节选自《大学堂走出的山大人——山西大学校友故事》文集

1991年9月，一名来自山乡的青年踏上了开往省城太原的列车，终于走进了梦寐以求的山西大学，成为数学系的一名大学生，也与大气科学结下了不解之缘。2003年，他获得了气象学博士学位，论文被评为“全国百篇优秀博士论文”。随后，他又因科研成果出色，于2015年获得了“国家杰出青年科学基金”资助；2019年入选了“国家百千万人才工程”，并被授予“有突出贡献的中青年专家”的荣誉称号等。他兼任多个国际期刊的编委，以及国际动力气象学委员会、世界气候研究计划中国委员会等国内外学术组织的主要委员，同时被聘为中科院特聘研究员、中国科学院大学岗位教授等。

他就是中国科学院大气物理研究所研究员段晚锁。

他从数学跨界大气科学，数学给了他探索交叉学科的勇气，大气科学给了他广阔的用武之地。面对风云变幻的天气，他大胆拓展数学应用，探索天气预报的奥秘。

起点：数学

感受着“中西会通，求真至善，登崇俊良，自强报国”的光荣传统，漫步在校舍林立、宁静和谐的校园，段晚锁有说不出的高兴。而更让他高兴的是，来自全省各地的朝气蓬勃的同窗学友，使他这个农村孩子的那种拘谨和初到大城市的胆怯悄悄地消失了。他满怀希望地开始了自己的大学生活，而且是学习和学生干部双肩挑。

数学系学生最基础的课程是数学分析和高等代数。这两门课程比较难，但在高中阶段训练的缜密思维习惯，使他充满信心。他注重课堂听讲，也为自己留下了大量休闲和社交的时间。没想到，那场期中考试给了他当头一棒。

他清楚地记得，在数学分析考场上，他飞快地用熟悉的方法，做着看似熟悉的题，很快就做完了所有考题。“没想象得那么难嘛！”他自信满满，提前半小时交了卷子。三天后，成绩出来了，他惊讶地发现仅考了60分。为什么会这样？那些题跟平时做的题没啥大区别啊，究竟为什么？他茫然，彷徨……他的心跌入了谷底，但要强的他并没有就此气馁。

他反复推敲证明的思路，“没错啊。”他自言自语。既然思路没错，那是不是用到的定理不正确呢？想到这里，他兴奋了，如果能发现一个定理是错的，那不是自己的一个重大发现吗？一点一点地分析着，他开始重新审视考试中所用的定理，也再次认真推导这些定理的证明。经过多次推演，他发现不是定理错了，而是自己疏忽了定理成立的一个前提细节条件。他沉下心来，冷静地分析造成这种疏忽的深层次原因。经过分析，他最终认为是由于不够严谨，过于浮躁了。

他改变了入学时对大学学习和生活的认识，开始注重课堂听讲，而且常常把自己的解题思路和见解与同学交流。他甚至利用休息时间阅读拓展专业的书籍，加深对每个定理及其应用的理解。他认为，要想获得牢固的知识，唯有不断地学习，创造性地学习，才能越过重山。

水激石则鸣，人激志则宏。第一学年结束，他拿到了奖学金，被任命为学生干部，并多次组织学生活动，从另一个维度锻炼了自己的逻辑思维和组织能力，这极大地鼓舞了他的斗志。大学四年，他德智体全面进步，光荣地加入了中国共产党，并先后担任山西大学学生会秘书长和常务副主席，提升了自身的综合能力。这种能力一直影响着他后来的科研人生，他甚至将担任过学生干部作为招收研究生的一个条件。他认为这样的学生综合能力强，有更大的发展前途。

过渡：从数学到大气科学

1997年，段晚锁考入昆明理工大学攻读应用数学专业的硕士研究生，师从国际著名动力系统专家李继彬教授。他跟随李教授攻读硕士学位那几年，感觉最充实的是李教授出国访问时对他的关心和信任。与其说是帮助李老师照看房子，还不如说是李教授给他提供了一个可以安静想问题、做硕士论文的良好环境。他硕士论文的选题是当时的国际前沿——广义Hamilton系统动力学研究，该研究有很强的物理背景。他漫步在楼下安静的小径上，常常思考如何构造该类系统的Hamilton函数、有没有一般规律等诸多问题。在那段时间，他顺利攻克了硕士论文研究内容的主要难点。他后来回忆，当时之所以能很快突破难点，很大程度上得益于李教授提供的良好环境使得他能够心无旁骛，专注地思考问题。

