揭秘热带海洋影响东亚气候的“开关”，复旦院士团队荣获一等奖！

极端天气频发，背后的“遥控器”在哪？

远在千里之外的热带海洋,

如何影响东亚的晴雨冷暖？

近日，复旦大学大气与海洋科学系

张人禾院士和周震强副教授的研究成果

《热带海洋影响东亚季风的物理过程：西太反气旋的形成和维持机制》

荣获教育部自然科学研究成果奖一等奖

他们破解的，正是隐藏在气候异常背后的“遥控密码”

这项始于上世纪90年代的研究

首次系统揭示了

热带太平洋、印度洋等海域的温度变化

如何通过大气环流中的关键系统

“西北太平洋异常反气旋”

精准影响东亚季风与我国极端降水

该研究不仅解开了横跨大洋的气候影响之谜

也为我国应对复杂天气气候挑战提供了坚实的科学支撑

这一重大成果的背后

并非一场突如其来的灵感爆发

而是团队几十年循序渐进的积累产生的突破

1

跨越大洋的气候“开关”，藏在一个异常反气旋中

走进中国科学院院士张人禾教授的办公室，墙上赫然挂着两幅地图。其中一张世界地图，清晰标注着全球大洋分布。经过日复一日的研究，张人禾解决了一个长期困扰学界的问题：远在万里之外的热带中东太平洋海洋温度变化，如何像一只无形的手，操纵着东亚的晴雨冷暖？

这个问题的关键“桥梁”就是西北太平洋异常反气旋（简称“西太反气旋”，图中a处顺时针旋转的气流）。

西太反气旋（a处）及其形成机制示意图。其中色彩代表海面温度异常大小，矢量代表对流层低层异常风场。

“当厄尔尼诺发生时，中东太平洋暖水区上空大气受热上升，如同一个巨大的‘热泵’启动。”张人禾举例说，这个“热泵”产生的效应造成热带对流层高层的西传异常气流，在热带西太平洋下沉，导致原本旺盛的上升气流受到抑制，大气凝结潜热加热作用减弱，形成对流冷却异常。这种冷却异常会激发大气产生一种名为“罗斯贝波”的响应，最终在西北太平洋上空催生出一个稳定的反气旋环流。

这个异常反气旋，正是厄尔尼诺影响东亚气候的“开关”。张人禾介绍道，西太反气旋通过改变大气环流格局和水汽输送路径，进而影响东亚季风强度和我国东部地区的降水。“此前一直不清楚赤道中东太平洋的海温异常如何影响远在太平洋西岸附近的东亚季风，我们在国际上第一个系统揭示了其背后完整的物理过程。”

除了太平洋的厄尔尼诺，热带印度洋的海温异常，也能通过类似的海洋-大气耦合动力过程，激发并维持这个关键的西太反气旋。2020年夏季，长江流域经历了一次超强梅雨季，降雨量多、持续时间长。团队携手国外专家合作研究发现，2019年秋季在南印度洋自东向西缓慢移动的海洋罗斯贝波是导致2020年东亚梅雨异常偏多的重要原因。

“印度洋的异常加热，正是通过激发西太反气旋，将大量水汽输送到长江流域，导致了2020年破纪录的极端降水。”获奖者周震强副教授介绍道。

张人禾对比着地图解释，团队的这些发现，将原本看似孤立的热带海洋异常与东亚区域气候紧密联系起来。研究开创了西太反气旋链接热带海洋异常这一新的研究方向，系列成果被大量引用，在国际学术界取得了广泛影响。

上述系列研究成果已成为国家相关业务部门的重要监测指标，为提升东亚季风及其相关联的极端降水事件的监测和预测水平提供了一个重要的科学基础。“这些成果应用一方面是对团队工作的认可，另一方面也鞭策着我们不断前行。”

2

“知识就是一个圈，圈内的已知越多，圈外的未知也越多”

任何重要的科学发现，都非一蹴而就。上世纪90年代，张人禾在东京大学做博士后。在这里，他与国际学者积极交流，并充分利用当时优越的科研条件刻苦钻研。“最初的灵感，其实就是在对观测资料的反复审视和思考中发现的。”张人禾表示，在对历年厄尔尼诺的资料进行审视时，他发现，在厄尔尼诺最强的时候，西北太平洋都有非常一致的反气旋环流异常。

提出问题只是第一步，证明并解释其背后的物理机制才是真正的挑战。“科学研究最难的是提出问题，”张人禾说，“但是，如何解决问题同样也很困难。”为了验证这一现象的普适性，张人禾回溯分析了历史上所有同类的厄尔尼诺事件，发现基本都出现了这一异常现象，这才初步确认了所发现的现象具有普适的规律性”。

