自然資源部第一海洋研究所副所長喬方利：為國際海洋模式發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧

海洋是地球氣候系統(tǒng)的重要成員，對氣候變化起控制性作用，海洋模式是進(jìn)行海洋環(huán)境預(yù)報與氣候預(yù)測預(yù)估的核心，相當(dāng)于電子工業(yè)中的“芯片”，是國家海洋科技綜合實力的核心體現(xiàn)。自然資源部第一海洋研究所副所長喬方利研究員聚焦國際前沿問題，成功研發(fā)了國際領(lǐng)先的自主海洋模式，并直接服務(wù)于國內(nèi)外防災(zāi)減災(zāi)和經(jīng)濟(jì)與社會可持續(xù)發(fā)展——為國際海洋模式發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧

2023年3月下旬，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在瑞士因特拉肯發(fā)布了第六次氣候變化評估報告的綜合報告《氣候變化2023》。根據(jù)該報告，隨著全球變暖，氣候變化帶來的不利影響將隨之加劇。

海洋與大氣之間存在熱量、動量、物質(zhì)等交換，海—氣相互作用造成了千變?nèi)f化的天氣與氣候現(xiàn)象，并引發(fā)全球或區(qū)域氣候異常和氣象災(zāi)害。開展海洋和氣候的預(yù)測預(yù)報，對全球氣候變化評估、海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境安全保障等具有重要意義。

近三十年來，自然資源部第一海洋研究所（以下簡稱海洋一所）研究員喬方利致力于海洋與氣候數(shù)值模式研發(fā)，帶領(lǐng)團(tuán)隊攻堅克難，在海洋預(yù)測和氣候未來變化等領(lǐng)域獲得了一系列原創(chuàng)性研究成果，推動我國海洋和氣候的預(yù)測預(yù)報能力邁進(jìn)世界領(lǐng)先行列，為深度參與全球海洋治理、推動構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體提供了中國智慧。

喬方利工作照

精準(zhǔn)的預(yù)測預(yù)報是海洋科學(xué)研究的重要目標(biāo)。發(fā)展海洋模式和以海洋為核心的氣候模式，是實現(xiàn)精準(zhǔn)海洋與氣候預(yù)測預(yù)報的關(guān)鍵和必由之路。

“氣候模式是定量描述地球氣候系統(tǒng)現(xiàn)象及其變化的數(shù)值模型，是氣候研究、未來預(yù)測的核心工具，也是一個國家科技綜合實力的重要體現(xiàn)。”海洋一所物理海洋室研究員宋振亞介紹，由于氣候模式的復(fù)雜性，其發(fā)展與改進(jìn)是一項極具科學(xué)挑戰(zhàn)性的工作，更是一項科學(xué)、技術(shù)與工程并重的系統(tǒng)工程，不僅包括了海洋、大氣、海冰、陸面等地學(xué)交叉，也需要數(shù)學(xué)、高性能計算、人工智能等跨學(xué)科交叉。

20世紀(jì)六七十年代，美國地球流體動力學(xué)實驗室發(fā)展了首個海洋模式和氣候模式，此后，歐美等海洋科技發(fā)達(dá)國家長期引領(lǐng)了海洋與氣候模式的發(fā)展。

“半個多世紀(jì)來，盡管國際上海洋和氣候模式發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，但仍存在諸多系統(tǒng)性模擬和預(yù)測誤差，比如夏季海洋混合層模擬偏淺、臺風(fēng)強(qiáng)度模擬預(yù)測不準(zhǔn)、氣候模式熱帶偏差等，這給精準(zhǔn)的預(yù)測預(yù)報帶來巨大挑戰(zhàn)。”宋振亞說。

