青年科研团队求解“海与天”预测难题

2024-04-22 09:30:19 来源:中国青年报 作者:王烨捷 责任编辑:风华 字号:T|T

  在全球气候变化问题日益严峻的当下,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在“预报天气”?

  实际上,大气科学、海洋科学都是综合性、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。

  在复旦大学,有一群青年科研人员,运用各类前沿理论和工具,走在大气与海洋研究最前线,尝试破解“老天爷”和“海龙王”给出的各种“难题”。

  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,以万千姿态自由飘浮在天空中。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。”复旦大学大气与海洋科学系青年研究员陈国兴说,更精准地描摹云的形成,是天气预测的关键。

  为此,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,来更好地表达、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。”陈国兴介绍,2023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,是复旦大学人工智能科学的代表性成果之一。

  以2023年9月1日复旦大学的开学典礼为例,当时是该校近20年来第一次把本科生、研究生的开学典礼放在一起并在户外进行。“户外”开学最大的不确定因素,就是天气情况。

  开学前一周,上海几乎天天下雨。但根据该校大气与海洋科学系青年研究员们利用伏羲气象大模型所作的预测,9月1日上海不下雨。

  那一天,这所学校的校领导、教师与新生们一起,坐在露天大草坪上,来验证大模型预测的准确性。大家准备了一次性雨衣和帽子,以防万一。结果,当天确实没有下雨。

  极端气候事件频发,如何准确预测?

  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“猜测”这两位的心思,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。

  近些年,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。

  “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。

  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。

  而在另一边,复旦大学大气与海洋科学系研究员姚波带领的团队则在研究老天爷的“怪脾气”。他要精准核算温室气体的来源和排放量。

  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。

  其中,针对含氟温室气体的监测尤为关键。这些气体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。

  “就像在8000亿人口中精准地找到一个人,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了有力支持。

  海平面“涨涨涨”,速度到底有多快?

  研究“海龙王”脾气的第一步,就是观测。

  海洋的变幻莫测让人着迷,但考察观测却并非易事。“出海开展研究很苦,有的同学上船时非常兴奋,过了半天就晕船了。”复旦大学大气与海洋科学系教授陈长霖和团队外出的每个航次都会超过10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段经历,最后既完成了科考任务,也能见到海上的别样风光。”他说。

  入职复旦大学以来,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,实现整个链路的自主可控。

  前不久,复旦大学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,相关成果发表于国际学术期刊《自然》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15厘米,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。

  “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,现在可以通过天上的卫星和海里的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”。

  “天意”难测,但来自复旦大学的这群青年科研人员一直在努力。他们如同探险家一般,踏上一个又一个新的征途。

  殷梦昊 余敏之 中青报·中青网记者 王烨捷 来源:中国青年报

  2024年04月22日 08 版

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