張榮華：觀海洋天象 測全球氣候

宋潔

從2014年的暖冬到2015年4月上旬長江中下游遭遇的“倒春寒”，氣溫出現(xiàn)忽高忽低的振蕩。地球究竟怎么了？厄爾尼諾（El Ni?o）現(xiàn)象（赤道中東太平洋海溫異常增暖）在2015年再度來臨，其影響席卷全球。

多年來，許多科學(xué)家都在致力于分析熱帶太平洋上層海洋變暖這一疑難問題，但由于缺少足夠時空分辨率的海洋觀測資料，對其時空結(jié)構(gòu)演變并不完全清楚，對El Ni?o實(shí)時預(yù)報更是一大挑戰(zhàn)?？蓮氖潞Ｑ罂茖W(xué)研究30年的張榮華，卻憑借其卓爾不群的科研才華，在海洋和海氣耦合模式發(fā)展與改進(jìn)及氣候預(yù)測上建樹獨(dú)到。

不久前，美國哥倫比亞大學(xué)國際氣候研究所網(wǎng)站發(fā)布的厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）預(yù)報模式中，就有張榮華所發(fā)展的中等復(fù)雜程度的海氣耦合模式（簡稱ICM），該模式自2003年以來一直為國際社會定期公布ENSO預(yù)報。如今，這一模式已以中國科學(xué)院海洋研究所（IOCAS）為名，成為我國首次在國際上亮相的ENSO模式（見圖 1）。

把脈厄爾尼諾的擾動

厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）是發(fā)生在熱帶太平洋的最強(qiáng)年際氣候變率信號。ENSO雖然發(fā)生在熱帶太平洋，但通過大氣遙相關(guān)過程，會對全球天氣、氣候產(chǎn)生重大影響，是目前已知的全球大氣環(huán)流和天氣、氣候異常最主要的引導(dǎo)源和貢獻(xiàn)者，同時也對環(huán)境和社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。張榮華說，通常情況下，厄爾尼諾事件只會持續(xù)6至8個月，但是2015年的厄爾尼諾持續(xù)期可能會增加一年或者更長，把海洋中巨大的熱量轉(zhuǎn)移到大氣中。“所以今年的厄爾尼諾若與已經(jīng)在逐漸升溫的全球氣候變化趨勢相結(jié)合，可能會讓全球變暖的趨勢加強(qiáng)，會把逐漸變暖的地球變得更熱?！?/p>

從上世紀(jì)70年代末以來，熱帶太平洋上層海洋出現(xiàn)了系統(tǒng)性的大范圍增溫現(xiàn)象，并伴隨著ENSO事件特性的改變（如振幅、振蕩周期、海表溫度異常首先出現(xiàn)區(qū)域及其以后的傳播方向等）而改變。

當(dāng)時剛剛畢業(yè)的張榮華，利用美國NOAA海洋觀測資料率先從觀測資料分析中揭示出海洋次表層中熱帶海區(qū)和熱帶外海區(qū)存在的關(guān)聯(lián)， 特別是發(fā)現(xiàn)，自上世紀(jì)80年代以來熱帶太平洋上層海洋變暖和ENSO特性的改變可追蹤至70年代及其以前副熱帶、中緯度地區(qū)次表層海洋增暖現(xiàn)象，從而揭示出熱帶外地區(qū)對于自70年代末以來熱帶太平洋上層海洋變暖和ENSO特征改變中所起的重要作用。

他分析說，對ENSO現(xiàn)象的研究是年際時間尺度海氣相互作用的核心內(nèi)容，預(yù)測熱帶太平洋中ENSO事件的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)變過程是氣候動力學(xué)的關(guān)鍵性課題和探索年際尺度氣候預(yù)報最有希望的途徑之一。所以，研究ENSO的形成機(jī)理和演變規(guī)律以及及時、準(zhǔn)確地預(yù)報ENSO事件的發(fā)生、發(fā)展和其對全球天氣、氣候變化的影響，是目前科學(xué)家乃至政府部門、社會公眾十分關(guān)注的重要科學(xué)和現(xiàn)實(shí)問題。

雖然，近幾十年來有關(guān)ENSO的研究已取得巨大進(jìn)展，（如圖1中所示的已開展提前半年至一年的ENSO實(shí)時預(yù)報），然而ENSO預(yù)測仍然存在著很大的不確定性，不能滿足防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)際需求。尤其是上世紀(jì)90年代以來，不同類型El Ni?o事件的頻繁發(fā)生使得ENSO時空演變過程變得更加復(fù)雜多變，其實(shí)時預(yù)報水平也面臨了更大的挑戰(zhàn)。如果能準(zhǔn)確預(yù)報其發(fā)生和演變，無疑將給人類帶來益處。這一動因促使張榮華對ENSO的研究一直持續(xù)至今。

