、小夜、大夜三班倒，但他们一直“闻天而动”，随时到岗。尤其在4~9月汛期、7~9月台风活跃时期、重大事件或活动的气象保障期，以及较高灾害性天气预警级别情况下，他们几乎连轴转。预报大厅里的氛围更是紧张凝重。
向纯怡几乎全程参与了“利奇马”的预报工作。她说，那几天承受的压力如泰山压顶般令人窒息。
“我们的每一句预报结论、每一次预报调整都可能影响防灾减灾部署。偏不得、错不得。”
与其他预报不同，台风预报还有一项特殊任务——与国际接轨。“我们需要在每天的8个预报时次，定时向国际发报。”
向纯怡告诉《中国科学报》记者，在观测平台上，预报员需要紧盯地面观测数据、雷达数据和卫星云图资料的实时更新。在仔细分析数据的基础上，当值预报员需要每3个小时滚动做一次台风路径、强度预报，并在整时整点对外发报，不得有任何拖沓滞后。
“我的心情就像运动员参加奥运会为国争光一样。因为向国际发布台风预报，代表着我们国家的官方预报水平。”向纯怡说。
没有完美的预报
预报总会存在偏差，偏差小则表示预报做得好。尤其是强天气过程，预报难度非常大，极容易出现偏差。
2005年的台风“麦莎”就因预报失误一度成为公众关注的焦点。当时，预报“麦莎”将给北京带来“十年来最大暴雨”，使全城上下枕戈待旦，但最后发现是虚惊一场，甚至成为网上的笑料。
缺乏台风预报经验是预报不准的原因之一。“预报经验极其重要。否则在极端天气事件面前，未经‘世故’的预报员很容易‘心中无数’。”孙军说。
2012年“7·21”北京特大暴雨的预报也出现过比较明显的偏差。作为当时的值班首席，孙军觉得没有做出较准确的降水量级预报，心里十分沉重。
“当时我们报的24小时最大降雨量约为150毫米，但实况监测显示，这个数值已经超过了400毫米。”谈及当时的预报偏差，孙军直言，那时的他们还“不太敢报”。
历史上，北京几乎没有出现过这么强的极端降雨，超过100毫米的降雨都很少。可想而知，预报员缺乏这类强降雨的预报经验。此外，预报员尚未完全掌握极端暴雨复杂的机理和影响因素。不过，在孙军看来，在当时的预报技术水平下，他们的工作已经做得很好了。
“毕竟预报经验和水平都有限，我们在预报时非常慎重。即使看到有强暴雨的可能，也不敢贸然做判断，不会轻易报这么大的降雨量。”孙军说，有了多次极端降水预报经验，对于今年北京的几场暴雨预报，他们做到了“心中有数”。
即使“心中有数”，每当遇到较大天气过程时，当值的预报员仍旧吃不好、睡不好。“报了一场大雨，我们预报员其实是希望它能下来的。没下来，我们心里很焦虑。”
半夜睡不着，预报员经常会找把椅子坐在阳台上，仰头望着天，等雨来。
报得准太难了，这让预报员又焦虑又纠结。
2017年7月，吉林永吉县出现极端强降水过程，暴雨引发洪水。紧张的时刻出现了，水库眼看就要满了，需要作出紧急判断，是否进行炸坝分洪。如果炸坝，要提前部署水库下游防御措施及人员疏散转移。
“当时，我们估计如果未来的24小时降雨量超过40毫米，就得炸坝。”面前的路非常清晰，只需要判断降雨量会不会超过40毫米，而他们必须在短时间内迅速拍板。
“事情变得简单又困难。”这是孙军遇到最难的预报之一，事关重大，他反复分析着各种资料图，“结论必须尽量做到准确”。
经过中央气象台、吉林省气象台、吉林市气象台所有预报员的不断会商，最后，他们作出降雨量不会超过40毫米的预报判断，这也避免了炸坝带来的影响。
今非昔比，“方程”亦难解
“预报明天有大暴雨，到底几点下？”
“水库那边雨会有多大？”
“果园这里会下冰雹吗？”
……
大到国家工程的生产建设，小到百姓的工作生活，人们对天气预警预报水平的提高寄予更多期待。不管是台风预报，还是极端降水预报，预报员身上都扛着压力。这种压力从他们步入这个岗位起就开始了。
