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刘敬武:海洋气象的研究经历与思考丨和鲸学者访谈

推广 · 2021-12-07 11:36 · 稿源: 厂商投稿

源起菲律宾以东的赤道太平洋,流经中国台湾,穿过吐噶喇海峡,沿日本列岛南面的海域向东北蜿蜒,此为全球第二大暖流——日本暖流,而其又因水色深蓝似黑色得名为「黑潮」。

黑潮从我国台湾东侧流入东海,冷暖两种性质不同的水团相遇产生了海温剧烈变化的过渡带,称之为「锋」。锋区两侧的海温差异大,对于区域海雾,低云,降水的形成及风暴的发生发展均有影响。

「黑潮」、「锋」,看似陌生却与我们的生活息息相关,也是部分气象研究者成年累月投入其中的事业。刘敬武副教授是中国海洋大学海洋与大气学院的研究生导师,主要从事东海黑潮对天气和气候的影响、海雾和低云等研究工作。

昨日因成今日果,前人栽树后人凉,一边是自己的气象科学研究,一边指导的学生,刘老师说「现在的人一定要比前人看得更远,走得更远」。以下是刘敬武老师与和鲸之间关于他的研究、经历、思考的对话——

01:平凡之路

隔行如隔山,气象领域很多名词是非气象专业的人读起来觉得是陌生甚至晦涩难懂的,但气象研究的却是最贴近我们生活的风雨雷电、霜雪露雾。

「很多气象研究的结果还是很符合我们常规认知的。」刘老师说。打个比方,在沿海地区,海雾、海雾入侵陆地都是十分常见的自然现象。斜月沉沉藏海雾,以海雾为例,刘老师先与我们进行了分享。

「海雾有时会顺着风平流到陆地上,当然也不可能特别深入。受到海雾入侵影响比较大的是在美国西海岸和秘鲁太平洋沿岸,虽然海雾不是降水,但是能给当地的一些动物植物提供宝贵的水源。在我们国家沿海海雾也比较多的,特别是在黄海,最主要影响的就是沿岸的交通,还有港口附近船舶的航行等等。

对于海雾入侵的影响因素,我们做了一些研究。发现最主要的因素是海陆的温差和湿度差,还有向岸风的强度,当向岸吹的风更强,会影响得更多一些。这些结果都还是比较符合我们日常认知的。」

当然,海雾入侵只是很小的一个例子,而关于自己的科研之路,刘老师说跟其实跟大多数从事科研的人是一样的,都是一些标准动作,从参加导师的项目,到申请青年基金,再到面上基金。当被问到哪个是其印象最深刻的,刘老师却给出了一个我们意料之外的回答。

青年基金

「对我来说印象比较深刻的可能是最开始的青年基金,因为那是第一次自己申请。

印象比较深刻首先是因为在申请过程中还是费了很大的力气。我记得大年初二我就又开始继续修改基金的申请书了,因为基金申请的截止时间是3 月份,导致我们年过的都不是很轻松。

这个青年基金的项目是关于东海黑潮锋的。东海黑潮锋是一个存在着很大的海温度梯度的地方,它是距离我国最近的强海洋锋,大概十几年前人们在卫星资料里发现海洋锋上空是天气尺度系统剧烈的区域,如海上强风、爆发性气旋和降水均在海洋锋附近发生剧烈的变化,后来的模式研究也表明海洋锋还会深刻影响其上下游的天气和气候。我当时研究的内容主要是东海黑潮锋对边界层和低云的影响,边界层的响应是海洋锋这个下垫面热力强迫的首个环节。

除了申请比较困难,研究过程当中比较难的是缺乏数据的支撑,因为在海上相对来说观测数据是比较少的。陆地上有气象站点的探空观测资料,但海上几乎没有,只能分析一些对临近岛屿的观测,另外我们组织学生进行海上调查,释放了成百上千个探空气球,使用这些来之不易的海上观测资料与卫星资料进行相互印证,最终刻画出东海黑潮锋影响边界层和低云的物理图像」

近些年,人类向海洋进军的步伐加快,对于海洋的探索不断加深。而随着科学技术的发展,是否供研究者们进行分析的观测资料也会相应增多,刘老师表示,这可以从两个方面来看。

科技发展是一方面,另一方面是要有积累数据的意识。科考船是科研人员对海洋进行综合科学考察和资源调查的重要工具,不仅有出海跑船的压力,还要与实验室能够紧密结合。近几年,国内的好几个高校也都慢慢有了自己的科考船,规模更大,功能更加完备,很多学生在研究生期间,甚至是本科期间就会跟着科研人员一起出海测量采集数据;另外,随着海上航运的不断增加,如果能够在商船上对海洋和大气有一些基本的观测,会显著增加观测的体量。

预报为出口

气象数据是开展科学研究和各类气象服务的基础。在气象领域,预报几乎是所有研究的最终目的。而由于对海上大气边界层认识的不足,使得海上的数值预报的技巧与陆地上存在着较大的差距。

「关于数值模式,因为我主要研究的是海气边界层,我可以在这个相对小的领域来谈一谈。

预报是几乎所有研究的出口,因为气象学是个偏应用方面的专业,最终还是要指导预报的,因此模式的进步是非常重要的。但是在海上,尤其是在边界层的参数化方案上其实是差很多的,比如说将数值模式的表现和一些少量的观测数据进行比较,数值模式表现的还是差很多,这说明海上和陆地上还是有非常大的差距。所以以后海上的数值模拟,我觉得是一个非常好的发展方向,至少在这个方面是可以大幅提高的,它需要对海上大气中物理过程的更深入理解。

