吴立新院士等提出当前物理海洋学面临的十大前沿科学问题

吴立新院士及其合作者从研究范式、时空尺度、界面互作三个维度系统梳理了物理海洋学的发展脉络，提出了当前物理海洋学面临的十大前沿科学问题。这些问题的凝练标志着物理海洋学正从认识海洋的理论与实验科学，转向认识海洋与经略海洋并重、多应用场景驱动的理论、技术与工程协同科学。

1. 跨尺度实时化全球海洋观测系统构建

突破深层海洋、复杂地形及冰下环境观测瓶颈，发展亚中尺度到微尺度过程解析能力，构建从海表到深海、从热带到极地的立体实时观测网络。

图1. 实时化全球海洋观测系统

2. 超高分辨率全球海洋数值模式与海洋数字孪生系统发展

解决传统大尺度假设适用性、能量守恒参数化、多尺度能量串级机制等基础问题。通过物理约束与人工智能深度融合，提升海洋认知与预报能力，以应对气候变化及保障海洋安全。

图2. 数据与理论协同驱动的超高分辨率全球海洋数值模式

3. 海洋中小尺度动力过程及其物质能量输运与气候效应

揭示海洋中小尺度动力过程对物质能量输运与气候变化的影响机制，对提升地球系统模式精度、准确预测海洋物理场变化、增强应对气候变化能力具有重要意义。

图3. 海洋中小尺度动力过程及其物质能量输运与气候效应

4. 多尺度海气相互作用的机理与极端气候事件

揭示中、亚中及小尺度海气耦合机理，解析其对台风、副热带风暴、大气河以及海洋热浪等极端气候事件的调制作用，是突破气候预测理论局限、提升预测与预估能力的核心途径。

图4. 多尺度海气相互作用的机理与极端气候事件

5. 复杂海底地形调控下的海洋能量物质循环

揭示流固相互作用驱动能量打破地转平衡屏障的动力学机制，量化海底地形对跨尺度能量传递的贡献，厘清其对深海三维环流的调控作用，并在海洋和气候模式中准确参数化。

图5. 复杂海底地形调控下的海洋能量物质循环

6. 极地快速变化的关键过程与气候效应

明确海冰-反照率-温度反馈、大气温度递减率反馈、水汽和云-辐射反馈、海洋和大气环流向极热输送等过程的贡献与变化，揭示海洋-海冰-冰架相互作用机制，提升海冰变化及其对海洋环流影响的模拟能力。

图6. 极地快速变化的关键过程

7. 深层海洋环流结构、成因与变异驱动机制

揭示南极底层水与北大西洋深层水的“竞争”格局及其对大洋热盐环流的驱动机制，阐明两极底层水体同时减缓对全球海洋环流、碳循环及气候反馈的影响机制。

图7. 深海环流

8. 大洋热盐环流变化临界点关键过程与可预测性

阐明大洋热盐环流存在多种稳定态及临界阈值，厘清历史时期环流切换机制与气候系统背景条件特征，建立包含临界预警能力的环流可预测性理论框架。

图8. 大洋热盐环流变化的临界点

9. 复合胁迫作用下河口-近海系统的韧性调控

辨析多界面、多尺度过程对自然与人类活动复合胁迫的非线性反馈机制，揭示“极端事件-界面过程-系统功能”连锁反应的海岸带预测体系；发展跨学科综合观测与高分辨率耦合模型，实现海岸带韧性调控。

图9. 复合胁迫作用下河口-近海系统的韧性调控

10. 海洋动力过程对碳-氮-氧生物地球化学循环的影响

阐明锋面、涡旋等动力过程对碳、氮、氧循环的长期变化机制及其对全球变暖的反馈作用, 建立面向关键通道的持续观测与一体化模拟框架。

图10. 海洋动力过程对碳-氮-氧生物地球化学循环的影响

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引言

物理海洋学主要通过分析海水的运动、海水的动力、物理与其他生物地球化学性质的分布与变化，研究海洋的动力与物理性质、过程和机制。该学科是深入了解海洋及其在地球系统中作用的基础。在全球气候变暖背景下，海洋吸收了整个气候系统中超过 的热量盈余和超过 的人类活动排放温室气体，从根本上缓解了人为气候变暖的速率。同时，海洋也是从季节到年际和年代际气候可预报性的根本源头。

