【大众日报】王凡:为“全球气候心脏”做“三维CT”

  
  

王凡在海上科考 

  □ 本报记者 杨学莹 本报实习生 冯加香

 

  周末人物·中国新闻名专栏  这位土生土长的青岛籍科学家,从事大洋环流研究30多年,组织和参与了9航次西太平洋科学考察。他和他的团队,突破了很多不可能,但前方仍有更多未知,“今天你把这个事儿解决了,真是轻松愉快。但更长的时间,你的状态是,怎么也解释不了,怎么也想不通。”他说,这就是科学探索的艰辛,也是科学探索的魅力。 

  说起“厄尔尼诺”,人们并不陌生。1998年长江洪水、2016年我国南方洪灾、2019年澳大利亚极端干旱引发森林大火,都是它惹的祸。对厄尔尼诺的研究和预测,是气候学家和海洋学家共同的课题。在中国,就有这样一群海洋学和气候学家,他们直探西太平洋暖池这个“全球气候心脏”,揭示海气作用的机理,他们的成果帮助我国成功预报了2015年来的多次厄尔尼诺事件。

  中国科学院海洋研究所所长王凡研究员,就是这些科学家的代表。这位土生土长的青岛籍科学家,从事大洋环流研究30多年,组织和参与了9航次西太平洋科学考察。2020年7月,他作为首席科学家主持完成的“热带西太平洋暖池热盐结构与变异的关键过程和气候效应”项目,获山东省自然科学一等奖。日前,大众日报记者来到青岛,请他讲述自己独特的探洋人生。

  时时“听”得到太平洋的涛声 

  中国科学院海洋研究所坐落于青岛汇泉湾畔一个宁静的院落里。王凡办公室的窗外,就是波光粼粼的黄海。在这处宁静的所在,他却时时“听”得到太平洋的涛声。10多套实时化深海观测潜标,每个小时,都会把几千里之遥的西太平洋的温度、盐度、洋流等实时数据发到他的手机上。而这些数据中,就蕴含着预测气候变化的重要讯息。

  1989年,王凡从中国海洋大学本科毕业后,师从著名物理海洋学家、中科院院士胡敦欣等教授攻读研究生,从此结缘大洋环流,致力于与全球气候变化相关的海洋环流动力学研究。而暖池这个课题,是王凡团队2009年开始研究的。

  热带西太平洋,存在着一个多年平均海表温度28℃以上的全球最大暖水区,被称为热带西太平洋暖池(以下简称暖池),它是驱动热带大气环流的主要热源,也是东亚季风和厄尔尼诺现象的策源地。暖池中有1%的热水流到太平洋东岸,就可能会引发厄尔尼诺事件。

  以往,人们研究暖池,聚焦的多是100米以浅的海表层温度的“准二维”分布,对海面以下的深层结构和盐度结构并不了解。而王凡团队把目光投向100米以下的“次表层”,更加关注盐度,抓住了“热盐变异”这个关键,决心为暖池做个“三维CT”。

  2010年,王凡团队首次在暖池核心区域——菲律宾海一带成功布放了两套6000米深的深海潜标,后来逐年增至30多套。通过对观测数据的分析,暖池的三维热盐结构渐渐清晰。他们在暖池内部发现了一个新的水团。这个水团的特点是盐度低,与其南、北两侧的高盐水团之间构成了两道密度锋面,锋面好似一堵“墙”,水通常只能顺着锋面流,很难跨越锋面进行交换。这两道锋面就好似两堵“墙”,框住了暖池水,有利于暖池的保温。但这个“墙”并非滴水不漏,在太平洋内区,王凡他们发现“墙”出现了“豁口”:在那里水团间热量交换通畅,暖池的暖水也无法维持,因而形成了暖池的东边界。他们将这个通道称为“内区通道”。