宋振亞介紹，完善海洋界面通量和海洋內(nèi)部多運(yùn)動形態(tài)相互作用過程（特別是海洋湍流）是提升海洋模式乃至氣候模式模擬能力的關(guān)鍵途徑。長期以來，國內(nèi)外海洋學(xué)者一直將海洋運(yùn)動劃分成海浪、潮汐、環(huán)流等過程分立研究并單獨發(fā)展不同類別的數(shù)值模式。盡管海洋模式分辨率越來越高，但由于海洋模式中各種運(yùn)動形態(tài)之間的耦合過程考慮不足，海氣界面關(guān)鍵過程不完善等，導(dǎo)致了海洋與氣候模式仍存在這些顯著的共性偏差。

我國海洋與氣候模式研究起步相對較晚，經(jīng)過近三十年的不懈努力，喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊提出了海洋動力系統(tǒng)觀點，以多運(yùn)動形態(tài)相互作用為核心，打破了海浪、潮流、環(huán)流分治的國內(nèi)外傳統(tǒng)海洋動力學(xué)框架，在海洋耦合模式發(fā)展方面取得了突破性進(jìn)展，初步形成了海洋和以海洋為紐帶的氣候模式的自主數(shù)值模式體系，大幅度提高了模擬和預(yù)測能力，在自主海洋耦合模式領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了國際“領(lǐng)跑”。

喬方利（右二）向來賓介紹海洋模式

長期以來，物理海洋關(guān)注的海浪、潮流、環(huán)流在全球范圍內(nèi)都被當(dāng)成三個“互不相干”的領(lǐng)域進(jìn)行研究。但經(jīng)過多年研究，喬方利和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，浪、潮、流是互相影響的。把這些要素聯(lián)合在一起的，正是湍流。

湍流混合過程影響著海洋內(nèi)部動量、熱量和物質(zhì)的輸送與平衡，是海洋多運(yùn)動形態(tài)耦合的核心，科學(xué)認(rèn)知和量化海洋湍流是實現(xiàn)海洋準(zhǔn)確模擬和預(yù)報的關(guān)鍵科學(xué)問題。湍流一直是物理海洋學(xué)研究的熱點和難點，物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費(fèi)曼稱湍流為“經(jīng)典物理學(xué)中最后一個尚未解決的重要問題”。

喬方利舉了一個通俗的例子：要想讓一碗熱粥快速冷卻，最好的辦法是不停攪動，這個“攪動”就是湍流。從物理海洋角度來講，產(chǎn)生“攪動”的主要能量來自波浪。湍流來自于波浪，又影響著浪、潮、流，喬方利的這個認(rèn)知系統(tǒng)闡明了小尺度海浪在大尺度海洋環(huán)流及全球氣候系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。

“以往海洋領(lǐng)域預(yù)報不準(zhǔn)確，根本原因就是對湍流的認(rèn)識不足。”喬方利說。在一秒鐘內(nèi)測量128個數(shù)值然后加以計算，喬方利從中提取細(xì)小的“信號”，終于揭開了湍流的神秘面紗。

喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)海浪在海洋上層湍流混合與海氣通量中的關(guān)鍵作用，被國際專家譽(yù)為“喬理論”，并被歐美等諸多國家實際應(yīng)用于模式研發(fā)，實質(zhì)性提升了其模式能力。

同時，針對國內(nèi)外海洋觀測昂貴這個共性問題，喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊通過多學(xué)科交叉，突破了系列關(guān)鍵技術(shù)，基于我國北斗衛(wèi)星信號，成功研制出低成本、高精度、智能型的新一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）海洋表層漂流浮標(biāo)，使得海洋觀測的成本大幅降低，為大幅提升海洋觀測和監(jiān)測能力提供了新的重大契機(jī)。喬方利率團(tuán)隊將全球海洋模式首次實現(xiàn)超千萬核大規(guī)模高效并行，并行能力海洋領(lǐng)域國際領(lǐng)先，是我國首批入圍國際超算領(lǐng)域最高獎“戈登貝爾獎”的成果之一。

