大气科学专业开设《陆面过程与气候》课程的必要性和可行性分析

俞淼 邓伟涛 孙善磊 华文剑 李碧兰 陈海山

摘要：随着与气候变化问题相关的教学和研究工作的日益活跃，要求大气科学专业对学生知识结构的培养更加多元化。其中陆面过程与气候变化相关学科内容近年来蓬勃发展且已具有一定的理论基础，但是大气科学本科专业尚没有针对该学科分支的专门课程。本文从必要性和可行性等方面，探讨了在大气科学本科专业开设《陆面过程与气候》的可能。同时对课程的内容设置、课程教学方式等方面进行了讨论。

关键词：课程开设；陆面过程与气候；可行性和必要性

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）39-0235-02

一、引言

以南京信息工程大学大气科学专业的课程设置为例，目前，专业课程设置以流体力学、现代气候学、气象程序设计等课程为专业基础，以动力气象、天气学原理和方法、天气学分析、气象统计方法、数值天气预报和短期气候预测等课程为专业主干，同时开设了大气环流、中尺度天气动力学、热带天气动力学、青藏高原气象学、专业英语等选修课程，以及天气预报综合实习、数值预报产品释用、天气会商与讨论等实践性课程。专业课程以培养学生毕业后在大气科学或气象学领域从事研究和业务工作为目的，从理论到实践逐步构建本专业学生的知识结构体系。

由于气候问题以及与之相关的各种环境问题日益凸显，政府以及民众对于相关议题日益关切。近年来，越来越多的行业尤其是与气象和气候相关密切的行业对大气科学专业毕业生的需求持续走高，使得对大气科学专业学生的培养要求不断提高：不仅要夯实专业基础课的教育，还要根据社会需求多元化知识结构。

二、课程设置的必要性和可行性

就大气科学研究的主体——大气来说，它以海洋和陆地作为下边界，向上延伸直至外太空。大气科学重点研究对流层和平流层中的大气活动。大气与作为下边界的海洋和陆地之间存在强烈的相互反馈作用，研究大气的变化同时需要考虑海洋下边界和陆地下边界条件的情况。基于这些认识，大气科学专业曾开设《海气相互作用》课程，重点介绍海洋环流的基本知识以及海—气相互作用的基本概念、原理和研究方法。

目前还没有专门的课程介绍陆面以及陆面与大气之间的相互作用过程。陆面过程（也称为陆—气相互作用），是指发生在陆地表面的热力、动力、水文和生物物理、生物化学等一系列复杂过程，以及这些过程与大气的相互作用[1]。其时空尺度跨度大，可以发生在微秒到万古的时间尺度以及从分子到全球的空间尺度上。陆面过程研究最初主要关注地气相互作用的物理过程，近三四十年以来，随著对大气运动理解的加深，关于陆面过程的研究也逐步发展并深入。大量的研究成果表明，陆地上的物理、生化过程是影响大气环流和气候变化十分重要的过程之一。这种物理、生化过程不仅与陆地表面的性质有关，也与太阳辐射强度和大气状况有关，使得关于陆面过程的研究十分复杂。陆面过程涉及到气候系统五大圈层（大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈）中的几乎所有圈层，由于多圈层的客观存在和全球变化研究的不断深化，陆面过程的研究内容从初期的物理过程研究延伸拓展到了关于生物圈生化过程的研究，并形成了五大圈层研究中一个独立的分支。此外，土地利用等与人类活动有关的过程，使得陆面过程的研究与气候变化中的人类活动密切相关，增加了这一学术分支研究的复杂性。

陆面过程涉及的内容非常广泛，其学科内容不仅要求有大气动力学和大气物理学的基础，还需要多圈层领域知识的共同支撑。该学科的多样性和交叉性特点使得对其的研究十分复杂，教学存在一定的困难。然而从另一个角度来说，陆面过程是一门具有广阔发展前景的学术分支，还存在很多亟待解决的问题，需要培养更多人才来了解学科内容，解决未知问题。

陆面过程与大气动力、物理过程相关密切，可以看作是大气科学的一门较为年轻的学术分支，近年来发展迅猛，这就要求我们在教学过程中给学生增加这一方面的知识贮备。根据作者指导本科学生毕业论文以及与学生交流的经验，本科生普遍对于陆面过程相关问题较为生疏，认为在该方向上的学习和研究难度大。实际上，学生所认为的难度大与其对陆面过程这一学科分支了解较少有关。

