海洋是地球气候系统的重要成员，对气候平均状态随时间的变化起控制性作用，海洋模式是进行海洋环境预报与气候预测预估的核心，相当于电子工业中的“芯片”，是国家海洋科技总实力的核心体现。自然资源部第一海洋研究所副所长乔方利研究员聚焦国际前沿问题，成功研发了国际领先的自主海洋模式，并直接服务于国内外防灾减灾和经济与社会可持续发展——为国际海洋模式发展贡献中国智慧

  2023年3月下旬，联合国政府间气候平均状态随时间的变化专门委员会（IPCC）在瑞士因特拉肯发布了第六次气候平均状态随时间的变化评估报告的综合报告《气候平均状态随时间的变化2023》。根据该报告，随着全球变暖，气候平均状态随时间的变化带来的不利影响将随之加剧。

  海洋与大气之间有热量、动量、物质等交换，海—气相互作用造成了千变万化的天气与气候现象，并引发全球或区域气候异常和气象灾害。开展海洋和气候的预测预报，对全球气候平均状态随时间的变化评估、海洋科学研究、海洋环境安全保障等具备极其重大意义。

  近三十年来，自然资源部第一海洋研究所（以下简称海洋一所）研究员乔方利致力于海洋与气候数值模式研发，带领团队攻坚克难，在海洋预测和气候未来变化等领域获得了一系列原创性研究成果，推动我们国家海洋和气候的预测预报能力迈进世界领先行列，为深度参与全球海洋治理、推动构建海洋命运共同体提供了中国智慧。

  精准的预测预报是海洋科学研究的重要目标。发展海洋模式和以海洋为核心的气候模式，是实现精准海洋与气候预测预报的关键和必由之路。

  “气候模式是定量描述地球气候系统现象及其变化的数值模型，是气候研究、未来预测的核心工具，也是一个国家科技总实力的重要体现。”海洋一所物理海洋室研究员宋振亚介绍，由于气候模式的复杂性，其发展与改进是一项极具科学挑战性的工作，更是一项科学、技术与工程并重的系统工程，不仅包括了海洋、大气、海冰、陆面等地学交叉，也需要数学、高性能计算、人工智能等跨学科交叉。

  20世纪六七十年代，美国地球流体动力学实验室发展了首个海洋模式和气候模式，此后，欧美等海洋科技发达国家长期引领了海洋与气候模式的发展。

  “半个多世纪来，尽管国际上海洋和气候模式发展取得了长足的进步，但仍存在诸多系统性模拟和预测误差，比如夏季海洋混合层模拟偏浅、台风强度模拟预测不准、气候模式热带偏差等，这给精准的预测预报带来非常大挑战。”宋振亚说。

  宋振亚介绍，完善海洋界面通量和海洋内部多运动形态相互作用过程（特别是海洋湍流）是提升海洋模式乃至气候模式模拟能力的关键途径。长期以来，国内外海洋学者一直将海洋运动划分成海浪、潮汐、环流等过程分立研究并单独发展不同类别的数值模式。尽管海洋模式分辨率慢慢的升高，但由于海洋模式中各种运动形态之间的耦合过程考虑不足，海气界面关键过程不完善等，导致了海洋与气候模式仍存在这些显著的共性偏差。

  我国海洋与气候模式研究起步相对较晚，经过近三十年的不懈努力，乔方利带领团队提出了海洋动力系统观点，以多运动形态相互作用为核心，打破了海浪、潮流、环流分治的国内外传统海洋动力学框架，在海洋耦合模式发展方面取得了突破性进展，初步形成了海洋和以海洋为纽带的气候模式的自主数值模式体系，大幅度提升了模拟和预测能力，在自主海洋耦合模式领域实现了国际“领跑”。

  长期以来，物理海洋关注的海浪、潮流、环流在全世界内都被当成三个“互不相干”的领域进行研究。但经过多年研究，乔方利和他的团队发现，浪、潮、流是互相影响的。把这一些要素联合在一起的，正是湍流。

  湍流混合过程影响着海洋内部动量、热量和物质的输送与平衡，是海洋多运动形态耦合的核心，科学认知和量化海洋湍流是实现海洋准确模拟和预报的关键科学问题。湍流一直是物理海洋学研究的热点和难点，物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼称湍流为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题”。

  乔方利举了一个通俗的例子：要想让一碗热粥快速冷却，最好的办法是不停搅动，这个“搅动”就是湍流。从物理海洋角度来讲，产生“搅动”的主要能量来自波浪。湍流来自于波浪，又影响着浪、潮、流，乔方利的这个认知系统阐明了小尺度海浪在大尺度海洋环流及全球气候系统中的关键作用。

  “以往海洋领域预报不准确，最终的原因就是对湍流的认识不足。”乔方利说。在一秒钟内测量128个数值然后加以计算，乔方利从中提取细小的“信号”，终于揭开了湍流的神秘面纱。

  乔方利带领团队原创性发现海浪在海洋上层湍流混合与海气通量中的关键作用，被国际专家誉为“乔理论”，并被欧美等诸多国家实际应用于模式研发，实质性提升了其模式能力。

  同时，针对国内外海洋观测昂贵这个共性问题，乔方利带领团队通过多学科交叉，突破了系列关键技术，基于我国北斗卫星信号，成功研制出低成本、高精度、智能型的新一代全球导航卫星系统（GNSS）海洋表层漂流浮标，使得海洋观测的成本大幅度降低，为大幅度的提高海洋观测和监测能力提供了新的重大契机。乔方利率团队将全球海洋模式首次实现超千万核大规模高效并行，并行能力海洋领域国际领先，是我国首批入围国际超算领域最高奖“戈登贝尔奖”的成果之一。

