小小海洋“飞沫”如何影响台风和气候预测预报？“海洋之神”早期预警通用系统发布
职场
2024-11-07 18:44
北京
海洋是大气主要的热源和水汽源地，对全球气候和极端天气起重要调节作用。作为全球气候的“大空调”，海洋在调节地球气候的同时，也潜藏着引发极端气候和天气事件的根源。10月24日，在青岛举办的蓝色防灾减灾国际论坛上，依托我国湍流理论与模式技术重大突破的海洋与气候蓝色防灾减灾系统——“海洋之神”早期预警通用系统正式对国际发布。该论坛以“致力蓝色防灾减灾，共同设计应对气候变化的海洋解决方案”为主题，由自然资源部第一海洋研究所、联合国“海洋十年”海洋与气候协作中心（DCC-OCC）和爱思唯尔（Elsevier）联合主办。![]()
图为：以“致力蓝色防灾减灾，共同设计应对气候变化的海洋解决方案”为主题的蓝色防灾减灾国际论坛2024年10月24日现场
在海洋与气候研究领域，湍流与海浪的动态交互一直是科学家们关注的焦点。欧洲科学院院士、自然资源部第一海洋研究所副所长乔方利及其团队的研究工作使传统认知发生了颠覆性革新。他们发现了非破碎海浪在海洋湍流中的控制性作用，揭示了海浪破碎产生的飞沫等微观过程在海气热量交换中扮演关键角色，进而影响台风强度和气候化。基于这些开创性的研究成果，团队提出浪致混合理论，揭示了波浪在海洋与大气交换中的关键作用，这一理论在国际上被广泛认可，被誉为“乔理论”。![]()
图为：2023年9月28日-浪致混合理论在联合国海洋十年会议发布“风吹海面使得波浪破碎进而产生很多小水滴（即飞沫）的过程，以往在预报模式中被忽略了”。乔方利指出，传统海洋、台风和气候模式中有一个关键缺失，即对“飞沫”效应的忽视。浪致混合理论的提出，为解决这一问题提供了有效的途径。在浪致混合理论中，“飞沫”被视为影响海气热量交换的关键因素。以台风为例，波浪破碎产生的飞沫可以大幅度增加海洋与大气之间的热量传递，从而使得预报的台风变强；而波浪产生的湍流混合以及降雨过程则可通过降低海表温度进而减少海气之间的热交换，使得预报的台风变弱。以上两种过程互相竞争。基于这一科学认知构建的海浪-潮流-环流耦合数值模式、大气-海浪-海洋耦合台风模式，以及包含海浪的气候模式，均分别显著提升了海洋、台风和气候的预测预报能力。其中，多个台风强度预报精度平均提升了40%，对强台风预报提升甚至可以达到80%以上；利用“乔理论”进行耦合建模，海洋环境模拟误差减少了86%，海洋极端环境的预报能力随之本质性提高；增加考虑海浪过程，气候模式的精度提升了约一半。我国海洋、台风和气候的预测预报能力也由此跨越式进入世界领先行列。在国内外突发性海洋重大事件中，运用“乔理论”建立的海洋模式已多次提供准确的预测和应对方案。如在2006年渤海重大溢油事件中迅速锁定肇事运油船只，在2018年东海“桑吉轮”大规模溢油时，对油渍漂移路径进行了准确预测；2021年日本政府提出拟向太平洋排放核废水，团队迅速科学定量分析了核废水的影响，在国际高影响期刊“海洋污染快报(MPB)”发表相关文章；在2018年泰国和2022年柬埔寨海难事故的海上搜救过程中，团队应两国政府邀请提供了准确的搜救“靶区”预测。![]()
图为：欧洲科学院院士、自然资源部第一海洋研究所副所长乔方利（右）与联合国教科文组织（UNESCO）政府间海洋学委员会（IOC）的前执秘兼UNESCO助理总干事弗拉基米尔·拉宾宁（左）接受采访
尽管海洋观测与预测是科学防灾减灾的基石，但海洋的复杂性以及对其内部物理过程科学认知的局限性，导致了传统海洋数值模式在模拟海洋环境时，往往误差较大，尤其是在预测海洋极端事件方面能力更为有限。凭借其显著提升的海洋、台风及气候预测能力，“海洋之神”早期预警通用系统受到了国际社会广泛关注。其内涵的“早期预警”意味着该系统将通过无缝预报核心科技实现预报的时效更长，而“通用”则表示该系统将覆盖海洋、台风和气候等的预测预报。“半个世纪以来，海洋、台风和气候预报领域的主要进展主要来自于美国和欧洲等海洋科技发达国家，但极端环境预测仍存在显著的系统性偏差。我国经过近二十年的持续艰苦科技攻关，取得了一系列原创理论和关键技术的突破。”乔方利强调，这些成果已经能够使我们更准确地预测海洋相关的各类灾害。作为海洋与气候无缝预报系统（OSF）国际大科学计划成功实施的重要成果之一，该系统推出后，将通过多国协作，共同提升海洋与气候领域的防灾减灾能力，未来还将继续完善并推出更多子系统，为全球提供高水平科技公共服务产品。
乔方利同时指出，除了我国原创建立的浪致混合理论和海气通量全新认知以外，该团队在海洋观测的核心技术方面也取得了重要突破。为解决海洋观测领域长期面临的设备购置与维护成本高昂难题，自然资源部第一海洋研究所乔方利、刘焱雄等专家团队进行了跨学科深度合作，成功研发出新型GNSS漂流浮标。这一成果不仅将海洋观测仪器的成本大幅降低了95%，而且保持了与目前国际经典设备相当的观测精度，同时观测要素更为丰富，还能通过卫星进行智能控制。经过多次海上试验，新型GNSS漂流浮标已在海上施工安全保障、海洋生态保护以及台风过程观测中得到了多次实际应用，并取得显著成效。“海洋承载着漫长历史的气候信号，是极端事件的‘调控者’”，乔方利再次强调，“希望越来越多的人能够关注海洋及其变化。”今年9月超强台风“摩羯”在中国和越南登陆，10月初强飓风海伦妮在美国东部肆虐，全球气候变暖背景下类似的极端灾害事件频繁发生，海平面上升、珊瑚礁白化、海洋热浪、极端高温以及气候干旱/洪涝等全球性海洋和气候灾害给人类社会带来了巨大的压力。“海洋在气候变化中发挥了控制性作用。”乔方利在接受专访时强调了海洋在气候变化中的核心地位。由中国气象局气候变化中心发布的《中国气候变化蓝皮书2024》显示，海洋占地球表面积的71%，储存了地球系统中97%的水。同时，海洋也吸收了20%至30%人类活动排放的二氧化碳，储存了约93%的气候系统净热量盈余。海洋表面温度、海洋热含量、海平面高度和海洋pH都是表征气候变化的核心指标。然而，与预测天气相比，涉及海洋的监测和预测能力目前还相对薄弱，资金投入不足。海洋科学研究的复杂性甚至高于大气，相关监测技术也无法像监测大气那样提供实时、全面的信息。联合国教科文组织政府间海洋学委员会（UNESCO-IOC）前执秘兼UNESCO助理总干事弗拉基米尔·拉宾宁博士指出，“定量的海洋科学描述是解决这一问题的必要途径”。![]()
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