大海对科学的挑战

管玉平

大海，对文学充满诗情与画意，对科学充满挑战与机遇。

1865～1870年，法国科幻小说家凡尔纳的“海洋三部曲”《格兰特船长的儿女》《海底两万里》和《神秘岛》，激发一代又一代人对海洋的向往。1901年，俄国作家高尔基在《海燕》里用大海波涛代表革命高潮时广大民众的力量，用暴风雨代表席卷俄国的革命浪潮，用海燕表征英勇善战的俄国革命先行者，预告俄国的革命风暴即将到来，鼓舞人们去迎接伟大的战斗。新中国缔造者之一——毛泽东，在20世纪70年代用“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”描述科学技术的飞速发展。今天，我国已经可以“神舟”探月，“蛟龙”入海。

海洋有很多神奇的现象。例如，由于月亮、太阳的吸引和地球自转的共同作用形成了海水有规律的升高或降低，有“斗转星移，潮涨潮落”之说，也有人称其为“海洋的呼吸”，这种海洋现象叫潮汐。在不同的时间和不同的地方，潮汐的大小是不一样的。最著名的是我国的钱塘江大潮，最大潮差近9米，所谓“滔天浊浪排空来，翻江倒海山为摧”。图1是我国近代画家傅狷夫笔下的大海——《海浪》。

①《海浪》傅狷夫

那么，科学家是怎样研究大海的？在计算机出现之前，理论和实验是科学研究的两个主要手段，特别适合于像物理学、化学家、生物学这样的学科。但对海洋学来说，实验就是出海对海洋进行观测和调查，因为能在实验室进行研究的现象很有限，整个大海才是真正的实验室。然而，要建那么大的实体实验室是不可能的；开着轮船在海上进行科学调查受到诸多限制也非常昂贵，要想同时得到海洋不同地点同一时刻的观测数据，如果用船观测的话，得需要多少船只呀！即使有海洋卫星，也没有实现同时全覆盖的观测，何况卫星只能给出海洋表面的二维变化，而海洋是不断变化的三维流体（图2。自从电子计算机发明以后，便出现了第三种科学研究方法，叫科学计算，就是把研究的对象写成数学方程，然后编成计算程序让计算机进行计算，因此，也叫数值计算。把这种方法应用到海洋时，其实质是海洋学家在计算机上建立一个“数值海洋实验室”，叫海洋数值模式。像大家熟悉的天气预报，海洋学正是利用这样的海洋模式对海洋未来的变化进行数值预报，它是海洋预报的主要形式和手段，而海洋预报则是一切海上活动的基础和保障。

②卫星数据获得的2003年5月海表面温度分布

怎么进行海洋数值预报呢？由于海水总是在不停地运动着，海水的运动遵从一定的物理规律，这些规律可以写成一组数学公式，根据这些公式就可以计算海洋的温度、盐度、海水流动的速度和方向等，通过计算就知道了它们将来是如何改变的，所以它们叫变量，这就是海洋数值预报，其本质是用计算机对海洋将来的行为进行预测。由于海水的运动非常复杂，这些数学公式人们还无法手工计算它们，且计算量也很大，因此，只能借助计算机来计算。顾名思义，这项工作需要强有力的计算机才能完成。当然，假如我们所关心的问题没有那么复杂，计算量就不是很大，用家里的计算机就可以了。让计算机计算到未来一天一夜即24小时的结果，叫24小时预报；以此类推，未来两天和三天的结果叫48小时预报和72小时预报。所以，计算机的计算速度越快越好。

如何在计算机上实现海洋数值预报？第一步，把海洋沿着经向、纬向和垂向三个方向画成如图3所示的网格，经向和纬向的尺度大小可以一样也可以不同，一般是用垂直坐标得到的规则网格。还有一种是不规则网格，如美国麻省大学美籍华人海洋学家陈长胜教授建立的无结构海洋计算网格（图4） ，最小网格可以到米的量级，已被广泛应用。第二步，在这些网格点按照方程计算海水的温度、盐度、速度等。第三步， 由于海洋有海岸线和海底地形，要把边界上温度、盐度、速度的值等也放到网格上。第四步，确定计算开始时刻的温度、盐度及流速等量的初始值：一般流速通常从全域为零的静止状况开始计算，而温度和盐度等则需要给出其空间分布的初始状态。

