大氣科學(xué)專業(yè)開設(shè)《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(guān)的教學(xué)和研究工作的日益活躍，要求大氣科學(xué)專業(yè)對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)更加多元化。其中陸面過程與氣候變化相關(guān)學(xué)科內(nèi)容近年來蓬勃發(fā)展且已具有一定的理論基礎(chǔ)，但是大氣科學(xué)本科專業(yè)尚沒有針對該學(xué)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(xué)本科專業(yè)開設(shè)《陸面過程與氣候》的可能。同時對課程的內(nèi)容設(shè)置、課程教學(xué)方式等方面進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：課程開設(shè)；陸面過程與氣候；可行性和必要性

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)大氣科學(xué)專業(yè)的課程設(shè)置為例，目前，專業(yè)課程設(shè)置以流體力學(xué)、現(xiàn)代氣候?qū)W、氣象程序設(shè)計(jì)等課程為專業(yè)基礎(chǔ)，以動力氣象、天氣學(xué)原理和方法、天氣學(xué)分析、氣象統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)值天氣預(yù)報和短期氣候預(yù)測等課程為專業(yè)主干，同時開設(shè)了大氣環(huán)流、中尺度天氣動力學(xué)、熱帶天氣動力學(xué)、青藏高原氣象學(xué)、專業(yè)英語等選修課程，以及天氣預(yù)報綜合實(shí)習(xí)、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用、天氣會商與討論等實(shí)踐性課程。專業(yè)課程以培養(yǎng)學(xué)生畢業(yè)后在大氣科學(xué)或氣象學(xué)領(lǐng)域從事研究和業(yè)務(wù)工作為目的，從理論到實(shí)踐逐步構(gòu)建本專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)體系。

由于氣候問題以及與之相關(guān)的各種環(huán)境問題日益凸顯，政府以及民眾對于相關(guān)議題日益關(guān)切。近年來，越來越多的行業(yè)尤其是與氣象和氣候相關(guān)密切的行業(yè)對大氣科學(xué)專業(yè)畢業(yè)生的需求持續(xù)走高，使得對大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)要求不斷提高：不僅要夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)課的教育，還要根據(jù)社會需求多元化知識結(jié)構(gòu)。

二、課程設(shè)置的必要性和可行性

就大氣科學(xué)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(xué)重點(diǎn)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(qiáng)烈的相互反饋?zhàn)饔茫芯看髿獾淖兓瑫r需要考慮海洋下邊界和陸地下邊界條件的情況?；谶@些認(rèn)識，大氣科學(xué)專業(yè)曾開設(shè)《海氣相互作用》課程，重點(diǎn)介紹海洋環(huán)流的基本知識以及?！?dú)庀嗷プ饔玫幕靖拍?、原理和研究方法?/p>

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—?dú)庀嗷プ饔茫?，是指發(fā)生在陸地表面的熱力、動力、水文和生物物理、生物化學(xué)等一系列復(fù)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(fā)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(guān)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(yùn)動理解的加深，關(guān)于陸面過程的研究也逐步發(fā)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(huán)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(zhì)有關(guān)，也與太陽輻射強(qiáng)度和大氣狀況有關(guān)，使得關(guān)于陸面過程的研究十分復(fù)雜。陸面過程涉及到氣候系統(tǒng)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(nèi)容從初期的物理過程研究延伸拓展到了關(guān)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(dú)立的分支。此外，土地利用等與人類活動有關(guān)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(guān)，增加了這一學(xué)術(shù)分支研究的復(fù)雜性。

陸面過程涉及的內(nèi)容非常廣泛，其學(xué)科內(nèi)容不僅要求有大氣動力學(xué)和大氣物理學(xué)的基礎(chǔ)，還需要多圈層領(lǐng)域知識的共同支撐。該學(xué)科的多樣性和交叉性特點(diǎn)使得對其的研究十分復(fù)雜，教學(xué)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(fā)展前景的學(xué)術(shù)分支，還存在很多亟待解決的問題，需要培養(yǎng)更多人才來了解學(xué)科內(nèi)容，解決未知問題。

