海洋里也有“龙卷风”？中国海洋大学提出“亚公里尺度”概念，揭秘海水运动

中国海洋大学张志伟教授团队提出海洋“亚公里尺度”新概念——

水平尺度10米到100米，海水是这样运动的

海面之上，波光粼粼；海洋深处，又是何种图景？在不少人的想象中，同一深度的海水运动模式是一样的。然而，真实的大海却更加变幻莫测。近日，中国海洋大学张志伟教授团队在教育部U40等项目的支持下，提出了海洋“亚公里尺度”（sub-kilometer）概念，用以刻画和解释水平尺度在10米到100米之间的海洋动力过程（海浪等波动排除在外）。

前不久，研究团队刚刚完成一次超高分辨率的海上观测实验，依托观测数据正式验证了他们所提出的概念的科学性。

海面之下，这些看似“微观”的海水运动实则牵动着更大尺度的海洋变化。认识这些变化，对维护国家海洋安全、保障海洋资源开发、认识全球气候变化等具有重要意义。

在“大”与“小”之间

传统研究当中，物理海洋学以水平尺度为标尺划分海洋动力过程：大尺度如大洋环流，中尺度如中尺度涡，亚中尺度如亚中尺度涡，更小的则是微尺度湍流。张志伟提出的“亚公里尺度”，指向的是水平尺度在10米到100米之间的海洋动力过程——它比亚中尺度涡小，又比微尺度湍流大。正是在这一尺度上，海洋动力过程变化剧烈，却长期缺少与之相匹配的高分辨率观测。

张志伟介绍，海水运动与大气运动颇为相似：二者同为地球流体，同样受到地球自转的影响，同样呈现出清晰的密度分层——一般而言，下层密度大、上层密度小，海表温度高、深海温度低。“以往的海洋动力学研究，把海洋运动简单地一分为二，大尺度至亚中尺度过程的水平运动远强于垂向运动，称之为（准）二维运动；而微尺度湍流各向同性，水平运动和垂向运动量级相当，被称之为三维运动。但在二维运动和三维运动之间，必然存在一个过渡过程，可以理解为‘2.5维运动’，这也更符合海洋中的真实情况。”张志伟说。

如何理解这样一项研究？张志伟打了一个比方：“这个‘2.5维运动’一定程度上可类比为大气中的龙卷风等极端强对流天气，虽然其垂向风速仍不及其水平风速，但已经强到了不可忽略的地步。”他说，自己研究的海洋“亚公里尺度”过程，就相当于研究海洋里的“龙卷风”——尺度不大，却直接影响着海水的垂向混合与物质能量交换，这样的情形同大气类似，只是过去人们观测不到。

张志伟回忆，小时候看动画片《海尔兄弟》，常有船只被跟船一般大小的涡旋吞没的情节，那时总觉得大海格外可怖——涡旋怎么会“吃人”？后来真正投身海洋研究后他才发现，以往的观测之所以从未记录到这类情形，一个重要原因是缺乏相应的观测技术和手段。受制于此，国际学界缺少能够分辨“亚公里尺度”过程的长期、连续的现场观测数据。如今，张志伟教授团队关于“亚公里尺度”的研究发现正在推开通往微观海洋的那扇窗。

新的认识，正是在更高分辨率的观测中浮现出来的。团队发现，海洋层结——通俗地说，就是海水温度在垂向上的变化——并不像过去认为的那样简单。以往一般认为，海洋的层结随深度增加先单调增强，再单调减弱，在温跃层处达到最强。而最新的观测显示，海洋层结垂向上并非简单的单调变化，而是强弱交替，呈现出明显的间歇性变化，且在水平百米尺度上出现层结剧变。与此同时，锋面的水平尺度可以细到30米，水平梯度极大，温度变化异常剧烈。换言之，在同一片海域里，层结的变化并不连续均匀，而是此强彼弱、时起时伏。