“就目前预报技术而言，很难满足需求。”孙军向《中国科学报》坦言，跟过去相比，现在的预报比以前进步了很多。
“天气预报怎么做？就是搜集大量的气象数据，利用数学方法求解未来天气的‘方程式’。”
1989年，孙军参加工作时，全国的气象观测站也就有2000个左右，能获得的观测资料非常有限。就拿卫星资料来说，预报员也仅依靠日本和美国的气象卫星云图分析天气系统，能看的只不过是几张打印的云图照片。数值预报资料更加有限，可参考的数值预报模式很少，而且基本不提供降水预报。
“没有足够的数据资料，我们就‘巧妇难为无米之炊’。”孙军的话语中透出了些许无奈。
现在，我国已拥有世界上在轨数量最多、种类最全的气象卫星，自动气象站达6万多个，数量、密度位居世界首位，气象资料的密集程度非常可观。但这些都无法保证天气预报完全准确。利用数值模式预报产品，结合预报员自身的主观经验，这是当前预报员开展预报业务的主要手段。
“天气预报不是纯确定性的工程技术，不能做到精准预报，预报员需要依靠自身经验修正数值预报的结果，这里存在很强的个体主观性。”成都信息工程大学大气科学学院教授肖天贵表示。
天气预报员需有“科味”
“要鼓励培养科研型天气预报人才！”
这是中国工程院院士、天气动力和数值预报专家李泽椿日前接受《中国科学报》专访时特别提出的建议。
在李泽椿看来，“预报员是战斗在第一线的人，如果他们在面对一手数据时，能针对现实问题即时研究、即时判断，那将是一支非常重要的生力军”。
当前，气象预报体系以数值天气预报模式为核心。肖天贵表示，数值模式不可替代，但其也呈现出难以克服的不完整性和不确定性，因此，更加需要气象预报员注重研究性思维。
“尤其在面对一些极端天气的新特征、新形势、新要素时，对预报人员的准确判断和及时决策提出了更高的要求，也对数值模式的性能提出了更高的要求。”南京信息工程大学大气科学学院副院长陈耀登说。只有对特殊个例进行研究总结，深入理解其中原理机制，才能寻找相应的预报着眼点，不断改进模式预报系统，进而提高预报能力。
从实践中获得的研究成果往往是数值模式无法反映的，却为预报提供了很好的理论依据。
比如，孙军等人通过对北京2012年“7·21”特大暴雨的实况诊断和极端性成因分析，提出了通过气象要素的异常表现来诊断和预报极端降雨的方法，并给出了华北暖区暴雨发生发展条件和极端强降水预报思路，为预报员建立极端强降水预报思路提供了重要参考，并在一定程度上对数值模式作出了订正。
“两张皮”掣肘 改革进行时
专家们坦承，在预报领域，科研与业务“两张皮”的现象还十分严重。
以数值天气预报为例，相关研究显示，中国论文产出量排名全球第5。科研院所和高校是数值天气预报领域的主力军，但论文的影响力普遍偏低，且与国际上主要数值天气预报业务中心相比，中国的全球预报能力和技术尚有差距。
事实上，我国大专院校、科研院所不乏具有应用价值的科技成果，但多数研究尚未得到应用。谈及原因，陈耀登认为，这和高校和科研院所“重论文”的科研评价机制有直接关系。在李泽椿看来，更重要的是缺乏应用平台，导致这些成果停留在论文层面，未能引领并驱动业务发展。
此外，肖天贵介绍，高校气象专业教师多为从学校到学校，博士毕业便就职教师岗位。没有业务实践经历，便很难把握研究的应用性。
另一方面，中央气象台天气预报室主任张恒德指出，虽然现在大多数预报员都在业务和科研两手抓，但实际上预报员提出和解决科学问题的动力和能力仍然不足。预报员面临着繁重的预报服务例行任务，预报难度大，他们自觉提炼科学问题的能动性还没有充分调动起来。
