海洋是大氣主要的熱源和水汽源地，對(duì)全球氣候和極端天氣起重要調(diào)節(jié)作用。作為全球氣候的“大空調(diào)”，海洋在調(diào)節(jié)地球氣候的同時(shí)，也潛藏著引發(fā)極端氣候和天氣事件的根源。
10月24日，在青島舉辦的藍(lán)色防災(zāi)減災(zāi)國(guó)際論壇上，依托我國(guó)湍流理論與模式技術(shù)重大突破的海洋與氣候藍(lán)色防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)——“海洋之神”早期預(yù)警通用系統(tǒng)正式對(duì)國(guó)際發(fā)布。該論壇以“致力藍(lán)色防災(zāi)減災(zāi)，共同設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)氣候變化的海洋解決方案”為主題，由自然資源部**海洋研究所、聯(lián)合國(guó)“海洋十年”海洋與氣候協(xié)作中心（DCC-OCC）和愛思唯爾（Elsevier）聯(lián)合主辦。
圖為：以“致力藍(lán)色防災(zāi)減災(zāi)，共同設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)氣候變化的海洋解決方案”為主題的藍(lán)色防災(zāi)減災(zāi)國(guó)際論壇2024年10月24日現(xiàn)場(chǎng)1“飛沫”在海氣交換湍流中的關(guān)鍵作用
在海洋與氣候研究領(lǐng)域，湍流與海浪的動(dòng)態(tài)交互一直是科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。歐洲科學(xué)院院士、自然資源部**海洋研究所副所長(zhǎng)喬方利及其團(tuán)隊(duì)的研究工作使傳統(tǒng)認(rèn)知發(fā)生了顛覆性革新。
他們發(fā)現(xiàn)了非破碎海浪在海洋湍流中的控制性作用，揭示了海浪破碎產(chǎn)生的飛沫等微觀過程在海氣熱量交換中扮演關(guān)鍵角色，進(jìn)而影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和氣候化。
基于這些開創(chuàng)性的研究成果，團(tuán)隊(duì)提出浪致混合理論，揭示了波浪在海洋與大氣交換中的關(guān)鍵作用，這一理論在國(guó)際上被廣泛認(rèn)可，被譽(yù)為“喬理論”。
圖為：2023年9月28日-浪致混合理論在聯(lián)合國(guó)海洋十年會(huì)議發(fā)布“風(fēng)吹海面使得波浪破碎進(jìn)而產(chǎn)生很多小水滴（即飛沫）的過程，以往在預(yù)報(bào)模式中被忽略了”。喬方利指出，傳統(tǒng)海洋、臺(tái)風(fēng)和氣候模式中有一個(gè)關(guān)鍵缺失，即對(duì)“飛沫”效應(yīng)的忽視。浪致混合理論的提出，為解決這一問題提供了有效的途徑。
在浪致混合理論中，“飛沫”被視為影響海氣熱量交換的關(guān)鍵因素。以臺(tái)風(fēng)為例，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(bào)的臺(tái)風(fēng)變強(qiáng)；而波浪產(chǎn)生的湍流混合以及降雨過程則可通過降低海表溫度進(jìn)而減少海氣之間的熱交換，使得預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)變?nèi)酢Ｒ陨蟽煞N過程互相競(jìng)爭(zhēng)。
基于這一科學(xué)認(rèn)知構(gòu)建的海浪-潮流-環(huán)流耦合數(shù)值模式、大氣-海浪-海洋耦合臺(tái)風(fēng)模式，以及包含海浪的氣候模式，均分別顯著提升了海洋、臺(tái)風(fēng)和氣候的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力。其中，多個(gè)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)精度平均提升了40%，對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)提升甚至可以達(dá)到80%以上；利用“喬理論”進(jìn)行耦合建模，海洋環(huán)境模擬誤差減少了86%，海洋極端環(huán)境的預(yù)報(bào)能力隨之本質(zhì)性提高；增加考慮海浪過程，氣候模式的精度提升了約一半。我國(guó)海洋、臺(tái)風(fēng)和氣候的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力也由此跨越式進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。
在國(guó)內(nèi)外突發(fā)性海洋重大事件中，運(yùn)用“喬理論”建立的海洋模式已多次提供準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)方案。如在2006年渤海重大溢油事件中迅速鎖定肇事運(yùn)油船只，在2018年東海“桑吉輪”大規(guī)模溢油時(shí)，對(duì)油漬漂移路徑進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；2021年日本政府提出擬向太平洋排放核廢水，團(tuán)隊(duì)迅速科學(xué)定量分析了核廢水的影響，在國(guó)際高影響期刊“海洋污染快報(bào)(MPB)”發(fā)表相關(guān)文章；在2018年泰國(guó)和2022年柬埔寨海難事故的海上搜救過程中，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)兩國(guó)政府邀請(qǐng)?zhí)峁┝藴?zhǔn)確的搜救“靶區(qū)”預(yù)測(cè)。
圖為：歐洲科學(xué)院院士、自然資源部**海洋研究所副所長(zhǎng)喬方利（右）與聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）政府間海洋學(xué)委員會(huì)（IOC）的前執(zhí)秘兼UNESCO助理總干事弗拉基米爾·拉賓寧（左）接受采訪
