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今日风流人物,协手探洋西太

来源:  发布时间:2021-10-22

——记中国科学院海洋研究所研究员、西太平洋环流学术带头人袁东亮

李 刚

 

 

神秘的海洋不仅孕育了最早的生命,而且为人类的生存和发展提供了资源。进入现代,海洋甚至决定着一个民族的繁荣与衰败。中国是世界海洋大国,在当前百年未有之大变局下,研究和利用海洋,既关乎国家命运,也关乎人类未来,我国建设海洋强国的梦想从未像今天一样迫切。西太平洋环流关系着“一带一路”倡议的构想,对其开展科学研究具有重大的意义。

中华民族是最早开始大海洋航行的民族。在西方的教科书里,郑和下西洋作为人类最早的大规模远洋航行事件,被看作是人类探索海洋的壮举和开始。郑和七次下西洋,标志着海上丝绸之路发展达到顶峰。不幸的是,中国在现代工业化进程中落伍了,其探索海洋的活动也戛然而止,中国人关于海洋的神话长期停留在东海和南海。

30年成功的现代化进程重新唤醒了中国人关于海洋探索的梦想,但是当我们打开国门,放眼世界时,发现西方世界的海洋研究已经遥遥领先了,中国人的海洋梦无法与郑和的梦相连。西太平洋是中国由近海走向大洋必须最先面对的蓝色海域,但是迈向西太平洋的步伐,却曾一度踯躅。

作为国际前沿的海洋研究学者,2006年,曾在美国航天总署戈达德飞行中心担任高级科学家的袁东亮响应国家号召回国。他连续8年担任国家自然科学基金委西太平洋开放共享航次首席科学家,总航程50000余海里,领导建成国际上有史以来最大规模的西太平洋-印尼海潜标阵列,为中国人的海洋梦想谱写了优美的篇章。作为学术带头人,他长达十余年带领创新群体湍行于蔚蓝深处,在西太平洋环流的科研中,勇争国际一流,不断攀登一个又一个科学高峰,为中国建设海洋强国的战略作出了巨大贡献。

 

无惧雄关漫道,艰辛耕海探洋

 

现代海洋学研究,靠的是以工业为基础的科考船和传感器。第二次世界大战后,海洋观测技术和手段不断进步,海洋学研究得到了快速发展。而从20世纪60年代起,大规模的海上立体观测实验,如中美黑潮联合研究(CSK)计划、全球海洋环流实验(WOCE)计划、热带海洋与全球大气(TOGA)计划、世界气候研究计划(WCRP)等,以及人类在海洋环流、大气环流和海洋与大气的相互作用的数值试验研究,使海洋学研究从以描述为主过渡到定量的研究阶段。

1988年,袁东亮于北京大学力学系毕业,获得学士学位,随后他考入中国科学院海洋研究所攻读硕士学位,师从胡敦欣院士,从此开始了在物理海洋专业上的求索。当时国内的海洋学研究多是定性的描述,有着数学和物理专业优势的袁东亮强烈希望学习先进的理论和技术,硕士毕业后,他赴美留学,在美国佛罗里达州立大学海洋系攻读博士学位。

1995年,拿到博士学位后,袁东亮留在大学进行了两年的博士后研究,随后被聘到美国NASA戈达德空间飞行中心做海洋研究。NASA主要借助卫星做海洋和气候的观测,借助NASA的平台,袁东亮重点开展印度洋和太平洋环流的动力学研究。早在那时,他就已经关注西太平洋的复杂环流结构和变异过程,这为他后来带领“西太平洋海洋环流动力过程”创新群体开展国际前沿研究打下了基础。2006年,袁东亮响应国家号召,受“百人计划”支持,回国加入中国科学院的海洋研究(简称“中科院海洋所”),任职中国科学院海洋研究所研究员。

随着我国国力不断提升,我国面临的国际压力也在不断增加,国家从“十二五”开始,在西太平洋海洋研究上不断加大投入。从2010年开始,中国在停止西太平洋调查15年之久的背景下,开始了新一轮的西太科考活动。但是,由于缺乏“懂海”的首席科学家,前几个大规模西太调查航次出现了重大失误,中国的西太海洋科考面临再次停滞的危险。

袁东亮临危受命,担任2011年国家自然科学基金委西太平洋开放共享航次首席科学家,带队出航赤道西太并圆满完成各项海洋科考任务。之后,从2011年至2018年,袁东亮连续担任国家自然科学基金委西太平洋开放共享航次首席科学家,多次带队远赴热带西太平洋开展科学调查,为我国的西太海洋环流研究掀起了一浪又一浪高潮。

