《平流層—對流層相互作用》課程建設思路與規劃

郭棟+施春華+劉仁強+陳丹+胡定珠+胡景高+饒建

摘要：平流層-對流層相互作用一直是國際大氣科學研究的前沿，而我國在該領域進展相對遲緩，且沒有在高校開設相關的本科課程。因此，開設“平流層-對流層相互作用”課程迫在眉睫。本文建議相關高校可以先開設“通識教育選修課”，接著開設“研究生選修課”，然后開設相關方向的“研究生必修課”和“本科生選修課”，最后根據需要再開設“雙語課”。此外還將課程內容和課時安排進行了規劃。

關鍵詞：平流層-對流層相互作用；課程建設；思路；規劃

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）31-0219-02

一、引言

平流層-對流層相互作用對于理解天氣氣候異常是非常重要的，其過程也極為復雜。平流層和對流層通過輻射、動力、化學、微物理等多種過程相互耦合、相互影響。很多平流層的觀測現象如南極臭氧洞、青藏高原臭氧低谷、平流層爆發性增溫和熱帶平流層準兩年振蕩等都受到對流層的影響，而平流層的動力、輻射和物質輸送等過程也可以在某種程度上影響對流層的天氣和氣候。該領域一直是國際大氣科學研究的前沿，而我國在該領域的進展相對遲緩，亟需培養該領域的專業人才，進一步加強對該領域的科研和教育投入。我國有許多高校都開辦了大氣科學專業，如北京大學、南京大學、浙江大學、蘭州大學等，南京信息工程大學和成都信息工程大學更是將大氣科學專業作為核心學科重點發展。但是，令人遺憾的是，暫時還沒有高校開設“平流層-對流層相互作用”的本科課程。因此，提出該課程設置的基本思路，規劃課程授課內容和課時安排，對“平流層-對流層相互作用”方向在國內的發展和繁榮，提高大氣科學類學生的專業素養，以及提升公眾對天氣氣候變化的關注度與了解度都具有非常重要的科學價值和現實意義。

二、課程建設的思路

我們建議可以先開設“通識教育選修課”，接著開設“研究生選修課”，然后開設相關方向的“研究生必修課”和“本科生選修課”，最后根據需要再開設“雙語課”。“通識教育選修課”可以設置在大三上學期或大四下學期，以便于學生有一些專業基礎課的知識儲備。因為平流層-對流層相互作用是交叉學科，且本身涉及很多有趣的自然現象，如冬季極夜時的平流層爆發性增溫等，因此可以先開設“通識教育選修課”，燃起學生的求知欲和興趣。接著可以開設“研究生選修課”，可以結合有趣的平流層觀測現象，講授一些基本專業原理，探討一些重要的科學問題。通過幾年的“研究生選修課”嘗試，根據教學的反饋情況，進一步對課程的內容設置和教材進行修改、調整和完善。在教學的各要素相對成熟的時候，可以開設相關方向的“研究生必修課”和“本科生選修課”，甚至是“雙語課”。

三、課程內容與學時安排

平對流層相互作用涉及到流體力學、大氣輻射學、大氣化學、氣候學等諸多學科門類，因此安排課程內容時，既要統籌兼顧，又要輕重有序。因此，根據目前平對流層相互作用學科的發展情況，參考相關著作和教材，擬編排課程內容分為8部分和32學時，具體如下。

1.引言（2課時）：介紹平對流層相互作用的基本概念、發展歷史和發展方向，提高學生的興趣（1課時）。介紹課程的主要內容、重點、難點和考試形式（1課時）。

2.對流層和平流層大氣的結構和成分（2課時）：簡要回顧對流層和平流層大氣的熱力和動力結構，著重介紹“對流層頂”的相關概念，如“熱帶對流層頂”、“動力對流層頂”、“臭氧對流層頂”、“對流層頂折疊”（1課時）。介紹對流層和平流層的大氣成分，特別是二氧化碳、水汽、臭氧和氣溶膠的分布和變化（1課時）。