“预报员岗位特别辛苦，相对不易出成果，职称晋升压力大，很多学生毕业后可能会选择其它相对轻松且易出成果的岗位。”陈耀登表示，这对高校人才培养提出了新的要求。
2011年，中国气象局成立了首批国家级专家型预报员创新团队，围绕台风、暴雨、强对流3个专业领域分别组建了3支专家团队。
2019年，中国气象局提出“研究型业务”发展思路，计划逐步破除体制机制障碍，以科技创新驱动业务发展，以业务需求牵引科学技术进步。
同时，气象事业的能力和水平取决于集体的技术累积研究，而不是个人能力。
据中国气象局消息，有关国家级专家型预报员创新团队的相关研究内容正在改革计划中，将增加气候变化等研究方向。除了解决以上预报难题，团队还将加强预报技术的开发和研究，根据模式偏差和数据产品的实际应用，开发新算法，做出新型预报产品。#天气预报# https://t.cn/A6MVTGR4
【#东北拉闸限电与能耗双控无关#，这三点才是真实原因】#东北拉闸限电真实原因#马路上红绿灯不亮，居民楼电梯突然停电，东北三省的限电问题正在引发全国关注。此次东北限电与双控无关，是电力供应短缺所致。一般而言，如果出现用电紧张，受影响的首先是工商业用电，对其采取有序用电措施，居民用电是政府和电力部门优先保障的对象。而近日东北出现了居民用电被突然拉闸限电的情况。东北此次罕见的居民用电被拉闸背后，是多重因素叠加的结果。其直接原因，是电网运行面临事故风险。
一份9月23日由国家电网东北电力调度中心签发的东北电网拉闸限电预通知单信息显示，全网频率调整手段已经用尽，鲁固直流送山东、高岭直流送华北线路不具备调减空间，系统频率低于49.8赫兹。根据相关文件规定，为保证电网安全运行，采取事故拉闸限电。
根据这份通知，辽宁、吉林、黑龙江三省预计23日下午16时30分至21时30分需要拉闸限电，被限容量分别44万千瓦、36万千瓦和20万千瓦，合计100万千瓦。《财经》记者从相关人士处确认了通知单的真实性。
中国电网正常运行的频率是50赫兹，允许一定范围波动。而49.8赫兹是第一道重要的安全阈值，当电网频率低于49.8赫兹时，需要开启拉闸限电，否则面临更大范围解列崩溃事故风险。
出现有序用电乃至拉闸限电，作为电力供应压舱石的煤电出力不足是最根本原因。9月26日吉林省召开全省保电煤供应保温暖过冬保工业运行视频调度会，吉林省常务副省长吴靖平指出，受全国性煤炭紧缺、煤价高企、煤电价格倒挂影响，目前绝大多数省份出现供电紧张局面。而另据《财经》了解，近日用电紧张期间，辽宁的火电出力仅为装机容量的一半左右。
煤电出力困难之外，多个不可忽视的突发因素恶化了东北的电力供需。首先是有序用电没有很好执行。有当地电网公司人士表示，拉闸之前有序用电已经执行了十来天，但到后来用户并没有很好执行，也就是没有按照要求停电，电网公司对此没有办法。
也有业内知情人士表示，东北地区在90年代之后已经很久没有出现过大规模的有序用电，地方政府与有序用电企业对此并不重视，应对不足，也有抗拒心理，一开始会执行，后来慢慢用电就回来了；此外，在东北多年并不缺电的背景下，拉闸限电极为罕见，而东北工业负荷并不算高，电网公司经验也不足，导致拉闸操作不够精细。
新能源比例增高也提高了电力系统面临的风险。辽宁省工信厅提及，此次拉闸限电前，出现风电骤降。据《财经》记者了解，东北三省风电总装机达到约3500万千瓦，但在9月21日冷空气过后，风电出力出现明显下降，近日限电期间，风电出力远不足装机容量的10%。
这类问题此前已经出现，国家电网调度控制中心专家在9月27日电力市场国际峰会上介绍，今年夏季高峰期时，东北3500万千瓦风电装机一度总出力只有3.4万千瓦，虽然是瞬时小概率事件，但电力供应要保证全年随时随刻的稳定供应，矛盾非常突出。
