奇奇怪怪: 「上帝與海龍王」的心思，他們怎麼解？

今天（3月23日）是

第64個"世界氣像日"

主題為

"走在氣候行動最前線"

在全球氣候變遷日益嚴峻的當下

針對大氣與海洋的研究愈發重要

關於大氣科學、海洋科學

你的印像是否還停留在「預報天氣」？

實際上

大氣科學、海洋科學

都是綜合性、交叉性極強的基礎學科

圍繞著大氣與海洋中的各種現象

以及支配其變化的

數學、物理、化學問題進行研究

旨在發現大氣海洋現象變化背後的機制原理

在復旦

有一群「80後」科研人員

運用各類前沿理論與工具

走在大氣與海洋研究最前線

只為破解"老天爺"和"海龍王"

出的各種"難題"

一起來聽聽他們的故事吧！

天氣預報"局部有雨"，

哪裡才是局部？

雲，沒有固定的形狀和軌跡，以千萬姿態自由漂浮在天空中。它們不僅是大自然的藝術品，也承載著天氣變化的訊息，影響降水和溫度，是天氣預報員最重要的「助手」。

變幻莫測的雲團

「在傳統天氣預報模式中，網格點尺度相對較大，而雲的尺度通常較小。這就好比你用粗筆來畫小的細節一樣，導致預測準確度有限。」大氣與海洋科學系青年研究員陳國興說，這也是許多時候人們覺得天氣預報不夠準確的原因。

如何才能更精準地描摹雲的形成，進而預測天氣變化？他引入了人工智慧工具。透過利用機器學習技術，訓練神經網絡，該模式能更好地表達雲，更好地預測雲在不同條件下會如何分佈，進而更加準確反映雲對天氣和氣候變遷的影響。

「用電腦取代傳統的經驗總結法，可以極大提高模式預測的準確度。期待這項研究未來實際應用於天氣預報業務中，帶來新的突破。」陳國興說。

就在去年，我校人工智慧創新與產業研究院聯合大氣與海洋科學系，基於學校自有的雲上科研智算平台CFFF，訓練出擁有45億參數的伏羲氣像大模式。此模型能成功預報未來15天的全球天氣，每次預測耗時3秒以內，是復旦AI for Science的代表性成果之一。

看不見的PM2.5

如何影響氣候變遷？

穿越亞馬遜雨林，追逐北歐的日出，沿著雅魯藏布江一路向前……這些聽上去美好且詩意的長途跋涉，一旦背負科學考察的使命，便會成為充滿挑戰的旅程。

對大氣與海洋研究者而言，實地觀測是基本功——親臨現場，從而探究大氣環境中的確切成分組成。

萬丈峭壁的雅魯藏布江河谷是南亞空氣輸入中國的重要通道，大氣與海洋科學系青年研究員趙德峰曾帶領學生們前往西藏林芝，在山川河流間打開採樣器，記錄當地大氣氣溶膠（PM2.5）的特徵。 "有人會有高山反應，晚上甚至能聽到狼叫。"

趙德峰課題組在林芝地區進行野外觀測與大氣採樣

如果關注上海等特大城市的PM2.5水平，它的主要成分如有機氣溶膠，究竟又源自何處？在趙德峰看來，關鍵問題在於PM2.5很多時候並非直接排放，而是由一些氣體逐漸轉化而來。因此，研究不能只限於測量PM2.5濃度，更要進行綜合觀測，測定其中各種物理和化學要素，以期找到可能的來源。

為了深入了解PM2.5如何影響大氣變化，趙德峰將帶領團隊前往雲層密佈的區域進行研究——從青島出發，橫跨中國的黃海、東海和南海，進行為期一個多月的觀測。這些寶貴數據為認識氣溶膠的氣候效應和環境效應及政府部門制定減量方案提供了參考。

極端氣候事件頻傳，

如何準確預測？

乾旱、洪澇、高溫熱浪等創紀錄的極端氣候事件頻繁發生，已成為人類生活和生產的重大威脅。唯有進行極端氣候事件的研究和準確的氣候預測，才可能使人們及時規避風險。透過物理方程式認識大氣和海洋過程，則是準確預測氣候的理論基礎。

中國科學院院士、復旦大學大氣與海洋科學系特聘教授穆穆曾說， 「老天爺」是急性子，「海龍王」是慢性子。快速變化的大氣與緩慢運動的海洋不斷進行著物質和能量交換，氣候研究則需要透過數學和物理結合的方法同時「猜」兩位的心思，可謂難上加難。他的團隊也正努力利用自己發展的條件非線性最優擾動（CNOP）方法，探索提高極端天氣氣候預報的程度。

