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”，氣溫出現忽高忽低的振蕩。地球究竟怎么了？厄爾尼諾（El Ni?o）現象（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，對其時空結構演變并不完全清楚，對El Ni?o實時預報更是一大挑戰。可從事海洋科學研究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展與改進及氣候預測上建樹獨到。

不久前，美國哥倫比亞大學國際氣候研究所網站發布的厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）預報模式中，就有張榮華所發展的中等復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預報。如今，這一模式已以中國科學院海洋研究所（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）是發生在熱帶太平洋的最強年際氣候變率信號。ENSO雖然發生在熱帶太平洋，但通過大氣遙相關過程，會對全球天氣、氣候產生重大影響，是目前已知的全球大氣環流和天氣、氣候異常最主要的引導源和貢獻者，同時也對環境和社會產生深遠影響。張榮華說，通常情況下，厄爾尼諾事件只會持續6至8個月，但是2015年的厄爾尼諾持續期可能會增加一年或者更長，把海洋中巨大的熱量轉移到大氣中。“所以今年的厄爾尼諾若與已經在逐漸升溫的全球氣候變化趨勢相結合，可能會讓全球變暖的趨勢加強，會把逐漸變暖的地球變得更熱。”

從上世紀70年代末以來，熱帶太平洋上層海洋出現了系統性的大范圍增溫現象，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區域及其以后的傳播方向等）而改變。

當時剛剛畢業的張榮華，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和熱帶外海區存在的關聯， 特別是發現，自上世紀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、中緯度地區次表層海洋增暖現象，從而揭示出熱帶外地區對于自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現象的研究是年際時間尺度海氣相互作用的核心內容，預測熱帶太平洋中ENSO事件的發生、發展和轉變過程是氣候動力學的關鍵性課題和探索年際尺度氣候預報最有希望的途徑之一。所以，研究ENSO的形成機理和演變規律以及及時、準確地預報ENSO事件的發生、發展和其對全球天氣、氣候變化的影響，是目前科學家乃至政府部門、社會公眾十分關注的重要科學和現實問題。

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

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

如今這個以中國科學院海洋研究所（IOCAS）為名的ENSO模式，曾以“Zhang ICM”或“ESSIC ICM”為國際學術界所熟知。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熱帶海氣耦合預報模式上的前沿地位。

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

教師情結

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（今浙江大學）氣象學專業，主攻天氣預報。畢業后，他考取了中國科學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。一位是杭州大學教授數值天氣預報的老師劉孝麟教授，也是他的大學畢業論文的指導教師。“劉老師對學生特別好”，那個年代，各方面條件都不太好，以至于他和另外一位同學到浙江省氣象局實習時，學校往返實習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值模擬的，但當時他是做氣象預報，劉老師的這門課連接了兩塊研究的精髓，為他后來做數值模擬和預報奠定了基礎。

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

科研成果斐然，讓學術界刮目相看

馬克思主義認識論認為，“實踐、認識、再實踐、再認識，這種形式循環往復以至無窮”。在科學研究中，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，“從理解中結合學科的發展前沿，定量化以后再進一步提出理論或者數據模型，然后進行評估、回到觀測中去驗證、評估”。他們做一個數值模型，先是發現問題，然后改進，觀測驗證，再提高，再觀測驗證。

記者細數張榮華在海洋環流模式和氣候數值模擬等研究領域的專長：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）數值模擬和預測、年代際海洋氣候變率、海洋反饋過程參數化及其對氣候模擬影響，依次展開的各項研究都沒有脫離海洋這個關鍵詞。

早在博士論文工作期間，張榮華在導師曾慶存院士等的指導下，針對海洋和海氣耦合模式展開研究，取得了重要成果。如在國際上率先發展了一個自由表面大洋環流模式，發展了一個基于海洋-大氣耦合模式的短期氣候異常預測系統。并且，他也發展了短期氣候異常預測方法，成功地發展了一個海洋—大氣耦合模式應用于我國跨季度氣候預測，如成功地進行短期氣候異常（如中國的夏季降水、旱澇等）和全球氣候、環境變化等的數值模擬和預測研究。他個人因在海氣相互作用數值模擬與短期氣候預測方法等研究的突出貢獻，榮譽獎勵紛至沓來。1993年被評為中國科學院京區優秀青年，1994年獲第三屆“趙九章優秀中青年科學工作獎”特等獎，1990年獲日本科技廳 Fellowship Award，1998年獲中國科學院自然科學獎一等獎。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。他的這些創造性工作也為國家贏得良好的國際聲譽。

