——访中国科学院海洋研究所研究员王凡

本刊记者　徐芳芳

　　我国有着辽阔的海洋国土和丰富的海洋资源。新中国成立以来，一代又一代的海洋科技工作者，为了科学认识海洋规律、开发利用海洋资源、发展海洋经济、保护海洋环境，把自己的青春与汗水，默默地奉献给祖国的海疆，并取得了骄人的业绩。最近，记者采访了中国科学院海洋研究所的王凡研究员，见证了科技工作者的严谨精神与使命意识。
　　王凡是中国科学院海洋研究所研究员、博士生导师，国家973项目首席科学家，是我国优秀的中青年物理海洋学学术带头人，曾先后获得全国优秀科技工作者、山东青年五四奖章、山东省优秀青年知识分子标兵、青岛市青年科技奖等荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任中国海洋大学、中国科学院大学兼职教授，中国海洋与湖沼学会、中国海洋发展研究会常务理事，中国海洋研究科学委员会、中国气候研究委员会委员，中国海洋学会海气相互作用专业委员会、中国海洋与湖沼学会计算物理海洋专业委员会副主任委员，联合国政府间气候变化专门委员会第5次气候变化评估报告主要作者，国际北太平洋海洋科学组织（PICES）物理海洋与气候委员会委员、气候变化项目评估组成员等。
　　
海洋人选择了海洋科研
　　
　　1995年9月，美丽的海滨城市青岛，中科院海洋研究所迎来了一个年轻的博士后，他就是王凡，那一年，他刚满28岁。在那之前，王凡早已与海洋结下了不解之缘，在中国海洋大学求学十年获得物理海洋学博士学位的他激情昂扬、信心满满，渴望在中国科学院这一神圣的科学殿堂大展身手、搏击海洋。
　　时光荏苒，转眼18年过去，他一直坚守在时而宁静时而喧闹的大海，走过人生最美好的时光。18年来，他先后从事热带海洋动力学、太平洋低纬度西边界流动力学、陆架环流动力学、东海海洋通量与陆海相互作用、南海季风等方面的观测资料分析、理论分析和数值模拟等研究工作。18年来，他勤耕不辍，取得了一项又一项科研成果，累计主持重大项目课题26个，发表论文100余篇，在海洋科学领域，尤其是物理海洋学领域做出了突出贡献。
　　为什么选择海洋研究作为自己毕生的事业呢？听到记者的提问，王凡略做思考，回答说，我出生就在青岛，海边长大的人，对大海有着天然的情感。这可能是最根本的原因。我的求学经历也使我对海洋科技研究的重要意义有了更加深刻的认识。从1985年我保送进入中国海洋大学物理海洋与海洋气象学系、1995年获得博士学位，到1997年结束在中科院海洋研究所的博士后研究工作，十多年的系统学习与研究实践，让我深刻地体会到，我国是世界上人口最多的海洋大国，认识、开发和利用海洋对于我国长期的科学可持续发展，具有及其重要的战略意义。
　　王凡向记者介绍说，海洋对人类的重要性主要体现在两方面。一方面是资源和权益。在陆地资源日益枯竭与恶化的情况下，海洋是我们在地球上获取各种资源的最后一块“宝地”，加之海洋所处的独特的政治、法律地位，使之成为各国延展可控疆界、争取海洋权益的新空间。因此海洋权益涉及到国家的核心利益。另一方面，海洋还对气候与环境有着巨大的影响。人们已经认识到，整个海洋表层1～3米的热含量相当于整个大气的热含量，海水温度的微小变化，都会引起大气环流的剧烈调整，因此大洋环流和热量变化对全球气候具有重要的调控作用。过去，我国只关注对海洋资源的开发，渔业资源的索取，并不重视保护，致使整个海洋生态系统出现恶化现象，使我们的海洋面临资源与环境的双重压力。提高探索和认知海洋的能力是开发利用海洋和综合管控海洋的基础和保障。我国的海洋科学研究起步晚，受到海洋意识、综合国力和装备能力等方面的诸多限制，海洋研究大多局限于近海，对深海大洋的研究鲜有涉猎，并且有限的调查研究仅限于大洋上层。因此，我国对全球海洋、特别是深海和大洋的动力环境、资源状况缺乏系统了解。
