十年磨一剑！首都师大赠送给联合国的数据产品背后都经历了什么？
郭华东院士向第77届联合国大会主席克勒希
赠送数据产品
3月22日至24日，在时隔近半个世纪再次召开的联合国水事会议上，由我校资环学院团队研制的《非洲地下水储量变化》数据产品作为「全球水资源数据产品（2023版）」之一赠送给联合国。
该数据由资环学院潘云教授、宫辉力教授、李慧香博士、张翀博士研制。
01
所谓的经验
不过是时间的沉淀
重力卫星，通常指的是「重力场恢复与气候实验卫星」。由于地球表面质量迁移而导致重力变化，引起重力卫星之间的距离偏移，利用这个距离变化可以推算出地球质量偏移。这可以用来检测地下水储量变化。在首都师大就有这样一个团队，专门做这方面的研究。
「早在五六年前，潘云教授就经常提醒我们，挖矿式研究已经结束了，重力卫星领域的很多现象已经被挖掘出来了。我们要想在此基础上实现进一步的突破，就要从更高分辨率的角度去揭示更多未知。」参与数据研制的张翀向我们解释道。就是这样，早在五六年前，团队便决定将研究角度聚焦在「大尺度、高分辨率的卫星重力反演」上。
虽然大方向确定了，但是初期的所有想法都很模糊，更没有一个明确、具体的目标与方法，科研道路上更是困难重重。谈起研究初期那段艰难的日子，团队里的另一位成员马亚林回忆说道「刚开始是非常痛苦的。基于实测和重力卫星彼此之间，既有优势，又有局限，我们做过很多尝试，但始终找不到一个合适的结合点。因此，有很长一段时间，我们所有的研究都是停滞不前的。」
为了攻克难关，团队这些年来做出了各种各样的尝试：提出了「瞎子摸象」的随机方法、与国内外学者讨论、总结师兄师姐们的失败经历...... 正是这些年成果的汇聚，团队积累了大量相关经验，最终决定将问题聚焦于「协同正演」，「卡脖子」难题才逐渐有了突破。
谈到这里时，马亚林的眼中闪动着激动的泪花「突然有一天，我们就茅塞顿开了！那些之前看起来走不通的路，突然就走通了！虽然后来我们又遇到了其他问题，但我们在一点一点地做着改善。直到现在，我们已经形成了很成熟的方法，在做应用时，也可以得到一个高精度的数据。这不仅可以让后续的师弟师妹们继续运用这个方法做更多的尝试，更为后来《非洲地下水储量变化》产品的研究打下了坚实的基础。」
丰硕的科研成果背后，是团队一路走来的坚守；所谓的经验，也不过是时间的沉淀。团队成员李慧香曾说「一个优秀的产品想要做出成果会是非常漫长的」；马亚林也曾表示「做科研就要沉得住心性，耐得住寂寞」。
02
成功不是一蹴而就
需要厚积而薄发
从去年十月接到通知，到今年三月《非洲地下水储量变化》产品成功入选「全球水资源数据产品（2023版）」，最终被送至联合国。虽然有着前些年研究成果的奠基，但能在如此短短几个月的时间内，面对时间紧、任务重的双重压力，团队选择不畏艰难、迎难而上，最终也创造出了奇迹。
本次数据研制涉及基于重力卫星的地下水储量变化反演（通过计算处理，从而求得地下水储量变化）。潘云教授介绍道「我们在研制工作中的挑战主要有两个方面：一是，在重力卫星信号泄漏误差大、分辨率低的情况下，如何实现高分辨率反演并保证反演结果可靠性；二是，在反演范围比较大（整个非洲大陆）的情况下，如何提高计算效率。」
等到真正研究时才发现，团队需要克服的干扰因素是来自生活中的方方面面。就在团队刚刚将数据准备好，还没有开始正式做产品时，新冠疫情再次爆发，团队成员们不得不离校回家。回家以后，一方面，缺少实验室中一些必要的硬件设施；另一方面，团队成员们更是不得不面对身体上的压力。回忆起这段举步维艰的日子，李慧香说道「回家后的情况非常紧张，为了赶进度，我每天逼着自己高强度连续工作，但没想到的是刚刚过了两个多星期，我就‘阳’了，高烧不退。再加上本次研制，我们最终选择采用对于计算要求更高的新方法，家中的电脑根本运转不起来。以当时的情况来看，做这个运算大概需要半年的时间，这远远赶不上我们的上交时间。」
面对着各种各样的突发情况，团队首先的想法是尝试在家远程操作实验室中的设备。马亚林向我们解释道「虽然当时我们已经都不在校了，但还有一两个没来得及回家的师弟师妹。所以我们就想请他们在实验室中，把所有设备都利用起来，所有电脑挨个运行，我们在家远程操作。这样尝试了一段时间后，其实进展也不顺利。」
「如何能在短时间内克服设备上的不足，快速提高运算速度呢？」讨论过后，最终团队决定与「天河二号」国家高性能计算中心取得联系，利用「天河二号」的高性能计算能力，以并行计算的方式在国家超级计算机上完成模型搭建。