吴立新等人指出，物理海洋学正从认识海洋的理论与实验科学，转向认识海洋与经略海洋并重、多应用场景驱动的理论、技术与工程协同科学。基于这一判断，他们从三个维度——研究范式（观测、数值模拟、理论分析、人工智能）、时空尺度（从秒至万年、从厘米至万公里）和界面互作（海洋-大气、海洋-陆地、海洋-生物圈、海水-冰）——系统梳理了近百年来物理海洋学的发展轨迹，凝练出十大前沿科学问题。

跨尺度实时化全球海洋观测系统构建

观测是推动海洋系统认知革新的基础。自1872年“挑战者”号环球科考以来，物理海洋观测范式的每一次跃迁均引发了重大认知突破：热带海洋与全球大气（TOGA）计划深化了对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）循环的认识；全球海洋环流实验（WOCE）首次绘制了大尺度环流图景；Argo浮标彻底改变了上层海洋水体状态的获取能力；RAPID-AMOC和OSNAP等断面观测揭示了大西洋翻转环流的变化特征；我国在南海建立的潜标观测网则推动了多尺度动力过程能量串级研究。

然而，当前观测能力仍存在显著短板：深层海洋（2500米以深）观测手段有限，复杂地形周边及冰下环境观测能力不足，亚中尺度、小尺度乃至微尺度过程的解析能力匮乏，实时数据传输能力有待提升。

图1. 实时化全球海洋观测系统
该图描绘了由卫星、浮标、潜标、水下滑翔机、无人船、海底观测网等组成的立体、实时、跨尺度全球海洋观测架构，涵盖从海表至深海、从热带至极地的全海域监测能力。

构建跨尺度、立体化、实时化的新一代全球海洋观测系统，是探索深层海洋物质能量循环、多尺度过程相互作用、全球气候变化及极端气候事件演变的前沿支撑，也是实现精细感知海洋系统耦合过程、精准预测气候变化与极端事件的坚实基础。

超高分辨率全球海洋数值模式与海洋数字孪生系统发展

高性能计算与人工智能技术正推动全球海洋环流模式进入“公里级”甚至更高分辨率的新阶段。这一变革带来一系列基础科学挑战：传统大尺度假设在超高分辨率下的适用性需重新评估；须发展避免“双重计算”的物理参数化方案以保证模式能量守恒；需构建统一描述海洋湍流各向异性的闭合理论；厘清大尺度、中尺度、亚中尺度与内波、潮汐、海浪等多尺度过程之间的能量串级与逆串级机制；明确超高分辨率下跨圈层耦合机制并发展物理一致性耦合方案；建立基于人工智能预报结果的物理可解释性理论。

图2. 数据与理论协同驱动的超高分辨率全球海洋数值模式
该图展示了物理第一性原理与人工智能深度融合的技术路径：观测数据与理论模型协同驱动，通过物理约束的深度学习算法，实现全球海洋超高分辨率数值模拟与数字孪生系统构建。

上述挑战对观测和模拟数据的分辨率及处理能力提出前所未有的要求。吴立新等人强调，借助数据驱动的深度学习方法，以物理规律约束人工智能的学习过程，实现物理第一性原理与人工智能的深度融合，是提升海洋认知和预报能力、应对气候变化及保障海洋安全的重要方向。

海洋中小尺度动力过程及其物质能量输运与气候效应

海洋中蕴含着丰富的中尺度涡（空间尺度 ，时间尺度 天）、亚中尺度过程（ ， 天）、内波、潮汐、海浪和湍流混合等中小尺度动力过程。这些过程能够通过自身输运作用及多尺度过程相互作用，影响海洋中物质和热量的时空分布，并通过水平和垂向输运直接影响二氧化碳等温室气体的埋藏过程与海洋生态系统的固碳能力，进而调控地球系统的碳循环。

图3. 海洋中小尺度动力过程及其物质能量输运与气候效应
该图示意了中尺度涡旋的涡动热输运、亚中尺度过程的重力势能释放与垂向热通量、内波破碎导致的湍流混合及其对生物地球化学物质垂向分布的调控路径。

当前针对中小尺度动力过程的现场观测仍然匮乏，高分辨率海洋动力-生物地球化学耦合模式发展不足。揭示海洋中小尺度动力过程对物质能量输运与气候变化的影响机制，不仅是物理海洋的前沿科学问题，也是提升地球系统模式预测精度、提高应对气候变化能力的关键挑战。

多尺度海气相互作用的机理与极端气候事件

海洋主要通过海气界面的热量、动量和淡水通量交换调控全球能量平衡与水循环。传统海气相互作用理论主要集中于千公里以上的大尺度过程，对中尺度、亚中尺度及小尺度海气耦合机制缺乏深入认识，这已成为制约气候预测精度的关键瓶颈。

