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科技创新人物|乔方利:潜心探海三十载 数值预报立潮头

2020-11-10 15:09
来源:澎湃新闻·澎湃号·政务
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长期勤学苦读

立志揭开海洋神秘的面纱

潜心探海三十载

创造了一系列

“国际首次”

自然资源部第一海洋研究所副所长、研究员乔方利

带领团队首次揭示

波浪与湍流相互作用强化湍流的机制

建立世界首个

海洋耦合模式

研制全球首个

包含海浪的气候模式

对全球海洋模式

首次实现

超千万核大规模高效并行

如今

他没有停下科研的脚步

带领团队把海浪飞沫等物理过程

引入到气候模式中

成功实现了

第二代地球系统模式研发

使我国进入了

气候模式研发的

世界科技“第一方阵”

他是自然资源部第一海洋研究所副所长

研究员

乔方利

乔方利:潜心探海三十载 数值预报立潮头

控制气候变化的源头在哪里?很多人会说是大气,科学事实却是:海洋在气候变化中起核心作用。人类活动引起全球热量的增加,其中90%以上进入了海洋。可以说,如果没有海洋这个巨大的“空调”,人类将难以适应气候变化。然而,海洋又很“善变”,人类对于海洋灾害的认识依然有限。自然资源部第一海洋研究所副所长、研究员乔方利,就是一位潜心研究海洋“脾气”、预测海洋和气候未来变化的科技工作者。

从事海洋科学研究30多年来,乔方利在海洋与气候模式发展、海洋多运动形态相互作用、海洋湍流与海气通量等领域建树颇丰,创造了一系列“国际首次”。在乔方利及其科研团队的不断努力下,我国海洋和气候数值模式研究实现了跨越式发展。

长期勤学苦读,立志揭开海洋神秘的面纱

1966年,乔方利出生于山东省庆云县的一个农民家庭。他很早便承担起了家庭责任。在邻村读初中时,每天他要在家与学校之间往返数次,放学后先做完家务再学习,经常在煤油灯下学习到深夜。做饭、割草、锄地、赶车,农村的活计他样样精通。儿时的艰苦生活也让他明白,唯有读书,才能去看看外面的大千世界。后来,他家5个兄弟姐妹全部考入大学,在当地传为美谈。

从小学到高中,乔方利学习成绩优异。1984年,乔方利以全县第一的成绩考入山东海洋学院(今中国海洋大学)海洋系物理海洋专业。上大学后,乔方利对物理海洋兴趣十足,如饥似渴地汲取知识。大学期间,乔方利的成绩一直名列前茅,毕业时成为全校8名保送攻读硕士研究生的学生之一。

原创海洋耦合模式,引领海洋模式发展

大学毕业后,乔方利进入原国家海洋局第一海洋研究所(现自然资源部第一海洋研究所)工作,海洋与气候的预测规律成为他的研究重点。乔方利说,研究海洋一般有两种方式,一是海洋观测,二是海洋模式。他的研究主要围绕后者。

乔方利认为,海洋模式的发展体现了一个国家的综合科技实力,但长期以来,海洋模式都由海洋科技发达国家主导。而且,从海洋模式诞生至今,所有的模式一直存在巨大的共性偏差,严重制约了海洋环境的精细化模拟和预报。

为此,乔方利与他的博士导师中国工程院院士袁业立一起长期攻关。经过大量研究,他们认识到以往海洋模式的研究忽视了海浪的作用,并由此揭示了海浪产生湍流的机制,发展了浪致混合理论,在国际上率先实质性地将海浪、潮流、环流在模式中耦合起来,建立了全球首个“海浪-潮流-环流耦合”的海洋模式,大幅提升了上层海洋混合层的模拟与预测能力,实现了我国海洋模式的跨越式发展。时至今日,美国和欧洲国家均通过应用浪致混合理论,显著改进了其数值模式。

由于运算量巨大,发展海洋模式必须通过超级计算机实现。乔方利率团队与清华大学合作,通过使用“神威·太湖之光”超级计算机,突破了并行计算的若干关键技术,使用了全机1000多万个CPU核,在全球范围内首次实现了海洋模式超千万核的高效并行,并行效率高达36%,处于国际前沿水平。