2 “海洋之神”預(yù)報(bào)時(shí)效更長(zhǎng)覆蓋更廣
盡管海洋觀測(cè)與預(yù)測(cè)是科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)的基石，但海洋的復(fù)雜性以及對(duì)其內(nèi)部物理過程科學(xué)認(rèn)知的局限性，導(dǎo)致了傳統(tǒng)海洋數(shù)值模式在模擬海洋環(huán)境時(shí)，往往誤差較大，尤其是在預(yù)測(cè)海洋極端事件方面能力更為有限。
憑借其顯著提升的海洋、臺(tái)風(fēng)及氣候預(yù)測(cè)能力，“海洋之神”早期預(yù)警通用系統(tǒng)受到了國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注。其內(nèi)涵的“早期預(yù)警”意味著該系統(tǒng)將通過無縫預(yù)報(bào)核心科技實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)的時(shí)效更長(zhǎng)，而“通用”則表示該系統(tǒng)將覆蓋海洋、臺(tái)風(fēng)和氣候等的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
“半個(gè)世紀(jì)以來，海洋、臺(tái)風(fēng)和氣候預(yù)報(bào)領(lǐng)域的主要進(jìn)展主要來自于美國(guó)和歐洲等海洋科技發(fā)達(dá)國(guó)家，但極端環(huán)境預(yù)測(cè)仍存在顯著的系統(tǒng)性偏差。我國(guó)經(jīng)過近二十年的持續(xù)艱苦科技攻關(guān)，取得了一系列原創(chuàng)理論和關(guān)鍵技術(shù)的突破。”喬方利強(qiáng)調(diào)，這些成果已經(jīng)能夠使我們更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)海洋相關(guān)的各類災(zāi)害。
作為海洋與氣候無縫預(yù)報(bào)系統(tǒng)（OSF）國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃成功實(shí)施的重要成果之一，該系統(tǒng)推出后，將通過多國(guó)協(xié)作，共同提升海洋與氣候領(lǐng)域的防災(zāi)減災(zāi)能力，未來還將繼續(xù)完善并推出更多子系統(tǒng)，為全球提供高水平科技公共服務(wù)產(chǎn)品。
3 研發(fā)出新型漂流浮標(biāo)
喬方利同時(shí)指出，除了我國(guó)原創(chuàng)建立的浪致混合理論和海氣通量全新認(rèn)知以外，該團(tuán)隊(duì)在海洋觀測(cè)的核心技術(shù)方面也取得了重要突破。
為解決海洋觀測(cè)領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的設(shè)備購(gòu)置與維護(hù)成本高昂難題，自然資源部**海洋研究所喬方利、劉焱雄等專家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了跨學(xué)科深度合作，成功研發(fā)出新型GNSS漂流浮標(biāo)。這一成果不僅將海洋觀測(cè)儀器的成本大幅降低了95%，而且保持了與目前國(guó)際經(jīng)典設(shè)備相當(dāng)?shù)挠^測(cè)精度，同時(shí)觀測(cè)要素更為豐富，還能通過衛(wèi)星進(jìn)行智能控制。經(jīng)過多次海上試驗(yàn)，新型GNSS漂流浮標(biāo)已在海上施工安全保障、海洋生態(tài)保護(hù)以及臺(tái)風(fēng)過程觀測(cè)中得到了多次實(shí)際應(yīng)用，并取得顯著成效。
“海洋承載著漫長(zhǎng)歷史的氣候信號(hào)，是極端事件的‘調(diào)控者’”，喬方利再次強(qiáng)調(diào)，“希望越來越多的人能夠關(guān)注海洋及其變化。”
延伸閱讀 海洋與氣候緊密相關(guān)
今年9月超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“摩羯”在中國(guó)和越南登陸，10月初強(qiáng)颶風(fēng)海倫妮在美國(guó)東部肆虐，全球氣候變暖背景下類似的極端災(zāi)害事件頻繁發(fā)生，海平面上升、珊瑚礁白化、海洋熱浪、極端高溫以及氣候干旱/洪澇等全球性海洋和氣候?yàn)?zāi)害給人類社會(huì)帶來了巨大的壓力。
“海洋在氣候變化中發(fā)揮了控制性作用。”喬方利在接受專訪時(shí)強(qiáng)調(diào)了海洋在氣候變化中的核心地位。
由中國(guó)氣象局氣候變化中心發(fā)布的《中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書2024》顯示，海洋占地球表面積的71%，儲(chǔ)存了地球系統(tǒng)中97%的水。同時(shí)，海洋也吸收了20%至30%人類活動(dòng)排放的二氧化碳，儲(chǔ)存了約93%的氣候系統(tǒng)凈熱量盈余。海洋表面溫度、海洋熱含量、海平面高度和海洋pH都是表征氣候變化的核心指標(biāo)。
然而，與預(yù)測(cè)天氣相比，涉及海洋的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)能力目前還相對(duì)薄弱，資金投入不足。海洋科學(xué)研究的復(fù)雜性甚至高于大氣，相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)也無法像監(jiān)測(cè)大氣那樣提供實(shí)時(shí)、全面的信息。
聯(lián)合國(guó)教科文組織政府間海洋學(xué)委員會(huì)（UNESCO-IOC）前執(zhí)秘兼UNESCO助理總干事弗拉基米爾·拉賓寧博士指出，“定量的海洋科學(xué)描述是解決這一問題的必要途徑”。
來源：北京科技報(bào)
記者：李晶
來源：北京號(hào)
作者：北京科技報(bào)
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