专题回顾▏中国物理海洋学研究70年：发展历程、学术成就概览(上）
一、引言
物理海洋学是以物理学的理论、技术和方法，以海水的物理性质和运动为研究对象，阐释海洋中的物理现象及其变化规律，并研究海洋水体与大气圈、岩石圈和生物圈的相互作用的科学。它是海洋科学的一个分支，与大气科学、海洋化学、海洋地质学、海洋生物学有密切关系。物理海洋学涵盖的内容包括海浪、潮汐、海洋环流、中尺度涡旋、湍流、混合、气候变化等过程，采用的研究手段包括卫星和现场观测、数值模拟和理论分析，其研究成果在海洋灾害预警预报、海洋环境安全保障、海洋权益维护、海洋资源开发、海上工程、气候预测等方面具有重要应用。
新中国成立70年以来，随着国家实力的增强，中国的物理海洋学研究在调查观测、理论研究和数值模拟及预报方面取得了长足的进步，在海浪、潮汐与海平面、大洋环流、水团和陆架环流、海洋中尺度过程、湍流与混合、数值模拟与同化、实验室模拟、海气相互作用与气候、海冰与极地、海洋气象、海洋物理等方面取得了丰硕的成果，组织实施了针对中国近海、大洋和极地的多个大型观测计划和国际合作项目，成果在海洋环境安全保障中得到良好的应用。
物理海洋学是一门以调查观测为基础的学科。新中国成立早期，受国力所限，调查观测主要限于中国近海，于1957-1960年间先后开展了渤黄海同步观测和全国海洋普查。在此基础上，我们得以对中国近海的海流、水团、跃层分布以及它们的季节变化等有了一个概括的了解。进入20世纪80年代以来，随着改革开放，中国的物理海洋学家有机会进行国际交流，并逐渐开始走向大洋和极地：在1980-2000年间，通过中美、中日、中韩、中朝等国际合作，在热带西太平洋、南海、东海、黄海等海域开展了科学考察研究，其中，中国台湾开展了黑潮边缘交换过程（KEEP）；参加了世界大洋环流实验（WOCE）、全球海平面观测系统（GLOSS）、热带海洋与大气研究计划（TOGA）等国际海洋计划；大力推进了印度洋的观测；1980年，中国学者董兆乾和张青松前往澳大利亚南极凯西站进行考察；1984和1999年，中国科考船开始挺进南极和北极海域。进入21世纪以来，相继启动了中国Argo 实时观测网、“我国近海海洋综合调查与评价专项”、“全球变化与海气相互作用专项”、“南北极环境综合考察与评估专项”等一系列专项；发起了由中国学者主导的中-印尼国际合作、西北太平洋海洋环流与气候实验（NPOCE）国际计划等大型海洋科学考察。2017年8月28日至2018年5月18日，完成了为期263d的环球海洋综合科学考察，在印度洋、大西洋、南极周边海域和太平洋开展了水文气象断面调查、潜/浮标等定点观测、水下滑翔机观测等工作。
物理海洋学是一门建立在物理框架下的、具有很强实用性的学科。新中国成立初期，由于海洋环境安全和国民经济建设的迫切需要，中国的物理海洋学研究主要以海浪、潮汐、近海环流与水团，以及海洋气象灾害（特别是风暴潮）为主。1959年，中国第一部有关潮汐分析和预报的手册《实用潮汐学》出版；1962年，文圣常撰写的《海浪原理》专著问世，开创了中国的海浪研究；1964年，毛汉礼等人首次提出中国近海跃层的研究方法，出版了《中国海温、盐、密度跃层》；同年，赫崇本编写了《中国近海的水系》（见《全国海洋综合调查报告》），是中国学者首次论述中国近海水系和水团结构及其季节变化的重要文献；1966年，专著《海流原理》出版，是中国最早系统介绍海洋环流的著作；在1955-1963年间，毛汉礼先后翻译了《动力海洋学》（J.Proudman 著）、《海洋》（H.U.Sverdrup著）、《湾流》（H. Stommel著），撰写了《海洋科学》等著作；赫崇本主持编写了《海洋学基础理论丛书》、《海洋学》、《潮汐学》，为中国物理海洋工作者的培养提供了教材。
至此，中国物理海洋学研究初具规模，建立了自己的研究体系。20世纪80年代以来，《潮汐学》、《风暴潮导论》、《海雾》、《海浪理论与计算原理》、《潮汐和潮流的分析和预报》、《中国近海水文》等物理海洋学专著陆续出版，形成了具有中国特色的物理海洋学体系。随着中国走向大洋和极地需求的增强，中国积极发展大洋和极地的观测与研究，在太平洋西边界流、大洋环流与气候变化、极地海洋学等方面均做出了有影响力的成果，逐步进入了国际前沿研究领域。