  在暖池内部,王凡他们还发现了丰富的中小尺度热盐结构——中尺度涡旋和小尺度热盐入侵结构。前者状似漩涡,直径百公里,是由锋面两侧的水团时刻博弈“抖落”出来的;后者状似螺丝,长度几十米,是由锋面两侧的水团交错嵌入形成的。反过来,通过涡旋的搅动和热盐入侵结构的“犬牙交错”,水团间进行有限的交换和混合。而在大尺度上,“莽撞”的大洋环流有时突然变道,把锋面一侧的水强力地“灌”到另外一侧;洋流的输送也决定了暖池水的变化。

  在刻画三维热盐结构的基础上,王凡团队揭示了暖池热盐变异的主要机理,并发现了暖池变异对厄尔尼诺现象和我国华南降水变化的重要影响,揭示了暖池的盐度变化影响厄尔尼诺事件发展的完整过程,阐释了暖池海温异常增暖造成我国华南秋季严重干旱的机理。

  “海”里的成果,很快用在了“天”上。作为本次获奖项目的参与者,大气物理研究所的郑飞研究员等气候学家,根据王凡团队对暖池热盐结构的细致刻画,将厄尔尼诺预报模式增加了一个盐度模块,从而显著提高了其预报准确率。2015年3月,这个模式在国际上多种厄尔尼诺预报模式中表现极为出彩,提前9个月即成功预报了厄尔尼诺的暴发、发展和强度,在国际上独树一帜。“海洋能量交换主要在水下,实时化潜标数据对开展精准的中长期气候预报至关重要。”大气物理研究所前所长朱江如此评价王凡团队的贡献。

  2015-2016年超强厄尔尼诺发生后,全球出现了连续两次拉尼娜事件,接着又出现连续两次厄尔尼诺事件,而中科院的预报模式都给出了成功的预报。中国“海”“气”科学家联手,把论文写在了海天之间,为我国的防灾减灾事业作出了重要的贡献。

  从望洋兴叹到“深海直播” 

  王凡永远忘不了2010年的那一天,在浩瀚无垠的太平洋上,他们第一套成功布放的深海潜标发回了第一串美妙的数据。在多年的望洋兴叹之后,中国科学家终于拥有了自己的西太连续观测数据。

  王凡今年53岁,研究大洋环流30多年。但其中的十几年时间,他们的西太研究处于要经费没经费、要数据没数据、要出海出不去的“三难”状态,可谓板凳坐得十年冷。

  其实,我国的大洋研究起步并不晚。1985年,在TOGA(热带海洋与全球大气)国际研究计划框架下,中美实现了热带西太平洋海洋大气相互作用合作调查研究。从1986年起,胡敦欣院士先后组织了5次西太平洋科考调查,发现和命名了第一支由中国人发现的洋流——棉兰老潜流,获取了国内第一批西太平洋的一手资料。但20世纪90年代,TOGA项目结束,我国的海洋科研当时以近海为主,国家这方面的支持就很少了。

  1990年至2005年的十多年间,胡敦欣、王凡所从事的西太平洋研究拿到的都是十几万、二三十万元的小项目,而在深海布放一套潜标需要二三百万元。国外公开的数据资料又已经被人研究过多少遍了,要作出原始创新很难。看着国际上西太研究突飞猛进,王凡体会到了什么叫作“望洋兴叹”。

  2000年,王凡受邀到美国得克萨斯农工大学做了半年访问学者。当时美国很重视大洋研究,对科研院所的资助力度很大,在美国能够轻易查到最新的数据资料和研究文献,数值模拟的条件也比国内强很多。科研人员的待遇更是天差地别,即使是最底层的科研人员——博士后在美国一年的工资也有3.5万美元左右,是当时王凡在国内收入的几十倍。巨大的落差让他感到无能为力:“不是我不喜欢,也不是不想研究大洋了,而是当时好像确实不具备这个条件了。”

  为了维持实验室和课题组的运转,王凡等人大量承接了近海的研究课题。但他一直没有放弃西太的研究。他坚信,西太不仅是影响我国气候的关键海域,更是我国走向深海大洋的出口,战略意义十分重要。一个海洋大国,是不能光在近海打转的!