特別值得一提的是，近年來，他成功地發(fā)展了各類熱帶海氣耦合模型，并用于對ENSO這一地球上最強(qiáng)、最重要的年際氣候信號的模擬和預(yù)測研究，特別是開發(fā)了次表層海溫反演這一創(chuàng)新技術(shù)，并發(fā)展了一個中間型ENSO實(shí)時預(yù)報模式，自2003年以來一直為國際社會定期提供ENSO預(yù)報結(jié)果。

如今這個以中國科學(xué)院海洋研究所（IOCAS）為名的ENSO模式，曾以“Zhang ICM”或“ESSIC ICM”為國際學(xué)術(shù)界所熟知。這一卓著的成果不僅是對張榮華個人最大的肯定和褒獎，更是確立了我國在相關(guān)熱帶海氣耦合預(yù)報模式上的前沿地位。

在對ENSO歷史回報結(jié)果表明，這一模式在眾多預(yù)報模式中表現(xiàn)出類拔萃，已成為國際上預(yù)報厄爾尼諾較成功的模式之一，其預(yù)報結(jié)果為學(xué)術(shù)界廣泛引用。特別是對赤道太平洋2010?2011年間La Ni?a事件的預(yù)報中發(fā)現(xiàn)，幾乎所有預(yù)報模式都未能預(yù)報出2011年下半年間赤道太平洋所發(fā)生的二次變冷過程，但ESSIC ICM卻做到了，它準(zhǔn)確地預(yù)報出二次變冷的發(fā)生和演變。事實(shí)勝于雄辯，這被公認(rèn)為是預(yù)報這次冷事件最成功的預(yù)報模式之一。

教師情結(jié)

出生在江南的張榮華記憶中最深刻的就是，像極了小孩臉的雷陣雨，一會天晴一會下雨。天空的神秘莫測吸引了他選擇杭州大學(xué)（今浙江大學(xué)）氣象學(xué)專業(yè)，主攻天氣預(yù)報。畢業(yè)后，他考取了中國科學(xué)院大氣物理研究所的研究生，3年碩士和3年博士生涯，“很自然走上了科研之路”。

這一路走來，有三位老師深深影響到張榮華。對他們，張榮華滿是敬意和感動。一位是杭州大學(xué)教授數(shù)值天氣預(yù)報的老師劉孝麟教授，也是他的大學(xué)畢業(yè)論文的指導(dǎo)教師?！皠⒗蠋煂W(xué)生特別好”，那個年代，各方面條件都不太好，以至于他和另外一位同學(xué)到浙江省氣象局實(shí)習(xí)時，學(xué)校往返實(shí)習(xí)單位的交通成了大難題。劉老師知道后，把家里的兩輛自行車都借給了他們，“整整用了3個月”，如果到學(xué)校晚了沒飯吃，他們就會被邀請到劉老師家蹭飯。如今張榮華是做海洋和氣候數(shù)值模擬的，但當(dāng)時他是做氣象預(yù)報，劉老師的這門課連接了兩塊研究的精髓，為他后來做數(shù)值模擬和預(yù)報奠定了基礎(chǔ)。

都說大樹底下好乘涼，張榮華是幸運(yùn)的，自己在碩士研究生和博士研究生階段遇到了科研上的領(lǐng)路人，并且都是學(xué)術(shù)大家。一位是海氣相互作用專家、中國科學(xué)院院士巢紀(jì)平（碩士研究生導(dǎo)師），一位是大氣動力學(xué)和數(shù)值模擬專家、中國科學(xué)院院士曾慶存（博士研究生導(dǎo)師）。他回憶說，當(dāng)時在北京讀書時條件非常差，海洋學(xué)的相關(guān)教材根本沒有，所以，巢老師親自給學(xué)生寫講義，親自講授海洋環(huán)流動力學(xué)的課程。“巢老師自己也說，晚上備課到凌晨兩三點(diǎn)，第二天早上一早再給我們上課，整整講了一個學(xué)期”，“我現(xiàn)在手上還有他的好幾本手寫的講稿，有厚厚的一疊”。博士生導(dǎo)師曾慶存，在上世紀(jì)80年代就被選為中國科學(xué)院學(xué)部委員?！霸蠋熓橇籼K的，發(fā)展了具有中國特色的地球系統(tǒng)模式，當(dāng)時也是親自教授我們數(shù)值模擬理論和方法?！边@為以后開展海洋和氣候數(shù)值模擬研究打下了基礎(chǔ)。提到這些老師們，張榮華總是帶著感激之情。

