今年盛夏，2027年度The Nicholas P. Fofonoff奖提前揭晓——中国海洋大学教授、中国青年科技工作者协会“航空航天与深地深海”专业委员会副秘书长张志伟，成为该奖项设立21年来第二位获奖的中国科学家。颁奖词中“通过整合观测、理论与模拟在海洋亚中尺度与中尺度动力学做出杰出贡献”的评价，精准概括了他十余年来的科研轨迹与学术贡献。
张志伟深耕海洋动力学领域，聚焦海洋中尺度涡、亚中尺度过程研究。这些看似“微观”的海水运动，实则对调控全球气候变化、保障海洋资源开发、维护国家海洋环境安全等均具有重要意义。他先后主持国家自然科学基金重大项目课题、国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划课题、教育部U40、山东省杰青等多项重要科研项目，取得了一系列原创性成果。他以第一或通讯作者在Nature Communications，Geophysical Research Letters,Journal of Physical Oceanography等期刊发表文章40余篇，论文被引用3100余次，入选“2025年度全球前2%顶尖科学家榜单”。
他的科研足迹，始终与一份“蓝色嘱托”同频共振。2024年，中国海洋大学建校100周年之际，习近平总书记给全体师生回信，强调“加强原创性、引领性海洋科技攻关，努力培养更多胸怀蓝色梦想、堪当时代重任的优秀海洋人才”。“原创性”、“引领性”六个字，指引着他坚持走“顶天立地”的科研之路：面向国际前沿提出原创理论，立足国家需求攻克海洋科技难题。
首次揭秘中尺度涡全水深三维结构与消亡机制
在物理海洋学领域，学者通常专精于观测、理论与数值模拟中的某一端；能同时在这三个维度取得突破性成果，堪称凤毛麟角——而张志伟是其中之一。
本科时，他读的是中国海洋大学的王牌专业——海洋科学。一次讲座，著名物理海洋学家田纪伟教授谈起要做海洋科学“顶天立地”的研究，这令他心潮澎湃。在田纪伟教授面试保送研究生时，张志伟如愿在大四时就进入其团队参与科研工作。
田纪伟主要从事海洋多尺度动力过程机理研究及海洋高端观测仪器研发，以对学生高标准、严要求著称。但张志伟感受到的，更有充分的信任与支持。他至今感念，自己本科阶段就获得参加高端学术会议的机会，这对当时的他而言，是全方位的考验。他记得跟着导师出海，“作为首席科学家的田老师在船上精准调度，时间常以10秒钟为计量单位，可谓分秒必争”。他记得第一次在茫茫大海上，看着“沉睡”在海底长达一年的潜标，随着释放器“滴滴滴”的响应和释放后从海面浮跃而出，大家激动地雀跃欢呼。他的理想与热望，随着颠簸的风浪，与心中的深蓝紧密相连。
学生时代，校园学术氛围浓厚。华人物理海洋学家黄瑞新教授和裘波教授多次在校内做学术讲座，屡屡提到中尺度涡研究，张志伟深受启发。中尺度涡——海洋之中无处不在的旋转水体，如同海洋中的“台风”，水平尺度约50公里到300公里，时间尺度从几周到几个月不等，是海洋中动能最强的流动形式。“它们是海洋中热量、养分、溶解氧及其他生地化物质的有效运输者。”张志伟对中尺度涡产生了浓厚兴趣。他将科研方向确立在这一领域。
自1992年用于全球海面高度观测的TOPEX/Poseidon卫星发射以来，国际上基于卫星遥感的中尺度涡研究迅速积累，已取得大量成果。但仍有两块“硬骨头”亟待突破：其一，中尺度涡的全水深三维结构并不清楚——过往研究多依赖卫星观测，仅能刻画海表特征，无法获取全水深数据；其二，学界对其产生机制已有一定认识，却对其如何消亡知之甚少。
