大氣科學專業開設《陸面過程與氣候》課程的必要性和可行性分析

俞淼 鄧偉濤 孫善磊 華文劍 李碧蘭 陳海山

摘要：隨著與氣候變化問題相關的教學和研究工作的日益活躍，要求大氣科學專業對學生知識結構的培養更加多元化。其中陸面過程與氣候變化相關學科內容近年來蓬勃發展且已具有一定的理論基礎，但是大氣科學本科專業尚沒有針對該學科分支的專門課程。本文從必要性和可行性等方面，探討了在大氣科學本科專業開設《陸面過程與氣候》的可能。同時對課程的內容設置、課程教學方式等方面進行了討論。

關鍵詞：課程開設；陸面過程與氣候；可行性和必要性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）39-0235-02

一、引言

以南京信息工程大學大氣科學專業的課程設置為例，目前，專業課程設置以流體力學、現代氣候學、氣象程序設計等課程為專業基礎，以動力氣象、天氣學原理和方法、天氣學分析、氣象統計方法、數值天氣預報和短期氣候預測等課程為專業主干，同時開設了大氣環流、中尺度天氣動力學、熱帶天氣動力學、青藏高原氣象學、專業英語等選修課程，以及天氣預報綜合實習、數值預報產品釋用、天氣會商與討論等實踐性課程。專業課程以培養學生畢業后在大氣科學或氣象學領域從事研究和業務工作為目的，從理論到實踐逐步構建本專業學生的知識結構體系。

由于氣候問題以及與之相關的各種環境問題日益凸顯，政府以及民眾對于相關議題日益關切。近年來，越來越多的行業尤其是與氣象和氣候相關密切的行業對大氣科學專業畢業生的需求持續走高，使得對大氣科學專業學生的培養要求不斷提高：不僅要夯實專業基礎課的教育，還要根據社會需求多元化知識結構。

二、課程設置的必要性和可行性

就大氣科學研究的主體——大氣來說，它以海洋和陸地作為下邊界，向上延伸直至外太空。大氣科學重點研究對流層和平流層中的大氣活動。大氣與作為下邊界的海洋和陸地之間存在強烈的相互反饋作用，研究大氣的變化同時需要考慮海洋下邊界和陸地下邊界條件的情況。基于這些認識，大氣科學專業曾開設《海氣相互作用》課程，重點介紹海洋環流的基本知識以及海—氣相互作用的基本概念、原理和研究方法。

目前還沒有專門的課程介紹陸面以及陸面與大氣之間的相互作用過程。陸面過程（也稱為陸—氣相互作用），是指發生在陸地表面的熱力、動力、水文和生物物理、生物化學等一系列復雜過程，以及這些過程與大氣的相互作用[1]。其時空尺度跨度大，可以發生在微秒到萬古的時間尺度以及從分子到全球的空間尺度上。陸面過程研究最初主要關注地氣相互作用的物理過程，近三四十年以來，隨著對大氣運動理解的加深，關于陸面過程的研究也逐步發展并深入。大量的研究成果表明，陸地上的物理、生化過程是影響大氣環流和氣候變化十分重要的過程之一。這種物理、生化過程不僅與陸地表面的性質有關，也與太陽輻射強度和大氣狀況有關，使得關于陸面過程的研究十分復雜。陸面過程涉及到氣候系統五大圈層（大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈）中的幾乎所有圈層，由于多圈層的客觀存在和全球變化研究的不斷深化，陸面過程的研究內容從初期的物理過程研究延伸拓展到了關于生物圈生化過程的研究，并形成了五大圈層研究中一個獨立的分支。此外，土地利用等與人類活動有關的過程，使得陸面過程的研究與氣候變化中的人類活動密切相關，增加了這一學術分支研究的復雜性。

陸面過程涉及的內容非常廣泛，其學科內容不僅要求有大氣動力學和大氣物理學的基礎，還需要多圈層領域知識的共同支撐。該學科的多樣性和交叉性特點使得對其的研究十分復雜，教學存在一定的困難。然而從另一個角度來說，陸面過程是一門具有廣闊發展前景的學術分支，還存在很多亟待解決的問題，需要培養更多人才來了解學科內容，解決未知問題。

陸面過程與大氣動力、物理過程相關密切，可以看作是大氣科學的一門較為年輕的學術分支，近年來發展迅猛，這就要求我們在教學過程中給學生增加這一方面的知識貯備。根據作者指導本科學生畢業論文以及與學生交流的經驗，本科生普遍對于陸面過程相關問題較為生疏，認為在該方向上的學習和研究難度大。實際上，學生所認為的難度大與其對陸面過程這一學科分支了解較少有關。

事實上，南京信息工程大學大氣科學專業開設的《短期氣候預測基礎》[2]課程中，除了介紹短期氣候預測中用到的基本原理和方法，還劈出了單獨章節——“陸面過程與短期氣候預測”，簡要介紹了陸面過程的概念和基本內容，以及其在短期氣候預測中的作用原理。但是其課堂內容講授僅4學時，教學內容十分有限。所以，關于陸面過程與氣候這一學科內容在本科階段的教學中是較為粗淺的。

