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物理海洋學自主創新成果可圈可點 

2019-11-05 10:14:34 來源: 中國海洋報 作者: 陳連增 雷波
摘要:物理海洋學是以物理的方法研究海洋中的各種要素(溫度、鹽度、流場等)的特征及其變化規律。伴隨新中國成立,中國物理海洋學研究開始起步,個別研究方向走至世界前列。

  原標題:中國海洋科學技術事業發展70年系列之三

  物理海洋學研究更趨活躍 自主創新成果可圈可點

  70年來,中國海洋科學研究涵蓋各個海洋專業學科,取得了豐碩成果。現階段,中國海洋科研機構每年承擔海洋科研課題1.8萬余項,其中基礎研究、應用研究、試驗發展3類課題所占比重超過70%,發表科技論文1.7萬余篇,出版海洋科技著作350多種,擁有發明專利超過2萬件。作者在本文中重點闡述了中國在物理海洋學所取得的主要進展和成果。

  ■陳連增 雷波

  物理海洋學是以物理的方法研究海洋中的各種要素(溫度、鹽度、流場等)的特征及其變化規律。伴隨新中國成立,中國物理海洋學研究開始起步,至今物理海洋學在觀測方法、數值模式、理論分析、實驗室實驗等各方向都取得了巨大的成績,個別研究方向走至世界前列。特別是21世紀以來,在國家重大、重點專項計劃的支持下,物理海洋學研究更趨活躍、創新成果不斷涌現。

  物理海洋學理論研究

  經過70年發展,中國物理海洋學在海流、海浪、潮汐、風暴潮等海水運動方面的理論研究日趨完善,在一些新的研究領域如厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)、大洋能量傳遞等走在了世界前列。

  ——近海海流。在新中國成立以來組織的幾次大型調查及專項調查基礎上,基本上摸清了中國近海海流特征、變化趨勢,發現了中國近海眾多復雜多樣的海流結構。

  1964年,毛漢禮首次提出了臺灣暖流的概念。之后,中國學者通過數據分析、理論分析等對其結構及來源、水團成分有了進一步的認識。郝崇本、管秉賢對黃海冷水團及黃海暖流的分布形態和形成機制進行了一系列研究,對其季節、年際、多年際變化,其垂向結構變化,水體來源、水團和周圍水體關系等有了一定的認識。管秉賢首次提出在中國東南近海和南海北部冬季均存在逆風海流。蘇紀蘭系統研究了中國海的多尺度動力過程,揭示了河口和陸架環流的物理圖像。自1986年起,蘇紀蘭主持了歷時7年的“中日黑潮合作調查研究”,對黑潮結構特征及其時空變異、機制的認識有了質的提升,詳細論證了黑潮在臺灣東北側涌升東海陸架的季節特征及其動力機制、臺灣暖流的內外側分支結構及其與黑潮涌升的關聯、琉球群島東側的琉球海流的結構與變化等。這是中國海洋研究走出近海的第一個項目,研究成果獲1996年度國家科學技術進步獎二等獎。上升流是中國近海海流一個非常重要的特征,影響近海營養鹽分布。通過現場觀測、數值模擬、理論分析等,在黃海沿岸、東海沿岸、南海沿岸、長江口沿岸等均發現了上升流并對其機制進行了分析。胡敦欣提出的浙江沿岸上升流非風生機制,修正了傳統的風生沿岸上升流理論。

  海流是物質輸運的重要驅動因子。早在1989年,中國學者就開始了物質長期輸運的研究。由馮士筰主導的“拉格朗日余流和長期輸運過程的研究——一種三維空間弱非線性理論”獲得國家自然科學獎三等獎。胡敦欣在太平洋發現“棉蘭老潛流”,改變了有關太平洋西邊界流動力學結構的傳統認識,對海洋經向熱量輸送、平衡和氣候有重要影響。

