近年来，受全球气候变化影响，厄尔尼诺和拉尼娜等引起的极端气候和天气在多地频繁发生。它们背后的机制是什么？为什么气象预报超过7天就很难达到准确？海洋在整个气候系统中发挥着怎样的作用？海洋与气候变化有着什么样的内在关联？中国的海洋科学在助力海洋与气候防灾减灾方面发挥着怎样的作用?……联合国“海洋十年”海洋与气候协作中心主任、自然资源部第一海洋研究所副所长乔方利研究员在近日由爱思唯尔主办的“探索海洋与气候研究前沿媒体圆桌会”上指出，海洋、大气、陆地和冰冻圈组成了极为复杂的气候系统；而海洋本身又包含了动力学、生物、化学、地质等复杂的过程，它们之间有非常强烈的相互作用。海洋是整个气候系统的核心，在气候变化过程中起着决定性的作用。

海洋是气候变化的真正控制者

乔方利研究员介绍，气候变化本质上是人类活动排放的二氧化碳等温室气体造成全球气候变暖。最新发布的全球气候变化第六次评估报告IPCC-AR6显示，温室气体造成的全球热量增加，有93%进入了海洋，只有约2.3%的热量进入了大气系统。2-3米的海洋所含的热含量与整个大气的热含量相当。全球海洋平均深度为3500米，换句话说，海洋的热含量是大气热含量的1000多倍。打个形象的比方，海洋就好比地球气候系统的一个“大空调”，如果没有海洋的调节，地球气候系统或许早已崩溃；如果海洋打个喷嚏，地球气候系统会感冒，而且会是重感冒。这些认知已经是全球科学界的共识，但在我国仍普及得不够。几天内的天气变化主要取决于大气环流的作用，几个月甚至更长时间的天气与气候系统的变化，则由海洋控制。海、陆、气、冰通过它们之间的界面不断进行物质和能量交换。科学家基于物理学、地球流体力学、大气科学和海洋科学基本定律的微分方程组把海、陆、气、冰相互作用的系统表达出来，称为“气候模式”。要求解这些方程组，还需要计算数学和强大的计算机。气候模式的水平是一个国家科技综合实力的体现，预报精度又直接决定了国家的防灾减灾能力。

人们切身感受到天气的变化，时间越短则天气预报的准确度越高，而越长时间范围内的天气到气候系统的预报就越不准确，原因在于：时间越长海洋发挥的作用越大，但我们对于海洋本身、对于海洋如何影响大气（海洋与大气之间的交换）理解不够。比如海洋中有很大尺度（几千公里到全球尺度）的环流，也有如一二百公里的中尺度涡动、100米的波浪、还有毫米量级的湍流等等，它们之间有非常强的相互作用，而对于这些过程，科学家们至今还没有充分理解。半个世纪以前，气候模式中通常每500公里一个点代表周边，科学家们在气候模式分辨率的提高方面开展了许多工作，现在一般可以做到每50公里（甚至几公里）一个点来代表周边。随着分辨率的提高，人们对于海洋与大气、海洋与陆地之间热交换过程的理解也增加了，这些理解使得科学家预测气象和气候的能力也在不断提高，但预测的准确性仍然不能满足社会需求。

乔方利认为，既懂海洋又懂大气，才能比较好地理解海气交界面。过去相当长时间内，海洋和大气一直是分立研究的。大气领域的专家会高度关注海洋表面的温度，只要知道海面的温度是多少、是冷还是暖就够了。反过来讲，海洋领域的专家仅关心来自大气的强迫。但实际上，当研究人员真正理解海洋的一些复杂相互作用过程就会发现，只知道海面温度，用它做气象预报是远远不够的。海洋与大气之间非常复杂、互相关联的海气通量过程，需要学科交叉研究。

世界海洋观测领域的3次革命

乔方利介绍，世界海洋观测领域发生过几次革命。第一次是1978年美国的海洋卫星上天，原来海洋观测是在一个一个地点测量，海洋卫星一上天，一下子就可以同时获取一片的观测、甚至了解全球海洋状况了。经过几十年的努力，我国的海洋卫星取得了长足进步，我国已进入了世界海洋卫星大国的行列。

第二次海洋观测革命与厄尔尼诺和拉尼娜现象有关。简单地说，在赤道太平洋海域，海水温度异常升高被称为厄尔尼诺现象，异常降低叫拉尼娜现象。由于1982年-1983年曾遭遇非常强的厄尔尼诺，世界气候出现了很大异常，美国就联合世界上多个国家在赤道附近建了太平洋浮标阵，后来又拓展到赤道大西洋和印度洋，目前一共布放了150多个浮标进行实时观测。