喬方利（左）考察儀器安裝位置

海洋是最大的氣候調(diào)節(jié)器，人類活動引起全球熱量增加的90%進(jìn)入了海洋。“氣候模式是氣候預(yù)測預(yù)估的核心，但是目前全球的氣候模式均存在巨大共性偏差。”喬方利說，“基礎(chǔ)理論研究決定預(yù)測預(yù)估能力，我們必須了解海洋領(lǐng)域'最小的組成單元’，才能建立科學(xué)的氣候模式，提高預(yù)測能力。”所謂“最小的組成單元”之一，指的是海浪飛沫，這是海氣熱量交換的基礎(chǔ)單位。

基于原創(chuàng)理論和系列自主技術(shù)突破，喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊建立了海浪-潮流-環(huán)流耦合的海洋模式、大氣-海浪-海洋耦合的區(qū)域臺風(fēng)模式、耦合海浪的氣候模式，解決了國內(nèi)外模式發(fā)展長期面臨的共性偏差難題，大幅提升了我國在海洋、臺風(fēng)和氣候的模擬與預(yù)報的精度和能力。

其中，喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊基于原創(chuàng)性的浪致混合理論，建立海浪-潮流-環(huán)流耦合的海洋模式，在國際上率先實質(zhì)性地將海浪、潮流、環(huán)流在一個模式中耦合起來。這個成果將海洋模式領(lǐng)域存在了半個世紀(jì)的上層海洋模擬誤差減小了86%，精度達(dá)到世界最高水平，推動我國海洋模式實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，一舉走到了該領(lǐng)域的國際前沿。

臺風(fēng)是海洋和大氣耦合的產(chǎn)物，過去幾十年間，國際社會單純從大氣角度入手，對臺風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測始終存在預(yù)報強(qiáng)度偏弱這一系統(tǒng)偏差難題。喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊經(jīng)過十余年科技攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)波浪破碎產(chǎn)生的飛沫可以大幅度增加海洋與大氣之間的熱量傳遞，從而使得預(yù)報的臺風(fēng)強(qiáng)度增大；而波浪產(chǎn)生的湍流混合以及降雨則通過降低海表溫度減少海氣之間的熱交換，使得預(yù)報的臺風(fēng)變?nèi)酢?/span>

基于這一新的科學(xué)認(rèn)知，喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊創(chuàng)建了大氣-海浪-海洋耦合的區(qū)域臺風(fēng)模式。該臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報的準(zhǔn)確度提升了40%。目前，團(tuán)隊正在與國家氣象部門合作，進(jìn)一步提升臺風(fēng)的業(yè)務(wù)化預(yù)報能力。

來自國內(nèi)外的最新科學(xué)評估結(jié)果顯示，喬方利團(tuán)隊創(chuàng)建的第三個模式——耦合海浪的氣候模式在全球排名前列，這表明我國在氣候模式發(fā)展領(lǐng)域已經(jīng)跨入世界科技前沿。準(zhǔn)確氣候預(yù)測是國家綜合科技實力的體現(xiàn)，該氣候模式可為我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)提供強(qiáng)有力科技支撐，同時顯著增大我國對全球氣候治理的貢獻(xiàn)。

臺風(fēng)什么時候來，強(qiáng)度如何？海洋環(huán)境對航運(yùn)和漁業(yè)發(fā)展有什么影響？多年來，喬方利團(tuán)隊的研究成果直接服務(wù)于國內(nèi)外防災(zāi)減災(zāi)和經(jīng)濟(jì)與社會可持續(xù)發(fā)展，在國內(nèi)外高度關(guān)注的系列海洋重大應(yīng)急事件中發(fā)揮了核心科技支撐作用。

2006年，渤海發(fā)生大面積溢油疊發(fā)事故。喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊并組織全國優(yōu)勢科技力量，經(jīng)過兩個月的連續(xù)奮戰(zhàn)，運(yùn)用海浪-潮流-環(huán)流海洋耦合模式，準(zhǔn)確預(yù)測了疊發(fā)漂油的運(yùn)移路徑，通過溯源和油指紋等高科技手段最終確定了初次肇事船只。