在数值模拟和数据同化方面，中国学者提出了新型混合型海浪数值模拟方法，发展了第三代海浪模式；提出了风暴潮预报方法，建立了超浅海风暴潮数值预报模型；发展了第三代潮汐潮流预报系统；推出了LASG/IAP气候系统海洋模式（LICOM）系列海洋环流模式；发展了海浪-潮流-环流耦合数值模式FIOCOM；发展了中等复杂的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）预测模型；推出了FGOALS、FIOESM、BCC-CSM、BNU-ESM等气候耦合模式并参与国际耦合模式比较计划（CMIP）。
由于国外的技术封锁，中国在以海洋声、光、电等物理现象为基础的海洋探测应用技术方面走上了自主研发的道路，在海洋物理理论和技术研究中取得了突破，研制了一批具有自主知识产权的海洋探测装备和传感器，提升了中国海洋观测的技术保障能力。
经过70年的不懈奋斗，物理海洋学研究在实现“查清中国海，进军三大洋，登上南极洲”这一海洋梦想的过程中写下了浓重的一笔。本文将从海浪、潮汐与海平面变化、水团、陆架环流、海洋中尺度过程、湍流与混合、数值模拟和数据同化、实验室模拟、大洋环流与气候变化、大型观测、海冰与极地、海洋气象与灾害、海洋物理，以及海洋环境应用等诸方面， 以作者视野概略记述中国物理海洋学研究70年来取得的若干进展。
撰写本文是海洋学报编委会2019年3月30日北京会议决定的，分工第一（中文版副主编）和第二作者（英文版副主编）牵头，邀请物理海洋学科有代表性的单位专家共襄盛举。为贯彻会议对综述论文要突出“创新”和“亮点”的要求，作者团队在撰写过程中遵循如下共识：⑴本文将以公开发表学术论文形式投稿，只收集和引用已公开发表的、能检索到的成果和资料，包括学术期刊论文、专著、研究报告、学术会议报告、学位论文以及政府和国际组织文告等，不收集、不引用未曾公开发表的资料。⑵综述范围涵盖物理海洋学所有分支学科或研究领域（还包括海洋物理学和部分气候学）。这些领域均为物理海洋学有机组成部分，无先后轻重之分。因此，篇幅分配大致均等，发扬中国物理海洋学界历来的“百花齐放百家争鸣”优良传统。⑶尊重学科发展的历史传承，务必发掘并引用各分支学科新中国成立以来最早期和各阶段代表性研究成果。内容取舍突出“创新”和“亮点”。⑷贯彻学术民主。在文章篇幅受限情况下，限定每位第一作者被引用文献最多不超过3篇，给更多学者特别是后起之秀崭露头角的机会。港、澳、台和海外国人成果一视同仁。适量引用外国学者中国近海研究代表性成果。⑸写作风格贯彻“实事求是不尚空谈”精神，以记述科学事实、数据和文献为主线，摆出史实和事实，评述自在其中。
二、海浪、潮汐与海平面
⒈海浪
海浪是中国最早开展研究的物理海洋学分支之一。70年来，在海浪理论、现场观测、室内实验、数值模拟和预报等方面均取得了长足的进步。中国学者在不同时期进行过较系统的回顾和展望。
2000年之后，在海浪破碎、海气界面通量、海浪-环流耦合等方面又取得了许多新的突破。文圣常是中国海浪研究的开创者。他于1962年出版的专著《海浪原理》，以及同余宙文合著的《海浪理论与计算原理》是中国海浪研究的奠基性著作。文圣常提出了随风时或风区成长的普遍风浪谱，被誉为“文氏风浪谱”, 在海浪研究和预报中得到广泛应用[34]。在海浪谱理论的发展历程中，其他学者通过引入不同参量和因子，或从非线性动力学角度，对海浪的频谱特征、生消过程、细结构等进行了解析。
在海浪统计方面，中国学者通过引入随机过程理论，逐渐形成了三维海浪要素的统计分布理论，建立了海浪波面及波高的非正态模型，并对波群的统计性质开展了研究，还将“信息熵”的概念引入海浪统计。
在海浪理论方面，袁业立建立了非线性风浪在波数空间成长演化的广义Schrödinger方程，丁平兴、孙孚、尹宝树等在风浪非线性频散、非线性波浪的传播与变形、近岸波浪与潮汐风暴潮相互作用等方面进行了理论与数值研究。陈戈等利用卫星高度计与散射计资料揭示了全球“涌浪池”及其特性。
海浪研究的另一个重要进展是海浪及破碎在海气交换、上层海洋混合中的作用。中国学者自20世纪80年代开始在此做了许多很有特色的工作，开展了波-湍相互作用的水槽实验和现场观测研究，以及海浪波生切应力作用研究。浪致混合理论的建立，改进了现有混合参数化方案中上层海洋混合不足的问题，改善了海洋和气候模式对海洋上混合层的模拟。通过波-湍相互作用和波生辐射应力，海浪在台风、海冰、悬沙输运、风暴潮过程中也起关键作用。
