王凡在海上科考
周末人物·中國新聞名專欄 這位土生土長的青島籍科學(xué)家，從事大洋環(huán)流研究30多年，組織和參與了9航次西太平洋科學(xué)考察。他和他的 團隊，突破了很多不可能，但前方仍有更多未知，“今天你把這個事兒解決了，真是輕松愉快。但更長的時間，你的 狀態(tài)是，怎么也解釋不了，怎么也想不通?！彼f，這就是科學(xué)探索的艱辛，也是科學(xué)探索的魅力。
說起“厄爾尼諾”，人們并不陌生。1998年長江洪水、2016年我國南方洪災(zāi)、2019年澳大利亞極端干旱引發(fā)森林大火，都是它惹的禍。對厄爾尼諾的研究和預(yù)測，是氣候?qū)W家和海洋學(xué)家共同的課題。在中國，就有這樣一群海洋學(xué)和氣候?qū)W家，他們直探西太平洋暖池這個“全球氣候心臟”，揭示海氣作用的機理，他們的成果幫助我國成功預(yù)報了2015年來的多次厄爾尼諾事件。
中國科學(xué)院海洋研究所所長王凡研究員，就是這些科學(xué)家的代表。這位土生土長的青島籍科學(xué)家，從事大洋環(huán)流研究30多年，組織和參與了9航次西太平洋科學(xué)考察。2020年7月，他作為首席科學(xué)家主持完成的“熱帶西太平洋暖池?zé)猁}結(jié)構(gòu)與變異的關(guān)鍵過程和氣候效應(yīng)”項目，獲山東省自然科學(xué)一等獎。日前，大眾日報記者來到青島，請他講述自己獨特的探洋人生。
時時“聽”得到太平洋的濤聲
中國科學(xué)院海洋研究所坐落于青島匯泉灣畔一個寧靜的院落里。王凡辦公室的窗外，就是波光粼粼的黃海。在這處寧靜的所在，他卻時時“聽”得到太平洋的濤聲。10多套實時化深海觀測潛標(biāo)，每個小時，都會把幾千里之遙的西太平洋的溫度、鹽度、洋流等實時數(shù)據(jù)發(fā)到他的手機上。而這些數(shù)據(jù)中，就蘊含著預(yù)測氣候變化的重要訊息。
1989年，王凡從中國海洋大學(xué)本科畢業(yè)后，師從著名物理海洋學(xué)家、中科院院士胡敦欣等教授攻讀研究生，從此結(jié)緣大洋環(huán)流，致力于與全球氣候變化相關(guān)的海洋環(huán)流動力學(xué)研究。而暖池這個課題，是王凡團隊2009年開始研究的。
熱帶西太平洋，存在著一個多年平均海表溫度28℃以上的全球最大暖水區(qū)，被稱為熱帶西太平洋暖池（以下簡稱暖池），它是驅(qū)動熱帶大氣環(huán)流的主要熱源，也是東亞季風(fēng)和厄爾尼諾現(xiàn)象的策源地。暖池中有1%的熱水流到太平洋東岸，就可能會引發(fā)厄爾尼諾事件。
以往，人們研究暖池，聚焦的多是100米以淺的海表層溫度的“準(zhǔn)二維”分布，對海面以下的深層結(jié)構(gòu)和鹽度結(jié)構(gòu)并不了解。而王凡團隊把目光投向100米以下的“次表層”，更加關(guān)注鹽度，抓住了“熱鹽變異”這個關(guān)鍵，決心為暖池做個“三維CT”。
2010年，王凡團隊首次在暖池核心區(qū)域——菲律賓海一帶成功布放了兩套6000米深的深海潛標(biāo)，后來逐年增至30多套。通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，暖池的三維熱鹽結(jié)構(gòu)漸漸清晰。他們在暖池內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了一個新的水團。這個水團的特點是鹽度低，與其南、北兩側(cè)的高鹽水團之間構(gòu)成了兩道密度鋒面，鋒面好似一堵“墻”，水通常只能順著鋒面流，很難跨越鋒面進行交換。這兩道鋒面就好似兩堵“墻”，框住了暖池水，有利于暖池的保溫。但這個“墻”并非滴水不漏，在太平洋內(nèi)區(qū)，王凡他們發(fā)現(xiàn)“墻”出現(xiàn)了“豁口”：在那里水團間熱量交換通暢，暖池的暖水也無法維持，因而形成了暖池的東邊界。他們將這個通道稱為“內(nèi)區(qū)通道”。
