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以涡旋为支点 窥探海洋世界

2020-04-18祝传海

科学中国人·下旬刊 2020年12期
关键词:涡旋混合海洋

祝传海

美国海洋生物学家西尔维·埃勒曾说:“我们关于海底知识的了解还不如火星的多。”21世纪,对海洋世界的挖掘成为世界各国重要的发展战略。天津大学海洋科学与技术学院教授陈儒主要致力于物理海洋学研究,运用物理学的观点和方法,研究海洋中的力场、热盐结构及因之而生的各种机械运动的时空变化。站在海岸上,陈儒和其他海洋科学工作者正在努力一点点揭开海洋的神秘面纱……

恩师护航 坚定方向

回顾过去20多年的求学生涯,陈儒提到最多的词是“幸运”。“我觉得自己挺幸运的,从小到大,碰到了许多好老师。他们不仅学术水平高,人品也特别好。跟着他们,我不仅学到了科学知识,还学到了严谨治学的态度、精益求精的精神,这些后来对我的影响都特别大。”如今已为人师的陈儒,总不忘过往恩师对自己的教诲。

小学四年级时,因为数学老师的关心和鼓励,陈儒对数学特别感兴趣。到了中学,陈儒对数学的兴趣逐渐转化为对自然科学的兴趣。在她的努力之下,她以优异的成绩考入中国海洋大学。“母校不仅打牢了我的基础知识,还给了我成为优秀科学家的自信,这种执着且坚定的理想目标让我始终保持初心,面对诱惑不动摇。”陈儒说。

为了进一步拓宽视野,提高学术水平,进而报效祖国,2007年,陈儒前往美国麻省理工学院(MIT)-伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)攻读博士。临走前,她对自己的老师说:“我希望能融通中外,把前沿的知识和技能带回祖国。”

阔别熟悉的城市,陈儒来到位于美国马萨诸塞州波士顿都市区剑桥市的麻省理工学院。面对前沿的学科知识、严格的课业要求和不计其数的学术报告,求知若渴的陈儒积极努力,在海洋学深度和广度方面进步迅速。老师的悉心培养,也让陈儒学会了发现问题、解决问题和独立探索。

在老师的鼓励和自身的努力下,陈儒一步一个脚印深入地对中尺度涡旋进行钻研探索。除了收获了科研成果,在博士学习期间,陈儒还收获了遇事淡定、从容的人生态度。“导师给了我很多思考的自由和发挥的空间,对我提出的学术想法一般都是非常鼓励和支持,每当我碰到难题时,他总是会告诉我说:‘没事,慢慢思考,不着急,肯定会成功的。”在多年的耳濡目染后,陈儒也变得乐观、从容。

折服于老师的学术和人品,博士毕业后,陈儒确立了当老师的目标。她说:“老师的耐心培养和指点对我影响重大,我想成为像老师一样的人,做科研的同时,为学生成长和发展奉献力量。”确定目标后,2019年,在完成国外项目后,陈儒回国并留在天津大学任职,开始了她的教研生涯。

务实创新 坚定立场

陈儒在开展科研时,总不忘把创新摆在首位。

她介绍道,中小尺度涡旋是海洋研究的核心难点之一,它们遍布全球海洋,每时每刻都在生成和耗散,包含了海洋里的大部分动能。涡旋搅拌、混合海洋中的重要示踪物,因而对水团分布、经向翻转流、气候和生态系统的变化具有重要的影响。由于受到计算机能力的限制,百千年尺度上的全球气候模式分辨率较低,不能很好地分辨海洋中的中小尺度过程,研究涡旋混合并对其准确参数化是一个重大前沿课题。

混合理论的进步是改进涡旋参数化方案的关键。有了清晰的思路后,陈儒首先浏览前人留下的资料,在这过程中,陈儒发现前人提出的混合理论虽然表征了涡旋性质和急流对混合率的影响,并得到了广泛应用,但是其预测值与实际混合率差异巨大。考虑到海洋运动的多尺度特征,陈儒创新提出了多波混合理论。

