吳立新院士等提出當(dāng)前物理海洋學(xué)面臨的十大前沿科學(xué)問(wèn)題

吳立新院士及其合作者從研究范式、時(shí)空尺度、界面互作三個(gè)維度系統(tǒng)梳理了物理海洋學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)，提出了當(dāng)前物理海洋學(xué)面臨的十大前沿科學(xué)問(wèn)題。這些問(wèn)題的凝練標(biāo)志著物理海洋學(xué)正從認(rèn)識(shí)海洋的理論與實(shí)驗(yàn)科學(xué)，轉(zhuǎn)向認(rèn)識(shí)海洋與經(jīng)略海洋并重、多應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的理論、技術(shù)與工程協(xié)同科學(xué)。

1. 跨尺度實(shí)時(shí)化全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

突破深層海洋、復(fù)雜地形及冰下環(huán)境觀測(cè)瓶頸，發(fā)展亞中尺度到微尺度過(guò)程解析能力，構(gòu)建從海表到深海、從熱帶到極地的立體實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖1. 實(shí)時(shí)化全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)

2. 超高分辨率全球海洋數(shù)值模式與海洋數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)展

解決傳統(tǒng)大尺度假設(shè)適用性、能量守恒參數(shù)化、多尺度能量串級(jí)機(jī)制等基礎(chǔ)問(wèn)題。通過(guò)物理約束與人工智能深度融合，提升海洋認(rèn)知與預(yù)報(bào)能力，以應(yīng)對(duì)氣候變化及保障海洋安全。

圖2. 數(shù)據(jù)與理論協(xié)同驅(qū)動(dòng)的超高分辨率全球海洋數(shù)值模式

3. 海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程及其物質(zhì)能量輸運(yùn)與氣候效應(yīng)

揭示海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程對(duì)物質(zhì)能量輸運(yùn)與氣候變化的影響機(jī)制，對(duì)提升地球系統(tǒng)模式精度、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海洋物理場(chǎng)變化、增強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化能力具有重要意義。

圖3. 海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程及其物質(zhì)能量輸運(yùn)與氣候效應(yīng)

4. 多尺度海氣相互作用的機(jī)理與極端氣候事件

揭示中、亞中及小尺度海氣耦合機(jī)理，解析其對(duì)臺(tái)風(fēng)、副熱帶風(fēng)暴、大氣河以及海洋熱浪等極端氣候事件的調(diào)制作用，是突破氣候預(yù)測(cè)理論局限、提升預(yù)測(cè)與預(yù)估能力的核心途徑。

圖4. 多尺度海氣相互作用的機(jī)理與極端氣候事件

5. 復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)

揭示流固相互作用驅(qū)動(dòng)能量打破地轉(zhuǎn)平衡屏障的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，量化海底地形對(duì)跨尺度能量傳遞的貢獻(xiàn)，厘清其對(duì)深海三維環(huán)流的調(diào)控作用，并在海洋和氣候模式中準(zhǔn)確參數(shù)化。

圖5. 復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)

6. 極地快速變化的關(guān)鍵過(guò)程與氣候效應(yīng)

明確海冰-反照率-溫度反饋、大氣溫度遞減率反饋、水汽和云-輻射反饋、海洋和大氣環(huán)流向極熱輸送等過(guò)程的貢獻(xiàn)與變化，揭示海洋-海冰-冰架相互作用機(jī)制，提升海冰變化及其對(duì)海洋環(huán)流影響的模擬能力。

圖6. 極地快速變化的關(guān)鍵過(guò)程

7. 深層海洋環(huán)流結(jié)構(gòu)、成因與變異驅(qū)動(dòng)機(jī)制

揭示南極底層水與北大西洋深層水的“競(jìng)爭(zhēng)”格局及其對(duì)大洋熱鹽環(huán)流的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，闡明兩極底層水體同時(shí)減緩對(duì)全球海洋環(huán)流、碳循環(huán)及氣候反饋的影響機(jī)制。

圖7. 深海環(huán)流

8. 大洋熱鹽環(huán)流變化臨界點(diǎn)關(guān)鍵過(guò)程與可預(yù)測(cè)性

闡明大洋熱鹽環(huán)流存在多種穩(wěn)定態(tài)及臨界閾值，厘清歷史時(shí)期環(huán)流切換機(jī)制與氣候系統(tǒng)背景條件特征，建立包含臨界預(yù)警能力的環(huán)流可預(yù)測(cè)性理論框架。