  2015年,胡敦欣領銜17位國內外海洋學家和氣候學家合作撰寫的《太平洋西邊界流及其氣候效應》評述文章在《自然》雜志正式發表。這是《自然》雜志首次發表有關太平洋環流與氣候研究的評述性文章,也是中國學者在該雜志發表的首篇海洋領域研究綜述性論文。王東曉等完成的“南海與鄰近熱帶區域的海洋聯系及動力機制”獲得2014年度國家自然科學獎二等獎。近年來,借助新的調查觀測技術及數值模擬,中國學者對近海海流結構特征及其機制提出了新的見解。

  ——太平洋—印度洋貫穿流南海分支。中國科學家最早依據模式結果提出了太平洋—印度洋洋際交換南海分支。在2006年啟動的國際合作計劃“南海—印尼海水交換及對魚類季節性洄游的影響”的支撐下,利用豐富的現場觀測資料證實了這一分支的存在。這一分支對于南海的水團形成、海氣熱量交換和淡水交換有著重要作用,對中國南部海上能源通道環境保障和國防建設具有重要意義。這一研究方向,實現了淺海海床基觀測技術突破并自主開發了達到國際同期水平的觀測系統。

  ——海浪。新中國成立后,中國開始了海浪理論、模擬、預測的研究,70年間取得了巨大進展。20世紀60年代,文圣常推導的“文氏風浪譜”被多個國家翻譯,被評為當年相關國際科學進展評論中的重要成果。后人在此理論基礎上,進行了大量的延伸工作。基于此發展的“理論風浪譜”研究達到國際先進水平,獲得國家自然科學獎。文圣常撰寫的《海浪原理》和《海浪理論與計算原理》,成為指導國內外海浪理論研究的重要專著。1984年,袁業立首次利用理論分析導出了風生波初生階段成長過程的波面演化過程。近年來,海浪對海洋上層的動量與混合作用,風和海浪的相互作用等過程也得到了足夠的重視。

  ——潮汐和風暴潮。潮汐方面的工作主要為平衡潮理論、潮波動力學和潮汐調和分析。1959年,中國出版了第一部由鄭文振編寫的有關潮汐分析和預報的手冊《實用潮汐學》。1958~1960年間的全國海洋綜合調查期間,根據潮流觀測編制了《潮流永久預報表》。1960年初,方國洪提出的“準調和分析方法”,被確定為國家標準沿用至今。在《全國海洋綜合調查報告》中,鄭文振和方國洪執筆撰寫的“中國近海潮波系統”,對中國近海潮汐潮流的分布做了系統的闡述,給出了潮波傳播示意圖和初步的動力解釋。1970年,方國洪等建立了二維潮汐潮流數值模式,計算了中國近海的潮流分布,同年開始了世界上最早潮汐同化模式的嘗試。方國洪提出潮汐潮流永久預報的新方法,其所需數據量僅為杜瓦寧法的1/10。利用這些新的手段和方法,1973~1978年中國陸續編制并出版了覆蓋中國近海大部分海區的《中國近海潮流永久預報圖表集》,實現了中國近海全海區、多層次潮流預報。

  1980年開始,中國學者在中國近海開展了大量的潮汐數值計算研究。到1985年,已經能夠對116個分潮進行預報,并編制了太平洋及其鄰近海域的潮汐表。20世紀90年代后期,衛星高度計觀測開始用于潮汐模式的同化,且隨著計算機的普及和計算能力的提升,大區域、高精度、可視化的潮汐潮流預報系統成為主流,并直接服務于海洋預報減災、海洋環境保障和海洋水深測量等。

  馮士筰等在風暴潮動力學研究中創建了超淺海風暴潮模型,并將風暴潮動力學和預報模型及方法系統化。其編著的《風暴潮導論》是世界上第一部系統論述風暴潮機制和預報的專著,獲全國優秀科技圖書一等獎。秦曾灝對大尺度海洋和大氣相互作用及風暴潮研究造詣較深。秦曾灝、馮士筰等完成的“淺海風暴潮動力機制和預報方法的研究”獲得1982年度國家自然科學獎三等獎。