此外，如前述拉闸限电预通知单提及，东北电网通过鲁固直流、高岭直流外送华北、山东。据《财经》记者了解，为减少外送，东北与外省的短周期电力交易已经暂停，但此前签订的年度中长期交易已经经过安全校核，且山东、华北电力供应也偏紧，因此这部分外送电量难以继续调减。
煤炭供应紧张，煤价高企、煤炭价格和电价倒挂是导致当前作为电力系统压舱石的煤电出力不足的根本原因，也直接导致多个省份的电力供应紧张，并有扩大之势，燃煤之急迫在眉睫。
据《财经》记者了解，眼下正处于传统用煤淡季，煤价与存煤天数却分别站上历史同期最高点与最低点。动力煤实际市场价目前每吨1600多元，约为2020年初的三倍,远超指数价格；全国重点电厂存煤可用天数则降至10.3天，远低于淡季时20天的红线要求。
造成煤价“淡季不淡”的原因有哪些？供给不足是最大推手。多位煤炭分析师对《财经》记者表示，火电出力不足一方面是确实有部分电厂因为资金压力缺乏采购意愿，但主要在于缺煤，根本买不到。
据国家统计局数据，今年1-8月全国原煤产量26亿吨，同比增长4.4%。尽管原煤产量正增长，但增速却远低于用电量增速。1-8月，全国发电量5.39万亿千瓦时，同比增长11.3%。此外，自去年开始，受内蒙古涉煤反腐“倒查20年”，安监、环保力度增大以及超能力生产入刑等因素影响，大量表外煤炭产能被压缩。
上述规定实施后，煤矿超产意愿大幅降低，严格按照核定产能生产。一家期货公司煤炭研究员告诉《财经》记者， 一般煤矿的生产弹性非常大，比如核定产能100万吨，但设计生产能力其实是按照300万-600万吨建设的。
由于电煤一直保有利润，煤矿多生产就多挣钱，如内蒙的出厂煤只要市场煤价在100元以上就能挣钱，因此煤矿超产在过去一直是行业常态。这部分煤炭表外量难以核计。但据山西金正能源科技有限公司首席专家曾浩汇总各口径数据汇总计算，目前全社会电煤库存较去年入冬前低了近9000万吨。
东北可能是全国缺煤最为严重的地区之一，东北也由于将限电范围扩大至居民用电被推上风口浪尖。一位煤炭机构资深分析师对《财经》记者表示，自2016年开始，在煤炭去产能政策的推动下，东北三省退出了较多煤矿产能，且面临较大的入冬补库需求，主要依赖于蒙东煤矿的调入。
经《财经》记者统计，2020年黑龙江、辽宁、吉林原煤产量合计0.93亿吨，较2016年的1.13亿吨下滑约17.7%，东北三省占全国煤炭总产量的比例也由3%下滑至2.4%。
一份9月23日由国家电网东北电力调度中心签发的东北电网拉闸限电预通知单信息显示，全网频率调整手段已经用尽，鲁固直流送山东、高岭直流送华北线路不具备调减空间，系统频率低于49.8赫兹。根据相关文件规定，为保证电网安全运行，采取事故拉闸限电。
根据这份通知，辽宁、吉林、黑龙江三省预计23日下午16时30分至21时30分需要拉闸限电，被限容量分别44万千瓦、36万千瓦和20万千瓦，合计100万千瓦。《财经》记者从相关人士处确认了通知单的真实性。
中国电网正常运行的频率是50赫兹，允许一定范围波动。而49.8赫兹是第一道重要的安全阈值，当电网频率低于49.8赫兹时，需要开启拉闸限电，否则面临更大范围解列崩溃事故风险。
出现有序用电乃至拉闸限电，作为电力供应压舱石的煤电出力不足是最根本原因。9月26日吉林省召开全省保电煤供应保温暖过冬保工业运行视频调度会，吉林省常务副省长吴靖平指出，受全国性煤炭紧缺、煤价高企、煤电价格倒挂影响，目前绝大多数省份出现供电紧张局面。而另据《财经》了解，近日用电紧张期间，辽宁的火电出力仅为装机容量的一半左右。