科研成果斐然，讓學(xué)術(shù)界刮目相看

馬克思主義認(rèn)識論認(rèn)為，“實(shí)踐、認(rèn)識、再實(shí)踐、再認(rèn)識，這種形式循環(huán)往復(fù)以至無窮”。在科學(xué)研究中，也是如此的過程。張榮華在采訪中告訴記者，很多科學(xué)探索都是從自然界觀測中提煉思路。思路很重要，“從理解中結(jié)合學(xué)科的發(fā)展前沿，定量化以后再進(jìn)一步提出理論或者數(shù)據(jù)模型，然后進(jìn)行評估、回到觀測中去驗(yàn)證、評估”。他們做一個數(shù)值模型，先是發(fā)現(xiàn)問題，然后改進(jìn)，觀測驗(yàn)證，再提高，再觀測驗(yàn)證。

記者細(xì)數(shù)張榮華在海洋環(huán)流模式和氣候數(shù)值模擬等研究領(lǐng)域的專長：海氣耦合模式、熱帶海洋—大氣相互作用、厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）數(shù)值模擬和預(yù)測、年代際海洋氣候變率、海洋反饋過程參數(shù)化及其對氣候模擬影響，依次展開的各項(xiàng)研究都沒有脫離海洋這個關(guān)鍵詞。

早在博士論文工作期間，張榮華在導(dǎo)師曾慶存院士等的指導(dǎo)下，針對海洋和海氣耦合模式展開研究，取得了重要成果。如在國際上率先發(fā)展了一個自由表面大洋環(huán)流模式，發(fā)展了一個基于海洋-大氣耦合模式的短期氣候異常預(yù)測系統(tǒng)。并且，他也發(fā)展了短期氣候異常預(yù)測方法，成功地發(fā)展了一個海洋—大氣耦合模式應(yīng)用于我國跨季度氣候預(yù)測，如成功地進(jìn)行短期氣候異常（如中國的夏季降水、旱澇等）和全球氣候、環(huán)境變化等的數(shù)值模擬和預(yù)測研究。他個人因在海氣相互作用數(shù)值模擬與短期氣候預(yù)測方法等研究的突出貢獻(xiàn)，榮譽(yù)獎勵紛至沓來。1993年被評為中國科學(xué)院京區(qū)優(yōu)秀青年，1994年獲第三屆“趙九章優(yōu)秀中青年科學(xué)工作獎”特等獎，1990年獲日本科技廳 Fellowship Award，1998年獲中國科學(xué)院自然科學(xué)獎一等獎。也因此，受到特邀參加于2004年在上海舉辦的被稱之為“工程界奧林匹克”的世界工程師大會，并作了專題報告。他的這些創(chuàng)造性工作也為國家贏得良好的國際聲譽(yù)。

在美國學(xué)習(xí)工作的這段日子，他擔(dān)任了美國多個國家級科研項(xiàng)目的首席科學(xué)家。依托這些項(xiàng)目，他在科研上突飛猛進(jìn)。1998年以第一作者身份，張榮華在世界頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表論文，并榮登《自然》雜志封面，文章以“厄爾尼諾變率： 熱帶外貢獻(xiàn)”為標(biāo)題。同時他的成果被《華盛頓郵報》等美國主流傳媒進(jìn)行了專題報道。1998年2月26日，《華盛頓郵報》發(fā)表了題為“ El Ni?o fluctuations may follow warm water flow”的專題報道，評價這篇論文“為熱帶太平洋上層海洋增暖及ENSO年代際變率這一疑難問題給出了創(chuàng)新的解釋”。

在海洋和氣候變率機(jī)理研究中，他探索了北太平洋海洋次表層海溫年代際變化。他從觀測資料分析中首先發(fā)現(xiàn)：起源于黑潮和中高緯海區(qū)的次表層海溫異?？呻S副熱帶反氣旋流渦向赤道地區(qū)傳播，進(jìn)而可影響副熱帶和熱帶地區(qū)上層海洋熱力結(jié)構(gòu)，揭示出北太平洋地區(qū)海洋次表層海溫異常結(jié)構(gòu)和傳播特征以及中高緯海區(qū)與副熱帶和熱帶海區(qū)之間的遙相關(guān)現(xiàn)象。這項(xiàng)重要研究成果發(fā)表在《J. of Climate》雜志上，其分析結(jié)果被學(xué)術(shù)界廣泛引用。

