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物理海洋学研究更趋活跃 自主创新成果可圈可点

2019-11-05 22:14 中国·青岛蓝色经济网

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70 年来,中国海洋科学研究涵盖各个海洋专业学科,取得了丰硕成果。现阶段,中国海洋科研机构每年承担海洋科研课题1。8万余项,其中基础研究、应用研究、试验发展3 类课题所占比重超过70%,发表科技论文1。7万余篇,出版海洋科技著作350多种,拥有发明专利超过2万件。作者在本文中重点阐述了中国在物理海洋学所取得的主要进展和成果。

物理海洋学是以物理的方法研究海洋中的各种要素(温度、盐度、流场等)的特征及其变化规律。伴随新中国成立,中国物理海洋学研究开始起步,至今物理海洋学在观测方法、数值模式、理论分析、实验室实验等各方向都取得了巨大的成绩,个别研究方向走至世界前列。特别是21世纪以来,在国家重大、重点专项计划的支持下,物理海洋学研究更趋活跃、创新成果不断涌现。

物理海洋学理论研究

经过70年发展,中国物理海洋学在海流、海浪、潮汐、风暴潮等海水运动方面的理论研究日趋完善,在一些新的研究领域如厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、大洋能量传递等走在了世界前列。

——近海海流。在新中国成立以来组织的几次大型调查及专项调查基础上,基本上摸清了中国近海海流特征、变化趋势,发现了中国近海众多复杂多样的海流结构。

1964年,毛汉礼首次提出了台湾暖流的概念。之后,中国学者通过数据分析、理论分析等对其结构及来源、水团成分有了进一步的认识。郝崇本、管秉贤对黄海冷水团及黄海暖流的分布形态和形成机制进行了一系列研究,对其季节、年际、多年际变化,其垂向结构变化,水体来源、水团和周围水体关系等有了一定的认识。管秉贤首次提出在中国东南近海和南海北部冬季均存在逆风海流。苏纪兰系统研究了中国海的多尺度动力过程,揭示了河口和陆架环流的物理图像。自1986年起,苏纪兰主持了历时7年的“中日黑潮合作调查研究”,对黑潮结构特征及其时空变异、机制的认识有了质的提升,详细论证了黑潮在台湾东北侧涌升东海陆架的季节特征及其动力机制、台湾暖流的内外侧分支结构及其与黑潮涌升的关联、琉球群岛东侧的琉球海流的结构与变化等。这是中国海洋研究走出近海的第一个项目, 研究成果获1996年度国家科学技术进步奖二等奖。上升流是中国近海海流一个非常重要的特征,影响近海营养盐分布。通过现场观测、数值模拟、理论分析等,在黄海沿岸、东海沿岸、南海沿岸、长江口沿岸等均发现了上升流并对其机制进行了分析。胡敦欣提出的浙江沿岸上升流非风生机制,修正了传统的风生沿岸上升流理论。

海流是物质输运的重要驱动因子。早在1989年,中国学者就开始了物质长期输运的研究。由冯士筰主导的“ 拉格朗日余流和长期输运过程的研究——一种三维空间弱非线性理论”获得国家自然科学奖三等奖。胡敦欣在太平洋发现“棉兰老潜流”,改变了有关太平洋西边界流动力学结构的传统认识,对海洋经向热量输送、平衡和气候有重要影响。

2015年,胡敦欣领衔17位国内外海洋学家和气候学家合作撰写的《太平洋西边界流及其气候效应》评述文章在《自然》杂志正式发表。这是《自然》杂志首次发表有关太平洋环流与气候研究的评述性文章,也是中国学者在该杂志发表的首篇海洋领域研究综述性论文。王东晓等完成的“南海与邻近热带区域的海洋联系及动力机制”获得2014 年度国家自然科学奖二等奖。近年来,借助新的调查观测技术及数值模拟,中国学者对近海海流结构特征及其机制提出了新的见解。

——太平洋—印度洋贯穿流南海分支。中国科学家最早依据模式结果提出了太平洋—印度洋洋际交换南海分支。在2006年启动的国际合作计划“南海—印尼海水交换及对鱼类季节性洄游的影响”的支撑下,利用丰富的现场观测资料证实了这一分支的存在。这一分支对于南海的水团形成、海气热量交换和淡水交换有着重要作用,对中国南部海上能源通道环境保障和国防建设具有重要意义。这一研究方向,实现了浅海海床基观测技术突破并自主开发了达到国际同期水平的观测系统。

——海浪。新中国成立后,中国开始了海浪理论、模拟、预测的研究,70年间取得了巨大进展。20世纪60年代,文圣常推导的“文氏风浪谱”被多个国家翻译,被评为当年相关国际科学进展评论中的重要成果。后人在此理论基础上,进行了大量的延伸工作。基于此发展的“理论风浪谱”研究达到国际先进水平,获得国家自然科学奖。文圣常撰写的《海浪原理》和《海浪理论与计算原理》,成为指导国内外海浪理论研究的重要专著。1984年,袁业立首次利用理论分析导出了风生波初生阶段成长过程的波面演化过程。近年来,海浪对海洋上层的动量与混合作用,风和海浪的相互作用等过程也得到了足够的重视。