第三次革命是发展了ARGO观测计划，也即“ARGO全球海洋观测网”。ARGO可以在海洋里自动下沉到2000米水深处，完成观测后再漂回洋面，把数据通过卫星发回陆地基地。现在全球海洋里共有约4000个ARGO浮标，虽然数量看起来不少，但由于ARGO浮标每次下沉与上浮需要10天，也就是说，每天全球只有400个观测，这些数据对于全球广袤的海洋其实是远远不够的。海洋观测长期面临的最大问题就是花费过于昂贵。乔方利带领团队利用北斗卫星等发展了一种新型浮标，可以测海洋里的波浪、海水的温度、大气里的水气含量等关键指标。它使用的是来自北斗卫星等的免费数据，过去提取的数据精度不够，乔方利率团队经过多学科交叉，大幅提升了信号的精度，这样就可以准确测量海洋的波浪是多高、海洋的表层流动有多快、大气中水汽含量是多少等等，这些花费只是原来观测成本的4%左右，因此可以在全球或者局部海域大幅投放，极大增强人类获取海洋数据的能力，有望给未来的海洋观测、气候观测带来一场新的革命。

一些推动气候模式进展的突破性研究成果

深耕台风与气候变化研究多年，乔方利和他的团队取得了一些突破性的研究成果，将我国海洋、台风和气候模式的预测预报精度推进到了世界前沿，加之雷达、监测卫星等新工具提供的信息，我国这些年里预测台风路径的准确度提升了50%左右。由乔方利团队所推动的模式进展具体体现在以下三个方面。

其一是对湍流理论的科学理解。湍流是世界科学难题，但决定了模式的预报精度。从全球尺度看，波浪的空间尺度很小，它的平均高度只有1米左右，平均波长也只有100米左右，而气候系统的空间尺度是数千公里到全球上万公里。因此，原来国内外学者认为波浪和气候是完全不相关的。乔方利率团队发现，波浪在上层海洋中会产生很强的湍流，创建了浪致混合理论，而湍流会改变上层海洋的热力结构，上层海洋的热力结构又决定了气候系统未来的发展。在气候模式中加入浪致湍流理论，能够大幅提高极端天气预报和气候预测的准确性。

其二是增进了对飞沫水汽过程的理解。海浪破碎会产生飞沫。人们去海边很容易发现，刮大风时海面雾蒙蒙一片，这其实就是飞沫。当风把飞沫卷到空气中，飞沫就会在海洋与大气之间传递许多热量和水汽。飞沫传递的热量是海洋传递到大气中热量的重要组成部分，而水汽又会直接影响降水。此前的气候模式并未考虑这一过程。乔方利团队发现，该过程对全球气候有重大影响作用。“台风的强度取决于热量，台风在海上传播，获得热量它就快速成长，一旦登陆，如果没有海洋给它热量，它很快就会‘死亡’。既然台风强度取决于热量，那么我们把飞沫加入台风模式，热量传递过程就被改变了。最终，凭着对海浪这个过程的理解，我们把台风强度的预报精度提高了40%。这对于未来的防灾减灾会带来很大作用！”乔方利兴奋地表示。“这也打破了过去30年来国内外在台风强度预报领域几乎没有进展的局面。”

其三是对海洋和大气之间交换过程的理解。比如海风会产生风应力来驱动海洋流动。过去的数值模式中，风向与风应力的方向是完全一致的。但乔方利团队经过实际观测发现，并非如此。因为海洋和大气之间存在波浪，波浪能改变风应力方向，也能改变风应力大小。假如风朝东吹，在波浪作用下，风应力并不一定朝东，而是朝东北或东南，甚至朝西，这就颠覆了原来的科学认知。把这些科学认知加入模式中，能直接提升海洋、台风和气候的预测预报能力。

记者从圆桌会议上获悉，未来，爱思唯尔将利用其全球科研网络和丰富的出版资源，为联合国“海洋十年”海洋与气候协作中心负责协调的国际大科学计划提供高水平学术交流平台，助力其研究成果的快速发表、广泛传播与实际应用。同时，联合国“海洋十年”海洋与气候协作中心与爱思唯尔将联合开展青年科学家培养计划，通过提供专业的学术培训和国际交流，激发青年一代在海洋与气候科学领域的创新活力。双方合作还将聚焦于提升公众对海洋和气候问题及可持续发展重要性的认识，通过共同举办科普讲座、发布权威报告、开发教育资源等多种形式，引导社会各界深度关注并积极参与保护海洋、应对气候变化的行动。