3.對流層和平流層大氣的輻射過程（4課時）：簡要回顧大氣輻射的基本概念，如“光度測定”、“輻射測定”、“黑體輻射”、“反射”、“透射”、“亮溫”和“反照率”等，簡要回顧輻射傳輸的基本原理如“比爾定律”和“史瓦西定律”等（1課時）。介紹太陽輻射的變化以及在對流層和平流層中的傳輸，包括“太陽輻射的周期性”、“輻射加熱的垂直廓線”、“大氣窗”（1課時）、“溫室效應”（1課時）和“平流層冷卻”（1課時）。

4.對流層和平流層大氣的動力過程（6課時）：（1）大氣基本動力過程（2課時）。簡要回顧控制大氣運動的基本方程組和“地轉風”、“地轉偏差”、“梯度風”、“熱成風”、“渦度方程”等概念（1課時）。回顧對流層和平流層的平均經圈環流特征，通過以上知識解釋其形成的原因，并從平均能量循環的角度解釋其維持的原因（1課時）。（2）大氣波動過程（4課時）。簡要回顧大氣中波動的概念、分類和性質（0.5課時）。介紹大氣波動垂直傳播的特征及理論（0.5課時）。介紹Brewer-Dobson（BD）環流的概念，及行星波強迫的控制作用（1課時）。介紹“準兩年振蕩”現象，介紹行星波和重力波強迫對“準兩年振蕩”的可能作用及局限性（1課時）。介紹“平流層爆發性增溫”現象，以及行星波和重力波強迫在其中扮演的角色（1課時）。

5.對流層和平流層大氣的化學過程（8課時）：（1）大氣化學的基本概念與原理（4課時）。簡要介紹“一級反應”、“二級反應”、“三體反應”和“熱解離反應”的概念和化學反應動力學（0.5課時）。介紹臭氧的“Chapman循環”理論，及其局限性（1課時）。介紹臭氧光解的時空變化特征及成因（0.5課時）。介紹氫自由基、氮自由基、氯自由基對臭氧的催化損耗（1課時）。介紹“極地平流層云”的概念，及其“非均相化學反應”對臭氧的損耗作用（0.5課時）。簡要介紹對流層化學過程（0.5課時）。（2）平流層臭氧損耗與恢復（4課時）。介紹影響平流層臭氧變率的自然因素和人類因素（1課時）。介紹極地臭氧洞的概念，討論其形成理論，包括動力理論、氮氧化合物理論和非均相化學理論（2課時）。介紹青藏高原臭氧低谷的概念，討論其形成理論（1課時）。

6.對流層和平流層的傳輸和交換（5課時）：介紹BD環流對大氣成分輸送的影響（0.5課時）。介紹熱帶對流層頂附近的交換過程，包括“凍干過程”、“大氣錄音機”和“平流層溫泉”等概念（0.5課時）。介紹中緯度對流層頂附近與阻塞高壓、切斷低壓和對流層頂折疊相聯系的交換過程（2課時），特別是南亞高壓區的平對流層交換過程（2課時）。

7.平流層對對流層天氣氣候的影響（4課時）：介紹平流層大氣成分如臭氧和氣溶膠變化對對流層氣候的影響（1課時），“環狀模”的異常下傳對對流層氣候的可能影響（1課時），極地臭氧洞變化對對流層經圈環流變化的可能作用（1課時），以及南亞高壓區大氣成分變化對東亞夏季風的可能作用（1課時）。

8.平對流層相互作用研究進展（1課時）：介紹該領域的最新進展和發展方向。

四、結語

本文從專業人才需求和課程教學設置的矛盾上分析了在大氣科學專業開設“平流層-對流層相互作用”的本科課程的必要性。提出了先開設“通識教育選修課”，接著開設“研究生選修課”，然后開設相關方向的“研究生必修課”和“本科生選修課”，最后根據需要再開設“雙語課”的課程建設思路。最后，根據目前平對流層相互作用學科的發展情況，參考相關著作和教材，將課程內容規劃為8個部分和32學時。

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