煤电出力困难之外，多个不可忽视的突发因素恶化了东北的电力供需。首先是有序用电没有很好执行。有当地电网公司人士表示，拉闸之前有序用电已经执行了十来天，但到后来用户并没有很好执行，也就是没有按照要求停电，电网公司对此没有办法。
也有业内知情人士表示，东北地区在90年代之后已经很久没有出现过大规模的有序用电，地方政府与有序用电企业对此并不重视，应对不足，也有抗拒心理，一开始会执行，后来慢慢用电就回来了；此外，在东北多年并不缺电的背景下，拉闸限电极为罕见，而东北工业负荷并不算高，电网公司经验也不足，导致拉闸操作不够精细。
新能源比例增高也提高了电力系统面临的风险。辽宁省工信厅提及，此次拉闸限电前，出现风电骤降。据《财经》记者了解，东北三省风电总装机达到约3500万千瓦，但在9月21日冷空气过后，风电出力出现明显下降，近日限电期间，风电出力远不足装机容量的10%。
这类问题此前已经出现，国家电网调度控制中心专家在9月27日电力市场国际峰会上介绍，今年夏季高峰期时，东北3500万千瓦风电装机一度总出力只有3.4万千瓦，虽然是瞬时小概率事件，但电力供应要保证全年随时随刻的稳定供应，矛盾非常突出。
此外，如前述拉闸限电预通知单提及，东北电网通过鲁固直流、高岭直流外送华北、山东。据《财经》记者了解，为减少外送，东北与外省的短周期电力交易已经暂停，但此前签订的年度中长期交易已经经过安全校核，且山东、华北电力供应也偏紧，因此这部分外送电量难以继续调减。
煤炭供应紧张，煤价高企、煤炭价格和电价倒挂是导致当前作为电力系统压舱石的煤电出力不足的根本原因，也直接导致多个省份的电力供应紧张，并有扩大之势，燃煤之急迫在眉睫。
据《财经》记者了解，眼下正处于传统用煤淡季，煤价与存煤天数却分别站上历史同期最高点与最低点。动力煤实际市场价目前每吨1600多元，约为2020年初的三倍,远超指数价格；全国重点电厂存煤可用天数则降至10.3天，远低于淡季时20天的红线要求。
造成煤价“淡季不淡”的原因有哪些？供给不足是最大推手。多位煤炭分析师对《财经》记者表示，火电出力不足一方面是确实有部分电厂因为资金压力缺乏采购意愿，但主要在于缺煤，根本买不到。
据国家统计局数据，今年1-8月全国原煤产量26亿吨，同比增长4.4%。尽管原煤产量正增长，但增速却远低于用电量增速。1-8月，全国发电量5.39万亿千瓦时，同比增长11.3%。此外，自去年开始，受内蒙古涉煤反腐“倒查20年”，安监、环保力度增大以及超能力生产入刑等因素影响，大量表外煤炭产能被压缩。
上述规定实施后，煤矿超产意愿大幅降低，严格按照核定产能生产。一家期货公司煤炭研究员告诉《财经》记者， 一般煤矿的生产弹性非常大，比如核定产能100万吨，但设计生产能力其实是按照300万-600万吨建设的。
由于电煤一直保有利润，煤矿多生产就多挣钱，如内蒙的出厂煤只要市场煤价在100元以上就能挣钱，因此煤矿超产在过去一直是行业常态。这部分煤炭表外量难以核计。但据山西金正能源科技有限公司首席专家曾浩汇总各口径数据汇总计算，目前全社会电煤库存较去年入冬前低了近9000万吨。
东北可能是全国缺煤最为严重的地区之一，东北也由于将限电范围扩大至居民用电被推上风口浪尖。一位煤炭机构资深分析师对《财经》记者表示，自2016年开始，在煤炭去产能政策的推动下，东北三省退出了较多煤矿产能，且面临较大的入冬补库需求，主要依赖于蒙东煤矿的调入。
经《财经》记者统计，2020年黑龙江、辽宁、吉林原煤产量合计0.93亿吨，较2016年的1.13亿吨下滑约17.7%，东北三省占全国煤炭总产量的比例也由3%下滑至2.4%。
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