　　强烈的忧患意识与使命感，让王凡义无反顾地选择了海洋科学研究的道路。1997年完成博士后研究之后，他在中科院海洋研究所任研究员，开始了漫长而又艰苦的西太平洋和中国近海环流动力学探索。
　　
捕捉“西边界潜流”
　　
　　王凡的研究方向为海洋环流动力学。他先后致力于热带海洋动力学、太平洋低纬度西边界流动力学、陆架环流动力学、东海海洋通量与陆海相互作用、南海季风等方面的观测资料分析、理论分析和数值模拟等研究工作。回想自己过去十余年热带太平洋海洋环流动力学研究历程，王凡认为最值得一提的不是那些已经发表的论文，而是研究思路的转变——从关注西边界潜流和赤道波致环流等分量的理论分析，到致力于现场观测与机理研究的有机结合，再到现在注重大尺度环流动力学及其与中小尺度过程之间的相互影响。
　　师从我国著名物理海洋学家冯士筰、胡敦欣院士，王凡从热带海洋波致环流理论和棉兰老潜流生成机制研究起步。他的博士学位论文分析指出赤道海洋波动及其相关环流具有弱非线性性质，建立并求解了热带海洋余环流基本方程组，证明赤道波致Lagrange余流是赤道环流的重要组成部分。博士后研究期间，他分析揭示了热带西太平洋上层环流各主要分量的季节变化特征，指出棉兰老潜流、吕宋潜流和北赤道潜流具有气候平均意义的存在性；发现棉兰老潜流携带的海水主要来自南半球，为了解南半球海水在西北太平洋的去向提供了线索；建立了西太平洋次表层潜流的动力学概念模式，提出地转流反向判据，从该角度初步解释了大洋西边界潜流的生成机制。以文圣常院士为主任的博士后科研成果评审委员会认为，“上述研究结果丰富了大洋环流动力学的内容，是对西边界流理论的一个重要贡献，具有重要的科学意义和理论价值”。
　　苦于缺乏直接的现场观测数据，棉兰老潜流等中深层海流的存在性、变化规律和机制是长期困扰国内外科学家的一个难题。为了获取棉兰老潜流的直接测量证据，王凡担任第一次国家自然科学基金委西太平洋开放航次的首席科学家，与胡敦欣院士一起带领研究团队经过严谨的论证和周密的组织，于2010年12月成功布放6100米深海潜标。该潜标于2011年7月第一次回收时采集了227天流速垂直剖面的连续观测数据，测得500-1500米深度之间存在强劲且有显著季节内变化的北向潜流，4天低通滤波去消除潮流影响后日平均流速最大近50cm/s，强度与表层海洋强流相当。同时，利用温盐同步观测数据，找到了棉兰老潜流是南半球海水向北扩散和南北半球水交换通道的直接证据。值得一提的是，该位置潜标一直在位观测并将持续观测下去，随着时间序列的延长，新的科学发现值得期待。
　　随着研究的深入，近年来王凡所带领的研究团队相比以往更加注重不同尺度海洋动力过程的综合分析，更加注重从定性向定量研究的深化。传统上认为，分布于海洋次表层的北太平洋热带水在菲律宾海的扩散与北赤道流、棉兰老流和黑潮的平流输运密切相关。然而王凡团队基于观测的研究结果表明，其向南和向北的扩散方式有着明显的区别——向南（向热带）的扩散几乎完全依赖棉兰老海流的输送，而向北（向副热带）的扩散除黑潮输送外，亦可通过大洋内部的涡通量完成，由此解释了NPTW的主体还是在北太平洋副热带环流中的原因。进而比较系统地揭示了北太平洋热带水在菲律宾海的时空变化特征，定量评估了西边界流、涡通量和混合等不同尺度海洋动力过程对其扩散、变性的贡献，发现了其南北反相的年际变化特征并阐释了其环流变异及跨锋面异常输送产生的动力学机理。
