揭秘?zé)釒ШＱ笥绊憱|亞氣候的“開關(guān)”，復(fù)旦院士團(tuán)隊(duì)榮獲一等獎(jiǎng)！

極端天氣頻發(fā)，背后的“遙控器”在哪？

遠(yuǎn)在千里之外的熱帶海洋,

如何影響東亞的晴雨冷暖？

近日，復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系

張人禾院士和周震強(qiáng)副教授的研究成果

《熱帶海洋影響東亞季風(fēng)的物理過程：西太反氣旋的形成和維持機(jī)制》

榮獲教育部自然科學(xué)研究成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

他們破解的，正是隱藏在氣候異常背后的“遙控密碼”

這項(xiàng)始于上世紀(jì)90年代的研究

首次系統(tǒng)揭示了

熱帶太平洋、印度洋等海域的溫度變化

如何通過大氣環(huán)流中的關(guān)鍵系統(tǒng)

“西北太平洋異常反氣旋”

精準(zhǔn)影響東亞季風(fēng)與我國(guó)極端降水

該研究不僅解開了橫跨大洋的氣候影響之謎

也為我國(guó)應(yīng)對(duì)復(fù)雜天氣氣候挑戰(zhàn)提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)支撐

這一重大成果的背后

并非一場(chǎng)突如其來的靈感爆發(fā)

而是團(tuán)隊(duì)幾十年循序漸進(jìn)的積累產(chǎn)生的突破

1

跨越大洋的氣候“開關(guān)”，藏在一個(gè)異常反氣旋中

走進(jìn)中國(guó)科學(xué)院院士張人禾教授的辦公室，墻上赫然掛著兩幅地圖。其中一張世界地圖，清晰標(biāo)注著全球大洋分布。經(jīng)過日復(fù)一日的研究，張人禾解決了一個(gè)長(zhǎng)期困擾學(xué)界的問題：遠(yuǎn)在萬里之外的熱帶中東太平洋海洋溫度變化，如何像一只無形的手，操縱著東亞的晴雨冷暖？

這個(gè)問題的關(guān)鍵“橋梁”就是西北太平洋異常反氣旋（簡(jiǎn)稱“西太反氣旋”，圖中a處順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的氣流）。

西太反氣旋（a處）及其形成機(jī)制示意圖。其中色彩代表海面溫度異常大小，矢量代表對(duì)流層低層異常風(fēng)場(chǎng)。

“當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時(shí)，中東太平洋暖水區(qū)上空大氣受熱上升，如同一個(gè)巨大的‘熱泵’啟動(dòng)。”張人禾舉例說，這個(gè)“熱泵”產(chǎn)生的效應(yīng)造成熱帶對(duì)流層高層的西傳異常氣流，在熱帶西太平洋下沉，導(dǎo)致原本旺盛的上升氣流受到抑制，大氣凝結(jié)潛熱加熱作用減弱，形成對(duì)流冷卻異常。這種冷卻異常會(huì)激發(fā)大氣產(chǎn)生一種名為“羅斯貝波”的響應(yīng)，最終在西北太平洋上空催生出一個(gè)穩(wěn)定的反氣旋環(huán)流。

這個(gè)異常反氣旋，正是厄爾尼諾影響東亞氣候的“開關(guān)”。張人禾介紹道，西太反氣旋通過改變大氣環(huán)流格局和水汽輸送路徑，進(jìn)而影響東亞季風(fēng)強(qiáng)度和我國(guó)東部地區(qū)的降水。“此前一直不清楚赤道中東太平洋的海溫異常如何影響遠(yuǎn)在太平洋西岸附近的東亞季風(fēng)，我們?cè)趪?guó)際上第一個(gè)系統(tǒng)揭示了其背后完整的物理過程。”

除了太平洋的厄爾尼諾，熱帶印度洋的海溫異常，也能通過類似的海洋-大氣耦合動(dòng)力過程，激發(fā)并維持這個(gè)關(guān)鍵的西太反氣旋。2020年夏季，長(zhǎng)江流域經(jīng)歷了一次超強(qiáng)梅雨季，降雨量多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。團(tuán)隊(duì)攜手國(guó)外專家合作研究發(fā)現(xiàn)，2019年秋季在南印度洋自東向西緩慢移動(dòng)的海洋羅斯貝波是導(dǎo)致2020年東亞梅雨異常偏多的重要原因。

“印度洋的異常加熱，正是通過激發(fā)西太反氣旋，將大量水汽輸送到長(zhǎng)江流域，導(dǎo)致了2020年破紀(jì)錄的極端降水。”獲獎(jiǎng)?wù)咧苷饛?qiáng)副教授介紹道。