刚开始的几年里,由于条件艰苦,团队成员要克服巨大的困难展开科考。当时使用的“科学一号”科考船是20世纪80年代的老船,电路不稳定,经常出现电路板烧坏停电的情况,在海上有时只能摸黑工作;最惨的一次是有一次冬季出海回来,顶着仅次于台风强度的季风航行,窄瘦的科考船在海浪中前后颠簸加水平摇摆,幅度很大,袁东亮和绝大多数考察队员都晕船卧床,几天不能进食。当时能工作的螺旋桨只剩下一个,一旦停机,整个科考船就有颠覆的危险。在这些困难面前,袁东亮从未退缩。

海水对于无线电波是不透明的,海洋水下环境的时间序列观测主要依靠沉在水下的潜标,每年回收一次,从中获取数据。袁东亮带领团队首次在菲律宾以东的西边界流6100米深海域成功回收并重新布放深海潜标,取得了国际上西太海洋观测绝无仅有的重要科学数据。

菲律宾海沟最深处超过1万米,为了安全起见,潜标要放在较浅的海域,而西边界流宽度只有100千米左右,因此,投放潜标的位置只能选择靠近菲律宾一侧的海底陡坡,还不能进入菲律宾领海和毗邻海区。经测量,他们发现有一片1公里见方范围的水深约6100米的平台。要从海面上把潜标锚定重物放在平台内,最大的难题是当时的科考船没有无极定位,受到海风的影响,船一直在移动。潜标从开始释放到最后抛重物,需要数个小时,期间不能开动螺旋桨,以防挣断潜标缆绳。因此事先要反复讨论作业方案,最后才能成功锚定,对于科考团队是一个极大的脑力和体力考验。

在广袤的大洋里调查,人员、设备、数据,每一样都不能出问题,这对于团队领头人来说,是个巨大的考验。每次出海之前,袁东亮总会把准备工作做得很细,在团队的精密配合下,每一次操作都100%成功。当海上潜标成功回收并获得全部数据的消息传回中科院海洋所时,中科院院士、著名物理海洋学家胡敦欣终于能睡得踏实了。

2014年开始,国际上最先进的海洋科考船之一——“科学号”投入使用后,热带西太平洋的科考条件和调查水平大大提高。2013年至2015年间,袁东亮担任中科院海洋先导专项A的物理海洋项目负责人,负责设计在西太平洋建设主流系潜标阵列,包含5个断面近20套潜标,要求一次完成。

当时,时间紧任务重,袁东亮亲自抓细节落实,经过艰苦努力,终于在2014年领导建成超大规模的西太平洋潜标阵列。20151115日,利用“科学号”,袁东亮和团队完成了热带西太平洋主流系和暖池综合考察,成功回收并进行维护后重新布放所有潜标,开创了单一科考航次布放、回收深海潜标套数和观测设备数量最多的世界纪录,初步建成热带西太平洋潜标观测网。

西太平洋潜标阵列需要与印尼贯穿流(Indonesian Throughflow,简称ITF)观测同步进行,才能取得最佳的研究成果。ITF是世界上唯一一支热带洋际洋流,它从热带西太平洋经过印度尼西亚海域流向热带东南印度洋,是全球海洋大输送带的热带回流分支,强烈影响着印太海盆的海气耦合过程和气候变化。

袁东亮积极开展国际走访,加强互信,提出创新性的合作模式,终于与印尼科学家达成合作协议,在印尼内海对ITF开展观测。20142018年连续5年使用印尼科考船,建成了包含10套潜标在内的国际上最大规模的印尼海潜标阵列,并对印尼内海开展了大规模的综合性科学考察,为国际上开展西太环流和ITF研究提供了宝贵的观测数据。

目前,袁东亮已经获得中科院先导专项B项目的支持,担任物理海洋项目的负责人,还得到基金委重点国际合作项目和重大计划重点项目的资助,未来5年将继续推进西太平洋环流的研究。

 

发现新的洋流,提出新的理论

 

在大型国际合作计划“西北太平洋海洋环流与气候实验”(NPOCE)的框架下,袁东亮和团队对西太平洋海洋环流动力过程开展合作研究,在揭示西太平洋环流三维结构的基础上,不断发现和揭示一系列西太平洋环流的季节内至年际、年代际变异规律,引起国际广泛关注。在西太平洋海洋环流的结构和变异等课题研究上,取得了许多国际领先成果。

