青岛日报社/观海新闻12月8日讯 在潜心探海的三十余年里，2021青岛市科学技术最高奖得主、自然资源部第一海洋研究所研究员乔方利为青岛赢得了多个“国际首次”。
他带领团队首次原创建立了浪致混合理论，揭示波浪与湍流相互作用强化海洋湍流的机制，建立了世界首个“海浪-潮流-环流耦合”海洋模式；构建了世界首个包含海浪的台风模式，研制了全球首个包含海浪的气候模式；对全球海洋模式首次实现超千万核大规模高效并行，研究成果代表中国首批入围国际超算领域最高奖“戈登贝尔奖”……
这些“国际首次”背后，是乔方利潜心钻研，逐渐摸透海洋“脾气”的过程。他引领了国际海洋和气候模式的发展，在海洋与气候数值建设这一关键科技领域，将我国的预测能力推进到世界科技“第一方阵”。
在全球率先揭开海洋湍流的神秘面纱
1966年，乔方利出生于山东省庆云县，家中共有5个兄弟姐妹。在他的记忆中，干农活和学习交替进行的状态贯穿着他的学生时代，挑灯夜读更是他刻苦求学的常态。坚持不懈的努力换来了优异的成绩。1984年，乔方利以全县遥遥领先的成绩考入中国海洋大学（前身山东海洋学院）海洋系物理海洋专业，开启了探索海洋的求知之路。
1991年，乔方利硕士研究生毕业后，进入第一海洋研究所开始工作，后师从中国工程院院士袁业立攻读博士。“对科研人员来说，方向是最重要、最基础的选择，导师给我指明了海洋模拟这个方向。”乔方利说。物理海洋领域主要分为观测研究和数值模拟两大分支。彼时，我国的海洋预测能力远远落后于欧美发达国家，因此，乔方利没有选择第一海洋研究所的“传统”优势海洋观测领域，而是一门心思投入数值模拟的领域。他不仅有知难而进的科学精神，而且有坚定的目标——要让科研创新成果强有力地支撑国家对海洋准确预报这个重大而迫切的需求，在海洋预测领域实现中国突破。
长期以来，物理海洋关注的海浪、潮流、环流在全球范围内都被当成三个“互不相干”的领域各自独立进行研究。历经多年的探索创新和深入研究，乔方利发现，浪、潮、流是互相影响的。把这些海洋动力要素实质性融合在一起的，恰是海洋湍流，而湍流研究一直是整个物理学领域的国际尖端难题。
乔方利举了一个通俗的例子：要想让一碗热粥快速冷却，最好的办法是不停搅动，并不停吹气，这个“搅动”和“吹气”都是湍流。从物理海洋角度来讲，产生“搅动”的主要是波浪，风的作用就是“吹气”。海洋湍流能量主要来自波浪，又影响着浪、潮、流，乔方利围绕这个认知，在国际上首次系统阐明了小尺度海浪在大尺度海洋环流及全球气候系统中的关键作用。
诺贝尔奖获得者理查德·费曼称湍流为“经典物理学中最重要的未解之谜”，诺贝尔奖获得者维尔纳·海森堡甚至称“万能的上帝都不了解湍流”。乔方利说：“以往海洋领域预报不准确，根本原因就是对湍流的认识不足，必须要突破海洋湍流这个科学‘堡垒’。”一秒钟内测量128个数值信号然后进行复杂计算，乔方利从中精密提取出“信号”，终于揭开了海洋湍流的神秘面纱。
在这个基础上，乔方利带领团队原创性提出并建立了浪致混合理论，建构了全球首个“海浪-潮流-环流耦合”的海洋模式，在国际上率先实质性地将海浪、潮流、环流在一个统一模式中耦合起来。这个原创成果将海洋模式领域存在了半个世纪的上层海洋模拟误差减小了86%，达到世界最高水平，推动我国海洋模式实现了跨越式发展，一举走到了海洋预报领域的国际前沿。
海洋与气候的预测能力进入全球“第一方阵”
刮风下雨、旱涝冷暖、台风演化、全球变暖，要研究这些全球民众极为关注的自然现象，其主要根源在海洋。因为海洋具备巨大的热含量，是最大的气候调节器，人类活动引起全球热量增加的90%以上进入了海洋。
气候模式是气候预测的核心，但是目前全球的气候模式均存在巨大偏差。乔方利说：“基础理论研究水平决定了预报能力，我们必须了解海洋领域‘最小的组成单元’，才能建立更精准的气候模式，提高预测能力。”所谓“最小的组成单元”，指的是海浪飞沫，这是海洋与大气热量交换的一种基础过程。
带领团队把海浪飞沫等物理过程引入到气候模式中，乔方利建立了全球首个包含海浪的气候模式。其系列成果将全球气候模式的共性偏差成功减小了约一半，从而将我国的海洋与气候数值模拟和预测能力推进到世界科技“第一方阵”，实现了从长期“跟跑”到国际“领跑”的跨越。