近年观测研究表明：中尺度海洋涡旋与大气相互作用能够改变海洋混合层结构，影响副热带模态水的生成效率，调节海洋对气候系统的“记忆”功能；中尺度涡旋与风场强迫共同作用可导致次表层海洋热浪事件；亚中尺度海洋过程造成的垂向热量输送可超过中尺度涡旋数倍；小尺度海浪直接影响海气界面的热量、动量和淡水通量。上述过程对台风、副热带风暴、大气河以及海洋热浪等极端天气气候事件的生成与演变具有重要调制作用。

图4. 多尺度海气相互作用的机理与极端气候事件
该图综合展示了从大尺度环流、中尺度涡旋、亚中尺度锋面到小尺度海浪与大气边界层相互作用的级联过程，及其对极端气候事件发生频率与强度的影响路径。

系统揭示跨尺度海气耦合机理及其对气候系统（特别是极端气候事件）的调控规律，是突破现有气候预测理论局限、提升气候预测能力和气候变化预估可靠性的核心途径。

复杂海底地形调控下的海洋能量物质循环

海洋是一个涵盖多种时空尺度运动的复杂巨系统。为了维持机械能守恒，海洋从大尺度风场和浮力强迫中获取的能量需要通过微尺度三维湍流实现耗散，而两者空间尺度相差 个数量级。在这一跨尺度能量传递链条中，海洋中尺度过程所处的地转平衡状态形成了能量从大尺度向小尺度传递的“动力屏障”。

图5. 复杂海底地形调控下的海洋能量物质循环
该图揭示了海底山脊、海山、大陆坡等复杂地形通过流固相互作用激发内波、促进地转平衡破坏、驱动能量向小尺度湍流级串的动力学过程。

复杂海底地形通过流固相互作用为打破地转平衡提供有利条件，驱动能量从海洋中尺度过程向更小尺度过程传递。量化流固相互作用对跨尺度能量传递的贡献，厘清其全球空间分布及其对深海三维环流的影响机制，并在海洋和气候模式中准确参数化这些过程，是当前物理海洋学研究的重要挑战。

极地快速变化的关键过程与气候效应

极地海洋是全球气候系统的“放大器”和“指示器”，其快速变化涉及一系列复杂的物理、化学和生物过程。量化这些过程及其相互作用，需要明确外部辐射强迫变化下以下关键过程的贡献与变化：海冰-反照率-温度反馈、大气温度递减率反馈、水汽和云-辐射反馈、海洋和大气环流向极热输送、海冰热力学过程、海洋中小尺度过程与海冰的相互作用、海洋-冰架相互作用。

图6. 极地快速变化的关键过程
该图集成了北极与南极地区海冰退缩、冰架崩解、中层水增暖、底层水形成速率变化等关键现象，并标注了上述反馈过程的相互作用关系。

当前地球系统模式对全球变暖下极地海冰和海洋变化的模拟与观测仍存在显著差异。这一偏差主要源于极地快速变化导致海冰物理特性及其与海洋大气相互作用发生深刻改变，增加了海冰和海洋模式物理参数化与模拟的不确定性。发展适应海冰和海洋多尺度快速变化的海冰耦合模式，揭示海洋-海冰-冰架相互作用机制，是当前海洋与冰冻圈科学亟待解决的关键问题。

深层海洋环流结构、成因与变异驱动机制

深层海洋（ 以深）的海水主要源于沿南极陆坡下沉形成的南极底层水，以及从格陵兰-冰岛-苏格兰海脊流出的溢流水。深层海水形成时会携带表层大气中的热量和二氧化碳进入深层海洋，并通过深层海洋环流扩散输运至全球大洋，构成全球气候系统中最大的热、碳储库。

图7. 深海环流
该图描绘了全球深海环流的主要路径：南极底层水向北入侵三大洋，北大西洋深层水向南扩展，二者在各大洋盆地内交织、混合并驱动全球深海物质能量循环。

在深海大洋，南极底层水与北大西洋深层水之间的“竞争”是塑造深层环流结构及其变异的主要原因。近几十年来，南极冰盖、格陵兰冰盖和北极海冰加速融化，融冰淡水注入导致南极底层水和北大西洋深层水同时呈现减缓趋势。这一两极中深层水体形成速率的同时减缓将对全球海洋环流、碳循环和气候产生何种影响，尚待深入探索。

