中国物理海洋学研究70年：发展历程、学术成就概览(下）

⒉海洋数据同化

数据同化技术通过将观测数据与数值模式的有机结合，以改进数值模拟和预测预报的精度。该技术在海洋领域的应用研究发端于20世纪80年代。

1998年国际上发起了“全球海洋数据同化试验GODAE）”计划，中国相继开展了工作。韩桂军等及吕咸青和刘文剑讨论了伴随方法在理想试验中和简单的数值试验算例中的应用。卫星遥感的发展和Argo观测网的运行促进了同化技术的发展。Zhu等和基于三维变分方法研发了完整的海洋数据同化系统，是当时世界上少数几个可以同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统，在国内外多家科研和业务部门推广应用。Xie和Zhu研发了基于等密度面模式的Argo同化技术，解决了同化密度引起的强非线性问题。Zheng和Zhu基于中等复杂程度耦合模式研发了耦合同化系统，国内多家业务部门将其应用于ENSO 预报。Yan 等[360]基于集合同化方法构建并在网站发布了印度洋和太平洋海洋再分析数据集，并用于评估观测系统。Han等发布了中国近海再分析数据集。Cheng和Zhu基于集合同化方法和观测构建了一套格点化的全球历史温度数据集，已被应用于全球海洋变暖估算、未来气候变化预估、海平面变化以及区域气候变化研究。

近20年来，在海洋和气候研究中使用的数据同化方法主要包括最优插值、变分同化和滤波方法。滤波同化方法是当前研究热点，在早期线性滤波研究的基础上，针对非线性问题发展起来了变形Kalman滤波等一系列同化方法，解决了滤波同化中的一些关键问题，目前已应用于业务化模式。

⒊实验室模拟

实验室物理模型实验，是将物理过程进行抽象简化，利用真实流体进行模拟实验。在避免数值模型的人为假设的同时，也具有实验成本低、可控制和可重复性高等优点，是海洋科学研究不可或缺的重要手段，但也存在耗费高、定量化不足的问题。由于研究海洋现象的尺度不同，物理模型实验通常分为非地转实验（主要是水槽/水池）和地转实验（旋转平台）。

非地转实验水槽（池）建设方面，中国涉海高校和单位发展了一系列具有国际一流水准、能满足多种海洋实验需求的大型实验设施群。自然资源部第一海洋研究所、交通运输部天津水运工程科学研究院、大连理工大学、浙江大学、中国海洋大学、中国科学院深海科学与工程研究所、天津大学、南京信息工程大学、广东海洋大学等单位均建有水槽实验室，这些实验设施具有模拟风场、波浪、海流、海洋内波等多种或其中几种水动力环境的能力，可有效应用于海洋内波、海气相互作用、海浪机理以及海洋工程等领域的教学和实验研究。

中国在旋转水池的建设和研究上起步较晚，但是随着近年来中国在海洋领域的投入不断加强，目前已经有包括中国海洋大学、南京信息工程大学、中国科学院大气物理研究所、浙江大学在内的多家单位都建立了自己的旋转实验平台，见表1。

由于可以通过旋转平台模拟科氏力的作用，因此旋转平台试验可以更真实地模拟地球流体动力过程，例如旋转框架下层化湍流过程、海洋中尺度过程及次中尺度过程、内波的演变与发展过程等。

目前，中国的实验平台仍不能满足不断扩大的科研试验需求，不久的未来，中国有望建成世界上最大的地球流体旋转平台（图5），直径约14m，最大注水深度约1.2m，旋转周期约为30～1000s，将会为中国的物理海洋学发展添加新的推力。