——潮汐和风暴潮。潮汐方面的工作主要为平衡潮理论、潮波动力学和潮汐调和分析。1959年,中国出版了第一部由郑文振编写的有关潮汐分析和预报的手册《实用潮汐学》。1958~1960年间的全国海洋综合调查期间,根据潮流观测编制了《潮流永久预报表》。1960年初,方国洪提出的“准调和分析方法”,被确定为国家标准沿用至今。在《全国海洋综合调查报告》中,郑文振和方国洪执笔撰写的“中国近海潮波系统”,对中国近海潮汐潮流的分布做了系统的阐述,给出了潮波传播示意图和初步的动力解释。1970年,方国洪等建立了二维潮汐潮流数值模式,计算了中国近海的潮流分布,同年开始了世界上最早潮汐同化模式的尝试。方国洪提出潮汐潮流永久预报的新方法,其所需数据量仅为杜瓦宁法的1/10。利用这些新的手段和方法,1973~1978年中国陆续编制并出版了覆盖中国近海大部分海区的《中国近海潮流永久预报图表集》,实现了中国近海全海区、多层次潮流预报。

1980年开始,中国学者在中国近海开展了大量的潮汐数值计算研究。到1985年,已经能够对116个分潮进行预报,并编制了太平洋及其邻近海域的潮汐表。20世纪90年代后期,卫星高度计观测开始用于潮汐模式的同化,且随着计算机的普及和计算能力的提升,大区域、高精度、可视化的潮汐潮流预报系统成为主流,并直接服务于海洋预报减灾、海洋环境保障和海洋水深测量等。

冯士筰等在风暴潮动力学研究中创建了超浅海风暴潮模型,并将风暴潮动力学和预报模型及方法系统化。其编著的《风暴潮导论》是世界上第一部系统论述风暴潮机制和预报的专著,获全国优秀科技图书一等奖。秦曾灏对大尺度海洋和大气相互作用及风暴潮研究造诣较深。秦曾灏、冯士筰等完成的“浅海风暴潮动力机制和预报方法的研究”获得1982年度国家自然科学奖三等奖。

——海洋锋面。海洋锋是水文要素特性不同的两个水团之间的狭窄过渡带,是一种重要的中尺度海洋现象,由于锋面能有效地聚集和输运悬浮物质,对渔业、军事和海洋环境保护等许多领域有重要影响。中国近海由于众多环流、水团和涡旋在此交汇,海洋锋现象十分显著,近年来,中国学者对中国近海的海洋锋产生机制和变化规律的研究取得了一定的进展。整体上看,中国近海海洋锋位置比较固定,但受季风影响,大多数海温锋面有季节变化特征。针对位于人类活动主要场所和河川泥沙、污染物质进入海洋必经之地或贮存之区的河口羽流锋的研究,苏纪兰等首先提出长江冲淡水次级锋面概念及其对杭州湾悬浮质输运的重要影响,提高了污染物、浮游生物的富集作用对杭州湾内泥沙输运规律的认识。他率先提出潮致底质冲淤的有效模拟方法,并系统揭示了浙闽沿岸上升流与沿岸锋的关系。

——大洋能量传递。吴立新领衔完成的成果“大洋能量传递过程、机制及其气候效应”,系统阐述了能量向深层海洋传递的通道以及驱动大尺度环流的过程与机理,揭示了深海大洋热量变异关键海区对大气环流及区域气候的重要调节作用,阐明了海洋环流变异影响全球气候的海洋和大气通道,为预测未来海洋环境与气候变化提供了理论基础。该项成果初步回答了全球气候变化下海洋能量及热量输运机制及造成的海温异常对大气的反馈作用。该项成果获2018年度国家自然科学奖二等奖。

海洋数值模拟研究

随着计算机技术和数值计算方法的发展,20世纪中期开始,国外相关研究机构逐渐发展了基于不同坐标系统、物理机制、网格剖分或参数化方案的环流模式。中国对海洋模式的研究起步较晚,直至上世纪80年代,才首次获取了进展。

——环流模式。曾庆存首创的“半隐式差分格式”是数值模式的主流算法之一。其研究的大气环流模式、海洋环流模式和气候系统模式,能成功地模拟出亚洲季风雨带的推移、大洋环流和中国近海环流流系(如南海暖流等)。中国自主研发了浪-潮-流耦合数值模式耦合了海浪、潮汐等物理过程,对垂向参数化方法进行了改进,采用了先进的并行及同化方法和自主研发的潮汐调和常数计算方法,具有强大的全球及中国近海的水文模拟能力,解决了模式中多个关键物理过程,使得对海洋过程及台风等的模拟预测能力有了显著提高。2018年,中国科学家在内的世界顶尖海洋模式专家共同发表了《海洋环流模式的进展、挑战及前景》,介绍了过去10年世界环流模式的进展及未来模式的发展方向,中国模式的发展成就被多次提到,表明中国海洋模式的理论发展及应用发展已进入国际先列水平。