陸面過程與大氣動力、物理過程相關(guān)密切，可以看作是大氣科學(xué)的一門較為年輕的學(xué)術(shù)分支，近年來發(fā)展迅猛，這就要求我們在教學(xué)過程中給學(xué)生增加這一方面的知識貯備。根據(jù)作者指導(dǎo)本科學(xué)生畢業(yè)論文以及與學(xué)生交流的經(jīng)驗(yàn)，本科生普遍對于陸面過程相關(guān)問題較為生疏，認(rèn)為在該方向上的學(xué)習(xí)和研究難度大。實(shí)際上，學(xué)生所認(rèn)為的難度大與其對陸面過程這一學(xué)科分支了解較少有關(guān)。

事實(shí)上，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)開設(shè)的《短期氣候預(yù)測基礎(chǔ)》[2]課程中，除了介紹短期氣候預(yù)測中用到的基本原理和方法，還劈出了單獨(dú)章節(jié)——“陸面過程與短期氣候預(yù)測”，簡要介紹了陸面過程的概念和基本內(nèi)容，以及其在短期氣候預(yù)測中的作用原理。但是其課堂內(nèi)容講授僅4學(xué)時，教學(xué)內(nèi)容十分有限。所以，關(guān)于陸面過程與氣候這一學(xué)科內(nèi)容在本科階段的教學(xué)中是較為粗淺的。

鑒于以上認(rèn)識和考慮，作者認(rèn)為大氣科學(xué)專業(yè)有必要引入《陸面過程與氣候》這一課程，既是目前專業(yè)課程內(nèi)容的有效補(bǔ)充，又順應(yīng)了當(dāng)前學(xué)術(shù)發(fā)展趨勢和社會需求。

三、課程設(shè)置思路

陸面過程這一學(xué)科分支涉及到土壤物理學(xué)、雪蓋凍土物理學(xué)、地表地下水文學(xué)、植物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、城市氣象學(xué)、農(nóng)作學(xué)等諸多學(xué)科門類，內(nèi)容十分繁雜，所以在引入《陸面過程與氣候》，安排課程內(nèi)容時，既要統(tǒng)籌兼顧，又要輕重有序。此外，除了需要考慮到上述學(xué)科的發(fā)展情況，還需要考慮到各學(xué)科分支與大氣科學(xué)之間的聯(lián)系。根據(jù)目前陸面過程的發(fā)展現(xiàn)狀，參考相關(guān)著作和教學(xué)材料[1]，擬編排課程內(nèi)容如下。

1.引言。概括介紹陸面過程的基本概念，學(xué)科發(fā)展歷史和發(fā)展方向以及課程將要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。

2.土壤中的水熱傳輸。以土壤物理學(xué)中的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)，介紹關(guān)于土壤的基本知識，重點(diǎn)講授土壤中的水文循環(huán)和熱量交換過程，進(jìn)一步介紹土壤中的生物化學(xué)過程。

3.地表水文循環(huán)。以水文學(xué)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹地表水循環(huán)過程以及產(chǎn)匯流機(jī)制等內(nèi)容。

4.植被冠層中的物質(zhì)和能量交換。以植物生理學(xué)為藍(lán)本，介紹植被冠層的生物物理和生物化學(xué)過程，尤其是與地球系統(tǒng)碳氮循環(huán)關(guān)系密切的植物光合作用、呼吸作用等知識。重點(diǎn)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(jī)制和原理。

5.地表植被的生態(tài)過程。以生態(tài)學(xué)中部分內(nèi)容為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹與陸地植被生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)過程有關(guān)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(tài)系統(tǒng)在全球碳氮循環(huán)中的作用。