海洋-大气相互作用是地球各圈层耦合中最活跃部分，中国学者对该领域研究贡献良多。ENSO是气候系统中最剧烈的年际尺度振荡，对全球大部分地区的天气和气候系统有着重要影响。Fu等发现厄尔尼诺存在一种在日界线附近为主要增暖区的新形态，它的产生与副热带海气相互作用、热带高频强西风异常现象有密切联系。Cai等指出热带印度洋变化可加速厄尔尼诺的消亡，并有助于厄尔尼诺向拉尼娜的位相转变；热带大西洋赤道及北部海域的海温变化对ENSO事件的多样性具有重要贡献。Mu和Duan提出条件非线性最优扰动（CNOP）法，能够刻画大气和海洋系统中的非线性运动特征，已被广泛应用于ENSO 等事件的预报。张荣华等建立的中等复杂程度海气耦合模式（IOCAS ICM），为国际学术界提供ENSO 实时预报结果。

在热带印度洋，中国学者提出了印度洋海盆模态（IOB），指出IOB能够影响亚洲夏季风和西太平洋台风活动。Liu等和Zheng等预测了未来气候变化情境下的IOD和IOB变化。杜岩等还指出印度洋热带环流圈热盐输运对区域气候模态有重要影响。

在年代际气候变化研究方面，吴立新团队建立了能够分离中低纬海洋-大气通道在年代际气候变率中作用的模式动力实验体系、中高纬海洋热盐环流变异影响热带海洋–大气耦合系统的动力学框架及大西洋海洋环流与海温年际-年代际变化的预测模型，系统阐述了副热带环流在太平洋气候系统年代际变化中的调控机理，揭示了北大西洋年代际变化模态是海-气耦合模态，阐述了海洋层结变化以及海洋Rossby波调整对于中纬度年代际气候变率受全球变暖影响的作用机理。刘征宇等阐述了海洋动力过程尤其是行星波动在确定气候系统年代际变率的时间尺度中的作用，发展了分离不同海洋大气动力过程在太平洋气候系统多年代际变化中相对作用的数值模式方法，详细论述了在年代际时间尺度上热带外气候变率影响热带气候系统的不同动力过程，发展了利用数值模式研究中纬度大气环流对海洋变率响应的初值方法，改进了定量估计中纬度海洋对大气反馈作用的统计分析方法。谢尚平和日本合作者在2000年前后阐述泛大西洋年代际气候振荡机理；发展了热带大西洋年代际变率的海气耦合动力模型；提出风-蒸发-海表温度（WES）反馈机制，在气候研究中得到广泛应用。构建了全球变暖下热带降水变化的理论框架，并提出全球变暖背景下不均匀性决定降雨变化区域分布的观点，得到观测和数值模拟的一致证实，还提出赤道太平洋海表面温度冷却作用是近15年来全球变暖停滞的主要因素，指出太平洋年代际振荡在20世纪末的位相转换可通过调制全球平均温度，造成全球变暖停滞现象。Zhang等基于观测资料揭示了大西洋温盐及热含量的时空演变过程，指出大西洋深层西边界流及深层赤道开尔文波是大西洋深海热量传输的主要路径，且传输过程具有60年的周期特征。

Liu等发现了北太平洋黑潮延伸体为中心的马蹄型海温异常对大气环流的反馈作用。揭示了影响台湾以东黑潮变异的北太平洋副热带海域年代际变化的机理，定量给出黑潮延伸体海洋异常信号在海洋温跃层内传播到台湾以东的海洋内部通道；为确定北太平洋动力过程在气候变化中的作用提供了理论依据。揭示了太平洋副热带逆流与副热带模态水之间的联系；发现全球变暖背景下，北半球副热带模态水减少导致的副热带逆流减弱和SST增暖空间分布的非均匀性；为依据海洋动力过程预测未来气候提出了新的理论依据。

杨海军等阐述北大西洋热盐环流对温室气体浓度变化的响应；揭示了大西洋经向翻转环流基于海气耦合模型的年代际变化机制；阐明了风通过海冰及垂直扩散作用对大西洋经向翻转环流的影响。近期南大洋的显著增暖备受关注。Chen和Tung研究发现北大西洋和南大洋的深层水域中的热量增加，使得21世纪以来全球变暖出现停滞。