在海浪数值模式及其应用方面，从1986年启动的“七五”国家科技攻关开始，先后研发了混合型海浪数值模式、第二代海浪数值预报模式YW-SWP、第三代海浪数值模式LAGFD-WAM和球坐标系下的MASNUM全球海浪数值模式。同时，基于卫星高度计和合成孔径雷达（SAR）遥感的海浪同化也得到快速发展，并用于业务化海浪数值预报。
⒉潮汐与海平面变化
新中国成立前，中国的潮汐观测和研究十分薄弱，全国仅有10余个验潮站，其中8个只有高低潮记录，且大量资料因战乱遗失。1948年编印的潮汐表只有吴淞等5个主港的每日高、低潮预报，有些预报值直接抄录国外潮汐表，预报精度也较低。新中国成立后，海军海道测量部门陆续建立了20多个长期验潮站。1964年，国家海洋局成立，开始长期验潮站建设。目前，国家海洋部门业务化运行的长期验潮站共120多个，1999年还在中山站附近建成中国首个南极永久性验潮站。
《实用潮汐学》是中国第一部有关潮汐分析和预报的手册，总结了中国从新中国成立初期采用达尔文调和分析法手工推算潮汐预报，到20世纪50年代末，引入前苏联杜瓦宁（A. И.Дуванин）非调和方法进行“潮流大面积预报”的工作。1958-1960 年间，根据全国海洋普查开展的500多站潮流观测，编制了“潮流永久预报表”。1960年初，方国洪提出了“准调和分析方法”，被采用为国家标准沿用至今。郑文振和方国洪还给出了中国近海潮波传播示意图和初步的动力解释。
20世纪50年代末，前苏联海洋学家Ђорис最先开展了中国近海的潮波数值模拟。1969年，在方国洪的倡议下，成立了潮流预报协作研究组，开始了长达10年的潮汐潮流预报研究。期间，方国洪等建立了二维潮汐潮流数值模式和潮波方程的变分数值模式，提出了明显优于杜瓦宁法的潮流永久预报新方法，在1973-1978年间陆续编制了《中国近海潮流永久预报图表集》，实现了中国近海全海区、多层次潮流预报。中国学者还提出了jv模型、潮汐波面分析、不完整记录分析等方法，取得了很好的应用效果。以这些成果为基础的《潮汐学》和《潮汐和潮流的分析和预报》是这一时期的代表性著作。
20世纪90年代后期，卫星高度计观测开始用于潮汐研究和模式同化。随着计算机的普及和发展，大区域、高精度、可视化的潮汐潮流预报系统成为主流，直接服务于国防和经济建设。现在，在中国海事服务网、国家海洋信息中心全球潮汐预报服务网、各地方海洋预报、气象、水利等部门网站均可以方便地查询沿海各地的潮汐潮流预报。手机应用软件也推出了潮汐潮流预报服务。基于数值模拟等方法，中国学者在潮波动力学方面也取得了丰硕的成果。
中国海平面变化研究始于20世纪80年代，1989年开始发布《中国海平面公报》。2006年，中国启动基准潮位核定工作，并于2015年颁布了《基准潮位核定技术指南》国家海洋行业标准。2009-2011年在56个验潮站加装全球导航卫星系统（GNSS）设备，实时监测各站高程变化。2009年起组织开展全国沿海省市海平面变化影响调查评估，并根据国务院领导要求，编制了《海平面上升影响评估专题报告》。2011年8月，首次发射搭载高度计的海洋卫星HY-2，实现了对全球海平面的持续监测。2014-2015年开展全国海洋站水准连测。随着21世纪以来国家对气候变化的重视，中国在中国近海乃至全球海平面的监测、研究和影响评估及应对等方面取得了一系列进展。
三、大洋环流、水团和陆架环流
⒈太平洋
新中国成立初期，由于远洋科学调查能力的欠缺和国际局势的动荡，中国大洋环流的研究极为薄弱。20世纪50-60年代，毛汉礼等人率先开始了对大洋环流和西边界流的理论研究。部分学者注意到西北太平洋环流场及其海温对东亚气候的影响。
改革开放之后，随着中日黑潮合作调查、中美联合调查，以及参与TOGA等国际研究计划，中国对西太平洋的系统性科学探索得以起步。
1980-1990年间开展的中日黑潮联合调查，对黑潮认识和研究上取得了众多突破：揭示了黑潮多核结构、发现了东海黑潮逆流、揭示了东海黑潮流量季节与年际变化及其机理、揭示了东海黑潮热通量季节变化及物质通量变化等。在同一时期，中国海洋学家在热带西太平洋环流结构方面取得了一系列新的科学发现，发现并命名了“棉兰老潜流”、“吕宋潜流”和“北赤道潜流”，探讨了它们的动力学机理和水团特性，建立了西太平洋次表层环流体系；开展了西太平洋上层环流的定量研究，估算了西太平洋北赤道流、棉兰老流和源地黑潮的流量，开展了太平洋行星波动影响海洋环流的研究。