临近硕士毕业，当时就业形势很好，他在就业与读博之间犹豫。李教授坚持他应该继续读博，不仅如此，还推荐他报考中科院大气物理研究所穆穆研究员（现已是中科院院士）的博士生。跨专业考博、读博，显而易见，未来困难重重。他当时很不情愿，甚至私下与中科院数学所的其他博导联系。李教授很生气，认为他失去了一个很好的发展机会。不过，他最终还是听了李教授的建议，于2000年3月考取了大气物理研究所的气象学博士研究生。他回忆说，当时无法理解李教授的想法，直到几年以后才意识到李教授的良苦用心：李教授认为他硕士论文的主要物理背景是流体动力学，如果用硕士阶段学到的动力学知识，跨界研究自然界主要流体之一的大气动力学，会有更好的前途。

征途：攀登大气科学高峰

1800多年前，诸葛亮凭经验“借东风”时，大概不会想到现代人可以通过计算机求解一组复杂的非线性偏微分方程组进行天气预报。这就是现代的数值天气预报。

数值天气预报对初始状态的准确估计有非常强的依赖性，初始存在一点偏差，预报结果就可能有质的改变，从而产生错误预报。国际学者比喻这一现象为“蝴蝶效应”，即一只蝴蝶在亚马孙河轻轻扇翅膀，一个月后就可以导致得克萨斯州发生一场龙卷风。那么，如何在数值天气预报中克服这一现象对天气预报的影响，是大气科学研究中一个极具挑战性的课题。2000年伊始，考入中科院大气物理研究所的段晚锁，在非线性大气动力学专家穆穆研究员（导师）的鼓励和指导下，开始了数值天气预报和气候预测可预报性的研究。

他在读博期间，充分发挥自己交叉学科背景的优势，通过不懈努力，与穆穆研究员共同提出了用于研究最快增长初始误差的条件非线性最优扰动（CNOP）方法，被荷兰科学院院士Dijkstra称为“填补了能量稳定和线性不稳定之间的空白”。这一成果引领了国际学术界在该领域的发展，促进了数学与大气、海洋、流体力学、信息科学等学科的交叉。2004年，他开始将CNOP方法应用于对全球天气气候异常具有重要影响的厄尔尼诺事件的可预报性研究，对长期困扰气象学界的“春季预报障碍”现象的发生提出了新机制，统一了国际上的争议，获得了国际同行的高度赞赏。

2010年，段晚锁又开始研究最快增长模式误差。初始误差和模式误差都是导致天气和气候预报质量不好的主要原因，但模式误差更加复杂，它的研究更加困难。面对如此具有挑战性的研究，他带领团队迎难而上，将理论与实际相结合，逐步开展了更接地气的实时预测研究。功夫不负有心人，他与团队最终于在2016年建立了适用于研究模式误差的非线性最优扰动新理论，提出了非线性强迫奇异向量（NFSV）方法，被国际同行称为“卓越的贡献”“考虑模式误差综合影响的新方法”等；利用该方法，他和团队系统研究了厄尔尼诺多样性，建立了能够应对新挑战且具有自主知识产权的厄尔尼诺实时预测系统。段晚锁的研究引起了国际同行的关注并获得了好评，被国际著名气候学家HansVonStorch博士邀请撰写综述文章，并被收录在《牛津气候科学百科全书》。

2016年后，他和团队继续前进，发展了具有坚实理论基础的正交条件非线性最优扰动（O-CNOPs）集合预报方法，应用于对我国沿海地区人民生命和财产具有很大破坏性影响的台风事件，显著提高了台风的预报水平，为提高我国高影响天气事件的预报提供了新途径。O-CNOPs方法的提出，受到了国际学者的重视，于2019年被收录在由多位国际大咖编著、由Springer出版社出版的《水文气象学集合预报工具书》中，该书荣获了“The Atmospheric Science Librarians International”甄选奖。

段晚锁从山西的农村走向中国首都北京，从农村孩子成长为气象学家，他是幸运的，但也付出了巨大努力。他说，科学研究充满艰辛，但也其乐无穷，前面的路还很长，他将抱着“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”的精神，为攀登大气科学高峰不断创新，不断奋进。