Gao等预计风应力的增加将推动亚南极模态水的加深和南半球热含量的增加，从而减缓全球表层温度增暖的速度。Xue等观测发现风速变化对南大洋夏季海洋酸化速率有着重要的调控作用，大大提高了对南大洋酸化机制的认识，为预测南大洋碳吸收和评估其对生态系统的影响提供了重要的理论依据。

1969年的渤海大冰封事件造成的中国重大经济损失，是推动中国海冰监测与研究的关键契机。随后，中国学者在海冰数值模式中的热力学与动力学过程、冰-海耦合等方面取得了进展，并用于业务化海冰预报。工程海冰学也随之得到发展，在海洋平台上开展全方位立体工程海冰现场监测研究，建立了被国际标准采纳的柔性海洋平台结构冰力时程函数和冰力谱，在冰与结构物作用力的物理模拟和工程海冰数值模拟方面也取得很大进展。1980年1月，董兆乾和张青松前往澳大利亚南极凯西站进行考察，拉开了中国极地物理海洋学调查与研究的序幕。1984年，“向阳红10”号考察船执行我国首次南极科学考察，开始在长城站沿海及南设得兰群岛周边海域进行水文调查。

1989年中山站建成后，调查与研究海域扩展到普里兹湾及其邻近海域，并开展了冰架、冰间湖与海洋相互作用的研究。近些年来，罗斯海与阿蒙森海成为新的调查区域。以往南大洋海盆区的研究多集中在锋面与南极绕极流。最近在混合、亚南极模态水/南极中层水长期变化等方面均取得了突出成果。

中国首次北极考察于1999年由“雪龙”号执行，其中第5次（2012年）和第8次（2017年）北极考察分别通过了东北和西北航道，其他航次的调查区域均集中在白令海、白令海峡、楚科奇海和加拿大海盆，初步摸清了调查海域的水文情况，对北冰洋水团变化、环流等进行了研究。

中国学者在南大洋与北冰洋开展的理论研究和数值模拟]，加深了对极地物理海洋学的认识，取得的研究成果揭示出极地海洋在全球变化中的重要作用。

中国极地海冰观测与极地考察同步发展。1981年张青松[443] 观测了南极固定冰的形成和破碎过程。之后，在长城站和中山站附近开展了固定冰层理学、形态学和热力学的观测研究。1996年效存德和秦大河获得了北极中心区域海冰形态和雪层剖面特征的空间分布。随后，在北极冰面边界层研究、海冰形态学定量化、积雪和海冰层理结构、海冰物质平衡、海冰和融池的空间分布以及海冰光学等方面都取得了突出的观测研究成果。通过优化同化方案发展了海冰预报模式。利用卫星观测产品，发展了刻画冰间湖产冰率和水道分布的遥感算法。我国多个地球系统模式参与了预估南北极海冰变化的国际比较计划[。研究表明，北极海冰的快速减少会对中国天气气候过程产生重要的影响。

⒈台风

中国受台风（或热带气旋）影响严重，自新中国成立以来就十分重视台风的研究工作，并积极参与国际交流与合作。1972年，全国台风科研协作组织成立，推动了《台风年鉴》（1989 年后改名为《热带气旋年鉴》）的整编工作。该年鉴是世界气象组织（WMO）全球热带气旋资料集（IBTrACS）之一，也是全球唯一收录登陆台风降水及大风数据的资料集。2008年，中国台风最佳路径资料集被纳入IBTrACS[460]参与国际资料交换和比较计划。

20世纪90年代起，国内外开展多次大规模的台风现场试验，促进了台风尤其是异常台风的研究。在国家科技攻关“85-906”项目和国际热带气旋研究合作项目支持下，我国学者在台风的突变现象和预报技术方面取得了新的进展]。经过几代学者的努力，大大提高了对台风机制、台风与海洋相互作用等的认识，在台风资料同化、物理过程参数化、台风监测和预报等关键技术上实现了突破，为中国台风灾害防御提供了有力的科技支撑。

