吳立新院士及其合作者從研究范式、時空尺度、界面互作三個維度系統(tǒng)梳理了物理海洋學的發(fā)展脈絡(luò)，提出了當前物理海洋學面臨的十大前沿科學問題。這些問題的凝練標志著物理海洋學正從認識海洋的理論與實驗科學，轉(zhuǎn)向認識海洋與經(jīng)略海洋并重、多應(yīng)用場景驅(qū)動的理論、技術(shù)與工程協(xié)同科學。

1. 跨尺度實時化全球海洋觀測系統(tǒng)構(gòu)建

突破深層海洋、復(fù)雜地形及冰下環(huán)境觀測瓶頸，發(fā)展亞中尺度到微尺度過程解析能力，構(gòu)建從海表到深海、從熱帶到極地的立體實時觀測網(wǎng)絡(luò)。

圖1. 實時化全球海洋觀測系統(tǒng)

2. 超高分辨率全球海洋數(shù)值模式與海洋數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)展

解決傳統(tǒng)大尺度假設(shè)適用性、能量守恒參數(shù)化、多尺度能量串級機制等基礎(chǔ)問題。通過物理約束與人工智能深度融合，提升海洋認知與預(yù)報能力，以應(yīng)對氣候變化及保障海洋安全。

圖2. 數(shù)據(jù)與理論協(xié)同驅(qū)動的超高分辨率全球海洋數(shù)值模式

3. 海洋中小尺度動力過程及其物質(zhì)能量輸運與氣候效應(yīng)

揭示海洋中小尺度動力過程對物質(zhì)能量輸運與氣候變化的影響機制，對提升地球系統(tǒng)模式精度、準確預(yù)測海洋物理場變化、增強應(yīng)對氣候變化能力具有重要意義。

圖3. 海洋中小尺度動力過程及其物質(zhì)能量輸運與氣候效應(yīng)

4. 多尺度海氣相互作用的機理與極端氣候事件

揭示中、亞中及小尺度海氣耦合機理，解析其對臺風、副熱帶風暴、大氣河以及海洋熱浪等極端氣候事件的調(diào)制作用，是突破氣候預(yù)測理論局限、提升預(yù)測與預(yù)估能力的核心途徑。

圖4. 多尺度海氣相互作用的機理與極端氣候事件

5. 復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)

揭示流固相互作用驅(qū)動能量打破地轉(zhuǎn)平衡屏障的動力學機制，量化海底地形對跨尺度能量傳遞的貢獻，厘清其對深海三維環(huán)流的調(diào)控作用，并在海洋和氣候模式中準確參數(shù)化。

圖5. 復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)

6. 極地快速變化的關(guān)鍵過程與氣候效應(yīng)

明確海冰-反照率-溫度反饋、大氣溫度遞減率反饋、水汽和云-輻射反饋、海洋和大氣環(huán)流向極熱輸送等過程的貢獻與變化，揭示海洋-海冰-冰架相互作用機制，提升海冰變化及其對海洋環(huán)流影響的模擬能力。

圖6. 極地快速變化的關(guān)鍵過程

7. 深層海洋環(huán)流結(jié)構(gòu)、成因與變異驅(qū)動機制

揭示南極底層水與北大西洋深層水的“競爭”格局及其對大洋熱鹽環(huán)流的驅(qū)動機制，闡明兩極底層水體同時減緩對全球海洋環(huán)流、碳循環(huán)及氣候反饋的影響機制。

圖7. 深海環(huán)流

8. 大洋熱鹽環(huán)流變化臨界點關(guān)鍵過程與可預(yù)測性

闡明大洋熱鹽環(huán)流存在多種穩(wěn)定態(tài)及臨界閾值，厘清歷史時期環(huán)流切換機制與氣候系統(tǒng)背景條件特征，建立包含臨界預(yù)警能力的環(huán)流可預(yù)測性理論框架。

圖8. 大洋熱鹽環(huán)流變化的臨界點

9. 復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控

辨析多界面、多尺度過程對自然與人類活動復(fù)合脅迫的非線性反饋機制，揭示“極端事件-界面過程-系統(tǒng)功能”連鎖反應(yīng)的海岸帶預(yù)測體系；發(fā)展跨學科綜合觀測與高分辨率耦合模型，實現(xiàn)海岸帶韌性調(diào)控。