圖8. 大洋熱鹽環(huán)流變化的臨界點(diǎn)

9. 復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控

辨析多界面、多尺度過(guò)程對(duì)自然與人類活動(dòng)復(fù)合脅迫的非線性反饋機(jī)制，揭示“極端事件-界面過(guò)程-系統(tǒng)功能”連鎖反應(yīng)的海岸帶預(yù)測(cè)體系；發(fā)展跨學(xué)科綜合觀測(cè)與高分辨率耦合模型，實(shí)現(xiàn)海岸帶韌性調(diào)控。

圖9. 復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控

10. 海洋動(dòng)力過(guò)程對(duì)碳-氮-氧生物地球化學(xué)循環(huán)的影響

闡明鋒面、渦旋等動(dòng)力過(guò)程對(duì)碳、氮、氧循環(huán)的長(zhǎng)期變化機(jī)制及其對(duì)全球變暖的反饋?zhàn)饔? 建立面向關(guān)鍵通道的持續(xù)觀測(cè)與一體化模擬框架。

圖10. 海洋動(dòng)力過(guò)程對(duì)碳-氮-氧生物地球化學(xué)循環(huán)的影響

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引言

物理海洋學(xué)主要通過(guò)分析海水的運(yùn)動(dòng)、海水的動(dòng)力、物理與其他生物地球化學(xué)性質(zhì)的分布與變化，研究海洋的動(dòng)力與物理性質(zhì)、過(guò)程和機(jī)制。該學(xué)科是深入了解海洋及其在地球系統(tǒng)中作用的基礎(chǔ)。在全球氣候變暖背景下，海洋吸收了整個(gè)氣候系統(tǒng)中超過(guò) 的熱量盈余和超過(guò) 的人類活動(dòng)排放溫室氣體，從根本上緩解了人為氣候變暖的速率。同時(shí)，海洋也是從季節(jié)到年際和年代際氣候可預(yù)報(bào)性的根本源頭。

吳立新等人指出，物理海洋學(xué)正從認(rèn)識(shí)海洋的理論與實(shí)驗(yàn)科學(xué)，轉(zhuǎn)向認(rèn)識(shí)海洋與經(jīng)略海洋并重、多應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的理論、技術(shù)與工程協(xié)同科學(xué)?；谶@一判斷，他們從三個(gè)維度——研究范式（觀測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析、人工智能）、時(shí)空尺度（從秒至萬(wàn)年、從厘米至萬(wàn)公里）和界面互作（海洋-大氣、海洋-陸地、海洋-生物圈、海水-冰）——系統(tǒng)梳理了近百年來(lái)物理海洋學(xué)的發(fā)展軌跡，凝練出十大前沿科學(xué)問(wèn)題。

跨尺度實(shí)時(shí)化全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

觀測(cè)是推動(dòng)海洋系統(tǒng)認(rèn)知革新的基礎(chǔ)。自1872年“挑戰(zhàn)者”號(hào)環(huán)球科考以來(lái)，物理海洋觀測(cè)范式的每一次躍遷均引發(fā)了重大認(rèn)知突破：熱帶海洋與全球大氣（TOGA）計(jì)劃深化了對(duì)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）循環(huán)的認(rèn)識(shí)；全球海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)（WOCE）首次繪制了大尺度環(huán)流圖景；Argo浮標(biāo)徹底改變了上層海洋水體狀態(tài)的獲取能力；RAPID-AMOC和OSNAP等斷面觀測(cè)揭示了大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流的變化特征；我國(guó)在南海建立的潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)則推動(dòng)了多尺度動(dòng)力過(guò)程能量串級(jí)研究。

然而，當(dāng)前觀測(cè)能力仍存在顯著短板：深層海洋（2500米以深）觀測(cè)手段有限，復(fù)雜地形周邊及冰下環(huán)境觀測(cè)能力不足，亞中尺度、小尺度乃至微尺度過(guò)程的解析能力匱乏，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力有待提升。

圖1. 實(shí)時(shí)化全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)
該圖描繪了由衛(wèi)星、浮標(biāo)、潛標(biāo)、水下滑翔機(jī)、無(wú)人船、海底觀測(cè)網(wǎng)等組成的立體、實(shí)時(shí)、跨尺度全球海洋觀測(cè)架構(gòu)，涵蓋從海表至深海、從熱帶至極地的全海域監(jiān)測(cè)能力。