　　热盐入侵是一种海洋中常见的小尺度物理过程，与混合过程紧密联系，对大尺度海洋水团和环流分布和变化起重要的调制作用。由于观测资料的匮乏，以往国际上尚未对热带西太平洋的热盐入侵现象进行过系统的研究。王凡团队通过近期的研究发现，热带西太平洋热盐入侵在温跃层附近较强，空间上呈现出“C”型分布，即主要存在于北赤道流、棉兰老流和北赤道逆流中，与北太平洋副热带浅层经向翻转环流的主要路径大体吻合，说明热盐入侵过程在西太平洋热带-副热带交换中有潜在的重要作用。基于密集现场观测数据，发现吕宋岛以东海域的北太平洋热带水和中层水都存在丰富的热盐细结构，其强度与水平方向的热盐变化强度有明显的相关性，多种参数的比较结果显示主要以热盐入侵为主。利用137°E的长期观测资料，分析发现了该海域热盐入侵强度的明显的季节变化（冬春强，夏秋弱）以及与ENSO事件相关的年际变化（La Nina年强，El Nino年弱），由其导致的经向热输送与ENSO变化也存在显著的负相关，表明热盐入侵过程在热带太平洋“充放电”机制中扮演着不可忽视的作用。
　　通过分析高分辨率的卫星高度计资料，发现菲律宾海SSH存在显著的半年周期变化，主要存在于北赤道逆流和副热带逆流区，振幅与年周期变化相当，并对北赤道流分叉的不对称季节变化产生了重要影响。约化重力模式的数值试验结果表明，这种半年变化主要是由西太平洋局地风场强迫通过Ekman Pumping所导致。由中太平洋西传的罗斯贝波也有一定贡献，但由于沿途的耗散和抵消，其作用相对于局地风场强迫小得多。局地风场的半年变化在副热带逆流区主要反映了东亚季风系统的半年周期信号，而在北赤道逆流区则是季风系统和西风系统的年周期变化叠加的结果。利用1958－2001年的海洋同化数据，在获得与传统认识相吻合的北赤道流分叉纬度平均位置、垂向变化和年际变化特征基础上，分析发现北赤道流分叉纬度在近40年来呈现出向南移动的变化趋势，并且随深度增加变化趋势更加显著，分叉纬度在海洋近表层的年际变化趋势为-0.011°/年，而在海洋中层的年际变化趋势为-0.034°/年。与其相关的经验正交函数分解模态显示，北赤道流分叉纬度的年际变化趋势与西太平洋低纬度流系变化高度相关，分叉向南移动的变化趋势与黑潮的增强以及棉兰老流的显著减弱相关性良好。
　　海洋Subduction过程可以将海表大气强迫信号、示踪物等传输到海洋次表层，反过来Obduction过程可以将次表层的异常信号带出跃层，影响海气相互作用，进而影响气候。Subduction/Obduction率的定量估算对海洋环流和气候研究非常重要，然而以往的估算主要基于气候态资料，忽略了热带气旋和日循环等中小尺度过程的影响。王凡团队基于2001-2004年台风—海洋耦合模式结果和SODA同化资料计算得出，北太平洋热带气旋引起的Subduction率和Obduction率分别是4.4Sv（1Sv=106m3/s）和5.2Sv，有效地将次表层水搅拌到海洋表层，加速了不同纬度间的质量、热量交换，体现出该过程在大尺度海洋环流和气候变异中的作用。同时，依据一个理论模型估算了混合层的日循环对年平均Subduction率和Obduction率的影响，发现考虑日循环可使其增加30%左右。由于混合层中的温度、盐度、溶解氧含量等都存在日循环，该研究将使得对海洋表层和次表层各种通量的估计更准确。上述成果把中小尺度过程的研究与大尺度环流研究有机地结合在一起，通过定量估算热带气旋和日循环等中小尺度过程所引起的垂向水交换通量，初步确立了中小尺度过程在大尺度环流和气候变异中的重要作用。
　　
摸清近海环流规律
　　
　　王凡在坚持开展热带西太平洋环流研究的同时，还开展了中国近海及邻近大洋水文环境和中尺度过程的研究。