圖9. 復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控

10. 海洋動力過程對碳-氮-氧生物地球化學循環(huán)的影響

闡明鋒面、渦旋等動力過程對碳、氮、氧循環(huán)的長期變化機制及其對全球變暖的反饋作用, 建立面向關(guān)鍵通道的持續(xù)觀測與一體化模擬框架。

圖10. 海洋動力過程對碳-氮-氧生物地球化學循環(huán)的影響

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引言

物理海洋學主要通過分析海水的運動、海水的動力、物理與其他生物地球化學性質(zhì)的分布與變化，研究海洋的動力與物理性質(zhì)、過程和機制。該學科是深入了解海洋及其在地球系統(tǒng)中作用的基礎(chǔ)。在全球氣候變暖背景下，海洋吸收了整個氣候系統(tǒng)中超過 的熱量盈余和超過 的人類活動排放溫室氣體，從根本上緩解了人為氣候變暖的速率。同時，海洋也是從季節(jié)到年際和年代際氣候可預(yù)報性的根本源頭。

吳立新等人指出，物理海洋學正從認識海洋的理論與實驗科學，轉(zhuǎn)向認識海洋與經(jīng)略海洋并重、多應(yīng)用場景驅(qū)動的理論、技術(shù)與工程協(xié)同科學?；谶@一判斷，他們從三個維度——研究范式（觀測、數(shù)值模擬、理論分析、人工智能）、時空尺度（從秒至萬年、從厘米至萬公里）和界面互作（海洋-大氣、海洋-陸地、海洋-生物圈、海水-冰）——系統(tǒng)梳理了近百年來物理海洋學的發(fā)展軌跡，凝練出十大前沿科學問題。

跨尺度實時化全球海洋觀測系統(tǒng)構(gòu)建

觀測是推動海洋系統(tǒng)認知革新的基礎(chǔ)。自1872年“挑戰(zhàn)者”號環(huán)球科考以來，物理海洋觀測范式的每一次躍遷均引發(fā)了重大認知突破：熱帶海洋與全球大氣（TOGA）計劃深化了對厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）循環(huán)的認識；全球海洋環(huán)流實驗（WOCE）首次繪制了大尺度環(huán)流圖景；Argo浮標徹底改變了上層海洋水體狀態(tài)的獲取能力；RAPID-AMOC和OSNAP等斷面觀測揭示了大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流的變化特征；我國在南海建立的潛標觀測網(wǎng)則推動了多尺度動力過程能量串級研究。

然而，當前觀測能力仍存在顯著短板：深層海洋（2500米以深）觀測手段有限，復(fù)雜地形周邊及冰下環(huán)境觀測能力不足，亞中尺度、小尺度乃至微尺度過程的解析能力匱乏，實時數(shù)據(jù)傳輸能力有待提升。

圖1. 實時化全球海洋觀測系統(tǒng)
該圖描繪了由衛(wèi)星、浮標、潛標、水下滑翔機、無人船、海底觀測網(wǎng)等組成的立體、實時、跨尺度全球海洋觀測架構(gòu)，涵蓋從海表至深海、從熱帶至極地的全海域監(jiān)測能力。

構(gòu)建跨尺度、立體化、實時化的新一代全球海洋觀測系統(tǒng)，是探索深層海洋物質(zhì)能量循環(huán)、多尺度過程相互作用、全球氣候變化及極端氣候事件演變的前沿支撐，也是實現(xiàn)精細感知海洋系統(tǒng)耦合過程、精準預(yù)測氣候變化與極端事件的堅實基礎(chǔ)。

超高分辨率全球海洋數(shù)值模式與海洋數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)展

高性能計算與人工智能技術(shù)正推動全球海洋環(huán)流模式進入“公里級”甚至更高分辨率的新階段。這一變革帶來一系列基礎(chǔ)科學挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)大尺度假設(shè)在超高分辨率下的適用性需重新評估；須發(fā)展避免“雙重計算”的物理參數(shù)化方案以保證模式能量守恒；需構(gòu)建統(tǒng)一描述海洋湍流各向異性的閉合理論；厘清大尺度、中尺度、亞中尺度與內(nèi)波、潮汐、海浪等多尺度過程之間的能量串級與逆串級機制；明確超高分辨率下跨圈層耦合機制并發(fā)展物理一致性耦合方案；建立基于人工智能預(yù)報結(jié)果的物理可解釋性理論。

圖2. 數(shù)據(jù)與理論協(xié)同驅(qū)動的超高分辨率全球海洋數(shù)值模式
該圖展示了物理第一性原理與人工智能深度融合的技術(shù)路徑：觀測數(shù)據(jù)與理論模型協(xié)同驅(qū)動，通過物理約束的深度學習算法，實現(xiàn)全球海洋超高分辨率數(shù)值模擬與數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建。