構(gòu)建跨尺度、立體化、實(shí)時(shí)化的新一代全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)，是探索深層海洋物質(zhì)能量循環(huán)、多尺度過(guò)程相互作用、全球氣候變化及極端氣候事件演變的前沿支撐，也是實(shí)現(xiàn)精細(xì)感知海洋系統(tǒng)耦合過(guò)程、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)氣候變化與極端事件的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

超高分辨率全球海洋數(shù)值模式與海洋數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)展

高性能計(jì)算與人工智能技術(shù)正推動(dòng)全球海洋環(huán)流模式進(jìn)入“公里級(jí)”甚至更高分辨率的新階段。這一變革帶來(lái)一系列基礎(chǔ)科學(xué)挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)大尺度假設(shè)在超高分辨率下的適用性需重新評(píng)估；須發(fā)展避免“雙重計(jì)算”的物理參數(shù)化方案以保證模式能量守恒；需構(gòu)建統(tǒng)一描述海洋湍流各向異性的閉合理論；厘清大尺度、中尺度、亞中尺度與內(nèi)波、潮汐、海浪等多尺度過(guò)程之間的能量串級(jí)與逆串級(jí)機(jī)制；明確超高分辨率下跨圈層耦合機(jī)制并發(fā)展物理一致性耦合方案；建立基于人工智能預(yù)報(bào)結(jié)果的物理可解釋性理論。

圖2. 數(shù)據(jù)與理論協(xié)同驅(qū)動(dòng)的超高分辨率全球海洋數(shù)值模式
該圖展示了物理第一性原理與人工智能深度融合的技術(shù)路徑：觀測(cè)數(shù)據(jù)與理論模型協(xié)同驅(qū)動(dòng)，通過(guò)物理約束的深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)全球海洋超高分辨率數(shù)值模擬與數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建。

上述挑戰(zhàn)對(duì)觀測(cè)和模擬數(shù)據(jù)的分辨率及處理能力提出前所未有的要求。吳立新等人強(qiáng)調(diào)，借助數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)方法，以物理規(guī)律約束人工智能的學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)物理第一性原理與人工智能的深度融合，是提升海洋認(rèn)知和預(yù)報(bào)能力、應(yīng)對(duì)氣候變化及保障海洋安全的重要方向。

海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程及其物質(zhì)能量輸運(yùn)與氣候效應(yīng)

海洋中蘊(yùn)含著豐富的中尺度渦（空間尺度 ，時(shí)間尺度 天）、亞中尺度過(guò)程（ ， 天）、內(nèi)波、潮汐、海浪和湍流混合等中小尺度動(dòng)力過(guò)程。這些過(guò)程能夠通過(guò)自身輸運(yùn)作用及多尺度過(guò)程相互作用，影響海洋中物質(zhì)和熱量的時(shí)空分布，并通過(guò)水平和垂向輸運(yùn)直接影響二氧化碳等溫室氣體的埋藏過(guò)程與海洋生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力，進(jìn)而調(diào)控地球系統(tǒng)的碳循環(huán)。

圖3. 海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程及其物質(zhì)能量輸運(yùn)與氣候效應(yīng)
該圖示意了中尺度渦旋的渦動(dòng)熱輸運(yùn)、亞中尺度過(guò)程的重力勢(shì)能釋放與垂向熱通量、內(nèi)波破碎導(dǎo)致的湍流混合及其對(duì)生物地球化學(xué)物質(zhì)垂向分布的調(diào)控路徑。

當(dāng)前針對(duì)中小尺度動(dòng)力過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)仍然匱乏，高分辨率海洋動(dòng)力-生物地球化學(xué)耦合模式發(fā)展不足。揭示海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程對(duì)物質(zhì)能量輸運(yùn)與氣候變化的影響機(jī)制，不僅是物理海洋的前沿科學(xué)問(wèn)題，也是提升地球系統(tǒng)模式預(yù)測(cè)精度、提高應(yīng)對(duì)氣候變化能力的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

多尺度海氣相互作用的機(jī)理與極端氣候事件

海洋主要通過(guò)海氣界面的熱量、動(dòng)量和淡水通量交換調(diào)控全球能量平衡與水循環(huán)。傳統(tǒng)海氣相互作用理論主要集中于千公里以上的大尺度過(guò)程，對(duì)中尺度、亞中尺度及小尺度海氣耦合機(jī)制缺乏深入認(rèn)識(shí)，這已成為制約氣候預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵瓶頸。