張人禾對(duì)比著地圖解釋，團(tuán)隊(duì)的這些發(fā)現(xiàn)，將原本看似孤立的熱帶海洋異常與東亞區(qū)域氣候緊密聯(lián)系起來。研究開創(chuàng)了西太反氣旋鏈接熱帶海洋異常這一新的研究方向，系列成果被大量引用，在國(guó)際學(xué)術(shù)界取得了廣泛影響。

上述系列研究成果已成為國(guó)家相關(guān)業(yè)務(wù)部門的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，為提升東亞季風(fēng)及其相關(guān)聯(lián)的極端降水事件的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)水平提供了一個(gè)重要的科學(xué)基礎(chǔ)。“這些成果應(yīng)用一方面是對(duì)團(tuán)隊(duì)工作的認(rèn)可，另一方面也鞭策著我們不斷前行。”

2

“知識(shí)就是一個(gè)圈，圈內(nèi)的已知越多，圈外的未知也越多”

任何重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，都非一蹴而就。上世紀(jì)90年代，張人禾在東京大學(xué)做博士后。在這里，他與國(guó)際學(xué)者積極交流，并充分利用當(dāng)時(shí)優(yōu)越的科研條件刻苦鉆研。“最初的靈感，其實(shí)就是在對(duì)觀測(cè)資料的反復(fù)審視和思考中發(fā)現(xiàn)的。”張人禾表示，在對(duì)歷年厄爾尼諾的資料進(jìn)行審視時(shí)，他發(fā)現(xiàn)，在厄爾尼諾最強(qiáng)的時(shí)候，西北太平洋都有非常一致的反氣旋環(huán)流異常。

提出問題只是第一步，證明并解釋其背后的物理機(jī)制才是真正的挑戰(zhàn)。“科學(xué)研究最難的是提出問題，”張人禾說，“但是，如何解決問題同樣也很困難。”為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象的普適性，張人禾回溯分析了歷史上所有同類的厄爾尼諾事件，發(fā)現(xiàn)基本都出現(xiàn)了這一異常現(xiàn)象，這才初步確認(rèn)了所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象具有普適的規(guī)律性”。

隨后，便是機(jī)理探尋過程。團(tuán)隊(duì)需要從海洋動(dòng)力學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)等理論出發(fā)，構(gòu)建一個(gè)合理的物理模型，來解釋為何赤道東太平洋的暖水會(huì)導(dǎo)致西太平洋出現(xiàn)反氣旋異常，以及這個(gè)反氣旋又如何一步步將影響傳遞至東亞氣候。在研究過程中，遇到難題是家常便飯。張人禾坦言，這個(gè)過程沒有捷徑，遇到問題只能一個(gè)個(gè)解決，在浩如煙海的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的物理規(guī)律中尋找邏輯鏈條。

研究條件同樣也充滿了時(shí)代的烙印。九十年代初，國(guó)內(nèi)科研條件與國(guó)外差距巨大，計(jì)算機(jī)稀缺，很多基礎(chǔ)工作依賴于科研人員人工判讀和分析。“那時(shí)候的科研都是這么做的，大量的數(shù)據(jù)分析工作依賴人工和性能低下的計(jì)算機(jī)，耗費(fèi)著研究人員巨大的心血和時(shí)間。”而今，隨著觀測(cè)技術(shù)的逐步升級(jí)，輔以強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)協(xié)助分析，科研條件相比以往有了翻天覆地的變化。

隨著計(jì)算機(jī)性能的大力提升，張人禾也談到了復(fù)旦大學(xué)“伏羲”人工智能氣象大模型今后的發(fā)展，在他看來，人工智能與大氣科學(xué)深度融合，將是未來突破復(fù)雜氣候預(yù)測(cè)瓶頸和進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)水平的關(guān)鍵，也將會(huì)極大地推動(dòng)大氣科學(xué)研究。氣象大模型下一代的發(fā)展一定離不開對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)理的深入理解。“技術(shù)搭建的是一個(gè)框架，里面的血肉則需要更多的大氣科學(xué)專業(yè)知識(shí)來填充。”周震強(qiáng)補(bǔ)充道，學(xué)校已前瞻性地設(shè)立了“ai+大氣”雙學(xué)位培養(yǎng)項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)既懂先進(jìn)計(jì)算技術(shù)又深諳大氣科學(xué)原理的復(fù)合型人才，為未來氣象預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)化注入新動(dòng)力。