⒉风暴潮

中国是西北太平洋沿岸风暴潮灾害最严重的国家。新中国成立以来，中国风暴潮理论、预报和防灾减灾能力得到很大提升，因风暴潮灾害造成的死亡人数大幅减少。1970 年，国家海洋环境预报中心开始发布风暴潮预报，国内风暴潮研究也逐步开展。秦曾灏和冯土筰建立的浅海风暴潮理论，为中国风暴潮预报奠定了理论基础。孙文心等基于该理论首次开展了风暴潮的数值模拟。1982年，冯士筰编著的《风暴潮导论》系统论述了风暴潮理论和预报方法。1990年前后，王喜年等开始了中国第一代业务化台风风暴潮数值预报工作。于福江等开发了覆盖中国海的温带风暴潮数值预报系统，并于2003年投入业务化运行。尹宝树等建立考虑天文潮和海浪共同作用的渤海风暴潮和海浪模型。王培涛、陈永平等先后发展了风暴潮集合数值预报系统，避免了台风路径预报不确定性对风暴潮预报的制约。

⒊巨浪

巨浪指由强烈大气扰动，如热带气旋、温带气旋和强冷空气等天气系统以及海浪自身调制引起的灾害性海浪。自20世纪50年代中国启动海浪研究以来，就对巨浪十分关注。赵九章等在海浪观测方面开展了大量开创性工作，后人基于观测对巨浪灾害进行了个例分析，并收集整理了巨浪灾害史料集。

80-90年代，中国学者基于文氏二代谱模式和LAGFDWAM三代谱模式对巨浪过程进行了模拟。2000年之后，中国学者在巨浪的生成及演变方面取得了系列进展。例如，畸形波传播及模拟、风暴潮-海浪耦合机理、年代际巨浪演化规律等。

⒋海啸

海啸是由海底地震等因素引起的海水大规模波动形成的一种大洋长波，破坏力极强。中国受到灾害性海啸的影响极为少见，但在南海马尼拉海沟等海域的潜在海啸，仍有可能对中国造成一定威胁，受到学者们的关注。

中国自20世纪70年代以来，开展了中国历史海啸灾害资料的整编与分析工作。1983年，中国加入太平洋海啸预警系统国际协调组。90年代后期，原国家海洋局组织建立了太平洋海啸资料数据库、太平洋海啸传播数值预报模式和越洋、近海海啸数值预报模型，并应用于中国一些核电站的环境评价中。国家海洋环境预报中心于福江等开发了基于GPU并行框架的CTSU数值模式，建立了基于情景数据库的定量海啸预警系统。上述定量化预警技术已在由中国牵头建设的南海海啸预警中心实现业务化运行。

海洋物理是研究声、光、电磁等信号在海洋中传播规律、与海洋相互作用机制，以及利用它们探测海洋的一门科学。

海洋声学是现代海洋技术的物理基础。中国海洋声学研究始于1958年，汪德昭带领一批北京大学的大三学生在三亚的南海研究站与前苏联水声学家开展合作研究。1996 年，中美在远黄海开展了第一次国际合作实验。期间，中国学者在广义相积分简正波理论(WKBZ)、浅海声场和声传播、浅海海底参数反演、浅海射线简正波混响理论与技术等方面取得重要进展。1997年，第一届国际浅海声学会议在北京举办，会上关定华对1958–1996 年间中国在浅海声学研究中取得的进展进行了总结]。

在2012年第三届国际海洋声学会议上，张仁和综述了1997-2012年间中国浅海声学的研究进展，主要包括：基于WKBZ理论发展的波束位移射线简正波理论(BDRM)、耦合简正波抛物方程计算模型(CMPE3D) 和耦合简正波声场模型（DGMCM3D）；提出了多物理量联合海底参数反演方法；建立了相干混响模型；描述了海洋内波引起的声场起伏；提出了浅海声学被动层析方法和声源定位方法；将沿海声层析应用于中国近岸多站位组网观测实验，并完成了沿海声层析数据和近岸水动力模式的数据同化研究。