在暖池內(nèi)部，王凡他們還發(fā)現(xiàn)了豐富的中小尺度熱鹽結(jié)構(gòu)——中尺度渦旋和小尺度熱鹽入侵結(jié)構(gòu)。前者狀似漩渦，直徑百公里，是由鋒面兩側(cè)的水團時刻博弈“抖落”出來的；后者狀似螺絲，長度幾十米，是由鋒面兩側(cè)的水團交錯嵌入形成的。反過來，通過渦旋的攪動和熱鹽入侵結(jié)構(gòu)的“犬牙交錯”，水團間進行有限的交換和混合。而在大尺度上，“莽撞”的大洋環(huán)流有時突然變道，把鋒面一側(cè)的水強力地“灌”到另外一側(cè)；洋流的輸送也決定了暖池水的變化。
在刻畫三維熱鹽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，王凡團隊揭示了暖池?zé)猁}變異的主要機理，并發(fā)現(xiàn)了暖池變異對厄爾尼諾現(xiàn)象和我國華南降水變化的重要影響，揭示了暖池的鹽度變化影響厄爾尼諾事件發(fā)展的完整過程，闡釋了暖池海溫異常增暖造成我國華南秋季嚴(yán)重干旱的機理。
“?！崩锏某晒?，很快用在了“天”上。作為本次獲獎項目的參與者，大氣物理研究所的鄭飛研究員等氣候?qū)W家，根據(jù)王凡團隊對暖池?zé)猁}結(jié)構(gòu)的細致刻畫，將厄爾尼諾預(yù)報模式增加了一個鹽度模塊，從而顯著提高了其預(yù)報準(zhǔn)確率。2015年3月，這個模式在國際上多種厄爾尼諾預(yù)報模式中表現(xiàn)極為出彩，提前9個月即成功預(yù)報了厄爾尼諾的暴發(fā)、發(fā)展和強度，在國際上獨樹一幟?！昂Ｑ竽芰拷粨Q主要在水下，實時化潛標(biāo)數(shù)據(jù)對開展精準(zhǔn)的中長期氣候預(yù)報至關(guān)重要?！贝髿馕锢硌芯克八L朱江如此評價王凡團隊的貢獻。
2015-2016年超強厄爾尼諾發(fā)生后，全球出現(xiàn)了連續(xù)兩次拉尼娜事件，接著又出現(xiàn)連續(xù)兩次厄爾尼諾事件，而中科院的預(yù)報模式都給出了成功的預(yù)報。中國“?！薄皻狻笨茖W(xué)家聯(lián)手，把論文寫在了海天之間，為我國的防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)作出了重要的貢獻。
從望洋興嘆到“深海直播”
王凡永遠忘不了2010年的那一天，在浩瀚無垠的太平洋上，他們第一套成功布放的深海潛標(biāo)發(fā)回了第一串美妙的數(shù)據(jù)。在多年的望洋興嘆之后，中國科學(xué)家終于擁有了自己的西太連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。
王凡今年53歲，研究大洋環(huán)流30多年。但其中的十幾年時間，他們的西太研究處于要經(jīng)費沒經(jīng)費、要數(shù)據(jù)沒數(shù)據(jù)、要出海出不去的“三難”狀態(tài)，可謂板凳坐得十年冷。