2013年10月至2014年6月期间，在田纪伟教授带领下，张志伟设计并参与实施了“南海中尺度涡观测实验”，得以在南海开展了当时规模最大的中尺度涡综合性现场观测。
在此之前，张志伟经过大量统计分析，选定台湾西南海域及其西南方向的陆坡区作为实验海区。他精心设计了“十字型”潜标阵列，以期捕捉中尺度涡的全水深三维结构。面对高昂的潜标布设成本，他向老师坦言心中的压力：“中尺度涡难以预测，万一捕捉不到怎么办？”田纪伟当即给他吃下“定心丸”：“不要有压力，大胆去做，万一失败了，责任我来承担。”
彼时，田纪伟在船上指挥潜标布设，张志伟则在陆地紧盯卫星遥感数据，负责与导师实时沟通潜标具体布放位置。每天盯着卫星图像，他心里只有一个念头：“快出来一个涡！”潜标阵布放一个月后，一个中尺度涡如期而至，完整穿越潜标阵列。连续数月，他们共观测到5个完整的中尺度涡。
张志伟（左二）受邀参加北太平洋海洋科学组织（PICES）2025年年会并作为联合主席召集分会
这期间，张志伟敏锐捕捉到科研新契机——中尺度涡正往西南方向迁移，一边迁移一边减弱。他立即向老师提议：如果在它的迁移路径下游再布设一个潜标阵，守株待兔，就能把它的消亡机制定量揭示出来。田纪伟当即同意，立即联络调度设备，再次出海，在下游连续布设“一字型”潜标阵列。约20天后，正在减弱的中尺度涡完整穿越新布设的观测阵列。
这两次潜标布设，成就了海洋动力学的一项里程碑——团队在国际上首次发现中尺度涡具有全水深的三维倾斜结构，并且定量揭示了其消亡机制。
2016年4月，这项成果以《观测揭示的南海中尺度涡三维结构、生成与消亡》为题发表于Scientific Reports。同年夏天，张志伟的博士论文《南海北部中尺度涡的三维结构与生消机制研究》顺利通过答辩。
2016年，美国地球物理学会（AGU）年会以“海洋涡旋”为主题召集专题分会，并向张志伟发出特邀报告邀请。此次分会仅设两场特邀报告，另一位主讲人是海洋涡旋研究的权威科学家、美国科学院院士Dudley B. Chelton教授。这次同台交流，意味着中国团队在海洋涡旋研究领域，已跻身国际前沿。现场交流时，大家纷纷赞叹：“你们是做海洋涡旋观测最好的团队。”“你们的观测是艺术，非常精致。”
张志伟用一组组珍贵的现场观测数据及其理论阐释，在物理海洋学版图上刻下了中国学者的名字。而这项关于中尺度涡的原创性工作，恰恰为他后来发现亚中尺度过程“深穿透”现象、提出“混合过渡层不稳定”理论……埋下了关键基础。
理论创建者
2010年前后，伴随一批标志性研究成果的发布，比中尺度涡更小的亚中尺度过程（水平尺度1-10公里），在国际上迅速升温，成为物理海洋学的前沿热点。
如何理解这项研究？张志伟类比道：“台风中一条条螺旋雨带决定着哪里有强降雨、哪里风更大、哪里相对较弱。这是因为台风里也有‘亚中尺度过程’，我研究的海洋亚中尺度过程，就相当于研究海洋里的‘螺旋雨带’或说‘强对流天气’。”
受限于观测手段，国际学界长期缺乏可分辨亚中尺度过程的系统连续的现场观测数据，亚中尺度过程的产生机制是什么？如何驱动物质垂向运输与能量跨尺度传递？如何在全球大尺度模式中有效表达？这些都是极具挑战的前沿科学难题。
张志伟说，从中尺度过渡到亚中尺度研究是自然而然的事情，虽然更难，但中尺度涡观测的成功，给了他信心。他也时刻谨记田纪伟教授、赵玮教授对他的勉励：“做研究，就要做最前沿、最重要的课题。”