  ——海洋鋒面。海洋鋒是水文要素特性不同的兩個水團之間的狹窄過渡帶,是一種重要的中尺度海洋現象,由于鋒面能有效地聚集和輸運懸浮物質,對漁業、軍事和海洋環境保護等許多領域有重要影響。中國近海由于眾多環流、水團和渦旋在此交匯,海洋鋒現象十分顯著,近年來,中國學者對中國近海的海洋鋒產生機制和變化規律的研究取得了一定的進展。整體上看,中國近海海洋鋒位置比較固定,但受季風影響,大多數海溫鋒面有季節變化特征。針對位于人類活動主要場所和河川泥沙、污染物質進入海洋必經之地或貯存之區的河口羽流鋒的研究,蘇紀蘭等首先提出長江沖淡水次級鋒面概念及其對杭州灣懸浮質輸運的重要影響,提高了污染物、浮游生物的富集作用對杭州灣內泥沙輸運規律的認識。他率先提出潮致底質沖淤的有效模擬方法,并系統揭示了浙閩沿岸上升流與沿岸鋒的關系。

  ——大洋能量傳遞。吳立新領銜完成的成果“大洋能量傳遞過程、機制及其氣候效應”,系統闡述了能量向深層海洋傳遞的通道以及驅動大尺度環流的過程與機理,揭示了深海大洋熱量變異關鍵海區對大氣環流及區域氣候的重要調節作用,闡明了海洋環流變異影響全球氣候的海洋和大氣通道,為預測未來海洋環境與氣候變化提供了理論基礎。該項成果初步回答了全球氣候變化下海洋能量及熱量輸運機制及造成的海溫異常對大氣的反饋作用。該項成果獲2018年度國家自然科學獎二等獎。

  海洋數值模擬研究

  隨著計算機技術和數值計算方法的發展,20世紀中期開始,國外相關研究機構逐漸發展了基于不同坐標系統、物理機制、網格剖分或參數化方案的環流模式。中國對海洋模式的研究起步較晚,直至上世紀80年代,才首次獲取了進展。

  ——環流模式。曾慶存首創的“半隱式差分格式”是數值模式的主流算法之一。其研究的大氣環流模式、海洋環流模式和氣候系統模式,能成功地模擬出亞洲季風雨帶的推移、大洋環流和中國近海環流流系(如南海暖流等)。中國自主研發了浪-潮-流耦合數值模式耦合了海浪、潮汐等物理過程,對垂向參數化方法進行了改進,采用了先進的并行及同化方法和自主研發的潮汐調和常數計算方法,具有強大的全球及中國近海的水文模擬能力,解決了模式中多個關鍵物理過程,使得對海洋過程及臺風等的模擬預測能力有了顯著提高。2018年,中國科學家在內的世界頂尖海洋模式專家共同發表了《海洋環流模式的進展、挑戰及前景》,介紹了過去10年世界環流模式的進展及未來模式的發展方向,中國模式的發展成就被多次提到,表明中國海洋模式的理論發展及應用發展已進入國際先列水平。

  過去10年里,在國家重點研發計劃支持下,中國海洋、氣候模式研究有了飛速發展。2017年,中國學者研制了“南海及周邊海域風浪流耦合同化精細化數值預報與信息服務系統”,在關鍵技術和業務化運行方面取得了重要突破。2018年12月10日,應聯合國教科文組織政府間海洋學委員會西太平洋分委會的邀請,中國學者研制的“21世紀海上絲綢之路海洋環境預報系統”向國際社會正式發布,并入選中國駐美使館科技開放日展覽活動。

  ——海浪模式。文圣常開創了中國海浪數值預報模式研究,提出了一種特色顯著的新型混合型海浪數值模式,并在國家海洋環境預報部門投入業務化應用。1992年,袁業立提出了LAGFD-WAM的基本物理模型,在此基礎上,研發了MASNUM海浪數值模式。