其實，我國的大洋研究起步并不晚。1985年，在TOGA(熱帶海洋與全球大氣)國際研究計劃框架下，中美實現(xiàn)了熱帶西太平洋海洋大氣相互作用合作調(diào)查研究。從1986年起，胡敦欣院士先后組織了5次西太平洋科考調(diào)查，發(fā)現(xiàn)和命名了第一支由中國人發(fā)現(xiàn)的洋流——棉蘭老潛流，獲取了國內(nèi)第一批西太平洋的一手資料。但20世紀(jì)90年代，TOGA項目結(jié)束，我國的海洋科研當(dāng)時以近海為主，國家這方面的支持就很少了。
1990年至2005年的十多年間，胡敦欣、王凡所從事的西太平洋研究拿到的都是十幾萬、二三十萬元的小項目，而在深海布放一套潛標(biāo)需要二三百萬元。國外公開的數(shù)據(jù)資料又已經(jīng)被人研究過多少遍了，要作出原始創(chuàng)新很難?？粗鴩H上西太研究突飛猛進，王凡體會到了什么叫作“望洋興嘆”。
2000年，王凡受邀到美國得克薩斯農(nóng)工大學(xué)做了半年訪問學(xué)者。當(dāng)時美國很重視大洋研究，對科研院所的資助力度很大，在美國能夠輕易查到最新的數(shù)據(jù)資料和研究文獻，數(shù)值模擬的條件也比國內(nèi)強很多?？蒲腥藛T的待遇更是天差地別，即使是最底層的科研人員——博士后在美國一年的工資也有3.5萬美元左右，是當(dāng)時王凡在國內(nèi)收入的幾十倍。巨大的落差讓他感到無能為力：“不是我不喜歡，也不是不想研究大洋了，而是當(dāng)時好像確實不具備這個條件了?！?/p>
為了維持實驗室和課題組的運轉(zhuǎn)，王凡等人大量承接了近海的研究課題。但他一直沒有放棄西太的研究。他堅信，西太不僅是影響我國氣候的關(guān)鍵海域，更是我國走向深海大洋的出口，戰(zhàn)略意義十分重要。一個海洋大國，是不能光在近海打轉(zhuǎn)的！
2005年，中國海洋大學(xué)牽頭和中科院海洋所聯(lián)合申報的一個西太研究課題獲“973”項目立項，經(jīng)費2000萬元。大洋研究終于重啟，終于可以直接觀測了！王凡和同事們歡欣鼓舞。他們不遠萬里，到西太平洋布放了4套觀測潛標(biāo)。哪知第二年去回收，一套也找不到了，一年的期盼打了水漂。
“當(dāng)時，我國還沒有在深海布放過潛標(biāo)，在近海布放的潛標(biāo)也不深于100米。我們參照近海標(biāo)準(zhǔn)做的設(shè)計，低估了大洋的海況?！蓖醴舱f。
王凡他們決心優(yōu)化設(shè)計。潛標(biāo)好似一根海帶，根部拴一個重物，落到海底起固定作用；上面用纜繩串上一串測溫度、鹽度、海流等的儀器；儀器附近還要掛上浮球，確?；厥諘r任何一處斷掉，所有儀器能浮上來。根部的重力錨要多重、纜繩要多粗，才能經(jīng)得住海流拉拽？每一臺設(shè)備多重、多大，要配幾個、多大的浮球，才能確保浮上來？這些都要精確計算。其中，浮球在不同海流下會產(chǎn)生傾斜，他們?yōu)榇藢ｉT開發(fā)了計算軟件去算姿態(tài)，非常精細。材料方面，儀器怕銹，就安裝了鋅塊當(dāng)犧牲陽極；所有的不銹鋼連接件都包覆上一層工程塑料。設(shè)備方面，布放潛標(biāo)時不能磨損儀器和纜繩，科考船上的起吊裝置也進行了改造……
一切準(zhǔn)備就緒，2010年，王凡作為首席科學(xué)家，帶隊搭乘“科學(xué)一號”科考船出海，去西太平洋布放潛標(biāo)。靶點處于菲律賓海溝的西側(cè)斜陡坡上，海溝最深處1萬多米，布放的理想?yún)^(qū)域只有2公里見方。在這里布放潛標(biāo)，就好似從狂風(fēng)呼嘯的萬米懸崖上，向崖底的一張方桌上扔一串石頭。
