作者:吴金娇,殷梦昊,余敏之,丁超逸 来源:文汇报 发布时间:2024/3/24 7:38:52
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“天意”难测?复旦的这群“探险家”专门破解“老天爷”和“海龙王”出的难题

 

在全球气候变化日益严峻的当下,针对大气与海洋的研究愈发重要。关于大气科学、海洋科学,你的印象是否还停留于“预报天气”?实际上,它们是综合性、交叉性极强的基础学科,围绕大气与海洋中的各种现象,以及支配其变化的数学、物理、化学问题开展研究,旨在发现大气海洋现象变化背后的机制原理。

在复旦,有一群“80后”科研人员,运用各类前沿理论和工具,走在大气与海洋研究最前线,只为破解“老天爷”和“海龙王”出的各种“难题”。“天意”诚难测,但科研人员从未认输,如同探险家般踏上一个又一个新的征途。

今天(3月23日)是第64个“世界气象日”。记者和这些“探险家”聊了聊。

天气预报“局部有雨”,哪里才是局部?

云,没有固定的形状和轨迹,它们不仅是大自然的艺术品,也承载着天气变化的信息,影响降水和温度,是天气预报员最重要的“助手”。“在传统天气预报模式中,网格点尺度相对较大,而云的尺度通常较小。这就好比你用粗笔来画小的细节一样,导致预测准确度有限。”大气与海洋科学系青年研究员陈国兴说。

如何才能更精准地描摹云的形成,从而预测天气变化?他引入了人工智能工具。通过利用机器学习技术,训练神经网络,该模式能更好地表达云,更好预测云在不同条件下会如何分布,进而更加准确反映云对天气和气候变化的影响。

“用计算机代替传统的经验总结法,可以极大提高模式预测的准确度。期待这项研究未来实际应用于天气预报业务中,带来新的突破。”陈国兴说。

就在去年,复旦大学人工智能创新与产业研究院联合大气与海洋科学系,基于学校自有的云上科研智算平台CFFF,训练出拥有45亿参数的伏羲气象大模型。这一模型能成功预报未来15天的全球天气,每次预测耗时3秒以内,是复旦AI for Science的代表性成果之一。

看不见的PM2.5如何影响气候变化?

对于大气与海洋研究者而言,实地观测是基本功——亲临现场,从而探究大气环境中的确切成分组成。

万丈峭壁的雅鲁藏布江河谷是南亚空气输入中国的重要通道,大气与海洋科学系青年研究员赵德峰曾带领学生们前往西藏林芝,在山川河流间打开采样器,记录当地大气气溶胶(PM2.5)的特征。

如果关注上海等特大城市的PM2.5水平,它的主要成分如有机气溶胶,究竟源自何处?在赵德峰看来,关键问题在于PM2.5很多时候并非直接排放,而是由一些气体逐渐转化而来。因此,研究不能仅局限于测量PM2.5浓度,更要进行综合观测,测定其中各种物理和化学要素,以期找到可能的来源。

为了深入了解PM2.5如何影响大气变化,赵德峰将带领团队前往云层密布的区域进行研究——从青岛出发,横跨中国的黄海、东海和南海,进行为期一个多月的观测。这些宝贵数据为认识气溶胶的气候效应和环境效应及政府部门制定减排方案提供了参考。

极端气候事件频发,如何准确预测?

干旱、洪涝、高温热浪等创纪录的极端气候事件频繁发生,已成为人类生活和生产的重大威胁。唯有开展极端气候事件的研究和准确的气候预测,才可能使人们及时规避风险。通过物理方程认识大气和海洋过程,则是准确预测气候的理论基础。

中国科学院院士、复旦大学大气与海洋科学系特聘教授穆穆曾说,“老天爷”是急性子,“海龙王”是慢性子。快速变化的大气与缓慢运动的海洋不断进行着物质和能量交换,气候研究则需要通过数学和物理结合的方法同时“猜”两位的心思,可谓难上加难。他的团队也正努力利用自己发展的条件非线性最优扰动(CNOP)方法,探索提高极端天气气候预报的水平。