  基于此發展的非破碎波浪混合理論,大大提高了海洋模式中對海洋上層混合模擬能力和模擬精度。非破碎波浪混合目前已被認為是海洋環流模式中一個非常重要的過程并被世界多個研究機構采用。MASNUM獲得了國內外同行的認可,被國際上認為是第三代海浪數值模式,并被廣泛應用于海洋工程中。

  ——耦合模式。20世紀70年代以來,氣候學研究注意到了海洋的作用。巢紀平首次創建了中國海氣耦合的濾波矩平長期天氣數值預報模式,成功進行了月季天氣預報試驗;提出了Rossby波相互作用后可激發出一類向東西兩個方向傳播的不穩定波,以及在非線性作用下可激發出2~3年厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)型振蕩等;提出了熱帶大氣和海洋運動的半地轉適應和發展理論,領銜研發出中國第一個海洋環境數值預報業務系統。近些年來,中國學者還提出了耦合大氣、海洋、海冰等過程的耦合模式。耦合模式反映了中國模式發展的綜合水平。世界氣候研究計劃(WCRP)與1997年開始推動耦合模式對比計劃(CMIP),促進了地球系統模式的發展。從首個模式參加CMIP1至今,中國已有5個模式參與CMIP5。

  極地和海冰研究

  借助中國極地科學考察的大量調查數據、數值模擬,中國對南北極海冰變化、環流結構等的認識,近年來得到了極大的發展。2015年5月5日,中國首次發布了2005至2011年南極洲冰架崩解數據集,這是迄今人類對南極冰架崩解做出的較為精確和細致的度量。基于中國研制的地球系統模式FIO-ESM,中國學者多次參與了南北極海冰預測計劃(SIPN和SIPNSouth)。丁德文在工程海冰研究方面取得了顯著成績并出版了專著。

  厄爾尼諾-南方濤動研究

  厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)是發生于赤道東太平洋地區的風場和海面溫度震蕩。ENSO期間,會在世界多地引起極端天氣,如洪澇、干旱、臺風多發等,嚴重影響世界經濟和社會的穩定。ENSO由于其多變性,目前對其機制的認識、預測能力仍是世界研究的熱點。陳大可等系統開發了ENSO預測模式,突破了限制ENSO預測水平和可預測性評估的關鍵瓶頸,系統闡釋了海洋混合的物理機制,創建了一個新穎有效的垂向混合模型,為攻克湍流混合這一物理海洋學重大難題提供了新的理論和方法。穆穆等提出的條件非線性最優擾動(CNOP)方法,解決了厄爾尼諾春季預報障礙,以及海洋熱鹽環流對淡水通量擾動的敏感性等問題。

  物理海洋學其他研究

  近年來,物理海洋和生物、生態、化學等學科間的交叉研究逐步受到重視。多學科交叉、多理論互鑒、多技術融合正成為新的研究前沿,特別是逐漸重視大尺度問題,與氣候及長期氣候變率有關的研究成為重點,這與“氣候變異與可預測性研究計劃”(CLIVAR)的最新戰略目標吻合。陳顯堯等重點關注海洋如何記憶氣候長期變化的歷史和如何調節氣候長期變化的過程。2014年《科學》雜志以《行星中熱量分配導致全球變暖的減緩與加速》為題刊發其研究成果。此外,在全球海平面變化及其機制、海洋不同尺度變化(如PDO,ENSO等)對氣候變異的影響及氣候變化對海水性質的影響、海洋大尺度變化及其機制、全球極端氣候事件研究、古氣候研究等領域也均出現了大量世界前沿的研究成果,被世界同行所重視。另外,海洋物理過程對海洋生態、漁業、海洋微生物、海洋污染、海洋微塑料的影響等研究也有大量成果發表在世界權威期刊。

  (陳連增,中國海洋學會理事長,原國家海洋局黨組成員、副局長;雷波,中國海洋學會副理事長,自然資源部南海局黨委書記)


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