  2005年,中国海洋大学牵头和中科院海洋所联合申报的一个西太研究课题获“973”项目立项,经费2000万元。大洋研究终于重启,终于可以直接观测了!王凡和同事们欢欣鼓舞。他们不远万里,到西太平洋布放了4套观测潜标。哪知第二年去回收,一套也找不到了,一年的期盼打了水漂。

  “当时,我国还没有在深海布放过潜标,在近海布放的潜标也不深于100米。我们参照近海标准做的设计,低估了大洋的海况。”王凡说。

  王凡他们决心优化设计。潜标好似一根海带,根部拴一个重物,落到海底起固定作用;上面用缆绳串上一串测温度、盐度、海流等的仪器;仪器附近还要挂上浮球,确保回收时任何一处断掉,所有仪器能浮上来。根部的重力锚要多重、缆绳要多粗,才能经得住海流拉拽?每一台设备多重、多大,要配几个、多大的浮球,才能确保浮上来?这些都要精确计算。其中,浮球在不同海流下会产生倾斜,他们为此专门开发了计算软件去算姿态,非常精细。材料方面,仪器怕锈,就安装了锌块当牺牲阳极;所有的不锈钢连接件都包覆上一层工程塑料。设备方面,布放潜标时不能磨损仪器和缆绳,科考船上的起吊装置也进行了改造……

  一切准备就绪,2010年,王凡作为首席科学家,带队搭乘“科学一号”科考船出海,去西太平洋布放潜标。靶点处于菲律宾海沟的西侧斜陡坡上,海沟最深处1万多米,布放的理想区域只有2公里见方。在这里布放潜标,就好似从狂风呼啸的万米悬崖上,向崖底的一张方桌上扔一串石头。

  10多次方案论证、无数次演练后,布放开始了。科考船逆流慢行,王凡指挥科考队员站在甲板上,把缆绳、仪器、浮球等摆了一甲板。他们用“A”形架先把“海带梢”——主浮球放到海表面上,一边走一边放缆绳;每隔一段,串上仪器、挂上浮球,放到海里。6000多米长的绳子,带着球和仪器漂在海上,船行不能太快,否则绳子绷得太紧会拉断;也不能太慢,慢了绳子会绞成一团。而“科学一号”是1980年服役的老船了,没有动力定位,没有无级变速,一起步,“哗”地蹿出去了,船长赶紧吆喝“停!”停船滑行了一会儿,又太慢了,船长再吆喝“前进!”就这样一步一咯噔,反复开船、停船不下200次。王凡一颗心悬在半空,生怕这艘老船的发动机受不了,“趴了窝”。

  放了四五个小时,最后,重力锚入水了,它拖拽着缆绳,缓缓沉向海底。

  这一刻,好似跟自己的孩子在人群中撒手,王凡的心提到了嗓子眼:重力锚千万别拽着潜标滑到海沟里去呀!时间一分钟一分钟过去,突然,船载接收机的屏幕一亮,安装在主浮球上面的声学通信机传回了第一串信号,潜标正常工作了!甲板上顿时沸腾了,科考队员一齐爆发出欢呼声。

  王凡的博士生李元龙这时在船上负责绘图。根据接收到的潜标数据,把水下的流速、流向画出来。仅靠1分多钟声学通信收回的数据,就画出了棉兰老潜流,而且比以往用地转动力计算公式推算的还要强劲!“棉兰老潜流是胡院士一生中最重要的科学发现,但以前是通过温盐等水文数据反演推算出来的,从未被直接观测到。这次,我们亲手‘逮’到了它!这一刻,我替胡院士感到高兴!”王凡说。

  王凡和学生们赶紧把这张图用卫星传真发给了身在青岛的胡院士。胡院士高兴极了。自己的科学发现,在学生手中得到了实测验证,还有什么能比这件事更令人高兴的呢!