上述挑戰(zhàn)對觀測和模擬數(shù)據(jù)的分辨率及處理能力提出前所未有的要求。吳立新等人強調(diào)，借助數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學習方法，以物理規(guī)律約束人工智能的學習過程，實現(xiàn)物理第一性原理與人工智能的深度融合，是提升海洋認知和預(yù)報能力、應(yīng)對氣候變化及保障海洋安全的重要方向。

海洋中小尺度動力過程及其物質(zhì)能量輸運與氣候效應(yīng)

海洋中蘊含著豐富的中尺度渦（空間尺度 ，時間尺度 天）、亞中尺度過程（ ， 天）、內(nèi)波、潮汐、海浪和湍流混合等中小尺度動力過程。這些過程能夠通過自身輸運作用及多尺度過程相互作用，影響海洋中物質(zhì)和熱量的時空分布，并通過水平和垂向輸運直接影響二氧化碳等溫室氣體的埋藏過程與海洋生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力，進而調(diào)控地球系統(tǒng)的碳循環(huán)。

圖3. 海洋中小尺度動力過程及其物質(zhì)能量輸運與氣候效應(yīng)
該圖示意了中尺度渦旋的渦動熱輸運、亞中尺度過程的重力勢能釋放與垂向熱通量、內(nèi)波破碎導(dǎo)致的湍流混合及其對生物地球化學物質(zhì)垂向分布的調(diào)控路徑。

當前針對中小尺度動力過程的現(xiàn)場觀測仍然匱乏，高分辨率海洋動力-生物地球化學耦合模式發(fā)展不足。揭示海洋中小尺度動力過程對物質(zhì)能量輸運與氣候變化的影響機制，不僅是物理海洋的前沿科學問題，也是提升地球系統(tǒng)模式預(yù)測精度、提高應(yīng)對氣候變化能力的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

多尺度海氣相互作用的機理與極端氣候事件

海洋主要通過海氣界面的熱量、動量和淡水通量交換調(diào)控全球能量平衡與水循環(huán)。傳統(tǒng)海氣相互作用理論主要集中于千公里以上的大尺度過程，對中尺度、亞中尺度及小尺度海氣耦合機制缺乏深入認識，這已成為制約氣候預(yù)測精度的關(guān)鍵瓶頸。

近年觀測研究表明：中尺度海洋渦旋與大氣相互作用能夠改變海洋混合層結(jié)構(gòu)，影響副熱帶模態(tài)水的生成效率，調(diào)節(jié)海洋對氣候系統(tǒng)的“記憶”功能；中尺度渦旋與風場強迫共同作用可導(dǎo)致次表層海洋熱浪事件；亞中尺度海洋過程造成的垂向熱量輸送可超過中尺度渦旋數(shù)倍；小尺度海浪直接影響海氣界面的熱量、動量和淡水通量。上述過程對臺風、副熱帶風暴、大氣河以及海洋熱浪等極端天氣氣候事件的生成與演變具有重要調(diào)制作用。

圖4. 多尺度海氣相互作用的機理與極端氣候事件
該圖綜合展示了從大尺度環(huán)流、中尺度渦旋、亞中尺度鋒面到小尺度海浪與大氣邊界層相互作用的級聯(lián)過程，及其對極端氣候事件發(fā)生頻率與強度的影響路徑。

系統(tǒng)揭示跨尺度海氣耦合機理及其對氣候系統(tǒng)（特別是極端氣候事件）的調(diào)控規(guī)律，是突破現(xiàn)有氣候預(yù)測理論局限、提升氣候預(yù)測能力和氣候變化預(yù)估可靠性的核心途徑。

復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)

海洋是一個涵蓋多種時空尺度運動的復(fù)雜巨系統(tǒng)。為了維持機械能守恒，海洋從大尺度風場和浮力強迫中獲取的能量需要通過微尺度三維湍流實現(xiàn)耗散，而兩者空間尺度相差 個數(shù)量級。在這一跨尺度能量傳遞鏈條中，海洋中尺度過程所處的地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)形成了能量從大尺度向小尺度傳遞的“動力屏障”。

圖5. 復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)
該圖揭示了海底山脊、海山、大陸坡等復(fù)雜地形通過流固相互作用激發(fā)內(nèi)波、促進地轉(zhuǎn)平衡破壞、驅(qū)動能量向小尺度湍流級串的動力學過程。