随后，便是机理探寻过程。团队需要从海洋动力学和大气动力学等理论出发，构建一个合理的物理模型，来解释为何赤道东太平洋的暖水会导致西太平洋出现反气旋异常，以及这个反气旋又如何一步步将影响传递至东亚气候。在研究过程中，遇到难题是家常便饭。张人禾坦言，这个过程没有捷径，遇到问题只能一个个解决，在浩如烟海的数据和复杂的物理规律中寻找逻辑链条。

研究条件同样也充满了时代的烙印。九十年代初，国内科研条件与国外差距巨大，计算机稀缺，很多基础工作依赖于科研人员人工判读和分析。“那时候的科研都是这么做的，大量的数据分析工作依赖人工和性能低下的计算机，耗费着研究人员巨大的心血和时间。”而今，随着观测技术的逐步升级，辅以强大的计算机协助分析，科研条件相比以往有了翻天覆地的变化。

随着计算机性能的大力提升，张人禾也谈到了复旦大学“伏羲”人工智能气象大模型今后的发展，在他看来，人工智能与大气科学深度融合，将是未来突破复杂气候预测瓶颈和进一步提升预测水平的关键，也将会极大地推动大气科学研究。气象大模型下一代的发展一定离不开对大气运动规律和机理的深入理解。“技术搭建的是一个框架，里面的血肉则需要更多的大气科学专业知识来填充。”周震强补充道，学校已前瞻性地设立了“ai+大气”双学位培养项目，旨在培养既懂先进计算技术又深谙大气科学原理的复合型人才，为未来气象预报的精准化注入新动力。

从最初发现现象，到构建理论框架，再到应用领域，张人禾的这项研究持续长达近三十年，从热带太平洋拓展到热带印度洋和热带大西洋。在他看来，知识的确就像一个圈中的范围，“圈中的已知越多，其实圈外的未知也越多。”这句朴素的话语，道出了基础科学研究的永恒魅力与不懈挑战。解决一个核心问题的同时，往往会带出更多新的问题，推动着研究不断向更深处发展。目前，他的研究团队已形成包括多位独立pi在内的多个研究群体，围绕对我国天气气候有重要影响的东亚季风这一核心方向，在气候动力学的多个领域，从青藏高原、北极、陆气相互作用等更多的视角深入认识东亚气候的变异机理。

3

在“无用”之学中，开掘万用之基

在计算机尚未普及、数据分析主要依靠人工的年代，张人禾敏锐捕捉到了那个看似偶然却反复出现的异常信号，发现了新的规律，这与他长年累月的刻苦研究和思考密不可分。即便已经成为院士，张人禾对科学问题的好奇心和深入探究的劲头也从未减弱。作为学生，周震强观察到：“张老师堪称‘劳模’，我们经常在半夜还能看到他办公室的灯亮着，几乎在任何周末和节假日张老师都会在办公室。”

当得知获得教育部自然科学研究成果奖一等奖时，张人禾表现得十分平静：“这不过是做了自己该做的事。”谈及数十年如一日投身科研的动力，他归因于兴趣与坚持。“如果对一件事缺乏兴趣，外力再怎么推动，很难做到持续专注和长久投入，因此很难取得重要成果。”他相信，当代年轻人只有锁定真正热爱的目标，才能做到埋头苦干、持之以恒，终能抵达理想的彼岸。

面向未来，全球气候变暖所带来的新挑战已成为团队聚焦的研究重点。全球变暖改变了原有的气候背景场，导致极端天气气候事件频发、强发，许多过去的大气规律正在发生改变，新出现的大气现象已经对经济和社会发展以及人类的生命财产安全带来了严重影响。“全球变暖如何改变气候系统的性质？大气动力学和热力学规律在全球变暖背景下有何种变化？为何极端事件会频发、重发？这些问题亟需科学上的理解和认识，也是我们现在和以后所聚焦的重要研究内容。”

尽管基础研究不像技术发明和工程那般立竿见影，但对我国强国建设而言，其价值在张人禾看来无可替代。“独创性科学研究成果的不断产出是一个强国的重要体现，是精神文明的重要标志，基础研究也是今后我国实现‘领跑’的关键。基础研究不应该被看成是‘无用’之学，其价值的体现往往需要时间的沉淀，例如获得诺贝尔奖的温室气体影响气候以及dna双螺旋结构等许多重大科学发现，在产生之时并不明确知道其用途”。张人禾强调，在大气科学领域，深刻的基础科学认知，是应对气候变化、服务防灾减灾等国家长远发展的根本前提。“当然，我们未必能做出推动人类进步的划时代贡献，”他坦言，“但若能在自己深耕的领域留下一点有价值的探索，便已深感欣慰。”

组 稿

校融媒体中心

文 字

雷蕾

图 片

胡新鹏 受访者供图

编 辑

高康珵

责 编

雷蕾

上观号作者：复旦大学