青年科研團隊求解「海與天」預測難題

    複旦大學上空變幻莫測的雲團。本文圖片均由複旦大學提供

    在全球氣候變化問題日益嚴峻的當下，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、化學問題開展研究，旨在發現大氣海洋現象變化背後的機制原理。

    在複旦大學，有一群青年科研人員，運用各類前沿理論和工具，走在大氣與海洋研究最前線，嘗試破解「老天爺」和「海保殊」給出的各種「難題」。

    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，以萬千姿態自由飄浮在天空中。它們不僅是大自然的藝術品，也承載著天氣變化的信息，影響降水和溫度，是天氣預報員最重要的「助手」。

    「在傳統天氣預報模式中，網格點尺度相對較大，而云的尺度通常較小。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。」複旦大學大氣與海洋科學系青年研究員陳國興說，更精準地描摹雲的形成，是天氣預測的關鍵。

    為此，他引入了人工智能工具。通過利用機器學習技術訓練神經網絡，來更好地表達、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化的影響。

    「用計算機代替傳統的經驗總結法，可以極大提高模式預測的準確度。」陳國興介紹，2023年，複旦大學人工智能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45億參數的伏羲氣象大模型。這一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，是複旦大學人工智能科學的代表性成果之一。

    以2023年9月1日複旦大學的開學典禮為例，當時是該校近20年來第一次把本科生、研究生的開學典禮放在一起並在戶外進行。「戶外」開學最大的不確定因素，就是天氣情況。

    開學前一週，上海幾乎天天下雨。但根據該校大氣與海洋科學系青年研究員們利用伏羲氣象大模型所作的預測，9月1日上海不下雨。

    那一天，這所學校的校領導、教師與新生們一起，坐在露天大草坪上，來驗證大模型預測的準確性。大家準備了一次性雨衣和帽子，以防萬一。結果，當天確實沒有下雨。

    極端氣候事件頻發，如何準確預測？

    中國科學院院士、複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，「海保殊」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，氣候研究則需要通過數學和物理結合的方法，同時「猜測」這兩位的心思，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水平。

    近些年，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。唯有開展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。通過物理方程認識大氣和海洋過程，則是準確預測氣候的理論基礎。

    「發現問題所在，‘知其所以然’，是我們學科的使命。」複旦大學大氣與海洋科學系副教授周震強說。

    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。周震強正是聚焦海洋與大氣的相互作用，研究極端降水事件背後的發生和演變機理。

    在太平洋厄爾連奴現象備受關注的背景下，周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連奴事件的影響，該研究為東亞夏季降水帶來了新的可預測性。

    而在另一邊，複旦大學大氣與海洋科學系研究員姚波帶領的團隊則在研究老天爺的「怪脾氣」。他要精準核算溫室氣體的來源和排放量。

    以往，各國普遍採用溫室氣體清單統計法進行排放核算，而姚波則採用了一種新的溫室氣體排放計算方法。他通過監測大氣里溫室氣體的濃度，結合大氣傳輸模型，反演這些氣體的量以及從何而來。

    其中，針對含氟溫室氣體的監測尤為關鍵。這些氣體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里濃度僅為萬億分之一的溫室氣體。

    「就像在8000億人口中精準地找到一個人，然後給他稱重，誤差不超過1公斤。」姚波介紹，部分含氟溫室氣體的減排成本遠低於二氧化碳，因此具有更高的性價比。這一研究成果為含氟溫室氣體的減排提供了有力支持。

    海平面「漲漲漲」，速度到底有多快？

    研究「海保殊」脾氣的第一步，就是觀測。

    海洋的變幻莫測讓人著迷，但考察觀測卻並非易事。「出海開展研究很苦，有的同學上船時非常興奮，過了半天就暈船了。」複旦大學大氣與海洋科學系教授陳長霖和團隊外出的每個航次都會超過10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。

    「我對組里的學生有個要求，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段經歷，最後既完成了科考任務，也能見到海上的別樣風光。」他說。

    入職複旦大學以來，陳長霖和團隊走過了一條自主研發海洋觀測儀器的道路。他們研發出了一款智能化海氣界面浮標，具備海洋－大氣多參數同步採集能力，並借助國產衛星傳輸數據，實現整個鏈路的自主可控。

    前不久，複旦大學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，相關成果發表於國際學術期刊《自然》雜誌。

    如何預測海平面上升的速度，也是陳長霖的研究課題之一。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，二是全球變暖後的陸地冰融化。過去100多年全球平均海平面已經上升了超過15釐米，未來還將加速上升。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。

    「這些問題是能算出來的。」陳長霖說，過去，科學家只能通過在沿岸設少數觀測站，測量記錄當地岸邊水位變化，現在可以通過天上的衛星和海里的智能化浮標等觀測手段，隨時獲取全球海洋海水溫度以及海平面上升的變化，「海平面上升會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化提供科學支撐」。

    「天意」難測，但來自複旦大學的這群青年科研人員一直在努力。他們如同探險家一般，踏上一個又一個新的征途。

殷夢昊 餘敏之 中青報·中青網記者 王燁捷 來源：中國青年報

2024年04月22日 08 版