復(fù)雜海底地形通過流固相互作用為打破地轉(zhuǎn)平衡提供有利條件，驅(qū)動能量從海洋中尺度過程向更小尺度過程傳遞。量化流固相互作用對跨尺度能量傳遞的貢獻，厘清其全球空間分布及其對深海三維環(huán)流的影響機制，并在海洋和氣候模式中準確參數(shù)化這些過程，是當前物理海洋學研究的重要挑戰(zhàn)。

極地快速變化的關(guān)鍵過程與氣候效應(yīng)

極地海洋是全球氣候系統(tǒng)的“放大器”和“指示器”，其快速變化涉及一系列復(fù)雜的物理、化學和生物過程。量化這些過程及其相互作用，需要明確外部輻射強迫變化下以下關(guān)鍵過程的貢獻與變化：海冰-反照率-溫度反饋、大氣溫度遞減率反饋、水汽和云-輻射反饋、海洋和大氣環(huán)流向極熱輸送、海冰熱力學過程、海洋中小尺度過程與海冰的相互作用、海洋-冰架相互作用。

圖6. 極地快速變化的關(guān)鍵過程
該圖集成了北極與南極地區(qū)海冰退縮、冰架崩解、中層水增暖、底層水形成速率變化等關(guān)鍵現(xiàn)象，并標注了上述反饋過程的相互作用關(guān)系。

當前地球系統(tǒng)模式對全球變暖下極地海冰和海洋變化的模擬與觀測仍存在顯著差異。這一偏差主要源于極地快速變化導(dǎo)致海冰物理特性及其與海洋大氣相互作用發(fā)生深刻改變，增加了海冰和海洋模式物理參數(shù)化與模擬的不確定性。發(fā)展適應(yīng)海冰和海洋多尺度快速變化的海冰耦合模式，揭示海洋-海冰-冰架相互作用機制，是當前海洋與冰凍圈科學亟待解決的關(guān)鍵問題。

深層海洋環(huán)流結(jié)構(gòu)、成因與變異驅(qū)動機制

深層海洋（ 以深）的海水主要源于沿南極陸坡下沉形成的南極底層水，以及從格陵蘭-冰島-蘇格蘭海脊流出的溢流水。深層海水形成時會攜帶表層大氣中的熱量和二氧化碳進入深層海洋，并通過深層海洋環(huán)流擴散輸運至全球大洋，構(gòu)成全球氣候系統(tǒng)中最大的熱、碳儲庫。

圖7. 深海環(huán)流
該圖描繪了全球深海環(huán)流的主要路徑：南極底層水向北入侵三大洋，北大西洋深層水向南擴展，二者在各大洋盆地內(nèi)交織、混合并驅(qū)動全球深海物質(zhì)能量循環(huán)。

在深海大洋，南極底層水與北大西洋深層水之間的“競爭”是塑造深層環(huán)流結(jié)構(gòu)及其變異的主要原因。近幾十年來，南極冰蓋、格陵蘭冰蓋和北極海冰加速融化，融冰淡水注入導(dǎo)致南極底層水和北大西洋深層水同時呈現(xiàn)減緩趨勢。這一兩極中深層水體形成速率的同時減緩將對全球海洋環(huán)流、碳循環(huán)和氣候產(chǎn)生何種影響，尚待深入探索。

大洋熱鹽環(huán)流變化臨界點關(guān)鍵過程與可預(yù)測性

大洋熱鹽環(huán)流可能存在多種穩(wěn)定態(tài)，從一個穩(wěn)定態(tài)向另一個穩(wěn)定態(tài)的變化會經(jīng)歷環(huán)流系統(tǒng)的臨界點。在該閾值附近，微小的外強迫作用即可導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生本質(zhì)性變化。進一步地，熱鹽環(huán)流的臨界變化可能觸發(fā)地球氣候系統(tǒng)的其他臨界要素翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致氣候系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8. 大洋熱鹽環(huán)流變化的臨界點
該圖示意了熱鹽環(huán)流強度隨淡水強迫變化的“S”型響應(yīng)曲線，標示出穩(wěn)定態(tài)、不穩(wěn)定態(tài)及臨界點位置，并給出了跨過臨界點后環(huán)流不可逆坍塌的概念模型。

地球氣候的長期演化記錄表明，歷史時期的海洋環(huán)流可能已歷經(jīng)不同穩(wěn)定態(tài)。然而，由于缺乏直接觀測證據(jù)，不同穩(wěn)定態(tài)間的切換機制及相應(yīng)的氣候背景條件仍不明確。在現(xiàn)代全球氣候持續(xù)受溫室氣體排放輻射強迫作用下，大洋熱鹽環(huán)流是否會在百年至千年尺度出現(xiàn)臨界不穩(wěn)定，仍存在重大爭議。