进入21世纪之后，随着远洋调查能力的增强，获得了对西太平洋环流动力过程更为深刻的认识，通过长期潜标观测证实了棉兰老潜流、吕宋潜流和北赤道潜流的存在，揭示了其多尺度变异规律；指出西太平洋活跃的中尺度涡旋和风生Rossby波是环流高频变异的主要来源；研究了太平洋和南海的相互作用过程，包括黑潮入侵、Rossby传播等；探讨了中尺度涡旋与大尺度环流之间的复杂涡–流相互作用及其对环流的结构和形态的影响；指出太平洋内区的真实环流结构与Sverdrup理论具有差异，发现了北赤道逆流之下向西流动的“北赤道次流”。
中国学者在西太平洋环流的低频变异及其与气候变化关系的研究方面也取得了众多成果：对太平洋赤道流分叉点多尺度变异机理、太平洋环流异常对水团分布的影响及其与ENSO的联系做出了解释；指出在人类活动的影响之下，西太平洋环流逐渐显现出了复杂的响应趋势，且在副热带西边界流区出现全球海洋增暖的“热斑”现象。
中国是较早对西太平洋暖池（全球最大的暖水库）开展研究的国家之一，分析了暖池的基本分布特征及其与ENSO的联系，指出暖池是在现代地形和海洋–大气动力过程共同作用下形成的。近年，中国学者提出了暖池“热心”概念，揭示了西太平洋暖池“分裂”现象及其对ENSO 的影响。
太平洋内部的副热带翻转环流（STC）和热带翻转环流（TC）对ENSO的低频变异有潜在作用。中国科学家完善了STC的动力学框架，指出热带风场强迫是STC低频变异的主要原因，并可影响ENSO的年代变异；对STC下沉分支的变异机理也进行了探索，发现TC表层和中层相对于赤道幅散、温跃层幅聚的三层结构。
⒉印度洋
印度洋环流是全球大洋环流的重要组成部分。新中国成立初期，中国在印度洋开展的研究相对较少。改革开放之后，随着国家需求向印度洋延拓，中国学者逐渐开始印度洋海洋学研究。早期主要关注的问题大多集中在热带印度洋海气相互作用及其对季风的影响[110] 以及赤道印度洋-太平洋海气系统的耦合关系，主要研究对象大多为海表温度，并提出了热带太平洋-印度洋海温联合模态的概念。中国台湾学者参与了1957-1965年间实施的国际印度洋科学考察计划（IIOE）。但总体而言，在2000年以前，中国对印度洋环流研究较为缺乏。
季风环流是印度洋环流系统区别于太平洋和大西洋的主要特征。在季风转换期间，赤道印度洋表现为自西向东的Wyrtki急流。中国学者基于多种观测资料，对Wyrtki急流的特征和变异机制进行了研究，指出Wyrtki急流分叉对东印度洋盐度平衡有重要作用。另外，在印度洋存在明显的上升流和下沉流区，中国学者对位于西南印度洋的隆起区、位于爪哇岛西侧的上升流和位于东南印度洋的下沉流开展了研究。2010年起，通过组织实施每年一次的国家自然科学基金委员会东印度洋共享航次，积累了丰富的水文站位调查和潜标海流剖面连续观测数据，在热带印度洋环流多尺度变异方面取得了许多新的认识。最近，印度洋经圈环流和南印度洋副热带环流也受到关注，中国学者利用卫星遥感、漂流浮标、Argo 等观测资料和数值模拟等手段，对印度洋热带环流圈热盐输运、南印度洋副热带环流、副热带模态水等进行了研究。
印尼贯穿流是印度洋环流系统的另一个显著特点。它是全球在低纬度连接两个大洋的唯一水道，也是全球热盐环流的重要通道之一，可以通过改变热带-副热带交换、热带温跃层结构、暖池和冷舌平均温度梯度等的季节-年际变化来影响厄尔尼诺。中国学者较早地关注了印尼贯穿流与南海环流的关联，提出了印尼贯穿流南海分支和南海贯穿流，指出盐度在印尼贯穿流输运变化中具有重要作用。
⒊洋际相互作用
随着覆盖全球的观测系统投入运行和地球系统模式的快速发展，物理海洋和气候学研究开始关注洋际相互作用，而不仅仅关注单个大洋。洋际相互作用主要通过大气桥和海洋桥实现。
近期，青岛海洋科学与技术试点国家实验室领衔全球众多学者在Science杂志刊发题为“Pantropical climate interactions”的综述文章，回顾和总结了目前热带太平洋–印度洋–大西洋气候系统之间相互作用的最新研究进展，指出热带印度洋和大西洋海温变化可通过引起太平洋海表面风场异常来调制潜热通量和热带海洋波动，从而影响太平洋气候系统（图1）。
图1 热带太平洋-印度洋-大西洋之间的海气反馈过程示意图
