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中国工程院院士、中国海洋潮汐学主要开拓者方国洪:潮起潮落逐浪行
来源:中国自然资源报 | 作者:秘书处 | 发布时间: 2020-09-01 | 30 次浏览 | 分享到:
“海洋是自然资源重要的组成部分,海洋事业是科学技术密集型和人才密集型事业,有了优秀人才,才会有重大科技成果。应加快培育集聚创新型海洋人才队伍,探索适合海洋科技创新、有利于海洋人才队伍稳定和发展的体制机制,改革人才评价体系,把各方面优秀人才集聚到海洋强国建设的伟大奋斗中来。”
潮汐每昼夜有两次高潮,“昼涨称潮,夜涨称汐”。潮汐潮流的研究与国防建设、航运交通、海洋资源开发、能源利用、环境保护、港口建设和海岸防护等关系密切,而潮汐学是物理海洋学中的重要分科之一。如今潮汐预报已经成为我们生活的一部分,但或许很少有人知道,我国海洋潮汐潮流的预报方法主要来自青岛的一位科学家——中国工程院院士、自然资源部第一海洋研究所研究员、物理海洋学家方国洪。他是我国海洋潮汐学主要开拓者,专注海洋潮汐潮流和海洋环流研究,在海洋环境分析、模拟、预报和动力学研究多个领域作出显著贡献,在国际上享有盛誉。他是国内最早在海洋研究中应用数值方法,在国际上最早提出潮波变分数值模式。


20岁创立潮流分析规范

方国洪,1939年12月生于浙江瑞安莘塍一个知识分子家庭,父亲方德植是著名的数学家,也是陈景润的老师。自幼成绩优异的方国洪很早就对自然现象有着强烈的兴趣,中学期间尤其醉心于当时的前沿学科——物理学,课余时间几乎都用来看《趣味物理学》《趣味天文学》等课外书。1956年高中毕业时,国家正号召“向科学进军”,方国洪盼望能参与我国原子弹的研制。“我当时就想学物理,希望将来从事现代物理学研究,为国家制造原子弹作出贡献。”
高考之后,方国洪被南开大学物理系录取。然而,仅仅两年半,他的人生就经历了一个巨大的“偶然”:1958年,我国开始全国海洋普查。1959年2月,由于国家急需全国海洋普查人才,仅在南开大学物理系就读两年半的方国洪中断学业“提前工作”,被抽调到刚刚组建的中国科学院河北分院,参与全国海洋普查,由此开启了他的海洋物理研究生涯。
“我是1959年5月从天津来到青岛的。我当时的工作任务是对测回来的潮流数据进行分析。那时的工具与现在比十分落后,仅有一台手摇计算机、一本《海洋学常用手册》和计算表格。”追忆似水流年,方国洪深有感触。
新中国成立初期,我国对潮汐潮流的研究几乎是一片空白。长期以来,我国潮流分析采用的是杜德森提出的方法。杜德森是英国皇家学会会员,是全世界潮汐学的一代宗师。杜德森的潮流分析法是他专为英国海军部设计的,因而也称海军部法。但方国洪在实际分析中发现,“海军部法”存在缺陷。
“我想找出更好的方法,于是用方程最优解的办法,通过大量演算,于1960年提出了‘准调和分潮方法’。”方国洪说,通过繁复的推导,他得出了适用于任意观测天数的分析方法,并且将算法尽可能简化,使得分析过程可以采用人工计算得以实现,并称之为“准调和分潮方法”。
彼时,方国洪年仅20岁。一次出差到海军调访时,那里的航海保障人员见到他大吃一惊:“还以为方国洪是个老头儿呢。”忆起昔日的趣事,方国洪会心一笑。
“准调和分潮方法”显著优于“海军部法”,因而被确定为全国海洋普查的规范方法,随后被纳入《海洋调查规范》《港口工程技术规范》,1991年纳入国家标准,并在我国科研、教学、环境研究和工程设计中广泛应用,沿用至今。