2012年后，中国在深海声学研究方面取得了一系列重要进展，突破了10000m水深水听器关键技术，打破了国外对我国深水水听器的技术封锁。从此，中国具备了深海大范围水声信号长时间采集的能力，获得了马里亚纳海沟9300m深处的人工地震信号、南海和西太平洋深海复杂地形下的远程声信号传播数据，实现了1000km级的超远程声传播与水声通信，发展了基于大深度声场的水下目标定位方法。

此外，根据台风过程中海洋环境噪声记录，建立了风生噪声模型；基于射线理论解释了海底地形对声传播的影响机理；建立了适用于深海的海洋混响本底及异地混响模型；揭示了中尺度涡旋、内波和海浪引起的声场起伏统计特性及其影响机理。

海洋光学主要研究光在海水中的传播以及海水的光学性质，是海洋遥感和探测的物理基础。新中国成立以来，中国在海洋光学理论、海水光学特性调查和仪器研发，以及以光学为核心手段的海洋探测技术方面均取得了长足的进步。

在海洋光学理论研究方面，建立了变换辐射传递模型，解决了海水光学传递函数、水中窄光束传输等典型问题；针对卫星海洋光学遥感信息提取和反演，中国学者在海洋水体不同波段的遥感模型、波浪对水下光场影响等方面都提出了自己的见解。

在海水光学特性调查方面，中国自1974年起在南海开展海洋光学测量。从20世纪90年代起，进一步完善了光学特性测量和数据处理方法，并开始规模化调查[498–499]，完成了海洋水色卫星定标检验海上同步光学调查（1998-2012年）、“908”专项光学调查（2003-2012年）、“全球变化与海气相互作用专项”光学调查等大型光学调查（2011-2020年），获取了中国近海水体的光吸收、光散射、光离水辐射特性及其季节变化的相关数据。

在海水光学特性测量仪器研发方面，20世纪60-80年代在第一机械工业部和原国家海洋局支持下，研制了海水透明度计、小角度海水散射仪、走航式海面照度计、海水光学多参数测量仪等海洋光学仪器。

20世纪80年代以来，在国家“九五”至“十二五”“863”计划的支持下，中国海水光学特性测量仪器得以迅速发展，研发了深水照度计、海洋光学多参数测量仪、海面和海水层光学测量系统、海洋光学浮标、多波段透射率仪、浊度计、海洋高光谱辐射实时观测系统、阵列式多角度水体体散射函数测量仪等仪器。

在海洋探测应用技术方面，自主研制了多普勒激光雷达[507]、深海原位激光拉曼光谱仪，在拉曼-荧光联合原位探测、激光诱导击穿光谱原位探测等方面也取得了突破。在水下视觉技术与三维目标定位，以及激光通信方面，突破了照明与成像方式、激光扫描、通信链路、调制编码、宽视场窄带接收技术等一系列关键技术，取得了重要进展并多次开展海试。

经过近70年的发展，在全国海洋普查、中国近海海洋综合调查、大洋专项、极地专项、中国科学院先导项目等一系列以海洋调查和能力建设为主体任务的国家重大专项的支持下，中国逐渐建立了由卫星、飞机、调查船、岸基监测站、浮标和志愿船等组成的近海海洋立体观测体系。

在国产调查仪器装备应用方面，早在20世纪50-6年代，主要以人工观测为主，观测效率低；20世纪80年代以后，开始大量进口国外自记自容式海洋调查仪器装备，提高了观测效率；20世纪90年代以来，开始了海洋调查仪器装备国产化研制和海试应用，积累了一定的技术基础，但是由于缺乏对核心技术的把握，国产海洋调查仪器装备的市场占有率尚低。

自20世纪90年代开始，中国开始布设定点连续观测的海床基、潜标和浮标，多以单个、分散和短期为主。21世纪以来，中国定点连续观测逐步向阵列化发展，对中国近海、西太-南海-东印度洋进行了区域针对性调查，积累了海洋调查布局区域控制和整体协同方面的系列经验。

中国于2002年正式加入全球Argo计划，至2018 年底，已在全球海洋中维持了约100个活跃浮标组成的Argo区域，建立了以深海大洋观测为主的中国Argo实时观测网。2013年至今，中国科学院海洋研究所建成了西太平洋实时科学观测网并实现稳定运行（图6），实现了对西太平洋上层赤道流系、西边界流和中深层环流的同步连续观测和深海潜标数据的长周期实时传输。