　　王凡团队在上世纪90年代对长江口邻近海域动力环境变化与舟山渔场营养盐补充机制提出了新的见解。基于40年以上历史观测数据，他发现台湾暖流表层水北侵冬季最强、夏季最弱，深层水北侵冬季与夏季相当，提出了“台湾暖流水北侵冬季不弱于或强于夏季”的新论点，这与“台湾暖流水北侵夏强冬弱”的传统观点截然不同。发现东海北部存在年代际增温趋势，1977-1996年与1957-1976年相比，夏季表层海温平均升高0.457℃，冬季除长江口附近外平均升温0.53℃，分别与黑潮和气温变化有关。该结果被作为将东海和中国东部增温与西太平洋海洋过程相关的唯一例子被《Nature Communications》引用。指出1960年代以来长江径流和黑潮与东海带鱼渔获量之间分别有显著的正、负相关，前者通过影响盐度对后者产生重要影响；由于长江流域60年代以来化肥使用量的持续快速增长，舟山渔场营养盐补充机制自60年代到90年代发生了根本性改变，与过去以台湾暖流输入为主相比，长江径流的输入也变得重要。
　　温跃层作为海洋表层水和深层水之间的一个障碍层，它的存在和变化不仅影响到海气之间的热量交换、海洋内部物质和能量的垂向交换，而且影响到生物化学过程。为了找出中国近海和西北太平洋温跃层分布、演化及其机制，近年来王凡团队利用1930-2001年期间的历史实测资料，定量估算了海表风以及浮性通量对不同季节不同海域温跃层影响的相对贡献，发现陆架海上的温跃层深度在夏季主要受浮性通量影响，在冬季主要受风致混合影响，而在黑潮附近海域呈现相反的特征，冬季温跃层深度主要受浮性通量的影响。他还估算指出冬半年（10月—次年5月）中国沿岸海域特殊的逆温结构主要发生于中国东南沿海海域、山东半岛北部和东部海域，稳定性分析结果表明表层低温、低盐的长江和黄河水的输入以及深层高温、高盐的台湾暖流和黄海暖流水的入侵，有利于维持逆温结构的稳定性，而海表蒸发—降水通量变化对维持逆温结构的稳定性贡献不明显。上述研究成果，改变了过去国际上缺乏对中国近海和西北太平洋温跃层分布、变化的定量化系统研究的局面。
　　黄海暖流路径位于黄海海槽西侧，即黄海暖流西偏现象，过去对其发生机制有不同看法，但没有将其与黄海暖流源地锋面相联系。王凡通过详细考察黄海锋面和黄海暖流暖舌的分布和年际变化特征，以及两者之间的关系，发现黄海暖流暖舌之所以沿着黄海海槽西侧进入黄海，是因为受到横跨黄海海槽的源区北侧锋面的阻挡，其年际变化信号也与锋面变化一脉相承，而锋面位置与其北侧南黄海冷水强弱关系密切，其强度与其南侧黄海暖流质量和热量输运强弱关系密切。从而指出存在于黄海暖流暖舌源区北侧的锋面及其位置、强度变化，是驱使黄海暖流沿海槽西侧进入黄海、并控制其西移程度的主要因素。他基于卫星遥感和现场观测数据，并结合数值试验，发现了南黄海西部冬季N形锋面并解释了其生成机制，指出黄海沿岸流和黄海暖流及其分支是此锋面生成和维持的直接原因，沿岸流和暖流的强弱会影响此锋面的位置。
　　上述系列创新性成果获得国际同行的认可，先后发表于Geophysical Research Letters、Journal of Geophysical Research、Journal of Physical Oceanography、Deep Sea Research、Continental Shelf Research、Journal of Oceanography、《中国科学》、《科学通报》等国内外权威学术期刊。
　　
领衔“国家973计划”
　　
　　西太平洋不仅是东亚乃至全球气候变化的引擎，也是中国近海环境变异的起搏器。20世纪80年代以来，西太平洋暖池日益得到关注和重视，国际上在暖池的形成、变异机制及影响等方面开展了广泛研究。暖池形成和维持是海洋过程和大气过程共同作用的结果。海洋环流在热带西太平洋的辐聚是暖池形成和维持的必要条件之一，其季节、年际变化十分显著和复杂。热带西太平洋海洋环流系统和暖池邻近我国，对于我国气候与海洋环境变化的预测和国家安全保障至关重要。