目前，张志伟团队已在南海相关海域完成水平分辨率1—100米级的超高分辨率观测实验，这在国际上尚属首次。“我们推测，这一概念具有普遍性。”张志伟说，在以往的间接观测资料中其实可以找到一些佐证，例如在海上进行石油勘探时，人工激发的地震波主要用于探明海底结构，但同时也留下了反映海水层结的声学反射数据，这些声学数据时常能捕捉到上述变化。团队希望基于实实在在的现场观测，把理论框架立起来。他解释，就现阶段而言，现有的数值模式还难以再现这一过程，模拟既不到位也不精准，唯有先把理论建立起来，才能把模拟做好，进而为预测打下基础，服务于资源开发、生态保护和国家安全等领域。

“要努力去设立新赛道”

在不少人看来，物理海洋学这样的基础研究，坐在电脑前操作一番便可见成效。张志伟对此却并不认同。“观测是基础，计算机算出来的东西并不代表真实的海洋。”张志伟说。

为了取得科学的观测数据从而印证这一概念，张志伟已带领团队在南海开展两次观测，在深水区和浅水区都发现了类似现象。今年7月，国家自然科学基金共享航次在南海北部实施，团队抓住宝贵的船时，开展了一次观测实验。

“要在海洋中开展这一空间尺度的现场观测难度极大，此前并没有针对这一尺度的现成观测设备。”张志伟介绍，没有现成设备，团队就用了个“笨”办法：把一条温度链绑在钢缆上，每隔一米固定一台仪器，测量温度和盐度，绑成一条百米长的链条，最下端坠上一个几百公斤的重块保持平衡，由船只低速牵引前行。这样一来，仪器每秒采样一次，船速约每秒两米，相当于每两米水平距离就能获得一组数据。结果令人振奋：观测清晰地捕捉到了海洋里的亚公里尺度——也就是百米尺度过程。

不过，共享航次的船时十分紧张，那次拖曳观测只进行了一个晚上，获取的数据比较有限，且缺乏定点组网观测。于是，团队又在南海自主设计了一项新的实验：采用潜标观测，由一根锚链自海底直达海表，实现连续观测。但一套潜标只能得到一个点的资料，他们便一次布放五套，呈十字形排布，相邻潜标间距150米，覆盖从海面以下10米到150米的水层。

过程远比预想曲折。时值开海，海上渔船密集，为了防止设备被渔网损毁，团队安排了两艘船协同作业：一艘负责布放，一艘专门值守。承担布放任务的是较大的科考船，费用较高，值守任务便交给一艘小型渔船。首次出海布放便遭遇台风，他们不得不返港避风一周；再度出海，潜标作业刚刚结束，台风又至，海上的浪一度高达三米，渔船在风浪中剧烈摇晃。为了守住来之不易的观测数据，守标船上的团队成员曾三天没能吃上一口热饭，只靠几口可乐支撑。

这段经历，让张志伟极为动容。“出发前，大家知道这是国际上头一回做这样的事，带着强烈的使命感，都憋着一股劲儿。”他说。这套潜标系统最终在海上坚守了8天，这也是国际上首次在百米尺度上布放潜标阵列。值守期间，团队同步开展温盐链拖曳观测，获得了更为丰富的拖链观测资料和潜标阵列观测资料。

“过去，从大尺度环流、中尺度涡、亚中尺度过程到微尺度湍流，海洋中几乎所有动力学尺度的概念都是由国外学者率先提出的。我们不能只满足于建立一个理论去解释别人提出的概念，更要敢于自己提出新概念。”谈到自己的选择，张志伟坦言，如今他比以前更“激进”了。这份“激进”，说到底是一种更深沉的科研志向。科技创新中常常提到“跟跑”“并跑”“领跑”等评价性词汇，而张志伟说：“我们要努力去设立新赛道，而不是总在别人设好的赛道上奔跑。”

向着建设海洋强国的目标，这群与风浪为伴的海洋科技工作者，正把目光投向更深、更远的海。（青岛日报/观海新闻记者 杨琪琪）