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原创 RSOD海洋动力遥感 RSOD海洋动力遥感 2026年2月14日
论文信息
发表期刊: 科学通报
主要作者: 吴立新等
第一单位: 中国海洋大学 深海圈层与地球系统前沿科学中心
原文标题: 物理海洋十大前沿科学问题
原文链接: https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5662
研究梳理了近百年来物理海洋学的发展轨迹, 从三个维度出发分析总结了当前物理海洋学发展面临的关键挑战。三个维度包括:
- 研究范式, 即观测、数值模拟、理论分析与人工智能。研发新的观测技术、加强海洋观测系统建设、获取海洋观测数据始终是物理海洋学发展的基础。同时, 由于任何观测系统都不能实现全部、实时覆盖全球海洋, 需要借助计算机技术, 包括计算流体力学和人工智能等一系列手段, 模拟形成并全面了解整个海洋的变化过程。
- 时空尺度, 包括从秒和分钟到千年甚至万年、从厘米和米到千公里甚至万公里的各种时间和空间尺度. 海洋的变化涉及上述各种时空尺度运动之间的能量交换和相互作用.
- 界面互作, 既包括河口海岸与深海大洋、海水与冰之间的联系, 也包括海洋与大气、海洋与陆地(包括海底)、海洋与生物圈之间的相互作用.
基于这三个维度, 研究分析总结了物理海洋十大前沿科学问题.
1. 跨尺度实时化的全球海洋观测系统构建
海洋内部过程极其复杂，涵盖了从毫米级的湍流耗散到数千公里的洋流循环。现有的观测手段（如卫星遥感、Argo浮标）在时空分辨率和覆盖范围上仍存在盲区，特别是对于深海、极地及边界流区域。
未来的观测系统必须实现从“点线面”向“三维立体”的跨越。重点在于发展空-天-地-海一体化的观测网络，利用智能水下机器人（AUV）、水下滑翔机阵列以及新一代卫星技术（如SWOT），捕捉从亚中尺度到大尺度的能量级联过程。同时，实时传输技术的突破将为海洋灾害预警和业务化预报提供关键数据支撑。
图1. 跨尺度、实时全球海洋观测系统示意图。展示了集卫星遥感（海面高度、SST、风场）、海面浮标、水下滑翔机、Argo剖面浮标阵列、海底观测网以及深海潜水器于一体的立体观测网络，旨在实现对海洋全深度的实时监控。
2. 超高分辨率全球海洋数值模式与海洋数字孪生
数值模拟是理解和预测海洋的核心工具。然而，当前主流气候模式的分辨率（约100 km）难以解析中尺度涡和亚中尺度锋面，导致对热量输送和海气相互作用的模拟存在系统性偏差。
发展公里级甚至亚公里级的超高分辨率全球海洋环流模式是必然趋势。这一飞跃需要E级（Exascale）超级计算能力的支撑，以及对物理参数化方案的革新。在此基础上，构建“海洋数字孪生”（Digital Twin of the Ocean, DTO），通过实时数据同化和AI深度学习模型，在虚拟空间中高保真地复现和推演海洋状态，将彻底改变我们预测极端事件和评估气候工程影响的能力。
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能量物质输运
海洋中蕴含着巨大的动能，其中绝大部分存储在中尺度涡、内波和亚中尺度过程中。这些中小尺度过程是连接大尺度环流与微尺度湍流混合的桥梁，主导着海洋内部的能量耗散和物质再分配。
针对中小尺度动力过程的现场观测仍然匮乏, 高分辨率的海洋动力-生物地球化学耦合模式发展不足, 目前对中小尺度动力过程的气候效应的认识仍然非常有限。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, 不仅是当前物理海洋面临的前沿科学问题, 也是提升地球系统模式预测预报精度、提高应对气候变化能力的关键挑战, 同时也是准确预测海洋物理场分布变化特征的重要基础.
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与极端气候事件
海气界面是地球系统能量交换的咽喉。传统观点主要关注大尺度的热反馈，而忽视了中尺度涡、海浪飞沫等中小尺度过程对大气边界层的调制作用。
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,也是全球变化研究领域亟需攻克的前沿科学问题。
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
海底并非静止的容器，崎岖的海底地形（如海山、海脊、深海峡谷）是深海混合的“热点”区域。洋流与地形的相互作用会激发内潮和地形背风波，其破碎过程维持着维持深海层化所需的湍流混合。
如何量化流固相互作用对跨尺度能量传递的贡献, 厘清其在全球尺度上的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。
图5 复杂海底地形调控下的海洋能量物质循环
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