前沿科学的研究成果不能束之高阁，应用在与亿万百姓生活息息相关的领域才能真正产生社会价值，这就是预测预报的重要意义。
台风是海洋和大气耦合的产物，过去几十年间，国际社会主要从大气角度入手，对台风预报一直存在强度不准的难题。乔方利带领团队经过十余年科技攻关，发现波浪破碎产生的飞沫可以大幅度增加海洋与大气之间的热量传递，从而使得预报的台风强度增大；而波浪产生的湍流混合以及降雨则通过降低海表温度减少海气之间的热交换，使得预报的台风变弱；弄清这组“竞争关系”，就大幅提升了台风的模拟和预报能力。
基于这一新的科学认知，乔方利带领团队创建了海气耦合的新型台风预报模式。该模式对台风强度预报的准确度提升了约40%，目前正与中国气象局合作，进一步转化成提升台风的业务化预报能力，造福世界各国沿海民众。
最近，来自欧美权威专家的最新科学评估结果显示，乔方利团队创建的国际首个包含海浪的地球系统模式在全球气候模式“PK”中位居榜首，这表明我国在气候模式发展领域已经跨入世界科技前沿。准确气候预测是国家综合科技实力的体现，从更大的角度看，该气候模式不仅能为我国“双碳”目标的实现提供强有力的科技支撑，而且能显著提升我国在全球气候治理方面的国际话语权。
预测预报离不开强大的计算能力，乔方利率团队与清华大学合作，通过使用“神威·太湖之光”超级计算机，在全球范围内首次实现了海洋模式超千万核的高效并行，并行效率高达36%。相关成果获国际高性能计算领域最高奖“戈登贝尔奖”提名，成为我国首批入围该奖项的项目之一。
面向国家重大需求，强化科学牵引力
多年来，乔方利的研究领域根据国家需求而不断拓宽。
2006年，乔方利通过分析和计算洋流运动，为渤海大面积溢油叠发事故准确预测了油污的运移路径；2008年，乔方利通过海洋模式计算查清了浒苔在青岛聚集的原因，提出的浒苔通道理论极大提高了浒苔的处置效率，被青岛浒苔治理实际应用；2018年，乔方利率领团队与泰国科学家合作，快速为泰国普吉的沉船事故锁定了搜救靶区，极大提高了搜救效率……
2011年3月11日，日本福岛发生严重核泄漏事件，在出差途中的乔方利通过机场电视收看了相关新闻。他敏锐地察觉到，泄漏的核物质必然随着全球大气和海洋环流影响世界，于是迅速组织团队开展研究，不到一周时间预测出了核物质在大气和海洋中的扩散路径，报送了国家相关部门，并于当年4月初发表了全球首篇关于福岛核物质扩散的科学论文。根据乔方利的预测，核物质将在两周内随着大气“环绕”地球一圈并影响到我国领域，约4年左右顺着洋流抵达美国海岸。随着时间流逝，这些预测均被后续实际观测证实。
“面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向经济主战场、面向人民生命健康，科学研究应该不断深入，发挥更大的作用。”乔方利是这样说的，更是这样做的。
同时，乔方利还积极融入全球海洋科技创新的战略体系，深度参与解决人类面临的重大挑战，助力构建海洋命运共同体。他作为中国唯一代表入选联合国“海洋十年”倡议的规划专家委员会委员，通过规划顶层设计推动世界海洋科学的革命；联合国“海洋十年”首批建立了5大科学协作中心，他为我国摘得宝贵一席，首次实现了我国在全球海洋与气候领域的协调作用。
成绩的背后，是乔方利数十年如一日的钻研和付出，这是常人无法想象的“寂寞”。乔方利笑着说，科学研究99%的时间都是枯燥无味的，但他愿意享受这种“枯燥”。“哪怕经过无数次‘头破血流’之后能找到合适的方向，并在重大科学问题上有所突破，所有的寂寞和枯燥都值得。”乔方利说。
科学探索是永无止境的。以这次获奖为新的起点，乔方利将秉承老一辈科学家的精神，不断引领青年人才的成长；坚持“四个面向”，用科技创新为海洋和社会可持续发展提供强大的科技牵引力；通过国内和国际平台，发挥多学科交叉融合的优势，争取作出更多原创性的科学突破。（青岛日报/观海新闻记者 耿婷婷/文 史鉴/视频）
责任编辑：岳文燕