但这样的想法，实践起来也并不简单。为了赶时间，团队成员们白天通常按部就班地工作，每到夜里睡觉前，就会把所有数据输入「天河计算机」中，让机器利用人睡觉的时间继续运作。「如果我睡觉之前，不把所有数据‘扔’到超级计算机里，让它运算起来的话，那么睡觉这段时间就浪费了。所以我们经常凌晨两三点了，还在组内沟通交流，就是为了节约时间。」张翀回忆说道。
但模型在夜里运转时，可能会中途报错，导致运算暂停，也会耽误一晚上的计算时间。因此，团队成员们也会经常夜里起夜，不断调试。「那段时间，我的小孩其实刚出生，还不满一岁，全家也刚‘阳’了。孩子在‘阳康’后，也还有一些后遗症，我本来也睡不踏实。」谈到这段经历时，张翀说到，「所以我通常在凌晨三四点把孩子安抚睡了以后，继续检测数据运算动态。如果超级计算机显示报错，就会立刻拿出电脑重新调试，让超级计算机无时无刻都‘跑’起来。」
成功的路上总会充满荆棘，唯有苦战，方能成功。在每个人与机器轮班工作的日日夜夜中，团队不断向着目标靠近。最终，团队凭借「天河二号」的高性能计算能力，通过大量调取计算节点，将原本串行计算需要的半年时间缩短为并行计算的2天时间，确保了数据研制工作的按期完成。
03
耐得住寂寞
才能经得起繁华
在本次研究中，团队尝试将全球水文模型模拟的地下水变化信息融合到卫星重力信号泄漏校正过程中，通过项目组自主研发的协同正演模拟算法，对卫星重力反演过程中的泄漏误差进行约束校正，形成了非洲地下水储量变化产品（2003-2020，0.5°分辨率）。最终，经过SDG中心组织的多次专家评审、国家多个部委审查，与其他6个产品一起入选「全球水资源数据产品（2023版）」。
全球水资源数据产品（2023版）中英文封面
《非洲地下水储量变化》产品介绍
《非洲地下水储量变化》产品显示的非洲2003-2020年地下水储量变化速率空间分布
科研路上，痛苦与焦虑是在所难免的。「要不就算了吧？」、「要不随便发一个文章吧？」这样的念头，曾几何时也在团队成员们的脑海中闪过。
对于李慧香来说，最大的困扰就是失眠。「一边努力，一边失眠，好不容易睡着了，睡了又醒，这样的状态持续了挺长一段时间。」中间，她有想靠运动来改善失眠，但效果甚微。后来，也是在做研究的过程中，随着团队逐渐找到问题的解决方法，她的睡眠问题才有所改善。「还是科研给我建立了信心，我也逐渐克服了失眠与焦虑。」对于科学工作者来说，这也许就是常态，因此，谈到这里时，李慧香也只是微微地笑了笑，轻描淡写地说了句「虽然身体上受到了一些小小的折磨，但还可以。」
而对于马亚林来说，哭，则是一种发泄压力的方式。「在研究过程中，每当我做了很多尝试却得不到好的结果时，我就会有想哭的冲动。」从硕士入学到如今博四，马亚林是在这段研究中经历最久的，每当回想起曾经的点点滴滴，她将自己的经历总结成一句话「耐得住寂寞，才能经得起繁华」。她向我们说道「我这么多年也想过放弃，但潘云教授和张翀师兄都给了我很多帮助和鼓励。我们这个研究方法出成果比较慢，但等到如今，也到了一个相对完整的阶段，从中国到非洲、从探索到业务化应用。」
科研，就是与时间赛跑的艺术。如果有什么行业最讲究「厚积薄发」，那么科学行业一定算是其中一个。正因为有了前些年那些看似「没有方向」的积累，才给之后的开创性工作提供了更多可能。那些觉得艰难的时刻，也许正是「厚积」之时：耐心点、再耐心点，一定要沉得住气。
潘云教授参加联合国水事会议期间主题边会
央视《新闻联播》对此次赠送数据产品的报道
回顾一路走来的科研之路，团队成员们纷纷表示「努力还是有回报的」、「得到认可会让我们更加坚定地走下去」。潘云教授也表示「秉承着学校攀登精神，我们也要求博士生做高质量研究。想要做出好的产品一定是要付出很多的，任何干扰因素都要努力克服。」
如今，《非洲地下水储量变化》产品的成功研制，填补了当前联合国可持续发展目标评价中「含水层地下水资源数量」这一关键指标的高分辨率数据空白，将之前广泛使用的国家尺度统计数据，提升到了网格尺度监测数据。外交部发言人毛宁在例行记者会上对此次数据产品赠送评价道「为定量监测和评估全球不同国家和地区落实可持续发展目标提供了科学数据支撑，体现了中方推进全球发展倡议、支持落实2030年议程的决心和具体行动。」
除此之外，向联合国赠送数据产品，也是习近平主席在第75届联合国大会上提出的「为落实《联合国2030年可持续发展议程》提供新助力」的生动实践。
我校潘云教授、宫辉力教授、李慧香博士、张翀博士，作为中国科学家团体中的一份子，对践行全球发展倡仪，贡献出了独一无二的首师力量。
往期回顾
摄影：罗简文
编辑：赵璟卓