④美国麻省大学陈长胜教授建立的无结构海洋计算网格

③数值海洋预报要把海洋分成规则的计算网格

⑤用于模式计算的计算机集群

要做好海洋数值预报需要具备三个条件：首先要有强大的计算机，二是对海洋的运动规律要有全面、准确的认识，还需要拥有及时、完整的全球海洋观测资料。这三个方面也是海洋对科学技术提出的三大挑战。挑战一：随着对海洋认识的深入，海洋数值预报需要巨型超级计算机，提高计算的空间分辨率，即缩小网格距离时，对于三维流场而言，若沿三方向的分辨率都加倍，则计算量大约增加16倍。可见，要想通过增加分辨率来描述较小尺度的流动细节，会受到计算机容量和速度的限制。计算的海域越大，用的网格越密，需要计算机的容量就越大，速度要越快。所以，预报全球海洋的变化时需要用超级计算机了（图5）。挑战二：是不是计算的网格越小预报得就越好呢？不一定。海水的流动是同时存在各种不同尺度的运动，当计算的尺度太小时，由于摩擦耗散的作用，会呈现湍流，这与空间分辨率有一定的联系，为使湍流摩擦保持合理性，一般要采用较大的网距，以避免湍流这个人类尚未解决的难题。可见，并非网格越小越好。人类对许多海洋现象的运动规律认识还很不够，也就是说用于描述海洋的数值模式需要不断地改进。挑战三：建立海洋的三维实时观测系统，因为改进模式需要用观测资料不断地校正，这是海洋学的最大挑战。天气预报的快速发展得益于全球的气象观测系统，把实时观测的资料源源不断地提供反馈用于校正气象学家建立的数值天气预报模式。数值海洋预报缺少的正是能提供这样的资料观测系统。当海洋数值模式出现偏差时，需要实测的资料数据来检验和校对。为了全面理解并最终预测不断变化的三维海洋，科学家要在海里投放大量的观测仪器。另外，关于海底地形的观测也很少，比如搜寻失踪的马航MH370就需要海底地形，而大部分洋底是不清楚的。前面讲过，海洋观测非常昂贵，现有的观测手段对认识海洋运动规律都是有限的。这就使得海洋学家一方面考虑如何有效利用过去已经观测到的历史资料，另一方面研究如何进行大面积同步观测一直是海洋科技工作者奋斗的目标。

⑥台风及风暴潮

随着我国建设“海洋强国”战略的实施，提供及时、准确的海洋预报非常重要。海上活动日益增多，无论海军护航打击海盗，还是海上生产作业，都对海洋的数值预报提出了更高的要求。平常我们通过中央电视台、网络、报纸等媒体接触到的海洋预报是经过国家海洋环境预报中心的专家们结合海洋数值预报产品等进行预报会商后，以国家海洋预报台的名义对公众发布的。这可为有关涉海的国民经济建设、国防建设、防灾减灾、海上活动、科学考察和旅游等提供预报、预警和咨询服务。前面说的是在海洋科学研究的层面上海洋数值预报面临的挑战。要预报海洋的行为可以说充满着挑战，尤其是对典型的海洋灾害，例如台风、风暴潮、海啸、灾害性海浪、海冰、赤潮等海洋灾害的预报。下面介绍几个在日常生活中能听到或遇到的海洋现象预报所面临的困难：

首先，台风强度预报是一个世界性难题。台风主要通过强风、暴雨以及风暴潮造成危害，我国是受台风影响最严重的国家之一，台风威力大，破坏力极强，每次台风登陆不仅带来人员伤亡而且造成数以亿计的经济损失（图6），准确预报可以把损失降至最低。数十年来对台风路径的预报有了很大改进，但对台风强度的预报水平几乎没有提高。主要原因是，有台风时海洋的实测数据十分匮乏，改进数值模式完全要依靠观测资料，而目前出海的考察船不具备观测台风下的海洋行为的能力和技术，于是，很难得到第一手的海洋实况资料。图7为热带海洋环境国家重点实验室彭世球研究员团队利用目前世界上发展起来的不同的资料和计算方法模拟的台风路径，可见还并不能精确预测台风的运动轨迹。

⑦计算机预报的2010年超强台风“鲇鱼”运动轨迹与实际观测到的轨迹（黑线）相比较

⑧赤潮灾害和浒苔绿潮

⑨海冰及渤海海冰24小时预报

其二，海洋环境污染不仅损害海洋生物资源，还可以通过食物链危害人体健康。比如赤潮是爆发性出现的，其预报也有相当的难度，需要物理海洋、海洋生物以及海洋化学研究人员的共同努力才能解决。赤潮是海洋生态系统中的一种异常现象，并不一定是红色，例如浒苔使青岛海滩变草原，这种灾害叫浒苔绿潮（图8）。

其三，海冰也是海洋灾害之一，对港口和海上船舶等造成破坏。1912年4月发生的“泰坦尼克”号客轮被冰山撞沉是海冰造成的最大灾难之一。我国的渤海在冬季出现结冰现象（图9） ，我国赴南北两极的科考船同样需要海冰预报。

其四，海啸主要由海底地震、海底火山爆发等使海水强烈波动，当到达海岸浅水地带时，可形成几十米高的“水墙”和破坏性海浪。如大地震引发的2004年印度尼西亚海啸、2011年日本海啸，都带来巨大的人员伤亡和财产损失（图10） 。人们认识到海啸的危害，每当有地震过后，就需要发布海啸预报。

⑩日本海啸

此外，还有海滨的游泳、冲浪运动。冲浪是以海浪为动力的海上极限运动，带有一定的危险性；海滨有的地方会形成离岸流，它可以把游泳者冲离海岸，对不熟悉这种水性的游泳者也是个隐形杀手。显然，进行这样的海洋预报很有实用价值。

总之，“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”。无论是用语言叙述大海还是用数字计算大海，可以说的还有很多。尽管两者区别很大，但仍有相似之处。只不过，前者，是用一种写作手法，把文字组成句子，再把句子组成段落，由段落组成一个个文学作品，但要成为一个杰作就需要努力学习文字语言知识；后者，则是用一种计算方法，把海水运动写成公式，把这些公式写成计算程序后，再用计算机算出一个个海洋现象，但要揭示任何一个海洋奥秘都需要努力钻研海洋科学知识。