一雨縱橫亙二洲，浪淘天地入東流。太平洋是世界上最大、最深和島嶼最多的大洋。
從上世紀(jì)80年代至今，海洋所海洋環(huán)流與波動重點實驗室（以下簡稱環(huán)流室）的科學(xué)家們，一次次前往熱帶西太平洋海域，在烈日和風(fēng)雨中觀測取樣，在起伏的波濤中篤志前行。
多年的探索與積累，數(shù)載的堅持與沉淀，終于迎來收獲的時節(jié)。近年來，他們的成果掛滿枝頭，榮譽鋪滿來路。
聚焦熱帶西太平洋環(huán)流結(jié)構(gòu)、變異及其氣候效應(yīng)這一重大問題，國際首次對西太主流系開展了長期連續(xù)同步觀測，建成了安全自主可控的西太平洋科學(xué)觀測網(wǎng)；觀測發(fā)現(xiàn)諸多新的次表層海流，系統(tǒng)揭示西太平洋環(huán)流三維結(jié)構(gòu)及其季節(jié)內(nèi)到年代際的多尺度變異與機制，闡明了深層西邊界流、中層流與上層的能量通道；揭示西太暖池分裂現(xiàn)象及對厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）的影響，發(fā)現(xiàn)全球變暖將削弱太平洋—大西洋年際信號的聯(lián)系；提出大洋入侵陸架的地形β螺旋理論，提出完善了首個中科院海洋所冠名的ENSO預(yù)測模式并國際發(fā)布……
NPOCE國際計劃 從跟跑到引領(lǐng)
西太平洋向來是國際合作調(diào)查研究的熱點海域之一。早在上世紀(jì)80年代中期至90年代中期，美國就曾牽頭發(fā)起和組織熱帶海洋與全球大氣（TOGA）計劃和世界大洋環(huán)流實驗（WOCE）計劃，針對熱帶西太平洋環(huán)流進行了一系列大型調(diào)查研究。在TOGA和WOCE計劃執(zhí)行期間，中國是計劃參與者之一，并在其實施過程中發(fā)揮了重要作用。
然而，隨著1993年TOGA—COARE實驗的結(jié)束，國際大規(guī)模西太平洋調(diào)查研究熱潮歸于平靜，中國也隨之停止了相關(guān)調(diào)查研究。鑒于西太平洋在海洋環(huán)流與海氣相互作用研究中的重要地位，中國、美國、日本等國科學(xué)家對于再次開展大規(guī)模西太平洋海洋環(huán)流調(diào)查研究均躍躍欲試。
“當(dāng)時我就一直在想，中國可不可以自己先組織牽頭干呢？這是一個巨大的機遇和挑戰(zhàn)，我們要抓住它，干個十年八年，我們在這個領(lǐng)域的研究水平和能力一定能夠大幅度提升。”中國科學(xué)院院士胡敦欣說。
經(jīng)過幾年的籌備，2010年，以胡敦欣為首的中國科學(xué)家倡導(dǎo)發(fā)起的NPOCE（西北太平洋海洋環(huán)流與氣候?qū)嶒灒﹪H計劃獲國際CLIVAR組織批準(zhǔn)并順利啟動，這是我國發(fā)起的海洋領(lǐng)域第一個大型國際合作計劃，共有來自中國、美國、日本、澳大利亞、韓國、德國等8個國家的19個研究院所參與。該計劃圍繞西北太平洋海洋環(huán)流及其與鄰近環(huán)流系統(tǒng)的相互作用、在暖池維持和變異中的作用，以及區(qū)域海氣相互作用及其氣候效應(yīng)等主題開展研究。
經(jīng)過10年的不懈努力，NPOCE國際計劃研究團隊已完成了西太平洋深海潛標(biāo)科學(xué)觀測網(wǎng)的建設(shè)，共布放潛標(biāo)30余套，并已具備了潛標(biāo)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)哪芰�。以此為基礎(chǔ)，環(huán)流室的科研人員在西北太平洋海洋環(huán)流與氣候研究上取得一系列突破性科學(xué)進展，多項研究成果在《自然》《物理海洋學(xué)雜志》等期刊發(fā)表；相關(guān)成果獲中科院杰出科技成就獎，山東省自然科學(xué)獎一、二等獎，海洋工程科學(xué)技術(shù)獎一等獎；入選中科院改革開放四十年40項成果展，入選2019年“海洋科技十大進展”。
胡敦欣說：“NPOCE國際計劃的成功實施，顯著提升了中國在國際海洋與氣候研究領(lǐng)域的影響力和話語權(quán)。”
西太平洋環(huán)流與暖池 從現(xiàn)象觀測到機制解析
西太平洋的環(huán)流非常復(fù)雜，有著全球最大的暖池，暖池任何微小的變動都會對大氣環(huán)流產(chǎn)生影響，進而改變區(qū)域和全球氣候。
海洋所環(huán)流室主任、研究員尹寶樹介紹，海洋動力過程與氣候、近海動力過程及環(huán)境效應(yīng)是當(dāng)今物理海洋學(xué)發(fā)展的重要科學(xué)前沿，對其正確的描述、認(rèn)識和預(yù)測，在氣候預(yù)測、國防安全、海洋環(huán)境保護、海洋資源開發(fā)與可持續(xù)利用、防災(zāi)減災(zāi)等方面起著不可或缺的支撐作用，有著重要的科學(xué)意義，也是國家重大需求所在。
有了西太實時科學(xué)觀測網(wǎng)這一“利器”，西太環(huán)流的研究如虎添翼。