10多次方案論證、無數(shù)次演練后，布放開始了。科考船逆流慢行，王凡指揮科考隊員站在甲板上，把纜繩、儀器、浮球等擺了一甲板。他們用“A”形架先把“海帶梢”——主浮球放到海表面上，一邊走一邊放纜繩；每隔一段，串上儀器、掛上浮球，放到海里。6000多米長的繩子，帶著球和儀器漂在海上，船行不能太快，否則繩子繃得太緊會拉斷；也不能太慢，慢了繩子會絞成一團。而“科學(xué)一號”是1980年服役的老船了，沒有動力定位，沒有無級變速，一起步，“嘩”地躥出去了，船長趕緊吆喝“停！”停船滑行了一會兒，又太慢了，船長再吆喝“前進！”就這樣一步一咯噔，反復(fù)開船、停船不下200次。王凡一顆心懸在半空，生怕這艘老船的發(fā)動機受不了，“趴了窩”。
放了四五個小時，最后，重力錨入水了，它拖拽著纜繩，緩緩沉向海底。
這一刻，好似跟自己的孩子在人群中撒手，王凡的心提到了嗓子眼：重力錨千萬別拽著潛標(biāo)滑到海溝里去呀！時間一分鐘一分鐘過去，突然，船載接收機的屏幕一亮，安裝在主浮球上面的聲學(xué)通信機傳回了第一串信號，潛標(biāo)正常工作了！甲板上頓時沸騰了，科考隊員一齊爆發(fā)出歡呼聲。
王凡的博士生李元龍這時在船上負責(zé)繪圖。根據(jù)接收到的潛標(biāo)數(shù)據(jù)，把水下的流速、流向畫出來。僅靠1分多鐘聲學(xué)通信收回的數(shù)據(jù)，就畫出了棉蘭老潛流，而且比以往用地轉(zhuǎn)動力計算公式推算的還要強勁！“棉蘭老潛流是胡院士一生中最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但以前是通過溫鹽等水文數(shù)據(jù)反演推算出來的，從未被直接觀測到。這次，我們親手‘逮’到了它！這一刻，我替胡院士感到高興！”王凡說。
王凡和學(xué)生們趕緊把這張圖用衛(wèi)星傳真發(fā)給了身在青島的胡院士。胡院士高興極了。自己的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在學(xué)生手中得到了實測驗證，還有什么能比這件事更令人高興的呢！
潛標(biāo)布放成功與否，要看第二年能否收上來。第二年這個航次，王凡沒有去。學(xué)生們在海上不斷地發(fā)信給他：“潛標(biāo)還在原地！”“主浮球浮出海表面了！”“兩套潛標(biāo)全部回收成功！”王凡心里樂開了花?！巴俗约菏窃鯓邮治枳愕噶?，總之真是高興，”他說，“中國科學(xué)家終于又有了屬于自己的第一手?jǐn)?shù)據(jù)了！”
打那，王凡他們好似一下子“開掛”了。2015年，王凡率隊出海，一口氣回收了15套潛標(biāo)，維護后布放了13套?，F(xiàn)在，西太平洋已經(jīng)有了30多套潛標(biāo)，構(gòu)建了我國首個大洋科學(xué)觀測網(wǎng)。近6年來，潛標(biāo)的成功回收率達97.1%，形成了標(biāo)準(zhǔn)化流程。
2015年，潛標(biāo)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時回傳，“定期回放”變成了“現(xiàn)場直播”。這是一個革命性的進步。國家海洋環(huán)境預(yù)報中心科研處處長仉天宇說：“海洋環(huán)境預(yù)報的基礎(chǔ)是實時數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)基本不敢報。長期以來，水面以下實時數(shù)據(jù)均是空白。因此，只能靠海表面數(shù)據(jù)反推水下數(shù)據(jù)，或根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)報，很不準(zhǔn)確。而水下環(huán)境預(yù)報又有很多用途，沉船打撈、水下礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)和潛水器下潛等水下作業(yè)均需要精確的預(yù)報信息。”