「發現問題所在，『知其所以然'，是我們學科的使命。』」復旦大學大氣與海洋科學系副教授週震強說。不同於天氣預報，氣候研究需要預測的時間週期更長，因此更需要關注海洋對大氣的影響。週震強正是聚焦於海洋與大氣的相互作用，研究極端降水事件背後的發生與演變機制。

迎難而上，做「附加題」是復旦大氣海洋人的魄力。在太平洋「厄爾尼諾」現象備受關注的背景下，週震強在導師張人禾院士的指導下，發現2020年夏季長江流域的「超強梅雨」事件最早可以追溯到2019年秋季的印度洋偶極子事件，而不是像往常一樣主要受到太平洋厄爾尼諾事件的影響，該研究為東亞夏季降水帶來了新的可預測性。

2020年夏季「超強梅雨」的物理機制概念圖，來自Zhou et al. 2021, PNAS

海平面"漲漲漲"，

速度有多快？

海洋的變幻莫測讓人著迷，但考察觀測並非易事。「出海做研究很苦，有的同學上船時非常興奮，過了半天就暈船了。」大氣與海洋科學系教授陳長霖說。

他和團隊外出的每個航次都會超過十天，有時甚至達到四、五十天。但也正是這份堅持，換來了寶貴的研究數據。「我對組裡的學生有個要求，希望他們在讀研期間至少能出海調查一次。當然，同學們也都很期待這份經歷，最後既完成了科考任務也能見到海上的別樣風光。」他說。

陳長霖課題組的學生正在海上進行浮標布放作業

入職復旦以來，陳長霖和團隊走過了一條自主研發海洋觀測儀器的道路。他們研發了一款智慧化海氣界面浮標，具備海洋-大氣多參數同步採集能力，並藉助國產衛星傳輸數據，整鏈路完全自主可控。 「海洋科學是一門非常依賴觀測的科學。」陳長霖再次強調觀測的重要性。前不久，大氣與海洋科學系教授王桂華及其研究團隊正是利用海洋浮標觀測，反演出了海面上空颱風的強度，發現過去30年佔全球70%的弱颱風存在明顯的增強趨勢，相關成果發表於Nature雜誌。

如何預測海平面上升的速度，也是陳長霖的研究主題之一。海平面上升的原因主要有兩方面，一是海水升溫導致的體積膨脹，二是全球暖化後的陸地冰融化。過去100多年全球平均海平面上升了超過15cm，未來也將加速上升。陳長霖試圖進一步研究，為什麼不同海區的海平面漲幅會不一樣，以及預測未來如何變化。

「由於現代海洋觀測技術進步，這些問題是能算出來的。」陳長霖說，過去，科學家只能透過在沿岸設少數觀測站，測量記錄當地岸邊水位變化，現在可以透過天上衛星和海裡智慧化浮標等觀測手段，隨時取得全球海洋海水溫度以及海平面上升的變化。 "海平面上升將對包括上海在內的沿海地區帶來重大威脅，搞清楚海平面上升幅度，能為適應與應對氣候變遷提供科學支撐。"

溫室氣體，

究竟從何而來？

面對全球氣候變遷所帶來的挑戰，國際環境公約和碳中和、碳達峰等議題成為了全球焦點。各國透過制定國際公約達成共同的低碳目標和政策，減少全球溫室氣體排放。

「應對氣候變化，中國承擔重要責任。」大氣與海洋科學系研究員姚波說。中國作為溫室氣體排放大國，近年來積極參與國際合作，努力實現碳中和、碳達峰的目標。

在這個背景下，研究溫室氣體的來源變得特別重要。以往，各國普遍採用溫室氣體清冊統計法進行排放核算，而姚波則採用了新的溫室氣體排放計算方法。他透過監測大氣裡溫室氣體的濃度，結合大氣傳輸模型，反演這些氣體的量以及從何而來。 "大家都認為溫室氣體的來源很清楚，但實際上仍有許多科學問題需要解決。"

其中，針對含氟溫室氣體的監測尤其關鍵。這些氣體的單位質量的增溫效應可達到二氧化碳的上萬倍，而相應商業化的檢測儀器一直是空白。姚波帶領聯合研發團隊開發了先進的監測系統，能夠準確監測到大氣中濃度僅為萬億分之一的溫室氣體。