近年觀測(cè)研究表明：中尺度海洋渦旋與大氣相互作用能夠改變海洋混合層結(jié)構(gòu)，影響副熱帶模態(tài)水的生成效率，調(diào)節(jié)海洋對(duì)氣候系統(tǒng)的“記憶”功能；中尺度渦旋與風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫共同作用可導(dǎo)致次表層海洋熱浪事件；亞中尺度海洋過(guò)程造成的垂向熱量輸送可超過(guò)中尺度渦旋數(shù)倍；小尺度海浪直接影響海氣界面的熱量、動(dòng)量和淡水通量。上述過(guò)程對(duì)臺(tái)風(fēng)、副熱帶風(fēng)暴、大氣河以及海洋熱浪等極端天氣氣候事件的生成與演變具有重要調(diào)制作用。

圖4. 多尺度海氣相互作用的機(jī)理與極端氣候事件
該圖綜合展示了從大尺度環(huán)流、中尺度渦旋、亞中尺度鋒面到小尺度海浪與大氣邊界層相互作用的級(jí)聯(lián)過(guò)程，及其對(duì)極端氣候事件發(fā)生頻率與強(qiáng)度的影響路徑。

系統(tǒng)揭示跨尺度海氣耦合機(jī)理及其對(duì)氣候系統(tǒng)（特別是極端氣候事件）的調(diào)控規(guī)律，是突破現(xiàn)有氣候預(yù)測(cè)理論局限、提升氣候預(yù)測(cè)能力和氣候變化預(yù)估可靠性的核心途徑。

復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)

海洋是一個(gè)涵蓋多種時(shí)空尺度運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜巨系統(tǒng)。為了維持機(jī)械能守恒，海洋從大尺度風(fēng)場(chǎng)和浮力強(qiáng)迫中獲取的能量需要通過(guò)微尺度三維湍流實(shí)現(xiàn)耗散，而兩者空間尺度相差 個(gè)數(shù)量級(jí)。在這一跨尺度能量傳遞鏈條中，海洋中尺度過(guò)程所處的地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)形成了能量從大尺度向小尺度傳遞的“動(dòng)力屏障”。

圖5. 復(fù)雜海底地形調(diào)控下的海洋能量物質(zhì)循環(huán)
該圖揭示了海底山脊、海山、大陸坡等復(fù)雜地形通過(guò)流固相互作用激發(fā)內(nèi)波、促進(jìn)地轉(zhuǎn)平衡破壞、驅(qū)動(dòng)能量向小尺度湍流級(jí)串的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

復(fù)雜海底地形通過(guò)流固相互作用為打破地轉(zhuǎn)平衡提供有利條件，驅(qū)動(dòng)能量從海洋中尺度過(guò)程向更小尺度過(guò)程傳遞。量化流固相互作用對(duì)跨尺度能量傳遞的貢獻(xiàn)，厘清其全球空間分布及其對(duì)深海三維環(huán)流的影響機(jī)制，并在海洋和氣候模式中準(zhǔn)確參數(shù)化這些過(guò)程，是當(dāng)前物理海洋學(xué)研究的重要挑戰(zhàn)。

極地快速變化的關(guān)鍵過(guò)程與氣候效應(yīng)

極地海洋是全球氣候系統(tǒng)的“放大器”和“指示器”，其快速變化涉及一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過(guò)程。量化這些過(guò)程及其相互作用，需要明確外部輻射強(qiáng)迫變化下以下關(guān)鍵過(guò)程的貢獻(xiàn)與變化：海冰-反照率-溫度反饋、大氣溫度遞減率反饋、水汽和云-輻射反饋、海洋和大氣環(huán)流向極熱輸送、海冰熱力學(xué)過(guò)程、海洋中小尺度過(guò)程與海冰的相互作用、海洋-冰架相互作用。

圖6. 極地快速變化的關(guān)鍵過(guò)程
該圖集成了北極與南極地區(qū)海冰退縮、冰架崩解、中層水增暖、底層水形成速率變化等關(guān)鍵現(xiàn)象，并標(biāo)注了上述反饋過(guò)程的相互作用關(guān)系。

當(dāng)前地球系統(tǒng)模式對(duì)全球變暖下極地海冰和海洋變化的模擬與觀測(cè)仍存在顯著差異。這一偏差主要源于極地快速變化導(dǎo)致海冰物理特性及其與海洋大氣相互作用發(fā)生深刻改變，增加了海冰和海洋模式物理參數(shù)化與模擬的不確定性。發(fā)展適應(yīng)海冰和海洋多尺度快速變化的海冰耦合模式，揭示海洋-海冰-冰架相互作用機(jī)制，是當(dāng)前海洋與冰凍圈科學(xué)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