经过多年研究,团队对太平洋西边界流研究进行了总结,并对其未来变化趋势进行预测,系统全面地揭示太平洋西边界流系的三维结构及其对ENSO的响应,还探讨了西边界流系统在年代际和更长时间尺度上的变化规律及其气候效应,论文发表在《自然》杂志上。

通过西太平洋-印尼海潜标阵列,团队直接观测到西太上层1000米范围内的流速剖面,揭示了西边界流和北赤道流及其潜流的平均结构和变化规律;对菲律宾以东海域全水深的流场垂向结构及其季节变化进行了先导性研究;通过定常流和热平衡假设,计算得到了太平洋西边界流的经向热、盐输送等。

袁东亮带领团队,发现并命名了一支全球超长、超强的赤道外大洋次表层潜流——太平洋北赤道次表层流(NESC),位于北赤道逆流之下,向西流动进入ITF源区,是赤道太平洋水团通过印尼海进入印度洋的唯一通道,在北太平洋次温跃层环流中起重要作用。

此外,袁东亮和团队在国际上首次提出了大洋次温跃层环流的动力学理论。他们使用连续层化模型,证明大洋次温跃层环流由静压平衡和海面、海底边界约束决定,其动力机制是风旋度强迫低阶斜压模态叠加而成,该理论改进了经典大洋环流理论无法刻画次温跃层环流动力过程的不足。经典理论基于约化重力模型,存在东边界影响的环流静止区——“阴影区”,与观测事实不符。他还发现了热带大洋的非Sverdrup环流结构,指出其由非线性过程驱动。

而通过对印尼海入口海流的长时间序列观测,袁东亮和团队发现了ITF的两个新的分支——马鲁古海分支和哈马黑拉海分支,前者流向西太,为印度洋流向太平洋的印尼贯穿逆流提供了关键证据和动力机制;后者将南半球上层高温、高盐海水带入全球海洋大输送带,显著提升了对全球海洋环流和气候过程的认识。

 

提出“海洋通道”,填补国际空白

 

从事海洋研究最有说服力的还是观测数据,但海洋科研的数据不像气象站的数据那样容易获得,中国科学家只能“口渴打井自己挖”。在美国读博士研究生时,一位年纪很大的美国科学院院士Melvin Stern曾经说过这样一句话,袁东亮至今记忆犹新。“他说一个人如果能够做出一种科学推断或者论断,最后用事实证明,这本身就是一件非常了不起的事情。”

ITF的热量输送相当于整个西太平洋暖池的海面净热通量,其与南极绕极流共同形成横跨南大西洋、南印度洋和南太平洋的南半球副热带超级环流,决定全球海洋热量的输送和分配,关系着全球变暖的减缓或者加速。

ITF有关的环流和输运一直是国际海洋学界极为重视的前沿课题,著名的海洋大输送带就是依据在印尼内海望加锡海峡的观测提出的。袁东亮针对ITF及其与西边界流的相互作用开展集中研究,抓住了大洋环流的瓶颈。

通过多年的研究,袁东亮和团队在国际上首次提出印度洋偶极子(IOD)通过ITF影响太平洋ENSO可预报性的“海洋通道”机制,填补了国际空白,对印度洋乃至太平洋年际气候变化的研究和预报具有指导意义。他们发现,正IOD期间,东印度洋海平面下降强迫ITF加强,将赤道太平洋上层暖水更多地运往印度洋,造成西太平洋温跃层抬升并向东传播,引起显著的海气耦合响应。由此,可以对部分(>50%冷舌区海面温度异常的标准差)ENSO事件跨过春季做出高于统计信度的预报。

早在美国NASA工作期间,袁东亮就通过数模和理论研究,对经典的罗斯贝波西边界反射的线性理论提出了质疑,但是一直缺乏观测数据证实。通过全球变化研究国家重大科学研究计划项目,袁东亮和团队启动了在西边界流和ITF的观测,经过数年观测证明,非线性反射和“海洋通道”机制的科学假设是完全正确的,这有着极其重要的科学意义。如今,对世界上唯一一支热带洋际洋流——ITF的突破性观测正成为中国科学家们在全球气候变化研究中的突出贡献。

对于中国来说,对印尼海域的狭窄通道海流以及南海和太平洋之间的水交换研究,也有利于维护海上运输线,以及油气资源和生物资源的开发,对于维护国家安全和海洋权益有重要意义。

 

继承学术传统,争创国际一流

 