有了一手?jǐn)?shù)據(jù)，王凡團隊成果頻出。中科院海洋所統(tǒng)計，1980年到2010年，該所的西太研究團隊共在國際一流期刊上發(fā)表了19篇論文；而2011年至今，發(fā)表了百余篇。這些研究成果，初步奠定了我國在西太平洋海洋與氣候變化研究領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位。
“遇到惡劣海況，
就是在拿命換數(shù)據(jù)”
出海觀測，是海洋科研的基礎(chǔ)。1998年至今，王凡出過9次海，最長的一次90天。
2015年，就是去西太平洋回收15套、布放13套潛標(biāo)的航次，王凡作為首席科學(xué)家，乘坐“科學(xué)”號從廈門出海。就要出發(fā)了，預(yù)報將有兩個臺風(fēng)臨近。是在廈門避風(fēng)呢，還是頂風(fēng)出海？船長找王凡商量。避風(fēng)就得等10多天，而科考航程排得滿滿的，誤點就要“砍站”，舍棄一些實驗。王凡決定，不等了，趁第一個臺風(fēng)還沒過來的時候，把船開出去，往南開；等第一個臺風(fēng)過去，再從它的“尾巴”里沖出去，這樣就能打出一個時間差。
呂宋海峽本來就是無風(fēng)三尺浪，何況臺風(fēng)剛過，大浪滔天。王凡他們?nèi)急活嵟肯铝?，絕大多數(shù)人只好在船艙里躺著。王凡本來就不耐暈船，渾身冒虛汗，胃里翻江倒海，抗暈船藥也沒用了。但他還是咬牙爬起來，搖搖晃晃地到各個船艙走走看看，鼓勵大家按時起來吃飯，吐也得吃，保持體力。3天后，船好歹沖出了臺風(fēng)的余浪，還測到了一些惡劣海況下的稀缺數(shù)據(jù)。
這一航次，還出現(xiàn)了一個意外。水手長在給船除銹時，戴著護目鏡，銹渣還是扎到眼睛里去了。隨船醫(yī)生怎么也找不到這根小刺，最后，用女隊員的長發(fā)絲，總算把銹渣刮了出來。當(dāng)時，船已經(jīng)開到暖池核心區(qū)，險些因為這件事返航。
船上晃晃悠悠，磕磕碰碰很平常。王凡的兩條小腿脛骨上，腳面上方一拃高的地方，各有一個指甲大的小坑，就是在船上上臺階時留下的。他說，海上潮濕，傷疤老是不干，不容易結(jié)痂。收潛標(biāo)、放潛標(biāo)，甲板上的儀器設(shè)備都有楞有角，這樣的小傷都不是事兒。
王凡遇到最危險的一次，是在南黃海做一個近海調(diào)查。夏天的下午3點，好好的天突然烏云密布，起了風(fēng)，海上翻起了白浪。這時，還有一個站位沒有取樣、測量。王凡想，若放棄不做，這個斷面就不完整了，天氣預(yù)報也沒有臺風(fēng)，于是決定堅持做。沒想到一個小時的工夫，風(fēng)浪越來越大，天竟完全黑了。當(dāng)時的科考船“金星二號”是一艘服役20多年的老船了，二副找到王凡，說好幾處電路冒了煙。為了防止失火，他們決定斷電。
電一斷，全船一片漆黑。王凡躺在床上，他的床跟船行方向是垂直的，船往這邊晃，他感覺自己站起來了；往那邊晃，他感到自己要倒立了。卡在床邊斗槽里的暖壺被甩到半空，“啪”的一聲摔碎在地上，桌上的東西掉落一地，椅子也被甩到一邊去了?！拔蚁?，這次要交代了。但不知道為什么，心里反倒特別平靜，腦子特別清醒。”他說。