大力开展调控暖池变异的关键海洋、大气过程，特别是热带太平洋海洋环流动力过程，及其对东亚和我国气候变化影响的调查研究，是提高我国气候变异研究水平和预报能力的迫切需要。2012年2月，国家重点基础研究发展计划（973计划）“热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应”项目正式启动，王凡担任了该项目的首席科学家。该项目组织了来自中国科学院海洋研究所、大气物理研究所、中国海洋大学、南京信息工程大学、中国科技大学和厦门大学的一批优秀科学家，将通过开展针对性的海上观测和系统深入的理论研究，揭示调控暖池变异的关键海洋过程及海气耦合过程、阐释其影响和调控不同类型El Nino和东亚夏、冬季风的机理及关键敏感区；在此基础上，提出改进海洋模式和海气耦合模式的混合参数化方案和有效提高ENSO预报技巧的耦合同化预报方案，为提高我国短期气候预测水平提供科学依据和方法储备，巩固和提高我国在海洋环流与气候研究领域的地位和影响力。
　　在致力于国内研究工作的同时，王凡还积极开展国际合作，在中国海洋科学从过去跟踪、参与国际前沿研究到当前倡导、引领国际重大研究计划的重大历史转变中担当了重要角色。自2004年起，以中国科学家为首的一批海洋学家，倡导发起了“西北太平洋海洋环流与气候实验（NPOCE）”国际调查研究计划，得到了美、日、澳、韩、法、德、印尼、菲律宾等国科学家的积极响应和参与。作为该项目的主要发起人之一，王凡以自己的实际行动推动了NPOCE计划调查工作的实施。2010年担任首次基金委西太平洋开放航次首席科学家，2011年担任第二次基金委西太平洋开放航次项目负责人，圆满完成预定的基金项目调查任务，组织和主持了2012年国际海洋科学大会的“Western Pacific Ocean Circulation and Air-sea Interactions”分会，8个国家和地区的23位科学家做了报告，超过300位听众出席，扩大了NPOCE的国际影响。
　　在其他相关研究领域，王凡也取得了骄人的成绩。他带领科研团队研发了海洋中尺度现象时空变化统计分析产品，建立了中尺度现象同化预测模式，显著改善了模拟效果；主持完成了863船载海洋环境探测系统设计与建设，推动了国产海洋环境探测装备的示范应用；主持中国科学院黄海和东海海洋科学观测研究网络建设，已实时发送和接收数据超过2年，这是迄今国内在黄东海唯一研究性观测网络，将为海洋科学研究提供宝贵的长期、连续、实时多学科观测数据。
　　谈到未来发展，王凡说，中国的海洋科技事业已走过了60年的发展历程，经过几代人艰苦卓绝的持续奋斗，取得了令人鼓舞的巨大成就，我国海洋科技事业的发展和国际地位不断提高。同时，我们还必须清醒地认识到，同发达海洋国家相比，我国的海洋科技总体水平还有较大差距。当前，中国正处在民族复兴的重大历史时期，国家战略利益和海洋权益正在日益扩展。中共十八大报告首次明确提出建设海洋强国，这为海洋事业的发展注入了新的活力。海洋强国必须拥有强大的探索认知海洋、开发利用海洋和管控海洋的综合实力。当今围绕国际海域和深海资源的争夺愈演愈烈，掌握在国际海洋事务中的话语权和主动权，已经成为海洋强国的重要标志之一。海洋强国离不开科技支撑，因此，建设海洋强国首先是建设海洋科技强国，实施科技先行、挺进深海大洋的海洋战略。中国海洋科技工作者应紧紧抓住这一前所未有的发展机遇，直面来自各方面的严峻挑战，不断提高对海洋规律的认识水平，努力构建海洋科技创新体系，力争在国际海洋科技前沿领域重大科学问题的研究方面取得实质性突破，为建设海洋强国提供强有力的科技支撑。
　　我们相信，在王凡等广大海洋科技工作者的不懈努力下，中国海洋科学技术一定能够尽快缩短与国际先进水平的差距，一定能够在自主创新和科学发展上取得新的进展，我们海洋强国的梦想一定会实现。