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        劉傳玉:以海洋之深成科學(xué)之美

        發(fā)布時間:2018-06-24 來源: 美文摘抄 點擊:


          地球海洋面積約為3.6億平方公里,約占地球表面積的71%,她不僅是生命的搖籃,大氣的襁褓,資源的寶藏,也是國家商貿(mào)的窗口,國防的前哨,具有深遠(yuǎn)的研究意義。
          中國是世界上利用海洋最早的國家之一。古人很早就已從海洋收取“漁鹽之利”和“舟楫之便”,同時不斷地觀察和認(rèn)識海洋,積累了大量的海洋知識。特別是自20世紀(jì)50年代以來,中國的海洋科學(xué)研究逐步展開并取得了大量成果,為開發(fā)利用海洋資源,振興經(jīng)濟(jì),作出了越來越多的貢獻(xiàn)。
          遼闊的海洋,美麗而又神秘。從事科研以來,中國科學(xué)院海洋研究所劉傳玉研究員正是將海洋作為自己的研究對象,在中小尺度的海洋運動層面,以海洋數(shù)據(jù)同化及應(yīng)用作為主要方法,以海洋混合作為研究主線,進(jìn)行科研創(chuàng)新,助力我國的海洋事業(yè)發(fā)展,在蔚藍(lán)的海洋中激起了朵朵科研的浪花。
          踏上海洋研究的征程
          海納百川,有容乃大。劉傳玉從小就對大海充滿了向往。大學(xué)時,他就讀于中國海洋大學(xué)海洋系海洋科學(xué)專業(yè),在海洋科學(xué)的基本理論、基礎(chǔ)知識和基本技能方面打下了堅實的基礎(chǔ)!耙话闾崞鸷Q笱芯,人們自然而然地便會想到波浪、潮汐等與人們切身相關(guān)的東西,而除此之外,還有一些科研方向亟待人們?nèi)ヌ剿、發(fā)掘。比如,海洋熱量如何通過1米到100公里尺度的海洋運動而實現(xiàn)再分布的問題就是其中之一。”劉傳玉說。而他的研究方向就是由此而展開的。
          物理海洋學(xué)是以物理學(xué)的理論、技術(shù)和方法,研究海洋中的物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律,并研究海洋水體與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互作用的科學(xué),是海洋科學(xué)的一個重要分支,在資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、軍事活動、海岸設(shè)施和海底工程等方面有重要的應(yīng)用。從19世紀(jì)末開始,一些杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家就開始對海洋中的重要物理現(xiàn)象進(jìn)行過研究,為物理海洋學(xué)的形成和發(fā)展奠定了觀測和理論基礎(chǔ)。大約從上世紀(jì)中葉開始,我國的海洋科學(xué)家們在該領(lǐng)域開始了持續(xù)的研究工作并獲取了一系列重要成果,激勵了一批又一批的年輕人投入其中。
          從中國海洋大學(xué)畢業(yè)后,劉傳玉前往中國科學(xué)院海洋研究所物理海洋學(xué)專業(yè)進(jìn)行碩博連讀,繼續(xù)在這一領(lǐng)域中開拓、創(chuàng)新,積累了豐富的研究經(jīng)驗。進(jìn)入新世紀(jì)以來,伴隨著國家實力的增強和各行各業(yè)的蓬勃發(fā)展,我國的海洋事業(yè)也迎來了嶄新的發(fā)展期,更堅定了他進(jìn)行海洋研究的決心。為了學(xué)習(xí)更多新的科研方法,開闊科研思路,博士畢業(yè)后,他毅然前往德國漢堡大學(xué)海洋研究所進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)研究,在海洋的中小尺度的模擬、海洋模型的建立以及數(shù)據(jù)修正方面,展開了一系列的科研攻關(guān)。
          海洋科研中的新突破
          遠(yuǎn)離家鄉(xiāng),漂洋海外,劉傳玉的心中只有一個目標(biāo),就是學(xué)習(xí)先進(jìn)的科研知識,在科研方面取得更多創(chuàng)新性突破。工夫不負(fù)有心人,在德國研究、工作的6年間,劉傳玉通過自己的不懈努力,在海洋同化和海洋混合等方向做出了一批創(chuàng)新性成果。
          溫躍層是海水溫度隨深度而遞減,在遞減率(或溫度梯度)最大處的一定厚度的水層,是生物以及海水環(huán)流的一個重要分界面,對于厄爾尼諾的發(fā)生和變異機理研究及模擬預(yù)測具有重要意義。
          將此作為研究對象,劉傳玉和合作者們利用Argo高垂向分辨率溫鹽資料和TAO(熱帶大氣海洋)觀測陣列的高時空分辨率溫鹽流資料,發(fā)現(xiàn)了赤道東太平洋冷舌區(qū)溫躍層內(nèi)存在著普遍的、較強的垂向混合。這些混合可以發(fā)生在從溫躍層上部到下部的所有區(qū)域,也能發(fā)生在赤道潛流流核以下的區(qū)域。該研究為改進(jìn)垂向混合參數(shù)化方案提供了觀測依據(jù),同時也為備受世人關(guān)注的厄爾尼諾動力學(xué)研究提供了新的視角,成果發(fā)表在Nature Communications期刊上。
          除此之外,劉傳玉和合作者們還改進(jìn)了全球四維變分(伴隨)同化大洋狀態(tài)估算系統(tǒng)GECCO(German version of Estimate the Circulation and Climate of the Ocean),對海洋內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化估算。GECCO系統(tǒng)(其前身是ECCO系統(tǒng))是國際上僅有的少數(shù)幾個大洋估算系統(tǒng)之一,主要功能是通過同化觀測數(shù)據(jù)矯正海洋模式的海表面驅(qū)動場、初始場及海洋參數(shù)等。