在美國學習工作的這段日子，他擔任了美國多個國家級科研項目的首席科學家。依托這些項目，他在科研上突飛猛進。1998年以第一作者身份，張榮華在世界頂尖學術期刊《自然》（Nature）上發表論文，并榮登《自然》雜志封面，文章以“厄爾尼諾變率： 熱帶外貢獻”為標題。同時他的成果被《華盛頓郵報》等美國主流傳媒進行了專題報道。1998年2月26日，《華盛頓郵報》發表了題為“ 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新的解釋”。

在海洋和氣候變率機理研究中，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現：起源于黑潮和中高緯海區的次表層海溫異常可隨副熱帶反氣旋流渦向赤道地區傳播，進而可影響副熱帶和熱帶地區上層海洋熱力結構，揭示出北太平洋地區海洋次表層海溫異常結構和傳播特征以及中高緯海區與副熱帶和熱帶海區之間的遙相關現象。這項重要研究成果發表在《J. of Climate》雜志上，其分析結果被學術界廣泛引用。

近年來，在海洋和氣候預報、預測技術和方法研究中，他創造性地開發了次表層海溫反演技術、單個海表溫度方程的嵌套技術、利用衛星資料進行氣候反饋過程經驗參數化技術等，有效地改進了熱帶海氣耦合模式和地球系統模式。例如，他發展的ESSIC ICM準確地預報出2011年赤道太平洋海表溫度二次變冷的發生和演變，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事件預報工作發表了題為“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年度改進天氣和氣候服務的亮點也予以了報道。

又如，張榮華開發了海洋衛星遙感資料應用方法，利用衛星資料改進熱帶海氣耦合模式和地球系統模式。他利用衛星風場、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理，并成功地進行有關氣候反饋過程參數化研究，有效地改進了熱帶海氣耦合模式和地球系統模式性能。特別是進行了淡水通量強迫、海洋生化過程加熱、熱帶不穩定波（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威雜志上發表3篇SCI期刊論文，并獲得美國馬里蘭大學地球系統交叉科學研究中心（ESSIC/UMD）2010年度最佳科學家論文獎。這些重要成果張榮華也以第一作者身份于2015年發表在《自然》子刊“Scientific Report”上。

全職回國服務和人才培養

上世紀八九十年代，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者的身份遠赴美國國家海洋大氣管理局海洋資料中心（NODC/NOAA）交流學習。美國前沿的科學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海洋研究生院、美國哥倫比亞大學國際氣候研究所、美國馬里蘭大學地球系統交叉科學研究中心等，從助理研究員做到資深科學家。

誠然，有苦有甜亦生活。張榮華在采訪中也提到，剛去美國時是以訪問學者的身份去的，“自己就像個孤兒”，全部都得靠自己。

在ESSIC ICM模式確立之前，張榮華光調試模式就花了6個月時間。“模式不好建，有時候吃不香睡不好，我就會去打球放松一下”“突然有一天，靈感就來了”。他總結出經驗就是，多聽報告多看文章，引用吸收再創新。

所有曾經獲得的榮譽和獎勵都是自己科研之路上道道靚麗的風景，然而，在美國舒適的狀態卻留不住游子“回家”的心。“到美國20年，我一直保持中國國籍，是一直想到要回來”。實際上，從2008年開始，張榮華每年都會在國內待上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、南京信息工程大學當客座教授傳授知識，這種狀態一直持續了五六年，直到2013年全職回國。談到自己回國的初衷，他感慨萬千。“中國這幾十年，特別是近十多年在海洋研究上的發展太快了。”他記憶中，以前中國只有中國海洋大學，雖然在山東、廈門等沿海地區的大學也有海洋學院，但數量都不超過四五個。如今，光海洋大學就超過四五個，還有很多大學成立了海洋學院。并且，如今中國已然成為世界第二大經濟實體，用在科研經費上的各項投入也在不斷增加，特別是國家和山東省及青島市對海洋發展的重視，這是一個絕好的發展時機。