过去10年里,在国家重点研发计划支持下,中国海洋、气候模式研究有了飞速发展。2017年,中国学者研制了“南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统”,在关键技术和业务化运行方面取得了重要突破。2018年12月10日,应联合国教科文组织政府间海洋学委员会西太平洋分委会的邀请,中国学者研制的“21世纪海上丝绸之路海洋环境预报系统”向国际社会正式发布,并入选中国驻美使馆科技开放日展览活动。

——海浪模式。文圣常开创了中国海浪数值预报模式研究,提出了一种特色显著的新型混合型海浪数值模式,并在国家海洋环境预报部门投入业务化应用。1992年,袁业立提出了LAGFD-WAM 的基本物理模型,在此基础上,研发了MASNUM海浪数值模式。

基于此发展的非破碎波浪混合理论,大大提高了海洋模式中对海洋上层混合模拟能力和模拟精度。非破碎波浪混合目前已被认为是海洋环流模式中一个非常重要的过程并被世界多个研究机构采用。MASNUM获得了国内外同行的认可,被国际上认为是第三代海浪数值模式,并被广泛应用于海洋工程中。

——耦合模式。20世纪70年代以来,气候学研究注意到了海洋的作用。巢纪平首次创建了中国海气耦合的滤波矩平长期天气数值预报模式,成功进行了月季天气预报试验;提出了Rossby波相互作用后可激发出一类向东西两个方向传播的不稳定波,以及在非线性作用下可激发出2~3年厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)型振荡等;提出了热带大气和海洋运动的半地转适应和发展理论,领衔研发出中国第一个海洋环境数值预报业务系统。近些年来,中国学者还提出了耦合大气、海洋、海冰等过程的耦合模式。耦合模式反映了中国模式发展的综合水平。世界气候研究计划(WCRP)与1997年开始推动耦合模式对比计划(CMIP),促进了地球系统模式的发展。从首个模式参加CMIP1至今,中国已有5个模式参与CMIP5。

极地和海冰研究

借助中国极地科学考察的大量调查数据、数值模拟,中国对南北极海冰变化、环流结构等的认识,近年来得到了极大的发展。2015年5月5日,中国首次发布了2005 至2011年南极洲冰架崩解数据集,这是迄今人类对南极冰架崩解做出的较为精确和细致的度量。基于中国研制的地球系统模式FIO-ESM,中国学者多次参与了南北极海冰预测计划(SIPN 和SIPNSouth)。丁德文在工程海冰研究方面取得了显著成绩并出版了专著。

厄尔尼诺-南方涛动研究

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是发生于赤道东太平洋地区的风场和海面温度震荡。ENSO期间,会在世界多地引起极端天气,如洪涝、干旱、台风多发等,严重影响世界经济和社会的稳定。ENSO由于其多变性,目前对其机制的认识、预测能力仍是世界研究的热点。陈大可等系统开发了ENSO预测模式,突破了限制ENSO预测水平和可预测性评估的关键瓶颈,系统阐释了海洋混合的物理机制,创建了一个新颖有效的垂向混合模型,为攻克湍流混合这一物理海洋学重大难题提供了新的理论和方法。穆穆等提出的条件非线性最优扰动(CNOP)方法,解决了厄尔尼诺春季预报障碍,以及海洋热盐环流对淡水通量扰动的敏感性等问题。

物理海洋学其他研究

近年来,物理海洋和生物、生态、化学等学科间的交叉研究逐步受到重视。多学科交叉、多理论互鉴、多技术融合正成为新的研究前沿,特别是逐渐重视大尺度问题,与气候及长期气候变率有关的研究成为重点,这与“气候变异与可预测性研究计划”(CLIVAR)的最新战略目标吻合。陈显尧等重点关注海洋如何记忆气候长期变化的历史和如何调节气候长期变化的过程。2014年《科学》杂志以《行星中热量分配导致全球变暖的减缓与加速》为题刊发其研究成果。此外,在全球海平面变化及其机制、海洋不同尺度变化(如PDO,ENSO等)对气候变异的影响及气候变化对海水性质的影响、海洋大尺度变化及其机制、全球极端气候事件研究、古气候研究等领域也均出现了大量世界前沿的研究成果,被世界同行所重视。另外,海洋物理过程对海洋生态、渔业、海洋微生物、海洋污染、海洋微塑料的影响等研究也有大量成果发表在世界权威期刊。

(陈连增,中国海洋学会理事长,原国家海洋局党组成员、副局长;雷波,中国海洋学会副理事长,自然资源部南海局党委书记)

关键词:

编辑:徐琛

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