從最初發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，到構(gòu)建理論框架，再到應(yīng)用領(lǐng)域，張人禾的這項(xiàng)研究持續(xù)長(zhǎng)達(dá)近三十年，從熱帶太平洋拓展到熱帶印度洋和熱帶大西洋。在他看來，知識(shí)的確就像一個(gè)圈中的范圍，“圈中的已知越多，其實(shí)圈外的未知也越多。”這句樸素的話語，道出了基礎(chǔ)科學(xué)研究的永恒魅力與不懈挑戰(zhàn)。解決一個(gè)核心問題的同時(shí)，往往會(huì)帶出更多新的問題，推動(dòng)著研究不斷向更深處發(fā)展。目前，他的研究團(tuán)隊(duì)已形成包括多位獨(dú)立pi在內(nèi)的多個(gè)研究群體，圍繞對(duì)我國(guó)天氣氣候有重要影響的東亞季風(fēng)這一核心方向，在氣候動(dòng)力學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，從青藏高原、北極、陸氣相互作用等更多的視角深入認(rèn)識(shí)東亞氣候的變異機(jī)理。

3

在“無用”之學(xué)中，開掘萬用之基

在計(jì)算機(jī)尚未普及、數(shù)據(jù)分析主要依靠人工的年代，張人禾敏銳捕捉到了那個(gè)看似偶然卻反復(fù)出現(xiàn)的異常信號(hào)，發(fā)現(xiàn)了新的規(guī)律，這與他長(zhǎng)年累月的刻苦研究和思考密不可分。即便已經(jīng)成為院士，張人禾對(duì)科學(xué)問題的好奇心和深入探究的勁頭也從未減弱。作為學(xué)生，周震強(qiáng)觀察到：“張老師堪稱‘勞模’，我們經(jīng)常在半夜還能看到他辦公室的燈亮著，幾乎在任何周末和節(jié)假日張老師都會(huì)在辦公室。”

當(dāng)?shù)弥@得教育部自然科學(xué)研究成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)時(shí)，張人禾表現(xiàn)得十分平靜：“這不過是做了自己該做的事。”談及數(shù)十年如一日投身科研的動(dòng)力，他歸因于興趣與堅(jiān)持。“如果對(duì)一件事缺乏興趣，外力再怎么推動(dòng)，很難做到持續(xù)專注和長(zhǎng)久投入，因此很難取得重要成果。”他相信，當(dāng)代年輕人只有鎖定真正熱愛的目標(biāo)，才能做到埋頭苦干、持之以恒，終能抵達(dá)理想的彼岸。

面向未來，全球氣候變暖所帶來的新挑戰(zhàn)已成為團(tuán)隊(duì)聚焦的研究重點(diǎn)。全球變暖改變了原有的氣候背景場(chǎng)，導(dǎo)致極端天氣氣候事件頻發(fā)、強(qiáng)發(fā)，許多過去的大氣規(guī)律正在發(fā)生改變，新出現(xiàn)的大氣現(xiàn)象已經(jīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展以及人類的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重影響。“全球變暖如何改變氣候系統(tǒng)的性質(zhì)？大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)規(guī)律在全球變暖背景下有何種變化？為何極端事件會(huì)頻發(fā)、重發(fā)？這些問題亟需科學(xué)上的理解和認(rèn)識(shí)，也是我們現(xiàn)在和以后所聚焦的重要研究?jī)?nèi)容。”

盡管基礎(chǔ)研究不像技術(shù)發(fā)明和工程那般立竿見影，但對(duì)我國(guó)強(qiáng)國(guó)建設(shè)而言，其價(jià)值在張人禾看來無可替代。“獨(dú)創(chuàng)性科學(xué)研究成果的不斷產(chǎn)出是一個(gè)強(qiáng)國(guó)的重要體現(xiàn)，是精神文明的重要標(biāo)志，基礎(chǔ)研究也是今后我國(guó)實(shí)現(xiàn)‘領(lǐng)跑’的關(guān)鍵。基礎(chǔ)研究不應(yīng)該被看成是‘無用’之學(xué)，其價(jià)值的體現(xiàn)往往需要時(shí)間的沉淀，例如獲得諾貝爾獎(jiǎng)的溫室氣體影響氣候以及dna雙螺旋結(jié)構(gòu)等許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)生之時(shí)并不明確知道其用途”。張人禾強(qiáng)調(diào)，在大氣科學(xué)領(lǐng)域，深刻的基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)知，是應(yīng)對(duì)氣候變化、服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)等國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的根本前提。“當(dāng)然，我們未必能做出推動(dòng)人類進(jìn)步的劃時(shí)代貢獻(xiàn)，”他坦言，“但若能在自己深耕的領(lǐng)域留下一點(diǎn)有價(jià)值的探索，便已深感欣慰。”

組 稿

校融媒體中心

文 字

雷蕾

圖 片

胡新鵬 受訪者供圖

編 輯

高康珵

責(zé) 編

雷蕾

上觀號(hào)作者：復(fù)旦大學(xué)