深層海洋環(huán)流結(jié)構(gòu)、成因與變異驅(qū)動(dòng)機(jī)制

深層海洋（ 以深）的海水主要源于沿南極陸坡下沉形成的南極底層水，以及從格陵蘭-冰島-蘇格蘭海脊流出的溢流水。深層海水形成時(shí)會(huì)攜帶表層大氣中的熱量和二氧化碳進(jìn)入深層海洋，并通過(guò)深層海洋環(huán)流擴(kuò)散輸運(yùn)至全球大洋，構(gòu)成全球氣候系統(tǒng)中最大的熱、碳儲(chǔ)庫(kù)。

圖7. 深海環(huán)流
該圖描繪了全球深海環(huán)流的主要路徑：南極底層水向北入侵三大洋，北大西洋深層水向南擴(kuò)展，二者在各大洋盆地內(nèi)交織、混合并驅(qū)動(dòng)全球深海物質(zhì)能量循環(huán)。

在深海大洋，南極底層水與北大西洋深層水之間的“競(jìng)爭(zhēng)”是塑造深層環(huán)流結(jié)構(gòu)及其變異的主要原因。近幾十年來(lái)，南極冰蓋、格陵蘭冰蓋和北極海冰加速融化，融冰淡水注入導(dǎo)致南極底層水和北大西洋深層水同時(shí)呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)。這一兩極中深層水體形成速率的同時(shí)減緩將對(duì)全球海洋環(huán)流、碳循環(huán)和氣候產(chǎn)生何種影響，尚待深入探索。

大洋熱鹽環(huán)流變化臨界點(diǎn)關(guān)鍵過(guò)程與可預(yù)測(cè)性

大洋熱鹽環(huán)流可能存在多種穩(wěn)定態(tài)，從一個(gè)穩(wěn)定態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)定態(tài)的變化會(huì)經(jīng)歷環(huán)流系統(tǒng)的臨界點(diǎn)。在該閾值附近，微小的外強(qiáng)迫作用即可導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生本質(zhì)性變化。進(jìn)一步地，熱鹽環(huán)流的臨界變化可能觸發(fā)地球氣候系統(tǒng)的其他臨界要素翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致氣候系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8. 大洋熱鹽環(huán)流變化的臨界點(diǎn)
該圖示意了熱鹽環(huán)流強(qiáng)度隨淡水強(qiáng)迫變化的“S”型響應(yīng)曲線，標(biāo)示出穩(wěn)定態(tài)、不穩(wěn)定態(tài)及臨界點(diǎn)位置，并給出了跨過(guò)臨界點(diǎn)后環(huán)流不可逆坍塌的概念模型。

地球氣候的長(zhǎng)期演化記錄表明，歷史時(shí)期的海洋環(huán)流可能已歷經(jīng)不同穩(wěn)定態(tài)。然而，由于缺乏直接觀測(cè)證據(jù)，不同穩(wěn)定態(tài)間的切換機(jī)制及相應(yīng)的氣候背景條件仍不明確。在現(xiàn)代全球氣候持續(xù)受溫室氣體排放輻射強(qiáng)迫作用下，大洋熱鹽環(huán)流是否會(huì)在百年至千年尺度出現(xiàn)臨界不穩(wěn)定，仍存在重大爭(zhēng)議。

復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控

河口-近海區(qū)域是陸地-海洋-大氣耦合的關(guān)鍵界面。其物質(zhì)通量（有機(jī)碳、營(yíng)養(yǎng)鹽、沉積物等）在河流輸入、潮汐混合、海浪以及極端天氣氣候事件（風(fēng)暴潮、河流洪水）等因素協(xié)同驅(qū)動(dòng)下，形成具有高度非線性的物理-生態(tài)耦合系統(tǒng)。

圖9. 復(fù)合脅迫作用下河口-近海系統(tǒng)的韌性調(diào)控
該圖展示了氣候變暖、河流建壩、岸灘圍墾、污染排放、海水養(yǎng)殖等多重自然與人為脅迫因子對(duì)河口-近海系統(tǒng)的復(fù)合作用，及其對(duì)系統(tǒng)緩沖能力與韌性演變的調(diào)控路徑。