利用原创的浪致混合理论,乔方利团队建立了先进的海洋环境业务化预报系统,并向国际社会发布,结束了东南亚地区没有海洋环境预报能力的历史。自2016年起,该预报系统已在泰国和马来西亚等国家实现业务化应用。2018年,乔方利被选为联合国“海洋科学与可持续发展十年规划(2021-2030年)”专家委员会成员,参与未来国际海洋政策的制定。

建立新型台风预报模式,大幅度提高台风强度预报水平

长期以来,台风对沿海国家人民的生命财产安全构成巨大威胁。过去近30年,世界各国科学家通过联合技术攻关,大大提升了台风路径的预报精度,但台风强度的预报却几乎没有进展。

乔方利认为,台风强度预报技术一直没有突破的原因是缺乏对海洋与大气界面精细物理过程的科学认知。他带领团队,经过十余年科技攻关,在海气界面湍流过程这一国际难点问题上取得了突破:发现波浪破碎产生的飞沫可以大幅度增加海洋与大气之间的热量传递,从而使得预报的台风变强;而波浪产生的湍流混合以及降雨过程则可通过降低海表温度减少海气之间的热交换,使得预报的台风变弱。

基于上述认识,乔方利团队发展了一套适用于台风科学研究及实际预报的海气耦合新型台风模式。2018年,海洋一所正式对外发布了这一新型台风模式,目前正与国家气象部门合作,为进一步提升台风的业务化预报能力继续攻关。

建立新型气候模式,提升人类应对气候变化的能力

气候模式是气候预测的核心,但是目前建立的气候模式均存在巨大偏差。因此,如何降低气候模式的共性偏差,成为摆在世界科技工作者面前的重大科技难题。

自2004年起,乔方利开始布局气候模式研发,通过改进海洋模式,进而改进气候模式。2013年,乔方利团队建立了世界首个包含海浪的气候模式,显著降低了气候模式的共性偏差。在他们的带动下,世界气候模式研发的尖端学术机构,如美国的地球流体力学实验室等,开始纷纷测试波浪的作用,并显著改进了其模式效果。

2020年,乔方利团队又把海浪飞沫等物理过程引入到气候模式中,成功实现了第二代地球系统模式研发,模式性能得到大幅提高,使我国进入了气候模式研发的世界科技“第一方阵”。

预报系统业务化应用,为海上重大事故处置提供科学支撑

乔方利说,他的研究领域听起来不好理解,但实际上跟百姓的生产生活息息相关。这些年来,在一些重大海上突发事件中,乔方利率团队运用其研究成果,为海上重大事故的现场处置提供了重要的科学支撑。

2006年,渤海发生大面积溢油叠发事故。乔方利及其团队经过两个月的连续奋战,最终确定了肇事船只,准确预测了漂油的运移路径。

2008年,黄海暴发严重的浒苔灾害。乔方利根据海洋模式的计算结果绘制流场,迅速查清了浒苔在青岛聚集的原因,并提出了浒苔通道理论,极大提高了打捞效率。

2011年,日本福岛发生核泄漏。乔方利带领团队,利用不到一周时间预测出核物质在大气和海洋中的扩散路径,并发表了全球首篇关于福岛核物质扩散的科学论文。

2018年,泰国普吉发生沉船事故。乔方利率领团队与泰国科学家密切合作,快速提供了搜救“靶区”,其精准性得到了搜救结果的验证。

……

在这些海上重大事件应急处置中,乔方利建立的海洋模式的精准性得到反复验证。乔方利也从中得出了更多思考:“科学根植于大众,服务于大众,科学工作者应该响应国家号召,把论文写在祖国大地上。”

谈及未来目标时,乔方利说,他一直在思考建立包括“山水林田湖草”和海洋在内的生态模式。“没有模式做定量化科技支撑,就难以真正理解海陆统筹的生态系统,也难以回答诸如地球系统的水平衡这样的科学命题。作为科技工作者,立足国家需求、发挥学科优势,是我们的使命和责任,为自然资源部‘两统一’职能提供准确、量化的科技支撑是我们一直为之努力的研究目标。”乔方利对记者说。

来 源:中国自然资源报

制 作:i自然·政务新媒体团队

记 者:周超

供 图:海洋一所

编 辑:杜潇诣、赵志坤、岳泽光(实习)

初 审:程秀娟

审 核:汤小俊

审 签:周 星

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原标题:《科技创新人物|乔方利:潜心探海三十载 数值预报立潮头》

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