方国洪在查阅资料。王新怡 供图


开启潮汐潮流数值研究

初出茅庐的方国洪,就拥有质疑权威的勇气和底气。在完成了“准调和分潮方法”之后,20世纪70年代初,方国洪又提出了潮流永久预报新方法,其效率高于前苏联海洋学家杜瓦宁的方法约10倍,使全海区、多层次的潮流区域预报成为可能。
与此同时,为了得出没有观测资料海域的潮流参数,方国洪在20世纪60年代末开展了潮汐潮流的数值模拟。这是我国最早开展的潮汐数模工作,也是我国物理海洋学领域最早成功的数模工作。
在潮汐潮流数值建模工作中,方国洪把观测数据和动力学方程结合起来求解,研发了国际上第一个潮波同化模式。他设计了潮汐潮流动力学方程的数值计算方案,与中国科学院计算研究所、国家海洋信息中心等单位合作,于20世纪70年代初陆续获得了黄海东部、东海东部等未调查海域的潮汐潮流分布情况。经与取得的历史观测值比较,数值模式结果与实测具有很好的一致性。利用新的预报方法以及通过观测和数值计算获得的调和常数,在国内多个海洋和计算单位的协同配合下,他与人合作完成了20余卷、5000余页的《中国近海潮流永久预报图表集》,涵盖渤海、黄海、东海、南海北部、北部湾海域,至今仍被广泛使用。

方国洪在汇报中阐述南海与相邻海域海水交换动力过程。王新怡 供图



专注海洋环流研究

“物理海洋中,最核心的领域是海洋环流。如果将大海比作人体,那么环流就如同血液循环一般,将营养物质输送到各处,这是一种持久的过程。”20世纪80年代以来,方国洪的研究领域更加倾向于中国近海海洋环流。
方国洪是国际上第一个提出南海环流基本结构的科学家。依据“南海海水垂直结构与太平洋海水的相似性”,他认为,南海是太平洋至印度洋贯穿流的重要通道之一,并提出了太平洋—印度洋贯穿流南海分支的设想。“南海的域际环流就像一个巨大的空调,把较凉的海水输入南海,把较暖的海水输出南海,从而冷却了南海并影响周边大陆的气候。”方国洪用数值方法研究了南海域际交换与海气交换的关系,得出这样的结论:南海是一个热汇,年平均从大气吸收的热量值比全国电力装机容量要大80多倍。
“不同于潮汐的变化缘于月球和太阳引力,海流受太阳辐射、风、大气等影响,可变性强,而目前海流规律的研究尚不成熟,预报也不准确,更富挑战性。”虽然年过八旬,但是方国洪的内心仍然充盈探索未知的热情,“过去我们研究黄海、东海比较多,而南海是我国四大近海中最大、最深的海域,对国民经济和国防建设有重要意义。” 为了搞清南海域际环流,方国洪的课题组与国外科研机构合作,并取得了重要成果。


加快自然资源科技创新

如今,方国洪著述等身,发表论文200多篇,专著2部。其成果曾获得全国科学大会奖、国家自然科学奖、国家科技进步奖、中国科学院自然科学和科技进步奖及国家海洋局科技创新奖等多项科技奖励。1978年全国科学技术大会授予其先进科技工作者称号。他还在国务院学位委员会地学学科评议组成员,国家人事部博士后管理委员会地学和环境学专家组成员,中国海洋学会、中国海洋湖沼学会潮汐与海平面专业委员会主任等岗位上作出了突出贡献。
谈到现在和未来一段时间关注的方向,方国洪说,他将进一步研究南海的环流问题和潮汐理论,并着手把几十年的工作总结成书,为年轻的海洋工作者从事科研实践提供参考。
方国洪表示,自然资源部的组建,无疑是我国自然资源管理体制的重大变革。科技创新是自然资源事业发展的最大动力,是自然资源质量、效率变革的根本支撑,要加快科技创新力度,切实提升自然资源管理能力和水平。
“海洋是自然资源重要的组成部分,海洋事业是科学技术密集型和人才密集型事业,有了优秀人才,才会有重大科技成果。应加快培育集聚创新型海洋人才队伍,探索适合海洋科技创新、有利于海洋人才队伍稳定和发展的体制机制,改革人才评价体系,把各方面优秀人才集聚到海洋强国建设的伟大奋斗中来。”方国洪说。
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