在2017年至2019年间，张志伟依托团队的支持，在西北太平洋副热带逆流区设计和布放了可同时解析中尺度涡和亚中尺度过程的潜标阵列。“西北太平洋里多数地方的水深超过5000米，很容易因潜标偏降造成观测误差，我们最终找到了一块1000米深度的‘平顶山’进行观测，确保了观测数据质量。除了西北太平洋外，我们也要在南海进行观测，希望找到同时适用于大洋和边缘海的更普适的规律。”2018年至2022年，研究团队陆续在南海北部布设了亚中尺度潜标阵列。这套潜标阵陆续升级为4层嵌套阵列，共计20多套潜标，水平分辨率分别为2、4、8、30公里，是迄今为止国际规模最大、持续时间最长的亚中尺度过程现场观测实验。
这期间，还有一段重要插曲。2019年10月，张志伟受邀到加州大学洛杉矶分校（UCLA）学术访问，与美国科学院院士、UCLA大气与海洋科学系教授James C. McWilliams有了更多深入交流。McWilliams教授是“亚中尺度（submesoscale）”这个学术名词的创造者，是国际上亚中尺度过程研究最权威的专家。在UCLA两个月访学期间，张志伟全身心投入工作，并受McWilliams教授邀请做了两场学术报告。McWilliams教授评价：“你们团队的观测，是我认为最成功的两个亚中尺度观测实验之一。”这位学界前辈对他说：“志伟，你的物理直觉很好，但你不应该只是现有理论的使用者，你更应该是新理论的创建者。”
张志伟始终记得那个瞬间。“James的话对我冲击非常大。我在想，观测实验做得这么漂亮，如果我无法做出突破性的研究成果，就对不起团队所付出的巨大心血。”在与McWilliams教授交流中，张志伟学到一个词——“inertial thinking”（惯性思维），而他想要打破这种依赖现有理论的“惯性思维”。
2025年，张志伟（前排右二）作为首席科学家执行基金委科考航次任务
当然，海洋观测的每一步都绝非易事：前期观测方案的反复推演设计、现场实施中的即时响应与精准判断、漫长航次里日复一日的耐力坚守，都是海洋学家取得观测实验成功必须练就的基本功。更不必说为了捕捉关键数据连续多日熬夜值守，在观测到“奇异”现象后的连夜调转航向，甚至在摇晃的船舱一边开会一边晕船呕吐的记忆碎片——是海上观测的真实注脚。张志伟从不畏惧身体上的辛苦，他始终放在心上的，是没能做出真正站在国际前沿的一流成果。他决定：向前，向前。
理论之美，简洁、优雅，抵达之路仿佛只隔着“一层窗户纸”，但要捅破它、看清窗外的“新风景”，张志伟直言：“不知道用什么方法，也不知道那层纸究竟在哪。”
过去的研究将上层海洋划分为混合层和温跃层，而忽视了二者之间的过渡层。传统理论认为亚中尺度过程及其垂向输运主要局限在混合层，温跃层则如同“墙”一般，阻挡了亚中尺度过程的垂向延伸，并推测亚中尺度过程对海洋上下层物质交换的作用有限。然而，张志伟在大量观测中发现了“深穿透”现象——亚中尺度过程及其垂向运动能够穿透混合层底部，深入温跃层，产生极强的上下层物质交换，已有理论无法解释这一观测事实。张志伟说：“凡事不能非黑即白的思维方式，帮了我。”
张志伟和学生依据观测数据，通过分析亚中尺度过程的垂向结构，发现位于混合层和温跃层之间的过渡层是亚中尺度过程突破混合层底的关键。基于此，2021年，张志伟建立了一个包含三层的不稳定理论模型，提出了“混合过渡层不稳定”这一新的亚中尺度过程生成理论。在随后的多项研究中，该理论很好地解释了亚中尺度过程的深穿透垂向结构。
“Zhang23”方案