  潜标布放成功与否,要看第二年能否收上来。第二年这个航次,王凡没有去。学生们在海上不断地发信给他:“潜标还在原地!”“主浮球浮出海表面了!”“两套潜标全部回收成功!”王凡心里乐开了花。“忘了自己是怎样手舞足蹈了,总之真是高兴,”他说,“中国科学家终于又有了属于自己的第一手数据了!”

  打那,王凡他们好似一下子“开挂”了。2015年,王凡率队出海,一口气回收了15套潜标,维护后布放了13套。现在,西太平洋已经有了30多套潜标,构建了我国首个大洋科学观测网。近6年来,潜标的成功回收率达97.1%,形成了标准化流程。

  2015年,潜标实现了数据实时回传,“定期回放”变成了“现场直播”。这是一个革命性的进步。国家海洋环境预报中心科研处处长仉天宇说:“海洋环境预报的基础是实时数据,没有数据基本不敢报。长期以来,水面以下实时数据均是空白。因此,只能靠海表面数据反推水下数据,或根据历史数据预报,很不准确。而水下环境预报又有很多用途,沉船打捞、水下矿产资源勘探开发和潜水器下潜等水下作业均需要精确的预报信息。”

  有了一手数据,王凡团队成果频出。中科院海洋所统计,1980年到2010年,该所的西太研究团队共在国际一流期刊上发表了19篇论文;而2011年至今,发表了百余篇。这些研究成果,初步奠定了我国在西太平洋海洋与气候变化研究领域的领跑地位。

  “遇到恶劣海况, 

  就是在拿命换数据”

  出海观测,是海洋科研的基础。1998年至今,王凡出过9次海,最长的一次90天。

  2015年,就是去西太平洋回收15套、布放13套潜标的航次,王凡作为首席科学家,乘坐“科学”号从厦门出海。就要出发了,预报将有两个台风临近。是在厦门避风呢,还是顶风出海?船长找王凡商量。避风就得等10多天,而科考航程排得满满的,误点就要“砍站”,舍弃一些实验。王凡决定,不等了,趁第一个台风还没过来的时候,把船开出去,往南开;等第一个台风过去,再从它的“尾巴”里冲出去,这样就能打出一个时间差。

  吕宋海峡本来就是无风三尺浪,何况台风刚过,大浪滔天。王凡他们全都被颠趴下了,绝大多数人只好在船舱里躺着。王凡本来就不耐晕船,浑身冒虚汗,胃里翻江倒海,抗晕船药也没用了。但他还是咬牙爬起来,摇摇晃晃地到各个船舱走走看看,鼓励大家按时起来吃饭,吐也得吃,保持体力。3天后,船好歹冲出了台风的余浪,还测到了一些恶劣海况下的稀缺数据。

  这一航次,还出现了一个意外。水手长在给船除锈时,戴着护目镜,锈渣还是扎到眼睛里去了。随船医生怎么也找不到这根小刺,最后,用女队员的长发丝,总算把锈渣刮了出来。当时,船已经开到暖池核心区,险些因为这件事返航。

  船上晃晃悠悠,磕磕碰碰很平常。王凡的两条小腿胫骨上,脚面上方一拃高的地方,各有一个指甲大的小坑,就是在船上上台阶时留下的。他说,海上潮湿,伤疤老是不干,不容易结痂。收潜标、放潜标,甲板上的仪器设备都有楞有角,这样的小伤都不是事儿。

  王凡遇到最危险的一次,是在南黄海做一个近海调查。夏天的下午3点,好好的天突然乌云密布,起了风,海上翻起了白浪。这时,还有一个站位没有取样、测量。王凡想,若放弃不做,这个断面就不完整了,天气预报也没有台风,于是决定坚持做。没想到一个小时的工夫,风浪越来越大,天竟完全黑了。当时的科考船“金星二号”是一艘服役20多年的老船了,二副找到王凡,说好几处电路冒了烟。为了防止失火,他们决定断电。