西太平洋环流一方面通过影响暖池的低频变异影响全球和东亚气候,另一方面还通过西边界流与中国近海的交换,将气候变化信号直接输送到近岸海区。袁东亮和团队揭示了太平洋副热带环流的西边界流——黑潮与我国近海环流相互作用的过程与机制。

黑潮是北太平洋副热带环流的西边界流,是全球大洋流速最大、流量最强的海流之一,其物质和能量输运对北太平洋乃至全球大洋和气候变化有重要影响。黑潮通过与边缘海交换,获得大量淡水和近海有机碳及污染物等,同时将大洋内区风强迫的旋度耗散掉,从而能够重新参与北太平洋副热带环流。黑潮通过吕宋海峡与南海发生交换,以及通过跨陆架环流与黄东海交换是大洋与边缘海交换的两类重要的动力过程。

袁东亮在美国长期从事大洋西边界流动力学及其与边缘海交换研究,研究海域涉及中国近海、美国墨西哥湾和南大西洋湾等,2006年全职回国以来,他继承老一代科学家的科研传统,带领团队在黑潮与亚洲边缘海交换领域做出了突出的研究成果。

袁东亮在国际上首次揭示了吕宋海峡黑潮路径的季节内变异特征,并揭示其机制。发现了吕宋海峡黑潮的甩涡和夏季流套,揭示并命名了“吕宋暖涡”(Luzon Warm Eddy)现象。

除此之外,袁东亮还发现了闽浙近海一类新的海洋学现象,命名为近海“跨陆架穿刺锋面”(Cross-shelf Penetrating Fronts);揭示了黄东海内陆架与黑潮跨陆架交换的主要途径和动力机制。研究成果被国际学术期刊Deep Sea Research II201010月以封面文章介绍。

袁东亮揭示了跨缺口西边界流路径受中尺度涡旋等扰动而发生状态跃迁的非线性动力机制;发现了交汇的西边界流在缺口处的非线性迟滞(hysteresis)和分岔行为,并揭示了其动力机制。这些基础理论成果,是大洋西边界流理论研究的重要进展。

在取得的一系列创新成果之上,未来几年袁东亮团队还将集中研究西北太平洋海洋环流与气候实验计划的核心科学问题——西太平洋海洋环流动力过程,并有望取得国际一流的突破性科研成果。

迄今,袁东亮已经获得国家自然科学基金委杰出青年基金的资助,并荣获国家“新世纪百千万人才工程国家级人选”和中科院优秀“百人计划”等称号,获得山东省国际合作奖、留学人员归国创业奖等奖励,为中科院海洋所争取到首个全球变化研究国家重大科学研究计划(973)项目,担任首席科学家。2014年,以他为首的科研团队获得国家自然科学基金委创新研究群体项目资助,表明他们已经成为我国西太平洋环流研究领域里具有最高学术水平的科研团队。

袁东亮所领导的创新研究群体可谓群星闪耀,由中国科学院海洋环流与波动重点实验室的骨干科研人员组成,其中中国科学院院士2名,国家杰出青年基金获得者2名,国家中青年科技创新领军人才入选者1名,中国科学院“百人计划”择优支持者6名,全部都是博士生导师,有海外工作经历,他们也是国内最早开展西太环流研究的学者。

过去5年里,这支团队有成员先后获得国家人才项目支持和山东省“泰山学者”特聘专家的称号,成果获得山东省自然科学奖一、二等奖,“热带太平洋西边界流研究”成果获得中国科学院杰出科技成就奖等。

如今,他们计划在NPOCE实验区,与中科院海洋专项、科技部重点研发计划项目和基金委重大计划重点项目和开放航次项目等相结合,进行关键海区的强化观测试验。

袁东亮认为,通过考察船走航观测和深海潜标阵列观测,结合卫星资料分析和数值模拟,将确立中国在国际西太平洋海洋环流动力过程研究的主导地位,还要建立西太平洋环流、东印度洋和中国近海环流时空结构和变异机制的理论体系,同时打造一支具备国际学术水平的创新团队,引领国际西太平洋环流研究。

21世纪是海洋世纪,此后100年乃至更长时间里,海洋将是国际竞争的主要领域。袁东亮与中科院海洋所“西太平洋海洋环流动力过程”创新群体正在西太平洋科研的“战场”上全力拼搏、开拓前进,不断取得丰硕成果,正在实现着中国人在海洋科研领域赶超国际先进水平的梦想。


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2022年3月上

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