这一理论极大地改进了在国际上普遍认可的经典理论,可以更准确地估计混合率,刻画急流对混合的抑制作用。陈儒关于混合的一系列发现改变了该领域对海洋混合的现有认知,对认识涡旋在气候系统中的作用、改进涡旋参数化方案和提高气候模式预报的准确性具有重大意义,得到了广泛的关注。

除了涡旋混合之外,陈儒也为探索海洋中能量的源和汇付出了很多努力。“各种能量的转换及其时空变化不仅有助于增进人们对海洋的基本认识,也有助于发展与能量规律相一致的气候模式,而涡流相互作用是海洋能量循环中的重要一环。”

在研究过程中,陈儒发现大气海洋动力学研究中广泛应用的洛伦兹能谱图只能描述涡流相互作用的平均态,不适用于空间变化较大的海区。因此陈儒在原有的能谱图基础上,提出了更能刻画大气、海洋实际状况(强时空变化)的新的涡流相互作用理论框架,并将其应用到高分辨率全球模式中,得到了一系列的新发现。例如,在黑潮、湾流和南大洋这些能量富集的海区,涡流相互作用具有非局地的特征。陈儒还发现在海洋中存在两大涡旋生成机制(正压与斜压不稳定)的相互抑制现象及能量传输过程中的滞后现象,并提出了相关解释机制。陈儒的这些创新性成果加深了人们对中尺度涡旋生消的认识,为涡旋参数化及发展能量一致的模式打下了重要基础。这些成果得到了国内外同行的广泛关注,并在各种科学问题中被成功应用。她还在研究中发现传播中的中尺度涡的低频部分表现为纬向急流,揭示了大洋环流对纬向急流的影响机制,提出并使用新的诊断方法,发现纬向急流对海洋能量平衡和混合的贡献不可忽略。陈儒认为自己是幸运的,之所以能够在科研中取得这些成果,也是因为自己可以站在前人的肩膀上眺望远方。其实,陈儒的幸运并非偶然:这些科研成果的取得离不开她一路的坚持、勤奋及其对海洋科学的浓厚兴趣。

海洋研究除了对气候预报有重要意義,对国家海洋经济发展也十分重要。下一步,陈儒想把自己的研究经验应用于海洋多尺度过程的前沿探索中,完成出国前的抱负,将前沿科学技术书写在祖国大地上,助力我国的海洋事业发展。

快乐教学 坚定信念

曾有中国工程院院士发出过这样的呐喊:“中国是一个海洋大国,海洋科学一定要振兴,中国一定要走向世界海洋科学的前沿!”陈儒深知这条振兴路还需要更多后继者加入,因此,怀揣着对恩师教育方式的传承,陈儒在教育这条路上从不敢懈怠。她说:“教学是一件非常快乐的事情,我会尽全力履行好教师的职责。”

在天津大学海洋科学与技术学院,陈儒主讲本科生“物理海洋学”和研究生“动力海洋学”两门课,课堂上,她不断通过扩展课程内涵和外延,让学生对海洋科学产生深厚的兴趣,并打下坚实的基础。

陈儒认为,要想激发学生的求知热情,首先要培养学生自信,让年轻人相信自己,他们才敢提出自己的创新想法。基于这一理念,陈儒正在指导团队学生开展海洋涡旋形态、海洋混合预测及北太平洋热盐平衡等方面的研究和探索。“当学生养成批判性思维,他们就会慢慢地形成自己的主见。”陈儒总结说。

课外,陈儒还经常和学生们进行交流,关注他们在学习和生活上的难点。陈儒常说:“学生无论能力如何,性格有什么不同,只要他们正直有理想,愿意为目标付出百分百努力,在我眼里都是好学生。”

对于未来,陈儒希望在教学方面继续精进,她希望学生们在结课时,会自信地说:“海洋学,我懂得,我喜欢;我是海洋人,我自豪!”在科研方面,她希望继续开展海洋多尺度过程研究,“争取能够获得一些重要科研进展,不辜负国家和学校的期望”。物理海洋学领域未开辟的疆土还有很多,但陈儒将继续一往无前,无所畏惧。

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