小小海洋“飛沫”會影響全球氣候“大空調(diào)”？“海洋之神”早期預(yù)警有絕招

海洋是大氣主要的熱源和水汽源地，對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，也潛藏著引發(fā)極端氣候和天氣事件的根源。

10月24日，在青島舉辦的藍色防災(zāi)減災(zāi)國際論壇上，依托我國湍流理論與模式技術(shù)重大突破的海洋與氣候藍色防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)——“海洋之神”早期預(yù)警通用系統(tǒng)正式對國際發(fā)布。該論壇以“致力藍色防災(zāi)減災(zāi)，共同設(shè)計應(yīng)對氣候變化的海洋解決方案”為主題，由自然資源部第一海洋研究所、聯(lián)合國“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“致力藍色防災(zāi)減災(zāi)，共同設(shè)計應(yīng)對氣候變化的海洋解決方案”為主題的藍色防災(zāi)減災(zāi)國際論壇2024年10月24日現(xiàn)場

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，湍流與海浪的動態(tài)交互一直是科學(xué)家們關(guān)注的焦點。歐洲科學(xué)院院士、自然資源部第一海洋研究所副所長喬方利及其團隊的研究工作使傳統(tǒng)認知發(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，進而影響臺風(fēng)強度和氣候化。

基于這些開創(chuàng)性的研究成果，團隊提出浪致混合理論，揭示了波浪在海洋與大氣交換中的關(guān)鍵作用，這一理論在國際上被廣泛認可，被譽為“喬理論”。

圖為：2023年9月28日-浪致混合理論在聯(lián)合國海洋十年會議發(fā)布

“風(fēng)吹海面使得波浪破碎進而產(chǎn)生很多小水滴（即飛沫）的過程，以往在預(yù)報模式中被忽略了”。喬方利指出，傳統(tǒng)海洋、臺風(fēng)和氣候模式中有一個關(guān)鍵缺失，即對“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)報的臺風(fēng)變強；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而減少海氣之間的熱交換，使得預(yù)報的臺風(fēng)變?nèi)?。以上兩種過程互相競爭。

基于這一科學(xué)認知構(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、臺風(fēng)和氣候的預(yù)測預(yù)報能力。其中，多個臺風(fēng)強度預(yù)報精度平均提升了40%，對強臺風(fēng)預(yù)報提升甚至可以達到80%以上；利用“喬理論”進行耦合建模，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。我國海洋、臺風(fēng)和氣候的預(yù)測預(yù)報能力也由此跨越式進入世界領(lǐng)先行列。

在國內(nèi)外突發(fā)性海洋重大事件中，運用“喬理論”建立的海洋模式已多次提供準(zhǔn)確的預(yù)測和應(yīng)對方案。如在2006年渤海重大溢油事件中迅速鎖定肇事運油船只，在2018年東?！吧＜啞贝笠?guī)模溢油時，對油漬漂移路徑進行了準(zhǔn)確預(yù)測；2021年日本政府提出擬向太平洋排放核廢水，團隊迅速科學(xué)定量分析了核廢水的影響，在國際高影響期刊“海洋污染快報(MPB)”發(fā)表相關(guān)文章；在2018年泰國和2022年柬埔寨海難事故的海上搜救過程中，團隊?wèi)?yīng)兩國政府邀請?zhí)峁┝藴?zhǔn)確的搜救“靶區(qū)”預(yù)測。

2 “海洋之神”預(yù)報時效更長覆蓋更廣

盡管海洋觀測與預(yù)測是科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)的基石，但海洋的復(fù)雜性以及對其內(nèi)部物理過程科學(xué)認知的局限性，導(dǎo)致了傳統(tǒng)海洋數(shù)值模式在模擬海洋環(huán)境時，往往誤差較大，尤其是在預(yù)測海洋極端事件方面能力更為有限。

憑借其顯著提升的海洋、臺風(fēng)及氣候預(yù)測能力，“海洋之神”早期預(yù)警通用系統(tǒng)受到了國際社會廣泛關(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)報核心科技實現(xiàn)預(yù)報的時效更長，而“通用”則表示該系統(tǒng)將覆蓋海洋、臺風(fēng)和氣候等的預(yù)測預(yù)報。

“半個世紀(jì)以來，海洋、臺風(fēng)和氣候預(yù)報領(lǐng)域的主要進展主要來自于美國和歐洲等海洋科技發(fā)達國家，但極端環(huán)境預(yù)測仍存在顯著的系統(tǒng)性偏差。我國經(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?！眴谭嚼麖娬{(diào)，這些成果已經(jīng)能夠使我們更準(zhǔn)確地預(yù)測海洋相關(guān)的各類災(zāi)害。

作為海洋與氣候無縫預(yù)報系統(tǒng)（OSF）國際大科學(xué)計劃成功實施的重要成果之一，該系統(tǒng)推出后，將通過多國協(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)

喬方利同時指出，除了我國原創(chuàng)建立的浪致混合理論和海氣通量全新認知以外，該團隊在海洋觀測的核心技術(shù)方面也取得了重要突破。

為解決海洋觀測領(lǐng)域長期面臨的設(shè)備購置與維護成本高昂難題，自然資源部第一海洋研究所喬方利、劉焱雄等專家團隊進行了跨學(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儀器的成本大幅降低了95%，而且保持了與目前國際經(jīng)典設(shè)備相當(dāng)?shù)挠^測精度，同時觀測要素更為豐富，還能通過衛(wèi)星進行智能控制。經(jīng)過多次海上試驗，新型GNSS漂流浮標(biāo)已在海上施工安全保障、海洋生態(tài)保護以及臺風(fēng)過程觀測中得到了多次實際應(yīng)用，并取得顯著成效。

“海洋承載著漫長歷史的氣候信號，是極端事件的‘調(diào)控者’”，喬方利再次強調(diào)，“希望越來越多的人能夠關(guān)注海洋及其變化?！?/p>

延伸閱讀

海洋與氣候緊密相關(guān)

今年9月超強臺風(fēng)“摩羯”在中國和越南登陸，10月初強颶風(fēng)海倫妮在美國東部肆虐，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災(zāi)害給人類社會帶來了巨大的壓力。

“海洋在氣候變化中發(fā)揮了控制性作用?！眴谭嚼诮邮軐ＴL時強調(diào)了海洋在氣候變化中的核心地位。

由中國氣象局氣候變化中心發(fā)布的《中國氣候變化藍皮書2024》顯示，海洋占地球表面積的71%，儲存了地球系統(tǒng)中97%的水。同時，海洋也吸收了20%至30%人類活動排放的二氧化碳，儲存了約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)測天氣相比，涉及海洋的監(jiān)測和預(yù)測能力目前還相對薄弱，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)測技術(shù)也無法像監(jiān)測大氣那樣提供實時、全面的信息。

聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學(xué)委員會（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

記者：李晶

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