大气桥过程通过某洋盆海温异常激发的热带大气波动、遥相关波列和风暴轴调整来调制另一洋盆的海表面热通量和海平面高度，并在某些海域通过海气相互作用局地放大或传播异常信号。中国学者指出，热带大西洋在近几十年主导了热带的低频变化。大西洋多年代际振荡激发的大气遥相关异常，可引起北太平洋的海平面气压和海表面温度异常，最终信号传向热带西太平洋，调制暖池的多年代际变化。热带印度洋与太平洋之间也能够通过大气桥在年际和年代际气候变化中相互影响。
海洋桥过程通过洋际物质能量交换、海洋长波和涡旋，来传递年际及以上时间尺度的异常信号。其中，印尼贯穿流是唯一一支发生在低纬度大洋间的流动，对大洋物质能量平衡及全球气候十分重要。中国学者提出了印尼贯穿流的南海分支，并发起了中-印尼国际合作项目南海–印尼海水交换及对鱼类季节性洄游的影响（SITE），对其进行了观测研究。南海分支主要通过南海贯穿流实现，从吕宋海峡进入南海，以南海西边界流的形式经卡里马塔海峡流入爪哇海，随后和印尼贯穿流主流汇合。另一方面，印尼贯穿流还是联系热带印度洋和太平洋的海洋信号通道，对印度洋偶极子（IOD）-ENSO相互作用、利文流（LC）年际异常等有重要意义。中国学者对印尼贯穿流变化的调制机理也进行了研究，指出局地降水在其中起到重要作用。
⒋海洋水团
海洋水团是物理海洋学的基本问题和最早研究的对象之一。全国海洋普查（1958–1960 年）推动了中国海洋水团研究，给出了中国近海水团的分布、消长等基本特征与规律。赫崇本等和管秉贤先后对黄海冷水团的水文及环流特征进行了系统的描述。Chu给出台湾岛周边海域的水团特征。毛汉礼等利用T-S关系定量分析了中国近海水团，开创了中国近海水团研究的先河。徐斯等探讨了有界水团的混合问题，并提出了混合终点的概念，推论了T-S图解法的一些性质。
1980-2009年的30年间，中国的海洋水团研究进入鼎盛时期，取得了许多成果。苏育嵩提出了“变性水团”的概念，定义了浅海变性水团，并提出聚类分析，用于中国近海水型分布和水系划分。聚类分析法，以及Fisher型逐步判别法、T-S图解法、对应分析法和曲线族拟合法等方法，在中国近海水团研究中得到了应用与发展。
2000年以来，国家“908”专项（2003-2011年）和一些重大、重点研究项目的实施，积累了中国近海丰富的高精度现场调查资料，进一步提升了对中国近海水团分布及季节变化的认识。例如，一些学者更为深入地分析了北部湾、台湾海峡南部水团的分布及变化特征，研究了黄海冷水团的强度变化，划分了南海北部的水团，并指出太平洋次表层水在南海北部的影响范围和作用。
在大洋和极地水团研究方面，中国学者做出了的重要贡献包括：太平洋次表层水、副热带模态水和高盐水、印度洋副热带模态水、大西洋模态水、乃至全球海洋水团的潜沉，以及南极和北极周边海域水团的分布及变化等方面。
⒌陆架与边缘海环流
陆架与边缘海是海岸和大洋之间的过渡水域，通常水深较浅。其环流受陆架地形、大洋环流、风应力和河流入海冲淡水等的控制。东海是世界上最为广阔的陆架海之一，黄海是半封闭的陆架海，其环流由太平洋西边界流黑潮及其分支台湾暖流、对马暖流、黄海冷水团、季风驱动的沿岸流、河流入海冲淡水尤其是长江巨量冲淡水驱动的海流等组成，具有显著的时空变化特征。早在20世纪50年代，管秉贤提出了中国沿岸表面海流系统的概念，这是中国较早将整个东中国陆架海（东海和黄海总称）环流当作一个系统去描述。此后，国内外学者对于东中国陆架环流的研究做了很多工作，并不断完善和深入。在1980-2000年间，通过中美、中日、中韩、中朝等国际合作，在热带西太平洋、南海、东海、黄海等海域开展了科学考察研究。中日之间经历10年的黑潮合作调查研究，出版了黑潮调查研究论文选集。
黄海显著的水文特征是夏季黄海冷水团及其产生的气旋式环流。冬季黄海冷水团消失，环流主要由受季风驱动向南流动的中国沿岸流和朝鲜沿岸流、以及作为补偿流的济州岛西南侧流向西北的黄海暖流组成。夏季，黄海冷水团可以诱发一个气旋型涡旋[164]，从而构成了黄、渤海环流系统。潮混合作用被认为是影响该环流系统的重要因子。而逆风北上的黄海暖流偏向黄海深槽的西侧流动。
东海陆架环流主要由沿陆架坡的黑潮、向东北流动的台湾暖流、随季风转变流向的闽浙沿岸流组成。台湾暖流终年存在，大量的研究集中在它的起源、归宿和时空变化以及分支上。目前，被普遍接受的观点认为黑潮水在台湾东北侧的跨陆架入侵是台湾暖流的主要来源，沿内陆架的台湾暖流一直可以延续至长江河口水下河谷区域，整个东海陆架的台湾暖流向东北流动，汇入对马暖流和黄海暖流。