  海洋是最大的气候调节器，人类活动引起全球热量增加的90%进入了海洋。“气候模式是气候预测预估的核心，但是目前全球的气候模式均存在巨大共性偏差。”乔方利说，“基础理论研究决定预测预估能力，我们一定要了解海洋领域‘最小的组成单元’，才能建立科学的气候模式，提高预测能力。”所谓“最小的组成单元”之一，指的是海浪飞沫，这是海气热量交换的基础单位。

  基于原创理论和系列自主技术突破，乔方利带领团队建立了海浪-潮流-环流耦合的海洋模式、大气-海浪-海洋耦合的区域台风模式、耦合海浪的气候模式，解决了国内外模式发展长期面临的共性偏差难题，大幅度的提高了我国在海洋、台风和气候的模拟与预报的精度和能力。

  其中，乔方利带领团队基于原创性的浪致混合理论，建立海浪-潮流-环流耦合的海洋模式，在国际上率先实质性地将海浪、潮流、环流在一个模式中耦合起来。这个成果将海洋模式领域存在了半个世纪的上层海洋模拟误差减小了86%，精度达到世界顶配水平，推动我们国家海洋模式实现了跨越式发展，一举走到了该领域的国际前沿。

  台风是海洋和大气耦合的产物，过去几十年间，国际社会单纯从大气角度入手，对台风强度的预测始终存在预报强度偏弱这一系统偏差难题。乔方利带领团队经过十余年科技攻关，发现波浪破碎产生的飞沫可以大幅度增加海洋与大气之间的热量传递，从而使得预报的台风强度增大；而波浪产生的湍流混合以及降雨则通过降低海表温度减少海气之间的热交换，使得预报的台风变弱。

  基于这一新的科学认知，乔方利带领团队创建了大气-海浪-海洋耦合的区域台风模式。该台风强度预报的准确度提升了40%。目前，团队正在与国家气象部门合作，逐步提升台风的业务化预报能力。

  来自国内外的最新科学评估结果为，乔方利团队创建的第三个模式——耦合海浪的气候模式在全球排名前列，这表明我国在气候模式发展领域已经跨入世界科学技术前沿。准确气候预测是国家综合科学技术实力的体现，该气候模式可为我国“双碳”目标的实现提供强有力科技支撑，同时显著增大我国对全球气候治理的贡献。

  台风何时来，强度如何？海洋环境对航运和渔业发展有什么影响？多年来，乔方利团队的研究成果直接服务于国内外防灾减灾和经济与社会可持续发展，在国内外高度关注的系列海洋重大应急事件中发挥了核心科技支撑作用。

  2006年，渤海发生大面积溢油叠发事故。乔方利带领团队并组织全国优势科技力量，经过两个月的连续奋战，运用海浪-潮流-环流海洋耦合模式，准确预测了叠发漂油的运移路径，通过溯源和油指纹等高科技手段最终确定了初次肇事船只。

  2008年，黄海暴发严重的浒苔灾害。乔方利团队根据海洋模式的计算结果绘制出海洋流场，迅速溯源查清了浒苔在青岛聚集的原因，并提出了“浒苔通道”理论，极大提高了浒苔的打捞与处置效率。

  2011年，日本福岛发生核泄漏。乔方利带领团队运用海浪-潮流-环流海洋耦合模式以及耦合海浪的地球系统模式，用不到一周时间预测出核物质在大气和海洋中的传输与扩散路径，并发表了全球首篇关于福岛核物质影响的科学论文，预测结果被后续的观测所证实。

  2018年，泰国普吉发生沉船事故。应泰方请求，乔方利率领团队与泰国科学家密切合作，运用海浪-潮流-环流海洋耦合模式，快速提供了搜救“靶区”，其精准性得到了搜救结果的验证，泰国政府致函感谢。

  2022年，柬埔寨发生沉船事故。应柬方请求，乔方利率团队运用海浪-潮流-环流海洋耦合模式，为柬方提供了专业化、高精度预测，被后续打捞结果所证实，为事件处置发挥了核心科技支撑作用，柬埔寨政府致函感谢。

  2022年，乔方利团队在耦合海浪的气候模式基础上建立的短期气候预测系统，参与了北京冬奥会和冬残奥会气候保障会商，从厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、海温、北极海冰等方面出发，为北京冬奥会和冬残奥会赛区及周边地区提供了专业化的季节和延伸期的预测服务。

  此外，乔方利团队创建了“21世纪海上丝绸之路海洋环境预报系统”，受国际组织邀请直接服务于东南亚国家，成为中国海洋科技自主创新支撑海上丝绸之路建设的范例。2022年乔方利与欧美等25个国家的科学家成功发起了联合国“海洋十年”海洋与气候无缝预测（OSF）大科学计划，标志着我国在海洋与气候预测领域从长期的科技积累走向了国际引领。

  2023年5月21日，欧洲科学院院长马佳·马科洛夫教授向乔方利发来贺信，祝贺他当选欧洲科学院外籍院士。本次获选，充足表现了乔方利在湍流研究，以及海洋和气候预测领域作出的国际杰出科技贡献。乔方利也是自然资源部首位当选的欧洲科学院院士，标志着自然资源部高品质人才队伍建设取得新成绩。

  科学根植于民，服务于民。乔方利表示，他将牢记科技为民的初心和使命，传承我国老一辈科学家以身许国、心系人民的优良传统，坚持以自主科学技术创新为全球海洋治理和社会可持续发展作出新的贡献。

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