  电一断,全船一片漆黑。王凡躺在床上,他的床跟船行方向是垂直的,船往这边晃,他感觉自己站起来了;往那边晃,他感到自己要倒立了。卡在床边斗槽里的暖壶被甩到半空,“啪”的一声摔碎在地上,桌上的东西掉落一地,椅子也被甩到一边去了。“我想,这次要交代了。但不知道为什么,心里反倒特别平静,脑子特别清醒。”他说。

  事后他才知道,他们遇到的是温带气旋。这种气旋比台风等热带气旋发生得少,在海上迅速生成、迅速消失,很难预报。断电后,船长怕老船扛不住,就没敢逆风稳舵,而是冒险向附近的石岛港开去。晃动最大的时候,正是船在拐弯。

  “遇到恶劣海况,就是在拿命换数据。”王凡说。

  经常解释不了想不通, 

  但从未觉得枯燥

  在一片混沌的大洋中,通过蛛丝马迹发现科学现象,再解释其发生机理、产生的影响,研究海洋是很“烧脑”的。

  1983年出生的青年学者李元龙,现在是王凡团队的研究员。2006年,他跟王凡读硕士研究生,研究西太平洋暖池温盐变异的机理。头两年,他搜集了全世界能找到的所有公开数据,甄别、订正不可靠的数据,然后把数据集中在一起,进行各种各样的统计分析,把西太海域和世界上其他海域进行对比,找到特有的现象。他跟王凡研究了好几年,老有一个东西困扰着他们:好像温度是温度,盐度是盐度,两者是割裂的,融不到一起。写出的论文,投稿给学科一流期刊时,编辑往往觉得不新、不透,迟迟未能发表。

  2011年底,再有半年,李元龙就要博士毕业了,论文还是没发出来。焦急的他几次找到导师王凡,希望尝试一些低端的期刊把研究成果发表了,毕业算了。王凡坚信他们的成果是重要的科学发现,不甘心半途而废,李元龙也做好了延迟毕业的准备。

  就在这时,李元龙在查阅一篇写其他海域的文献时,发现了“涩度”这个概念:相同密度下,高温高盐为高涩度,低温低盐为低涩度。他突然眼前一亮、茅塞顿开:“这不就是我想说的东西吗?锋面、涡旋、热盐入侵,恰好发生在高温高盐和低温低盐的水团之间,这就把温度和盐度统一起来了,能准确地定义、找到锋面了,也把暖池的特征说明白了!”引入“涩度”概念后,文章立马通透了,很快发表在学科的国际权威期刊《物理海洋学报》上,李元龙这才如期毕了业。

  “今天你把这个事儿解决了,真是轻松愉快。但更长的时间,你的状态是,怎么也解释不了,怎么也想不通。”王凡说,一个问题解决了,下一个问题又跟着产生,这是科学探索的艰辛,也是科学探索的魅力。

  “30多年,我曾经感到迷茫,但从未感到枯燥。探索未知,乐在其中。”王凡说。现在,他们对暖池的研究更加深入了,把目光投向了太平洋中部的暖池、冷舌交汇区,试图揭示中部型厄尔尼诺的产生机理,也开始研究印度洋暖池。

  海边生、海边长,学海洋,研究海洋,王凡仍不敢说自己了解海洋。他看着办公室窗外的黄海说,这两年辽宁、山东出现的养殖海参集中死亡,就跟海温的异常增高有关,尽管在科研调查中发现并作出了预警,但仅限于很小的区域,并未形成常态化的预报。可见即便是家门口的海洋,我们也远谈不上熟悉。人类对海洋的认知程度,还不如外太空。探索海洋的秘密,仍然任重而道远。  

   

  大众日报2021年2月19日7版

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