基于連續(xù)的潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，胡敦欣、王凡、袁東亮等研究團隊于國際率先直接連續(xù)觀測到棉蘭老潛流、呂宋潛流和北赤道潛流，以及一支新的北赤道次流和熱帶西太平洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流的三明治結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)揭示了太平洋西邊界流系和赤道流系的三維結(jié)構(gòu)特征以及不同海流分支的多尺度變異規(guī)律；揭示了暖池分裂現(xiàn)象及機制，提出了可提前近半年預(yù)測南海夏季風(fēng)暴發(fā)的海洋因子，為提高我國季風(fēng)氣候預(yù)測水平提供了科學(xué)依據(jù)；提出了印太海盆相互作用的“海洋通道”機制，找到了可以突破ENSO春季預(yù)報障礙的海洋流場預(yù)報因子，使得赤道東太平洋冷舌區(qū)海面溫度異常的預(yù)報性大大提高，對于開展短期氣候預(yù)測具有重要意義。
作為西太環(huán)流中一支重要的西邊界流，黑潮是全球海洋中的第二大暖流，其水色深藍，遠遠看去酷似黑色，因而得名。在北向流動過程中，黑潮會經(jīng)由呂宋海峽入侵南海，還會經(jīng)由臺灣東北部入侵東海陸架，甚至?xí)竭_長江入�？冢涓邷馗啕}的海水和陸架海水進行物質(zhì)和能量交換，從而影響我國近海的動力環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)。長期以來，大洋水入侵陸架邊緣海的形式及其支撐理論一直是國際上懸而未決的重要科學(xué)問題。楊德周、尹寶樹等提出地形β螺旋動力學(xué)理論，在世界大洋具有普適性，填補了大洋環(huán)流理論與陸架動力學(xué)理論之間長期缺失的理論空白。在此基礎(chǔ)上，進一步發(fā)現(xiàn)了大洋黑潮向長江口臨近海域赤潮高發(fā)區(qū)營養(yǎng)鹽物質(zhì)輸送的關(guān)鍵通道，為近海生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害演變規(guī)律研究提供了新視角。
海氣耦合模式從無到有 在國際ENSO實時預(yù)測領(lǐng)域發(fā)出中國聲音
ENSO是僅次于季節(jié)變化的最強年際氣候變化信號，是熱帶太平洋海洋—大氣相互作用的產(chǎn)物，其發(fā)生演變受地球流體力學(xué)和海氣相互作用過程的控制。ENSO會在世界很多區(qū)域引起極端的天氣，我國北方的干旱、南方的洪水、梅雨季節(jié)推遲等都與它相關(guān)。它帶來的溫暖海水，也會影響魚類的成群移動，破壞珊瑚礁的生長等。目前，利用數(shù)值模式可以實現(xiàn)提前6~12個月的ENSO實時預(yù)測，但精度仍存在著巨大的挑戰(zhàn)和不確定性。
海洋所環(huán)流室研究員張榮華等通過開發(fā)海洋次表層海溫反算技術(shù)，發(fā)展和改進了一個中間型海氣耦合模式（ICM），用于ENSO相關(guān)的數(shù)值模擬和實時預(yù)測研究。自2015年以來，以中科院海洋所冠名的中等復(fù)雜程度海氣耦合模式（IOCAS ICM），每月定期進行實時預(yù)測試驗，結(jié)果收錄于美國哥倫比亞大學(xué)國際氣候研究所。這是第一個以我國國內(nèi)單位命名的海氣耦合模式為國際學(xué)術(shù)界提供ENSO實時預(yù)測結(jié)果。
利用這一模式做實時預(yù)測，首先將實時觀測到的海表溫度等資料進行模式初始化，為IOCAS ICM提供預(yù)測初始場；在此基礎(chǔ)上進行未來12個月的熱帶太平洋海表溫度的預(yù)測；再將預(yù)測結(jié)果與實際觀測結(jié)果進行比較、分析，以此不斷改進模式和預(yù)測產(chǎn)品。
張榮華表示，用模式做ENSO實時預(yù)測最難的部分是海氣耦合模式自身的構(gòu)建和改進。“我們進行海氣耦合模式發(fā)展和改進，是一個十分復(fù)雜、繁瑣的系統(tǒng)工程，一定要足夠細心且有耐心，保證每一行模式代碼都不能出問題。一旦出現(xiàn)哪怕是一個小小的錯誤，就可引發(fā)整個系統(tǒng)運行發(fā)生錯誤，導(dǎo)致模擬和預(yù)測的失敗。這樣就要在幾十萬行代碼中，逐行檢查、調(diào)整，直到整個模式可以穩(wěn)定運行并且性能良好。”
他把自己的工作比作“造汽車”，“我希望這個模式能成為海洋和大氣科學(xué)研究者的使用工具，就像汽車成為交通工具一樣。造好了之后，別人根據(jù)‘指南’，既能開也能坐”。最近他專注于模式使用指南的整理，要把30多年來模式開發(fā)心得和相關(guān)科研成果整理成書，為其他研究者提供參考。
在環(huán)流室，像張榮華這樣堅守多年、摸索前行的人不在少數(shù)。這些探索者們腦海里裝著的是無邊無際的汪洋大海、全球尺度的氣候變化，胸中存著的是至真至純的科學(xué)目標(biāo)和國家需求。
海洋環(huán)流與波動重點實驗室的故事未完待續(xù)，西太環(huán)流還有很多奧秘等待他們來開啟。