6.城市下墊面。以城市氣象學(xué)中的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)，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(diǎn)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(nóng)業(yè)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(chǔ)上，以具有代表性的地氣耦合試驗(yàn)、陸氣耦合模型等為例，使學(xué)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(rèn)識。

課程內(nèi)容安排的主要目的就是使學(xué)生系統(tǒng)理解陸面過程或陸—?dú)庀嗷プ饔玫幕靖拍詈驮?，理解陸面在影響地氣間物質(zhì)、能量和動量傳輸中的主要過程，了解相關(guān)內(nèi)容和研究方法，為日后從事與陸面過程相關(guān)的業(yè)務(wù)和科研工作打下基礎(chǔ)。

根據(jù)現(xiàn)階段學(xué)科內(nèi)容和專業(yè)設(shè)置情況，建議對高年級學(xué)生進(jìn)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(xué)生自由選擇學(xué)習(xí)，另一方面也能使該課程從啟動到成熟有一個不斷調(diào)整完善的緩沖階段?！蛾懨孢^程與氣候》這一課程所涉及的內(nèi)容多樣繁雜，每一章節(jié)都需要考慮大氣物理和大氣動力與其他學(xué)科內(nèi)容之間的交叉聯(lián)系。如何在課堂上系統(tǒng)有效地進(jìn)行講授，這是對教師的知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)水平的考驗(yàn)。實(shí)際教學(xué)過程中，可以多引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考，充分發(fā)揮教師的導(dǎo)向性和學(xué)生的主觀能動性，可以課堂講授為主，組織學(xué)生討論為輔。這樣既傳授了相關(guān)知識，又鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。例如，在課程主要內(nèi)容講授完以后，可以分組安排學(xué)生，針對某一章節(jié)具體內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生閱讀代表性文獻(xiàn)，撰寫學(xué)習(xí)報告，課堂上對代表性的或最新的研究結(jié)果進(jìn)行討論，使學(xué)生獲得相關(guān)內(nèi)容的直接認(rèn)識。課程最后的考核成績可以結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)報告情況和期末考試成績綜合評定。

四、結(jié)語

當(dāng)前，氣候變化以及隨之而來的生態(tài)環(huán)境惡化等問題日趨嚴(yán)峻。與氣候變化相關(guān)密切的行業(yè)對大氣科學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生需求增高，同時要求學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)交叉多元。畢業(yè)生不僅要有大氣動力學(xué)和大氣物理學(xué)的學(xué)科背景，還要注意增加有關(guān)大氣動力、物理過程與其他學(xué)科交叉相關(guān)的知識儲備。作為地球氣候系統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域中的一個重要分支——陸面過程，其涉及到諸如水文、生態(tài)、人類活動等各個方面，同時與大氣科學(xué)之間密切交叉相關(guān)，可以說是大氣科學(xué)的一個重要學(xué)科門類。隨著近階段關(guān)于陸面過程研究的不斷推進(jìn)，學(xué)界在這一學(xué)科領(lǐng)域已達(dá)成了諸多共識與認(rèn)知。但是，目前大氣科學(xué)本科專業(yè)尚沒有專門的課程向?qū)W生講授這一方面的內(nèi)容，盡管已有部分課程涉及到陸—?dú)庀嗷プ饔玫南嚓P(guān)內(nèi)容，多沒有深入討論，使得學(xué)生對于這一學(xué)科分支的相關(guān)認(rèn)識較為缺乏，不足以適應(yīng)當(dāng)前科技和社會發(fā)展的需求。所以，在大氣科學(xué)本科專業(yè)開設(shè)《陸面過程與氣候》課程是十分必要且切實(shí)可行的。根據(jù)目前學(xué)科發(fā)展?fàn)顩r和已有相關(guān)著作，本文還對課程內(nèi)容做了初步擬定，對課程教學(xué)方式進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫菽芬.陸面過程的物理：生化機(jī)理和參數(shù)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(yù)測基礎(chǔ)[M].北京：氣象出版社，2010.