黑潮在流经东海陆架时，与东海陆架环流发生水交换，对中国沿海水动力系统也有重要影响。胡敦欣还指出，黄东海上升流是该海域底质沉积的重要驱动力之一。长江冲淡水对东中国陆架海环流有重要影响，扩展构成黄、东海典型的水文现象。研究指出，冬季受偏北风和浮力驱动，长江冲淡水出口门后向南输运，形成一条狭长的冲淡水带；夏季长江冲淡水近区主要受潮汐调制、远区受偏南风和陆架环流影响。
南海是西太平洋最大边缘海，水域宽深、几近封闭，具备形成独具特色环流系统条件。1970-1980年代起，原国家海洋局和中国科学院南海海洋研究所先后开展了南海中部调查、南海海区综合调查研究和南沙调查，南海成为我国边缘海物理海洋学研究热点，在南海环流、黑潮与南海相互作用等方面取得了许多成果， 例如提出了黑潮入侵南海的流套结构等，也拉开了南海中尺度涡研究的序幕。特别是近10年来，中国在南海环流特征研究方面取得了丰富的研究成果。台湾学者起步更早、贡献良多。这在后文各分领域中均有评述。
陆架波是风驱动大陆架浅海的典型动力过程。中国陆架波研究始于20世纪70年代。冯士筰根据中国近海陆架的特点，建立了考虑底摩擦的宽陆架海陆架波模型。陈大可和苏纪兰根据中国沿海验潮站及海流数据计算出夏季和冬季陆架波的周期和传播相速度。王佳等] 利用正压二维浅水非线性方程数值模式，计算出黄、东海存在两个自由陆架波，在黄海海域呈气旋式传播。Hsueh和 Pang采用V字结构地形剖面，利用正压长波模型给出黄海沿岸陆架波的传播特点。Ding等利用数值模拟计算出南海北部陆架波的传播相速度为5.5～17.9m/s。Yin 等将强迫陆架波理论应用到东海陆架。Li等利用卫星高度计沿轨数据分解出了陆架波垂直岸方向的模态结构。
四、海洋中尺度过程
⒈涡旋
水平直径在10～500km之间、水平旋转且持续时间由数天至数月的中尺度涡旋广布全球海洋。认识到海洋速度场由中尺度涡旋主导，是近现代物理海洋学发展中一个重要的概念突破，观测资料揭示海洋中90%的动能是以中尺度涡旋形式存在的。中国科学家早在1979年就评述了海洋中尺度涡研究的重要意义及进展，并在1985年就报道了在南海中部观测到中尺度暖涡。
南海中尺度涡是中国学者研究的重点，经过众多研究机构、多年的系统观测与共同努力，基本确定了南海中尺度涡旋的宏观特征，包括涡旋在南海海盆的空间分布特征[185–190]、涡旋统计特征的季节与年际变化，涡旋的三维结构，以及涡旋运动学的特征。作为一个实例，图2给出中国海洋大学南海中尺度涡实验（2013-2014）的研究区和声学多普勒流速剖面仪（ADCP）锚系观测站位，以及由观测结果得出的暖涡从吕宋海峡西口向西传播过程中发生的耗散现象。
中国学者提出了南海中尺度涡产生的多种可能机制。近期，将南海中尺度涡视为群体运动现象，先后提出和发展了长寿涡列、驻波模态和Rossby标准模等概念。在西太平洋海域，对涡旋与大尺度环流，如西太平洋赤道流系、副热带逆流、黑潮及其延伸体、副热带回流圈之间的相互作用，以及涡旋对模态水潜沉的影响，对台湾以东黑潮流量的影响等方面进行了研究。
图2 中国海洋大学南海中尺度涡实验(2013-2014年)
自20世纪90年代始，卫星高度计极大推进了对全球范围内中尺度涡旋结构与演变的认识。中国学者利用卫星高度计、Argo浮标等数据开展了一系列研究，揭示了大洋中尺度涡的三维结构，定量评估了中尺度涡的全球物质与能量输送能力，揭示了中尺度涡在气候系统中扮演着与大尺度环流同等重要的角色。中国学者还开展了大西洋、印度洋、南大洋等海域中尺度涡的研究，并探索利用卫星数据反演中尺度涡全水深三维结构，以及利用人工智能预测中尺度涡变异。
⒉锋面
海洋锋是海洋中不同水系或水团的交界面，在中国近海十分显著，是中国物理海洋学及海洋交叉学科中的重要课题之一。
毛汉礼等利用盐度水平分布的季节变化来表征长江冲淡水及其混合特征。1986-1993年原国家海洋局和日本科学技术厅联合开展“中日黑潮合作调查研究”项目，对东海黑潮锋及锋面涡做了详细观测。1989-2000年中国台湾开展了KEEP计划，利用多学科联合观测，给出“东海黑潮表层水与东海陆架水之间通过锋面过程进行水量和物质交换”的科学认知。2003-2011年“我国近海海洋综合调查与评价（简称‘908’）”专项的实施，实现了高技术支持下的综合调查与科学研究相结合，给出了中国各海区海洋温度、盐度、密度等大范围、高精度基础数据，描述了锋面分布的基本特征和季节变化。陈大可还指出，由于锋面能够产生垂向物质输运，因而锋区附近具有较高的生物生产力水平。