图6 西太平洋科学观测网潜标和浮标位置图（黑色五角星）

新中国成立以来，中国石油化工产业、海洋资源勘探开发技术迅速发展，海洋开发利用范围和强度不断扩大，导致各类海上溢油、危险化学品（以下简称危化品）泄漏事故多发，对海洋生态环境和国民经济都造成了不良影响。物理海洋学对这些事故的应急处理和危险预报等方面起着至关重要的作用。

中国学者在海洋溢油模拟预测理论和应用方面，开展了大量工作。早期受计算能力的限制，多应用参数化的方法，由风场和海面流场推测油膜轨迹。之后，海洋水动力模型和计算方案被引入了海面油膜漂移预测。安伟等通过集成三维水动力模块、气象模块、环境敏感区域模块和决策支持模块，建立了中国近海溢油漂移预测系统。李彤和谢志宜应用“油粒子”模型得到了较传统平流扩散模型精度更好的油膜轨迹预测结果。李燕等将数据同化技术应用到了溢油预测模型中，进一步提高了模拟精度。王永刚等建立了一个包含多种过程的溢油漂移预测模型并业务化运行。乔方利等建立了全球长时间尺度溢油预测方法，并在2018年东海“桑吉”轮溢油事件中应用。

中国针对海洋中泄漏危化品扩散的数值模拟研究起步于20 世纪世纪末[532]。早期，大多采用简单的二维模型对易溶保守液体化学品的污染扩散进行数值计算[533–534]。进入21 世纪，危化品漂移扩散的数值模拟转向三维，危化品的种类和扩散模型也趋于多元化。余江等根据密度、溶解度、挥发性等特征，建立了危化品分类方法，对提高泄漏危化品漂移扩散的模拟有重要的参考价值。

本文以翔实的科学事实、大量数据和文献评述新中国成立70年来物理海洋学各领域研究（主要包括物理海洋和海洋气象，也涉猎海洋物理与海洋观测）从无到有、从小到大、从弱到强，发展壮大的历史轨迹。可以说这是一部丰富生动、遵循了唯理与实证科学精神的探索史。

在这70年发展历程中，有一段史实值得回忆。1964年，国家海洋局成立。国家赋予的使命概括为3句话15个字，即“查清中国海，进军三大洋，登上南极洲”。这是当年的国家海洋战略，也是当年中国人民的海洋强国梦。从本文评述可见，经过半个世纪三代人艰苦卓绝、可歌可泣的努力奋斗，当年的梦想不仅成为现实，而且已经超越。

70年的实践表明，国家的海洋战略是学科发展的灯塔，国家经济建设、国防建设和维护海洋权益的刚性需求是海洋学科发展的不竭原动力，国家实力是学科发展的坚强后盾，遍布全国的众多研究群体是学科发展的生力军，通过国际交流与合作研究分享国外科研新思路、新方法、新数据和新成果是学科发展不可或缺的推动力。这即是宝贵的历史经验，也对未来发展有重要参考价值。

总结历史的辉煌成就是为了开创更加美好的未来。可以预期，在中国“加快建设海洋强国”和“走向深海大洋”战略规划指引下，随着国家综合实力不断增强，物理海洋学研究作为探索海洋科学的第一梯队，必将迎来更大、更好的发展机遇。“今日非昨日，明日更辉煌”。

本文以已发表的科研成果为依据，从一个侧面评述中国物理海洋学研究70 年来的发展概况。这些科研成果是学科发展史重要组成部分，但不是全部。由于文章篇幅限制，没能列出所有收集到的研究成果（每位第一作者以3篇为限）。一叶扁舟盛不下大海，仅能承载有限的记忆。本文对国家重大专项调查和攻关项目、获奖项目以及突出贡献科学家等的记述欠详或缺失。这些局限性有待于撰写长篇幅专著来突破。