近年來，在海洋和氣候預(yù)報、預(yù)測技術(shù)和方法研究中，他創(chuàng)造性地開發(fā)了次表層海溫反演技術(shù)、單個海表溫度方程的嵌套技術(shù)、利用衛(wèi)星資料進(jìn)行氣候反饋過程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化技術(shù)等，有效地改進(jìn)了熱帶海氣耦合模式和地球系統(tǒng)模式。例如，他發(fā)展的ESSIC ICM準(zhǔn)確地預(yù)報出2011年赤道太平洋海表溫度二次變冷的發(fā)生和演變，這一重要成果也讓張榮華以第一作者身份于2013年在《自然》子刊“Scientific Report”上發(fā)表論文。對此，美國海洋大氣管理局（NOAA）對2010?2011年La Ni?a事件預(yù)報工作發(fā)表了題為“Board of outstanding open problems”的專題報道。同時，作為美國海洋大氣管理局（NOAA）2012年度改進(jìn)天氣和氣候服務(wù)的亮點(diǎn)也予以了報道。

又如，張榮華開發(fā)了海洋衛(wèi)星遙感資料應(yīng)用方法，利用衛(wèi)星資料改進(jìn)熱帶海氣耦合模式和地球系統(tǒng)模式。他利用衛(wèi)星風(fēng)場、海表溫度、淡水通量和水色等資料，診斷熱帶海洋過程對氣候反饋機(jī)理，并成功地進(jìn)行有關(guān)氣候反饋過程參數(shù)化研究，有效地改進(jìn)了熱帶海氣耦合模式和地球系統(tǒng)模式性能。特別是進(jìn)行了淡水通量強(qiáng)迫、海洋生化過程加熱、熱帶不穩(wěn)定波（TIW）等物理過程在熱帶太平洋氣候變化和厄爾尼諾-南方濤動中所起作用等的數(shù)值模擬研究。在這個方向上，僅在2009年一年中，他就以第一作者身份在國際權(quán)威雜志上發(fā)表3篇SCI期刊論文，并獲得美國馬里蘭大學(xué)地球系統(tǒng)交叉科學(xué)研究中心（ESSIC/UMD）2010年度最佳科學(xué)家論文獎。這些重要成果張榮華也以第一作者身份于2015年發(fā)表在《自然》子刊“Scientific Report”上。

全職回國服務(wù)和人才培養(yǎng)

上世紀(jì)八九十年代，封閉多年的國門再次向西方打開，1994年，年輕的張榮華以訪問學(xué)者的身份遠(yuǎn)赴美國國家海洋大氣管理局海洋資料中心（NODC/NOAA）交流學(xué)習(xí)。美國前沿的科學(xué)氛圍深深地吸引著這個求知若渴的青年，隨后，他又先后任職于美國羅德島大學(xué)海洋研究生院、美國哥倫比亞大學(xué)國際氣候研究所、美國馬里蘭大學(xué)地球系統(tǒng)交叉科學(xué)研究中心等，從助理研究員做到資深科學(xué)家。

誠然，有苦有甜亦生活。張榮華在采訪中也提到，剛?cè)ッ绹鴷r是以訪問學(xué)者的身份去的，“自己就像個孤兒”，全部都得靠自己。

在ESSIC ICM模式確立之前，張榮華光調(diào)試模式就花了6個月時間?！澳Ｊ讲缓媒ǎ袝r候吃不香睡不好，我就會去打球放松一下”“突然有一天，靈感就來了”。他總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)就是，多聽報告多看文章，引用吸收再創(chuàng)新。

所有曾經(jīng)獲得的榮譽(yù)和獎勵都是自己科研之路上道道靚麗的風(fēng)景，然而，在美國舒適的狀態(tài)卻留不住游子“回家”的心?！暗矫绹?0年，我一直保持中國國籍，是一直想到要回來”。實(shí)際上，從2008年開始，張榮華每年都會在國內(nèi)待上3個月以上的時間，如在國家海洋局第二海洋研究所、北京師范大學(xué)、南京信息工程大學(xué)當(dāng)客座教授傳授知識，這種狀態(tài)一直持續(xù)了五六年，直到2013年全職回國。談到自己回國的初衷，他感慨萬千?！爸袊@幾十年，特別是近十多年在海洋研究上的發(fā)展太快了。”他記憶中，以前中國只有中國海洋大學(xué)，雖然在山東、廈門等沿海地區(qū)的大學(xué)也有海洋學(xué)院，但數(shù)量都不超過四五個。如今，光海洋大學(xué)就超過四五個，還有很多大學(xué)成立了海洋學(xué)院。并且，如今中國已然成為世界第二大經(jīng)濟(jì)實(shí)體，用在科研經(jīng)費(fèi)上的各項(xiàng)投入也在不斷增加，特別是國家和山東省及青島市對海洋發(fā)展的重視，這是一個絕好的發(fā)展時機(jī)。