2008年，黃海暴發(fā)嚴(yán)重的滸苔災(zāi)害。喬方利團(tuán)隊根據(jù)海洋模式的計算結(jié)果繪制出海洋流場，迅速溯源查清了滸苔在青島聚集的原因，并提出了“滸苔通道”理論，極大提高了滸苔的打撈與處置效率。

2011年，日本福島發(fā)生核泄漏。喬方利帶領(lǐng)團(tuán)隊運(yùn)用海浪-潮流-環(huán)流海洋耦合模式以及耦合海浪的地球系統(tǒng)模式，用不到一周時間預(yù)測出核物質(zhì)在大氣和海洋中的傳輸與擴(kuò)散路徑，并發(fā)表了全球首篇關(guān)于福島核物質(zhì)影響的科學(xué)論文，預(yù)測結(jié)果被后續(xù)的觀測所證實。

2018年，泰國普吉發(fā)生沉船事故。應(yīng)泰方請求，喬方利率領(lǐng)團(tuán)隊與泰國科學(xué)家密切合作，運(yùn)用海浪-潮流-環(huán)流海洋耦合模式，快速提供了搜救“靶區(qū)”，其精準(zhǔn)性得到了搜救結(jié)果的驗證，泰國政府致函感謝。

2022年，柬埔寨發(fā)生沉船事故。應(yīng)柬方請求，喬方利率團(tuán)隊運(yùn)用海浪-潮流-環(huán)流海洋耦合模式，為柬方提供了專業(yè)化、高精度預(yù)測，被后續(xù)打撈結(jié)果所證實，為事件處置發(fā)揮了核心科技支撐作用，柬埔寨政府致函感謝。

2022年，喬方利團(tuán)隊在耦合海浪的氣候模式基礎(chǔ)上建立的短期氣候預(yù)測系統(tǒng)，參與了北京冬奧會和冬殘奧會氣候保障會商，從厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）、海溫、北極海冰等角度出發(fā)，為北京冬奧會和冬殘奧會賽區(qū)及周邊地區(qū)提供了專業(yè)化的季節(jié)和延伸期的預(yù)測服務(wù)。

此外，喬方利團(tuán)隊創(chuàng)建了“21世紀(jì)海上絲綢之路海洋環(huán)境預(yù)報系統(tǒng)”，受國際組織邀請直接服務(wù)于東南亞國家，成為我國海洋科技自主創(chuàng)新支撐海上絲綢之路建設(shè)的范例。2022年喬方利與歐美等25個國家的科學(xué)家成功發(fā)起了聯(lián)合國“海洋十年”海洋與氣候無縫預(yù)測（OSF）大科學(xué)計劃，標(biāo)志著我國在海洋與氣候預(yù)測領(lǐng)域從長期的科技積累走向了國際引領(lǐng)。

2023年5月21日，歐洲科學(xué)院院長馬佳·馬科洛夫教授向喬方利發(fā)來賀信，祝賀他當(dāng)選歐洲科學(xué)院外籍院士。本次獲選，充分體現(xiàn)了喬方利在湍流研究，以及海洋和氣候預(yù)測領(lǐng)域作出的國際杰出科技貢獻(xiàn)。喬方利也是自然資源部首位當(dāng)選的歐洲科學(xué)院院士，標(biāo)志著自然資源部高端人才隊伍建設(shè)取得新成績。

科學(xué)根植于民，服務(wù)于民。喬方利表示，他將牢記科技為民的初心和使命，傳承我國老一輩科學(xué)家以身許國、心系人民的優(yōu)良傳統(tǒng)，堅持以自主科技創(chuàng)新為全球海洋治理和社會可持續(xù)發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)。

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