随着调查数据的积累、遥感技术的发展和数模分辨率的提高，对中国近海锋面的研究越来越深入，如中国近海锋面的季节变化规律总结、锋面弯曲导致的不稳定现象以及针对局部特殊动力过程导致的锋面结构变化的研究。中国近海海温锋区位置相对固定，锋面强度和控制范围具有季节性变化周期。冬季的海温锋形态成熟，黑潮流域与邻近陆架海域的锋面相互作用清晰可见。夏季受太阳辐射影响，离岸远海的海温锋（如南海陆架锋、吕宋海峡黑潮入侵锋、东海黑潮锋等）基本消失，仅在沿岸地区和浅滩边缘存在由潮混合产生的海温锋。
在锋面动力学机理研究方面，中国学者指出地形、正压不稳定、斜压不稳定等均对东海黑潮锋面的弯曲有重要影响。此外，潮致混合形成密度（温度、盐度）锋面，并伴生锋面次级环流，是引起上升流的动力机制之一。由于缺乏更高时空分辨率的观测，目前对中国近海锋面的预报研究较少，主要集中于黑潮锋的预报。
⒊内波
内波是发生在海洋内部的波动。20世纪40年代，海洋调查仪器的进步使内波研究进入快速发展时期，尤其是在60-70年代，以Garrett和Munk基于观测调查给出大洋内波谱模型（GM72和GM75）为标志，国际海洋内波研究进入全盛时期。相对而言，我国海洋内波研究开展较晚，中国学者于1963年在舟山群岛海域通过开展短期定点观测，获得了东海浅海内波的周期、波向、波速和波长等内波基本特征。
在70-90年代，观测发现渤海、黄海和南海的近海海域也存在着活跃的海洋内波，并描绘了这些海域内波的基本特征，分析了黄海地形对内波传播的调制作用。中国学者还通过构建内波理论方程、数值模式和小型水槽试验对海洋内波开展了一些探索研究。通过上述研究，中国学者在20世纪末对周边海域浅海内波的基本结构特征有了初步认知。
在21世纪初叶，中国学者对中国周边海域内波开展了系列研究，实现了对周边海域内波气候态发生特征的认知。利用卫星高度计和SAR遥感数据，分析了西北太平洋第一岛链内潮的生成和传播，给出了中国周边南海、东海和黄海内孤立波的生成源地、发生区域、传播方向和演变过程等统计特征。
中国台湾学者与美国合作在南海北部陆架区开展了亚洲海国际声学试验（ASIAEX），分析了南海北部内孤立波和内潮的短期发生特点、动力结构特征和能量空间变化，探讨了南海北部内波生成与吕宋海峡天文潮的关系；之后，中国台湾学者与美国再次合作开展了WISE/VANS与IWISE等观测试验，获得了南海北部内孤立波的生成演变过程、季节变化规律和第二模态内孤立波的发生特征。利用数值模拟和理论分析，中国学者进一步探究了南海北部内孤立波生成过程机制及黑潮对吕宋海峡内波生成的影响。图3为利用由卫星图像中提取的3500余个内波波包绘制的南海内波与传播方向分布。
图3 利用卫星图像绘制的南海内波
(a)与传播方向(b)分布图
2010年后，在国家“863”计划和海洋局专项等项目的支持下，中国海洋大学构建了“南海内波潜标观测网”，实现了对南海北部内波生成-演变-消亡全过程超过9年的连续观测，布放回收潜标100余套次，最多同时在位18套全水深观测潜标，获取了3000余个内孤立波的生命全周期观测数据，在此基础上明晰了南海北部内孤立波的生成-演变-消亡过程与机制，探讨了ENSO事件对南海北部内孤立波的影响，剖析了内波与中尺度涡的相互作用过程。中国科学院在吕宋海峡西侧和陆架区开展了内波潜标观测，并分析了南海内潮的季节变化特征及其在南北方向上的差异。自然资源部第一海洋研究所在东沙岛西侧开展了内波潜标观测，在此基础上分析了东沙岛西侧内孤立波的动力学特征和发生规律。基于KdV理论模型结合压力逆式回声仪（PIES）观测，中国学者进一步探讨了南海北部内潮向内孤立波的演变过程。在数值模拟方面，中国学者在构建三维内波数值模式的基础上对周边海域内波的生成开展了定量化分析，探究了其传播过程及其影响因素，明晰了其耗散区域，系统讨论了内波与中尺度涡的相互作用过程与机制。
五、湍流与混合