创新提出“混合过渡层不稳定”新生成理论之后，张志伟希望探索得更远：建立亚中尺度参数化方案。如果说理论是对物理机制的理解，那么参数化方案意味着使这个机制能在全球海洋和气候模式中真正“跑起来”。
而要想建立参数化方案，一个关键问题必须解决——能量从何而来。亚中尺度过程的产生需要能量驱动，而这些能量正来源于中尺度涡。因此，参数化方案不能只描述亚中尺度过程本身，还必须将中尺度涡背景流场变化纳入其中。
低谷是常态。2020年，张志伟基于观测数据初步建立了统计模型，模型包含两个关键参数：混合层深度、中尺度涡流应变率。单独来看，两个参数与亚中尺度垂向通量的相关系数都“一般”。然而，当他把这两个参数相乘后，相关系数跃升至0.9（1为完美相关）。他在一次会议交流中分享了这一发现。一位教授向他提问：“为什么是乘起来呢？物理上的原因是什么？”
他陷入沉思——自己还没有想清楚这个问题。“这意味着我的工作还不够深入。”他暗下决心，在下一次会议交流时，必须给出答案。
持续近一年的思考与分析，张志伟从能量学角度不断追问，终于理顺了其中的物理关系。他当初的“相乘”并非偶然——从物理机制上，还需要再平方。这一推导完整解释了“混合过渡层不稳定”发生的背景流能量释放过程。那是一个别有洞天的时刻，也是张志伟不断逼问“能量到底从哪里来”所结出的果实。最终，成功建立了新的亚中尺度垂向输运参数化方案的理论模型——“Zhang23”（于2023年发表于Geophysical Research Letters）。
参数化方案理论表达式写出来是其中的“一步”。那么，如何把它变成代码，“装进”海洋和气候模式？将参数化方案植入现有数值模式，本质上是在模式的核心控制方程中引入新的物理源项，相当于改动了模式的“动力骨架”，而非简单的代码修补。新方案加入后，必须保证不引入新的物质源和汇，以确保“物质总量守恒”，且要确保数值求解过程是稳定的。这里的“稳定”，是指模式每一步算出的结果是不发散的。如果结果发散，模式就会直接崩溃，无法继续运行。
在具体实现过程中，张志伟在经大量的文献阅读和思考后，最终构建一个e指数形式的结构函数，它既能理论上刻画“混合过渡层不稳定”所生成亚中尺度过程的垂向结构，又能保证物质守恒和计算稳定。
新的路，是由一次次崩溃铺就的。
在密密麻麻上万行代码运行过程中，一个符号写错，代码就会“崩溃”。一次次“崩溃”后，张志伟并不气馁，他不断与学生讨论解决办法。张志伟回忆：“那一刻是灰心丧气的，但要立刻把低落埋在心底，重新查找问题、修改代码，改完后又重新燃起希望。”一次，连续多天、在代码即将完成所有运算前，在大家都觉得“这次肯定没有问题”时，模式再次报错……“很多时候，也不知道能不能行，我特别感谢学生的坚持，大家不断摸索，一次又一次改完所有的问题，终于转通了！出来结果的瞬间，确实是非常兴奋！”
张志伟与合作者于2025年在Ocean Modelling发表了《北太平洋中尺度分辨模式中一种新的亚中尺度垂向通量参数化方案的实施与评估》，验证了参数化方案的有效性。
也在同一年，中国科学院大气物理研究所俞永强教授团队在Ocean Modelling上发表了《西北太平洋亚中尺度参数化方案的局地效应及其对大尺度环流的远端影响》的论文，将张志伟等开发的“Zhang23”参数化方案成功嵌入到我国首个自主研发的海洋模式LICOM。“Zhang23”亚中尺度垂向运输参数化方案的影响力不断扩大，目前已在国内外十余家单位的多个主流海洋模式推广应用。经检验，该方案能显著修正既有模式长期以来对冬季海洋混合层深度模拟过深的系统性偏差。