“发现问题所在,‘知其所以然’,是我们学科的使命。”复旦大学大气与海洋科学系副教授周震强说。不同于天气预报,气候研究需要预测的时间周期更长,因此更需要关注海洋对大气的影响。周震强正是聚焦海洋与大气的相互作用,研究极端降水事件背后的发生和演变机理。

迎难而上,做“附加题”。在太平洋“厄尔尼诺”现象备受关注的背景下,周震强在导师张人禾院士的指导下,发现2020年夏季长江流域的“超强梅雨”事件最早可以追溯到2019年秋季的印度洋偶极子事件,而不是像往常一样主要受到太平洋厄尔尼诺事件的影响,该研究为东亚夏季降水带来了新的可预测性。

海平面“涨涨涨”,速度有多快?

海洋的变幻莫测让人着迷,但考察观测却并非易事。“出海做研究很苦,有的同学上船时非常兴奋,过了半天就晕船了。”大气与海洋科学系教授陈长霖说。

他和团队外出的每个航次都会超过十天,有时甚至达到四五十天。但也正是这份坚持,换来了宝贵的研究数据。“我对组里的学生有个要求,希望他们在读研期间至少能出海调查一次。当然,同学们也都很期待这份经历,最后既完成了科考任务也能见到海上的别样风光。”他说。

入职复旦以来,陈长霖和团队走过了一条自主研发海洋观测仪器的道路。他们研发出了一款智能化海气界面浮标,具备海洋-大气多参数同步采集能力,并借助国产卫星传输数据,整链路完全自主可控。“海洋科学是一门非常依赖观测的科学。”陈长霖再三强调观测的重要性。前不久,大气与海洋科学系教授王桂华及其研究团队正是利用海洋浮标观测,反演出了海面上空台风的强度,发现过去30年占全球70%的弱台风存在明显的增强趋势,相关成果发表于Nature杂志。

如何预测海平面上升的速度,也是陈长霖的研究课题之一。海平面上升的原因主要有两方面,一是海水升温导致的体积膨胀,二是全球变暖后的陆地冰融化。过去100多年全球平均海平面已经上升了超过15cm,未来还将加速上升。陈长霖试图进一步研究,为什么不同海区的海平面涨幅会不一样,以及预测未来如何变化。

“得益于现代海洋观测技术进步,这些问题是能算出来的。”陈长霖说,过去,科学家只能通过在沿岸设少数观测站,测量记录当地岸边水位变化,现在可以通过天上卫星和海里智能化浮标等观测手段,随时获取全球海洋海水温度以及海平面上升的变化。“海平面上升会对包括上海在内的沿海地区带来重大威胁,搞清楚海平面上升幅度,能为适应与应对气候变化提供科学支撑。”

温室气体,究竟从何而来?

面对全球气候变化所带来的挑战,国际环境公约和碳中和、碳达峰等议题成为了全球焦点。各国通过制定国际公约达成共同的低碳目标和政策,减少全球温室气体排放。

“应对气候变化,中国承担着重要责任。”大气与海洋科学系研究员姚波说。中国作为温室气体排放大国,近年来积极参与国际合作,努力实现碳中和、碳达峰的目标。

在这个背景下,研究温室气体的来源变得尤为重要。以往,各国普遍采用温室气体清单统计法进行排放核算,而姚波则采用了一种新的温室气体排放计算方法。他通过监测大气里温室气体的浓度,结合大气传输模型,反演这些气体的量以及从何而来。“大家都认为温室气体的来源很清楚,但实际上仍有很多科学问题需要解决。”

其中,针对含氟温室气体的监测尤为关键。这些气体的单位质量的增温效应可达到二氧化碳的上万倍,而相应商业化的检测仪器一直是空白。姚波带领联合研发团队开发了先进的监测系统,能够准确监测到大气里浓度仅为万亿分之一的温室气体。

“就像是在一百倍全球人口中内精准找到一个人,然后给他称重,误差不超过1公斤。”姚波介绍,部分含氟温室气体的减排成本远低于二氧化碳,因此具有更高的性价比。这一研究成果为含氟温室气体的减排提供有力支持。

 
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