全球氣候變暖與人類活動(dòng)的復(fù)合脅迫作用擾動(dòng)了自然狀態(tài)下的界面交換過(guò)程，削弱了河口-近海系統(tǒng)原有的緩沖能力，降低其應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的韌性。傳統(tǒng)物理海洋學(xué)模型通常將水文動(dòng)力、生物地球化學(xué)和生態(tài)過(guò)程分別處理，難以真實(shí)反映多界面、多尺度過(guò)程對(duì)復(fù)合脅迫的非線性反饋機(jī)制。

海洋動(dòng)力過(guò)程對(duì)碳-氮-氧生物地球化學(xué)循環(huán)的影響

海洋動(dòng)力過(guò)程（包括混合、上升/下沉、通風(fēng)等）深刻影響海水中碳、氮、氧的分布與輸運(yùn)，并與初級(jí)生產(chǎn)、再礦化和微生物代謝等生物地球化學(xué)過(guò)程共同形成復(fù)雜的耦合系統(tǒng)。當(dāng)外部強(qiáng)迫接近閾值并引發(fā)動(dòng)力過(guò)程轉(zhuǎn)變時(shí)，這種動(dòng)力-生化耦合可能觸發(fā)碳、氮、氧循環(huán)收支與時(shí)空分布的結(jié)構(gòu)性響應(yīng)與反饋，進(jìn)而影響氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖10. 海洋動(dòng)力過(guò)程對(duì)碳-氮-氧生物地球化學(xué)循環(huán)的影響

該圖綜合呈現(xiàn)了海洋環(huán)流、渦旋、湍流混合等動(dòng)力過(guò)程對(duì)溶解無(wú)機(jī)碳、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽垂直斷面分布的控制作用，以及生物泵對(duì)碳向深海輸出的調(diào)節(jié)路徑。

觀測(cè)研究表明，鋒面、亞中尺度渦與中尺度渦能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速調(diào)配營(yíng)養(yǎng)鹽與溶解氣體，改變初級(jí)生產(chǎn)與再礦化深度，但其對(duì)全球碳、氮、氧收支的凈效應(yīng)仍缺乏一致量化。在持續(xù)增暖與淡化背景下，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流與南極底層水的可能減弱會(huì)抑制深層通風(fēng)與向深海的碳、氧輸送，提高中層缺氧風(fēng)險(xiǎn)。闡明海洋動(dòng)力過(guò)程主導(dǎo)的碳、氮、氧循環(huán)長(zhǎng)期變化機(jī)制及其對(duì)全球變暖的反饋?zhàn)饔?，建立面向關(guān)鍵通道的持續(xù)觀測(cè)與一體化模擬框架，是理解氣候變化下海洋反饋機(jī)制及維護(hù)海洋健康的核心挑戰(zhàn)。

結(jié)語(yǔ)

吳立新院士等人提出的十大前沿科學(xué)問(wèn)題，涵蓋了物理海洋學(xué)的主要研究范式、研究方向與基礎(chǔ)理論問(wèn)題。部分問(wèn)題有望在未來(lái)5-10年內(nèi)取得突破：量子計(jì)算與人工智能的飛速發(fā)展將使超高分辨率全球海洋模式成為可能；深海自持式剖面浮標(biāo)與實(shí)時(shí)通信潛標(biāo)等新型觀測(cè)技術(shù)將推動(dòng)深層海洋環(huán)流變異的理論創(chuàng)新。另一些問(wèn)題，如海底流固耦合過(guò)程及其氣候效應(yīng)、海洋動(dòng)力過(guò)程與生物地球化學(xué)循環(huán)的耦合關(guān)系，可能需要更長(zhǎng)周期的持續(xù)攻關(guān)。

持續(xù)關(guān)注并研究這些問(wèn)題，將極大地豐富對(duì)全球海洋的認(rèn)知，推動(dòng)物理海洋學(xué)從認(rèn)識(shí)海洋走向經(jīng)略海洋。隨著更多觀測(cè)現(xiàn)象的揭示和理論的發(fā)展，必將涌現(xiàn)出超越“十大”框架的新前沿。在持續(xù)推進(jìn)物理海洋學(xué)乃至地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，用新的問(wèn)題替換已解決的問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋目標(biāo)的根本路徑。

• 信息來(lái)源：海洋遙感er、中國(guó)海洋大學(xué)未來(lái)海洋學(xué)院整理自科學(xué)通報(bào)。

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