復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控

河口-近海區(qū)域是陸地-海洋-大氣耦合的關(guān)鍵界面。其物質(zhì)通量（有機碳、營養(yǎng)鹽、沉積物等）在河流輸入、潮汐混合、海浪以及極端天氣氣候事件（風暴潮、河流洪水）等因素協(xié)同驅(qū)動下，形成具有高度非線性的物理-生態(tài)耦合系統(tǒng)。

圖9. 復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控
該圖展示了氣候變暖、河流建壩、岸灘圍墾、污染排放、海水養(yǎng)殖等多重自然與人為脅迫因子對河口-近海系統(tǒng)的復(fù)合作用，及其對系統(tǒng)緩沖能力與韌性演變的調(diào)控路徑。

全球氣候變暖與人類活動的復(fù)合脅迫作用擾動了自然狀態(tài)下的界面交換過程，削弱了河口-近海系統(tǒng)原有的緩沖能力，降低其應(yīng)對環(huán)境變化的韌性。傳統(tǒng)物理海洋學模型通常將水文動力、生物地球化學和生態(tài)過程分別處理，難以真實反映多界面、多尺度過程對復(fù)合脅迫的非線性反饋機制。

海洋動力過程對碳-氮-氧生物地球化學循環(huán)的影響

海洋動力過程（包括混合、上升/下沉、通風等）深刻影響海水中碳、氮、氧的分布與輸運，并與初級生產(chǎn)、再礦化和微生物代謝等生物地球化學過程共同形成復(fù)雜的耦合系統(tǒng)。當外部強迫接近閾值并引發(fā)動力過程轉(zhuǎn)變時，這種動力-生化耦合可能觸發(fā)碳、氮、氧循環(huán)收支與時空分布的結(jié)構(gòu)性響應(yīng)與反饋，進而影響氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖10. 海洋動力過程對碳-氮-氧生物地球化學循環(huán)的影響

該圖綜合呈現(xiàn)了海洋環(huán)流、渦旋、湍流混合等動力過程對溶解無機碳、溶解氧、營養(yǎng)鹽垂直斷面分布的控制作用，以及生物泵對碳向深海輸出的調(diào)節(jié)路徑。

觀測研究表明，鋒面、亞中尺度渦與中尺度渦能夠在短時間內(nèi)迅速調(diào)配營養(yǎng)鹽與溶解氣體，改變初級生產(chǎn)與再礦化深度，但其對全球碳、氮、氧收支的凈效應(yīng)仍缺乏一致量化。在持續(xù)增暖與淡化背景下，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流與南極底層水的可能減弱會抑制深層通風與向深海的碳、氧輸送，提高中層缺氧風險。闡明海洋動力過程主導(dǎo)的碳、氮、氧循環(huán)長期變化機制及其對全球變暖的反饋作用，建立面向關(guān)鍵通道的持續(xù)觀測與一體化模擬框架，是理解氣候變化下海洋反饋機制及維護海洋健康的核心挑戰(zhàn)。

結(jié)語

吳立新院士等人提出的十大前沿科學問題，涵蓋了物理海洋學的主要研究范式、研究方向與基礎(chǔ)理論問題。部分問題有望在未來5-10年內(nèi)取得突破：量子計算與人工智能的飛速發(fā)展將使超高分辨率全球海洋模式成為可能；深海自持式剖面浮標與實時通信潛標等新型觀測技術(shù)將推動深層海洋環(huán)流變異的理論創(chuàng)新。另一些問題，如海底流固耦合過程及其氣候效應(yīng)、海洋動力過程與生物地球化學循環(huán)的耦合關(guān)系，可能需要更長周期的持續(xù)攻關(guān)。

持續(xù)關(guān)注并研究這些問題，將極大地豐富對全球海洋的認知，推動物理海洋學從認識海洋走向經(jīng)略海洋。隨著更多觀測現(xiàn)象的揭示和理論的發(fā)展，必將涌現(xiàn)出超越“十大”框架的新前沿。在持續(xù)推進物理海洋學乃至地球系統(tǒng)科學發(fā)展的進程中，用新的問題替換已解決的問題，是實現(xiàn)關(guān)心海洋、認識海洋、經(jīng)略海洋目標的根本路徑。

• 信息來源：海洋遙感er、中國海洋大學未來海洋學院整理自科學通報。

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