          “在天氣預(yù)報的播報過程中,我們能在云圖中看到云朵飄來,也能看到風(fēng)的吹動,這些都是計算模擬出來的。與之相同的是,海洋也有自己的計算模型,在建立模型之后,也會對其進(jìn)行一系列的修正,讓計算結(jié)果變得更加準(zhǔn)確!眲饔裾f。
          在這一研究中,劉傳玉和合作者在準(zhǔn)確模擬海洋大尺度狀態(tài)的基礎(chǔ)上,首次優(yōu)化了較高分辨率海洋模型中海洋內(nèi)部參數(shù),即表征模式次網(wǎng)格過程對大尺度影響效應(yīng)的混合系數(shù),引領(lǐng)了新的研究方向。他們利用GECCO系統(tǒng)給出的最優(yōu)估算,闡明了全球大洋中尺度渦致側(cè)向混合系數(shù)(等密度層厚度擴散系數(shù)和粒子沿等密度面擴散系數(shù))的空間結(jié)構(gòu)和形成機制。發(fā)現(xiàn)了上述混合系數(shù)與當(dāng)前海洋環(huán)流模式普遍采用的空間均一的系數(shù)具有很大的差異,其空間結(jié)構(gòu)依賴于中尺度渦的統(tǒng)計特征和局地線性不穩(wěn)定性等物理機制。通過這項研究,他們指出了海洋內(nèi)部混合系數(shù)本身也體現(xiàn)出物理規(guī)律,也需要參數(shù)化,而不能僅僅采用經(jīng)驗常數(shù)。證明了優(yōu)化的海洋系數(shù)可以很大程度地改進(jìn)海洋模擬的精度,是改進(jìn)現(xiàn)有海洋模式精度的研究方向。這些成果發(fā)表在Journal of Physical Oceanography和Ocean Modelling等期刊上,引起了領(lǐng)域內(nèi)的強烈關(guān)注。該項成果為海洋中尺度過程對大尺度過程的研究提供了新的視角。
          回國在海洋研究中繼續(xù)馳騁
          對劉傳玉來說,出國,是為了自己的遠(yuǎn)大志向,是對科研知識學(xué)習(xí)的無限渴望。廣博的海洋中,蘊含著美妙的科學(xué)規(guī)律,等待著人們的探索。植根于寬廣的海洋,作為一名海洋學(xué)研究者,若能揭示其些許的科學(xué)規(guī)律,都將是讓人倍感激動的美事。而回國則是本著一顆初心,為了將自己學(xué)習(xí)的科研知識更好地服務(wù)于祖國的海洋科研事業(yè)。劉傳玉說,現(xiàn)如今國內(nèi)的科研環(huán)境越來越好了,也給了許多科研人員新的機會,回到祖國,他會有更大的空間,可以在科研領(lǐng)域大展身手。
          來到中國科學(xué)院海洋研究所之后,劉傳玉基于中科院海洋所“一三五”規(guī)劃中“在熱帶西太平洋環(huán)流變異及其對氣候、環(huán)境的影響上要實現(xiàn)大突破”的目標(biāo),在自己已有研究成果基礎(chǔ)之上,開始了新的科研探索之路。2017年1月,劉傳玉成功入選了中央組織部“千人計劃”青年項目,在“面向“兩洋一!钡娜蚋叻直媛屎Q髷(shù)據(jù)同化系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用”中展開了科研攻關(guān)。
          “兩洋一!保ㄎ魈窖蟆⒂《妊蠛湍虾5慕y(tǒng)稱)是我國直接毗鄰的海洋,其水氣動力輸送對我國氣候有重要影響,其海洋環(huán)流對我國近海的海洋環(huán)境也有著直接影響,另外,“兩洋一!痹谌驓夂蜃兓幸财鹬P(guān)鍵作用。這使它成為我國海洋學(xué)重點研究的區(qū)域。在這一項目中,劉傳玉將對自己參與研發(fā)的全球大洋四維變分(伴隨)大洋估算系統(tǒng)(GECCO)模式,進(jìn)行進(jìn)一步發(fā)展,使之面向“兩洋一!边M(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化,以此來研究熱帶西太平洋環(huán)流變異對局地及遠(yuǎn)程海洋參數(shù)的敏感性及響應(yīng)機理,以及研究其他各類多尺度過程及其相互作用等。
          此外,得到國家自然基金委資助的“全球大洋中尺度渦致側(cè)向混合系數(shù)各向異性分布規(guī)律及大尺度效應(yīng)研究”項目以及科技部資助的“我國大洋觀測系統(tǒng)評估”項目也是劉傳玉團(tuán)隊的重點方向之一。在這一研究中,劉傳玉團(tuán)隊將通過利用低分辨率GECCO系統(tǒng)同化最近10年(2007-2016)顯著增加的Argo全球觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),以及我國在“兩洋一海”的觀測數(shù)據(jù),確定中尺度渦致側(cè)向混合系數(shù)各向異性的重點發(fā)生區(qū)域、全球大洋的三維空間分布特征及物理機理,還會考察我國大洋觀測系統(tǒng)對數(shù)值模擬的改進(jìn)效用及最優(yōu)觀測布局,并進(jìn)一步考察其對水團(tuán)分布、熱量輸運的影響。
          中國既是陸地大國,也是海洋大國。劉傳玉深知,為了那份“海洋強國”夢,他們所要做的工作還有很多。如今,他早已迫不及待地想要投入到這重重挑戰(zhàn)當(dāng)中,為祖國的海洋科研事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量!

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