大洋热盐环流变化临界点关键过程与可预测性

大洋热盐环流可能存在多种稳定态，从一个稳定态向另一个稳定态的变化会经历环流系统的临界点。在该阈值附近，微小的外强迫作用即可导致系统产生本质性变化。进一步地，热盐环流的临界变化可能触发地球气候系统的其他临界要素翻转，导致气候系统进入不稳定状态。

图8. 大洋热盐环流变化的临界点
该图示意了热盐环流强度随淡水强迫变化的“S”型响应曲线，标示出稳定态、不稳定态及临界点位置，并给出了跨过临界点后环流不可逆坍塌的概念模型。

地球气候的长期演化记录表明，历史时期的海洋环流可能已历经不同稳定态。然而，由于缺乏直接观测证据，不同稳定态间的切换机制及相应的气候背景条件仍不明确。在现代全球气候持续受温室气体排放辐射强迫作用下，大洋热盐环流是否会在百年至千年尺度出现临界不稳定，仍存在重大争议。

复合胁迫作用下河口-近海系统的韧性调控

河口-近海区域是陆地-海洋-大气耦合的关键界面。其物质通量（有机碳、营养盐、沉积物等）在河流输入、潮汐混合、海浪以及极端天气气候事件（风暴潮、河流洪水）等因素协同驱动下，形成具有高度非线性的物理-生态耦合系统。

图9. 复合胁迫作用下河口-近海系统的韧性调控
该图展示了气候变暖、河流建坝、岸滩围垦、污染排放、海水养殖等多重自然与人为胁迫因子对河口-近海系统的复合作用，及其对系统缓冲能力与韧性演变的调控路径。

全球气候变暖与人类活动的复合胁迫作用扰动了自然状态下的界面交换过程，削弱了河口-近海系统原有的缓冲能力，降低其应对环境变化的韧性。传统物理海洋学模型通常将水文动力、生物地球化学和生态过程分别处理，难以真实反映多界面、多尺度过程对复合胁迫的非线性反馈机制。

海洋动力过程对碳-氮-氧生物地球化学循环的影响

海洋动力过程（包括混合、上升/下沉、通风等）深刻影响海水中碳、氮、氧的分布与输运，并与初级生产、再矿化和微生物代谢等生物地球化学过程共同形成复杂的耦合系统。当外部强迫接近阈值并引发动力过程转变时，这种动力-生化耦合可能触发碳、氮、氧循环收支与时空分布的结构性响应与反馈，进而影响气候系统的稳定性。

图10. 海洋动力过程对碳-氮-氧生物地球化学循环的影响

该图综合呈现了海洋环流、涡旋、湍流混合等动力过程对溶解无机碳、溶解氧、营养盐垂直断面分布的控制作用，以及生物泵对碳向深海输出的调节路径。

观测研究表明，锋面、亚中尺度涡与中尺度涡能够在短时间内迅速调配营养盐与溶解气体，改变初级生产与再矿化深度，但其对全球碳、氮、氧收支的净效应仍缺乏一致量化。在持续增暖与淡化背景下，大西洋经向翻转环流与南极底层水的可能减弱会抑制深层通风与向深海的碳、氧输送，提高中层缺氧风险。阐明海洋动力过程主导的碳、氮、氧循环长期变化机制及其对全球变暖的反馈作用，建立面向关键通道的持续观测与一体化模拟框架，是理解气候变化下海洋反馈机制及维护海洋健康的核心挑战。

结语

吴立新院士等人提出的十大前沿科学问题，涵盖了物理海洋学的主要研究范式、研究方向与基础理论问题。部分问题有望在未来5-10年内取得突破：量子计算与人工智能的飞速发展将使超高分辨率全球海洋模式成为可能；深海自持式剖面浮标与实时通信潜标等新型观测技术将推动深层海洋环流变异的理论创新。另一些问题，如海底流固耦合过程及其气候效应、海洋动力过程与生物地球化学循环的耦合关系，可能需要更长周期的持续攻关。

持续关注并研究这些问题，将极大地丰富对全球海洋的认知，推动物理海洋学从认识海洋走向经略海洋。随着更多观测现象的揭示和理论的发展，必将涌现出超越“十大”框架的新前沿。在持续推进物理海洋学乃至地球系统科学发展的进程中，用新的问题替换已解决的问题，是实现关心海洋、认识海洋、经略海洋目标的根本路径。

• 信息来源：海洋遥感er、中国海洋大学未来海洋学院整理自科学通报。

  转载请注明信息来源及海洋知圈编排。