湍流是一种无规则、多尺度、有结构的流体运动状态，是自然界、工程领域和日常生活中随处可见的现象。由于高度非线性，湍流是物理学界尚未解决的经典科学难题之一。湍流以“集装箱”式输运的效率极高，以能量耗散、质量扩散、热扩散、涡黏性等表征的输运能力是层流的成千上万倍，尤其是湍流的大尺度拟序结构能够极大地影响输运过程。海洋湍流能量的维持需要外源，跨等密度面混合所需要的能量主要来自风和潮汐提供的机械能。此外，非破碎浪致混合能够通过波–湍相互作用强化湍流。湍流混合是维系全球大洋环流能量平衡的关键因子，在调控海洋热量与物质的分布、海洋生物地球化学过程，乃至全球气候变化研究等方面皆起十分重要的作用。
⒈海洋湍流
中国海洋湍流研究起步较晚，这主要受限于观测技术的发展。早期的研究工作主要围绕湍流模式理论的发展，建立了正压浅海湍流运动的雷诺应力封闭模型[263] 与准地转斜压湍流两层模式，提出了把混合层与动力不稳定相结合的海洋垂向湍流混合参数化新方法。近年来在全球海洋模式中湍流参数化方案的改进、湍流的大涡模拟、非破碎海浪生湍流机制等方面开展了一些工作。在海洋湍流的基础理论研究方面也取得了一些进展，如发展了“从湍流到湍流”的剪切不稳定理论，提出了海洋流动的“边缘不稳定”概念。在海洋湍流的观测方面，在近海、远海与深海都开展了卓有成效的工作。在海洋边界层湍流特征与机理方面，开展了海洋上边界层及其湍动能、朗缪尔湍流及其台风影响、海洋底边界层湍流等研究。同时，开展了强潮驱动的湍流混合、波浪环境下湍流雷诺应力的估算、海冰下水体湍扩散系数与黏性系数估计、小尺度流速剪切控制机理以及中尺度湍流波数谱特征等若干研究。图4所示为海洋大尺度湍流的有序结构实例：海洋带状流。
图4 海洋带状流：湍动海洋中的有序结构
⒉海洋混合
海洋中蕴含着大尺度环流、中尺度过程、亚中尺度运动、微尺度混合等丰富的多尺度动力过程，其中跨等密度面混合过程是调控全球经向翻转环流的动力源泉。受多种机制影响，微尺度混合呈现显著的时空间歇性。中国学者围绕混合的时空特征、影响机制及其对大尺度环流和生物地球化学过程的调制作用等问题开展了大量研究。从研究区域看，涵盖了黄海东海、南海、吕宋海峡、北太平洋西边界流区、赤道太平洋冷舌区、南大洋普里兹湾等海区。从影响机制看，研究指出非破碎的表面波和波浪-湍流相互作用均可以促进混合，进而影响上混合层的深度。考虑该机制对湍流能量收支的作用，可以显著改进海洋模式中的Mellor-Yamada和KPP等混合参数化方案，进而改善海洋模式对海洋表层温度、上层温度及海洋环流的模拟能力，提高对热带气旋路径预报能力，改善气候模型的性能。此外，朗缪尔环流、双扩散对流等过程也会影响海洋混合。而在浅海陆架区和河口区，还需考虑径流淡水和潮流对混合的影响。中国学者还重点研究了海洋内部混合的不同能量来源，如内潮能量、风输入的近惯性能量、中尺度涡能量等，以及影响混合的多种过程，如内潮、内孤立波、近惯性内波、中尺度涡、非线性波-波相互作用、低频流与内波间的能量交换等，进而阐明混合对水团演变及深层环流、营养物质的垂向输运、底边界层沉积物再悬浮等过程的影响。
（待续，未完）
【作者简介】文章作者/魏泽勋 郑全安 杨永增 刘克修 徐腾飞 王凡 胡石建 谢玲玲 李元龙 杜岩 周磊 林霄沛 胡建宇 朱建荣 李均益 张正光 侯一筠 刘泽 田纪伟 黄晓冬 管玉平 刘志宇 杨庆轩 赵玮 宋振亚 刘海龙 董昌明 于卫东 连涛 陈朝晖 史久新 雷瑞波 刘煜 于福江 尹宝树 陈戈 王岩峰 李整林 熊学军 汪嘉宁 李晓峰 王永刚，分别来自自然资源部第一海洋研究所、马里兰大学、国家海洋信息中心、中国科学院海洋研究所、中国科学院南海海洋研究所、广东海洋大学、上海交通大学、中国海洋大学、厦门大学、华东师范大学、中国科学院大气物理研究所、南京信息工程大学、国家海洋环境预报中心、自然资源部第二海洋研究所、中国极地研究中心、中国科学院声学研究所和中国科学院大学，第三名及以后作者排名不分先后；第一作者魏泽勋，1970年出生，男，安徽省巢湖市人，自然资源部第一海洋研究所，从事海洋环流、潮汐潮流的数值模拟和理论研究；文章来自《海洋学报》（2019年第10期），参考文献略，用于学习与交流，考虑到文章很长，分上下两篇编发，本文为上篇，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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