鑒于以上認識和考慮，作者認為大氣科學專業有必要引入《陸面過程與氣候》這一課程，既是目前專業課程內容的有效補充，又順應了當前學術發展趨勢和社會需求。

三、課程設置思路

陸面過程這一學科分支涉及到土壤物理學、雪蓋凍土物理學、地表地下水文學、植物生理學、生態學、城市氣象學、農作學等諸多學科門類，內容十分繁雜，所以在引入《陸面過程與氣候》，安排課程內容時，既要統籌兼顧，又要輕重有序。此外，除了需要考慮到上述學科的發展情況，還需要考慮到各學科分支與大氣科學之間的聯系。根據目前陸面過程的發展現狀，參考相關著作和教學材料[1]，擬編排課程內容如下。

1.引言。概括介紹陸面過程的基本概念，學科發展歷史和發展方向以及課程將要學習的主要內容。

2.土壤中的水熱傳輸。以土壤物理學中的主要內容為基礎，介紹關于土壤的基本知識，重點講授土壤中的水文循環和熱量交換過程，進一步介紹土壤中的生物化學過程。

3.地表水文循環。以水文學為基礎，重點介紹地表水循環過程以及產匯流機制等內容。

4.植被冠層中的物質和能量交換。以植物生理學為藍本，介紹植被冠層的生物物理和生物化學過程，尤其是與地球系統碳氮循環關系密切的植物光合作用、呼吸作用等知識。重點講授植被冠層影響地表輻射傳輸、能量輸送以及水汽交換的作用機制和原理。

5.地表植被的生態過程。以生態學中部分內容為基礎，重點介紹與陸地植被生態系統動態過程有關的諸如植被群落間的競爭、演替過程等，同時介紹陸地植被生態系統在全球碳氮循環中的作用。

6.城市下墊面。以城市氣象學中的主要內容為基礎，介紹城市冠層在影響太陽輻射、能量傳輸以及水汽交換方面的作用。

7.土地利用和土地覆蓋變化。重點介紹由人類活動引起的土地利用和土地覆蓋變化，包括砍伐、綠化、農業活動、水利工程等。

8.地氣相互反饋。在介紹地氣相互反饋概念的基礎上，以具有代表性的地氣耦合試驗、陸氣耦合模型等為例，使學生在地氣相互作用以及陸面過程對氣候影響方面獲得直觀認識。

課程內容安排的主要目的就是使學生系統理解陸面過程或陸—氣相互作用的基本概念和原理，理解陸面在影響地氣間物質、能量和動量傳輸中的主要過程，了解相關內容和研究方法，為日后從事與陸面過程相關的業務和科研工作打下基礎。

根據現階段學科內容和專業設置情況，建議對高年級學生進行講授，首先采用選修課的形式，一方面便于對此方向感興趣的學生自由選擇學習，另一方面也能使該課程從啟動到成熟有一個不斷調整完善的緩沖階段。《陸面過程與氣候》這一課程所涉及的內容多樣繁雜，每一章節都需要考慮大氣物理和大氣動力與其他學科內容之間的交叉聯系。如何在課堂上系統有效地進行講授，這是對教師的知識結構和教學水平的考驗。實際教學過程中，可以多引導學生自主學習和思考，充分發揮教師的導向性和學生的主觀能動性，可以課堂講授為主，組織學生討論為輔。這樣既傳授了相關知識，又鍛煉了學生自主學習的能力。例如，在課程主要內容講授完以后，可以分組安排學生，針對某一章節具體內容，指導學生閱讀代表性文獻，撰寫學習報告，課堂上對代表性的或最新的研究結果進行討論，使學生獲得相關內容的直接認識。課程最后的考核成績可以結合學生的學習報告情況和期末考試成績綜合評定。

四、結語

當前，氣候變化以及隨之而來的生態環境惡化等問題日趨嚴峻。與氣候變化相關密切的行業對大氣科學專業的畢業生需求增高，同時要求學生的知識結構交叉多元。畢業生不僅要有大氣動力學和大氣物理學的學科背景，還要注意增加有關大氣動力、物理過程與其他學科交叉相關的知識儲備。作為地球氣候系統學科領域中的一個重要分支——陸面過程，其涉及到諸如水文、生態、人類活動等各個方面，同時與大氣科學之間密切交叉相關，可以說是大氣科學的一個重要學科門類。隨著近階段關于陸面過程研究的不斷推進，學界在這一學科領域已達成了諸多共識與認知。但是，目前大氣科學本科專業尚沒有專門的課程向學生講授這一方面的內容，盡管已有部分課程涉及到陸—氣相互作用的相關內容，多沒有深入討論，使得學生對于這一學科分支的相關認識較為缺乏，不足以適應當前科技和社會發展的需求。所以，在大氣科學本科專業開設《陸面過程與氣候》課程是十分必要且切實可行的。根據目前學科發展狀況和已有相關著作，本文還對課程內容做了初步擬定，對課程教學方式進行了探討。

參考文獻：

[1]孫菽芬.陸面過程的物理：生化機理和參數化模型[M].北京：氣象出版社，2005.

[2]孫照渤，陳海山，譚桂容，等.短期氣候預測基礎[M].北京：氣象出版社，2010.