事后他才知道，他們遇到的是溫帶氣旋。這種氣旋比臺風(fēng)等熱帶氣旋發(fā)生得少，在海上迅速生成、迅速消失，很難預(yù)報。斷電后，船長怕老船扛不住，就沒敢逆風(fēng)穩(wěn)舵，而是冒險向附近的石島港開去。晃動最大的時候，正是船在拐彎。
“遇到惡劣海況，就是在拿命換數(shù)據(jù)?！蓖醴舱f。
經(jīng)常解釋不了想不通，
但從未覺得枯燥
在一片混沌的大洋中，通過蛛絲馬跡發(fā)現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象，再解釋其發(fā)生機理、產(chǎn)生的影響，研究海洋是很“燒腦”的。
1983年出生的青年學(xué)者李元龍，現(xiàn)在是王凡團隊的研究員。2006年，他跟王凡讀碩士研究生，研究西太平洋暖池溫鹽變異的機理。頭兩年，他搜集了全世界能找到的所有公開數(shù)據(jù)，甄別、訂正不可靠的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)集中在一起，進行各種各樣的統(tǒng)計分析，把西太海域和世界上其他海域進行對比，找到特有的現(xiàn)象。他跟王凡研究了好幾年，老有一個東西困擾著他們：好像溫度是溫度，鹽度是鹽度，兩者是割裂的，融不到一起。寫出的論文，投稿給學(xué)科一流期刊時，編輯往往覺得不新、不透，遲遲未能發(fā)表。
2011年底，再有半年，李元龍就要博士畢業(yè)了，論文還是沒發(fā)出來。焦急的他幾次找到導(dǎo)師王凡，希望嘗試一些低端的期刊把研究成果發(fā)表了，畢業(yè)算了。王凡堅信他們的成果是重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，不甘心半途而廢，李元龍也做好了延遲畢業(yè)的準(zhǔn)備。
就在這時，李元龍在查閱一篇寫其他海域的文獻時，發(fā)現(xiàn)了“澀度”這個概念：相同密度下，高溫高鹽為高澀度，低溫低鹽為低澀度。他突然眼前一亮、茅塞頓開：“這不就是我想說的東西嗎？鋒面、渦旋、熱鹽入侵，恰好發(fā)生在高溫高鹽和低溫低鹽的水團之間，這就把溫度和鹽度統(tǒng)一起來了，能準(zhǔn)確地定義、找到鋒面了，也把暖池的特征說明白了！”引入“澀度”概念后，文章立馬通透了，很快發(fā)表在學(xué)科的國際權(quán)威期刊《物理海洋學(xué)報》上，李元龍這才如期畢了業(yè)。
“今天你把這個事兒解決了，真是輕松愉快。但更長的時間，你的狀態(tài)是，怎么也解釋不了，怎么也想不通?！蓖醴舱f，一個問題解決了，下一個問題又跟著產(chǎn)生，這是科學(xué)探索的艱辛，也是科學(xué)探索的魅力。
“30多年，我曾經(jīng)感到迷茫，但從未感到枯燥。探索未知，樂在其中?！蓖醴舱f?，F(xiàn)在，他們對暖池的研究更加深入了，把目光投向了太平洋中部的暖池、冷舌交匯區(qū)，試圖揭示中部型厄爾尼諾的產(chǎn)生機理，也開始研究印度洋暖池。
海邊生、海邊長，學(xué)海洋，研究海洋，王凡仍不敢說自己了解海洋。他看著辦公室窗外的黃海說，這兩年遼寧、山東出現(xiàn)的養(yǎng)殖海參集中死亡，就跟海溫的異常增高有關(guān)，盡管在科研調(diào)查中發(fā)現(xiàn)并作出了預(yù)警，但僅限于很小的區(qū)域，并未形成常態(tài)化的預(yù)報?？梢娂幢闶羌议T口的海洋，我們也遠談不上熟悉。人類對海洋的認(rèn)知程度，還不如外太空。探索海洋的秘密，仍然任重而道遠?！ ?/p>
大眾日報2021年2月19日7版