如果想提高在海上预报的准确率,就需要要提高数值模式在海洋上的预报技巧。海洋与陆地上空大气最直接的不同是下垫面热力和动力性质的差异,这进一步导致直接受下垫面性质控制的边界层明显不同。比如,在高压控制的陆地上空的大气边界层层结常常呈现出非常显著的日变化,但海上大气边界层的日变化非常弱,这是因为海洋的热容很大,海温日变化很小。根据前人的研究,海上大气边界层的日变化多源自于云层吸收太阳短波辐射的日变化、上游陆地加热的日变化、海陆风等。相对于陆地,海洋上空的大气边界层中有着更丰富的水汽,所以与水汽有关的相变、辐射和湍流等过程更加重要。」

无论是数据的积累还是模式的进步,都不是一朝一夕的事情。气象研究是为了对我们生活的地球有更好的理解,从海洋到大气,走平凡之路,一步一脚印,时间会给出答案。

02:传道受业

师者,传道受业解惑也。对学生来说,无论是科研思路的训练还是科研基础能力的培养,导师都是一个引路人的角色。对于初涉气象科研的研究生们,在数值模式研究上,刘老师依据自己的角度和观察给出了中肯的建议。

思和学

「这方面我有带的学生的一些经验吧。我的学生他们都很努力,转了很多个例,尝试调整了很多方案,但是比较少去思考这么调整以后模式的表现为什么不一样了,可以说动手是够的,思考需要更多一些。

在这一点上,我觉得关键是要多问几个为什么,因为很多同学是为了转模式而转模式。这就是思和学的问题。有一部分的研究生可能只是完成了从学到学会的这个过程,但没有完成从学会到思考,然后改进实验方案,证实自己的想法这么一个闭环。当然要这一套完成肯定是比较困难,但是想要在气象数值模式上,在气象领域走得更深入,就要努力思考,让思和学相辅相成。」

先上手

为了能让学生有更好的学习体验,在研究的过程中有更多思考,刘老师也在不停探索一些新颖的教学工具和教学方法。去年疫情期间,大学里都采用线上授课,刘老师在其教授的《大气物理学》课上设计了一套由浅入深的 Python 程序给到学生进行学习。

「疫情期间的线上可以说是一个契机。上完课我找学生私下了解一下,也算做个课调,学生们觉得课程难度比较大。这是可以理解的,他们一般接触计算机语言也就一年半的时间,让学生在这么短的时间里用程序去完成一些任务,确实会比较困难。

鉴于这个情况,后续我降低了题目难度,减少了题目的数量。在大概半年前,我了解到了Jupyter Notebook,后来又了解到了ModelWhale,我发现这其实是一个很好的教学工具,一方面免去了装包的麻烦,学生可以不用那么复杂地配置编程环境,另一方面也不用那么长的程序段落,可以根据Markdown文字的引导编程,更便于达到我们的课想要的教学效果。

这也给了我一些启示。引导学生上手是最重要的。只要能上手,哪怕后面难度慢慢上来,也容易克服。比如学生花很长时间安装程序包不成功,那就会产生很强的挫败感,这个会形成很强的负面反馈,导致他们不愿意继续学了。所以我也一直在探索,用不同的方法和工具引导他们可以轻松起步。」

03:和鲸 Workshop

刘敬武副教授受邀担任12 月6 日和鲸举办的线上公益培训活动Python 气象海洋数据分析 Workshop第一期的导师。关于 Workshop ,刘老师选择了“如何精确计算抬升凝结高度”作为主题,如此选择,刘老师也给出了自己的原因。

「选择这个主题,有两个方面的原因。

最主要的原因是我希望给大家展示,用 Python 这个程序语言,在 Jupyter Notebook 上,可以基于别人写好的工具包和算法,非常准确地计算一些物理量。

抬升凝结高度(LCL)这个物理量在气象领域是很重要的,它是数值模式中是一个重要的参量,也是判断大气垂直稳定度的必要参数。但国内本科教学中不讲如何精确计算抬升凝结高度,因为这个物理量在物理上很简单,但是计算起来却比较复杂。

还有就是,抬升凝结高度的算法本身也在不停地改进。我觉得对一个简单的物理量能有不停的深入的发展,也可以引导学生有更深入的思考,这也是我前面说过的思和学的交互。」

刘敬武老师生活照

2003 年,在中国海洋大学,刘老师与大气科学结缘;2011-2014,刘老师远赴美国,师从当时在美国夏威夷大学,现在加利福尼亚大学圣迭戈分校的谢尚平教授深耕气象领域;2014 年,刘敬武老师博士毕业,回到中国海洋大学担任海洋与大气学院副教授。

人就是在不停地转换角色中成长,充实自我,也见证着时光的变迁。谈到国内在专业环境和研究环境上的变化,刘老师说那可是天翻地覆的。

「我是07 年开始读研究生的,那个时候,我们对国外的资料或者是文章接触得都相对较少,也不容易获取。当时在我研究方向上最经典的是《Nature》上的文章,我记得我还到图书馆去借 《Nature》杂志在图书馆复印。而现在,很多学生可以直接在移动设备上,比如IPAD上阅读高质量的PDF文档。

老一辈的气象学家们的思考是很深邃的,但是毕竟没有现在的条件好、也没更多的前人研究的基础。时代是在进步的,现在的学生一定会比前人看得更远、走得更远。」

从踩着前人的脚印前进到赶过前人走得更远,要不断探索更新的道路。

感谢刘教授带给我们的分享。

-END-

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