每当有同行联系张志伟，表示想要合作、运用这套参数化代码时，张志伟都欣然分享。“做出成果来，就是要为大家服务的。”他也陆续收到同行的积极反馈：“张老师，Zhang23方案非常好，对我们的模式很有改进。”那一刻，所有的坚持，都值得。
张志伟关于亚中尺度过程的研究成果作为物理海洋学的两大成果之一，入选“十四五”《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编》。其中，“混合过渡层不稳定”和“Zhang23”参数化方案被编入教育部“101计划”海洋科学领域核心教材《物理海洋学》。
“我们要自己提出原创性概念”
如今，在物理海洋学领域，张志伟的名字与“原创”、“突破”紧密相连。回首来路，他说自己是一个努力的人，也是幸运的人。父母的坚韧与风骨、导师的信任与托举、团队的支持与协作，以及爱人的理解与陪伴——这一切，共同支撑着他走向更远的深蓝。
1988年，张志伟出生于山东青岛平度的一个普通农村家庭，那片质朴的乡野，是他逐梦海洋的人生起点。母亲聪慧能干，扛起照顾家里的担子；父亲骨子里“说到做到”、“男儿当自强”的硬气，则让他从小懂得：人生的每一步，都必须全力以赴。他至今记得父亲常挂在嘴边的话——“要做一个努力和正直的人。年轻人，要有远大的志向。”
他的妻子，始终是他最坚定的支持者。张志伟感念妻子的相知相伴，感念为他出差前准备的每一顿早餐。在他的书柜里，还珍藏着同学时代妻子写给他的信，字里行间满是鼓励。妻子从未要求他取得多么傲人的成就，却常对他说：“专注做你喜欢的事情就好。身体是革命的本钱，要保重身体。”
在中国海洋大学这片学术沃土，一流的平台、师长的爱护与浓厚的科研氛围，赋予了他自由探索的底气。他常说：“国家现在高度重视科技人才，只要沉得下心做出真东西，就一定会有属于自己的天地。”田纪伟教授和赵玮教授也始终鼓励他，为他取得的每一项进步由衷高兴。“正是这些支持，让我能够静下心来，敢啃‘硬骨头’。”张志伟感慨道。
他庆幸自己做的每一项研究都源自真正的好奇。“如果不把自己有限的青春投入在前沿问题，那就是在浪费生命。”他常对学生说：“一定要有志向做最前沿的问题，也要有品位。这个‘品位’里包含了毅力和胆量，要敢去解决真问题。”
过去，从大尺度环流、中尺度涡、亚中尺度过程到微尺度湍流，海洋中几乎所有动力学运动尺度的概念，都由国外学者率先提出。张志伟说道：“我们不光是要建立一个理论去解释一个现有概念，而是要自己提出新概念。”
这是他正在做的事。近期，他正式提出“亚公里尺度”（sub-kilometer）的新概念，用来刻画和解释海洋里水平尺度在10米到100米之间的动力过程——这是比亚中尺度过程小、但比微尺度湍流大的海洋运动。鉴于张志伟的学术影响力，他已受Nature Reviews Earth & Environment主编邀请，联合国际上27位学者共同撰写关于亚中尺度过程的综述论文，并在其中正式提出了“亚公里尺度”概念。
谈及这一选择，张志伟笑称，自己现在比之前更加“激进”。他所说的“激进”，指向的是一种更深层的科研志向——谈到科技竞争中常说的“跟跑”、“并跑”、“领跑”，他说：“我们要努力去设立新赛道。”
当前，他正全力推进“亚公里尺度”观测实验，向着更密的潜标间距、更难的观测技术发起攻关。张志伟走过的路，是一条用韧劲丈量海洋、用原创回应时代的长路。而这条路，没有终点。
编辑：左伟
责任编辑：李华昌
