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、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。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。

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。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。

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。

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。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。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，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，但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。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。

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。