事实上，南京信息工程大学大气科学专业开设的《短期气候预测基础》[2]课程中，除了介绍短期气候预测中用到的基本原理和方法，还劈出了单独章节——“陆面过程与短期气候预测”，简要介绍了陆面过程的概念和基本内容，以及其在短期气候预测中的作用原理。但是其课堂内容讲授仅4学时，教学内容十分有限。所以，关于陆面过程与气候这一学科内容在本科阶段的教学中是较为粗浅的。

鉴于以上认识和考虑，作者认为大气科学专业有必要引入《陆面过程与气候》这一课程，既是目前专业课程内容的有效补充，又顺应了当前学术发展趋势和社会需求。

三、课程设置思路

陆面过程这一学科分支涉及到土壤物理学、雪盖冻土物理学、地表地下水文学、植物生理学、生态学、城市气象学、农作学等诸多学科门类，内容十分繁杂，所以在引入《陆面过程与气候》，安排课程内容时，既要统筹兼顾，又要轻重有序。此外，除了需要考虑到上述学科的发展情况，还需要考虑到各学科分支与大气科学之间的联系。根据目前陆面过程的发展现状，参考相关著作和教学材料[1]，拟编排课程内容如下。

1.引言。概括介绍陆面过程的基本概念，学科发展历史和发展方向以及课程将要学习的主要内容。

2.土壤中的水热传输。以土壤物理学中的主要内容为基础，介绍关于土壤的基本知识，重点讲授土壤中的水文循环和热量交换过程，进一步介绍土壤中的生物化学过程。

3.地表水文循环。以水文学为基础，重点介绍地表水循环过程以及产汇流机制等内容。

4.植被冠层中的物质和能量交换。以植物生理学为蓝本，介绍植被冠层的生物物理和生物化学过程，尤其是与地球系统碳氮循环关系密切的植物光合作用、呼吸作用等知识。重点讲授植被冠层影响地表辐射传输、能量输送以及水汽交换的作用机制和原理。

5.地表植被的生态过程。以生态学中部分内容为基础，重点介绍与陆地植被生态系统动态过程有关的诸如植被群落间的竞争、演替过程等，同时介绍陆地植被生态系统在全球碳氮循环中的作用。

6.城市下垫面。以城市气象学中的主要内容为基础，介绍城市冠层在影响太阳辐射、能量传输以及水汽交换方面的作用。

7.土地利用和土地覆盖变化。重点介绍由人类活动引起的土地利用和土地覆盖变化，包括砍伐、绿化、农业活动、水利工程等。

8.地气相互反馈。在介绍地气相互反馈概念的基础上，以具有代表性的地气耦合试验、陆气耦合模型等为例，使学生在地气相互作用以及陆面过程对气候影响方面获得直观认识。

课程内容安排的主要目的就是使学生系统理解陆面过程或陆—气相互作用的基本概念和原理，理解陆面在影响地气间物质、能量和动量传输中的主要过程，了解相关内容和研究方法，为日后从事与陆面过程相关的业务和科研工作打下基础。

根据现阶段学科内容和专业设置情况，建议对高年级学生进行讲授，首先采用选修课的形式，一方面便于对此方向感兴趣的学生自由选择学习，另一方面也能使该课程从启动到成熟有一个不断调整完善的缓冲阶段。《陆面过程与气候》这一课程所涉及的内容多样繁杂，每一章节都需要考虑大气物理和大气动力与其他学科内容之间的交叉联系。如何在课堂上系统有效地进行讲授，这是对教师的知识结構和教学水平的考验。实际教学过程中，可以多引导学生自主学习和思考，充分发挥教师的导向性和学生的主观能动性，可以课堂讲授为主，组织学生讨论为辅。这样既传授了相关知识，又锻炼了学生自主学习的能力。例如，在课程主要内容讲授完以后，可以分组安排学生，针对某一章节具体内容，指导学生阅读代表性文献，撰写学习报告，课堂上对代表性的或最新的研究结果进行讨论，使学生获得相关内容的直接认识。课程最后的考核成绩可以结合学生的学习报告情况和期末考试成绩综合评定。

四、结语

当前，气候变化以及随之而来的生态环境恶化等问题日趋严峻。与气候变化相关密切的行业对大气科学专业的毕业生需求增高，同时要求学生的知识结构交叉多元。毕业生不仅要有大气动力学和大气物理学的学科背景，还要注意增加有关大气动力、物理过程与其他学科交叉相关的知识储备。作为地球气候系统学科领域中的一个重要分支——陆面过程，其涉及到诸如水文、生态、人类活动等各个方面，同时与大气科学之间密切交叉相关，可以说是大气科学的一个重要学科门类。随着近阶段关于陆面过程研究的不断推进，学界在这一学科领域已达成了诸多共识与认知。但是，目前大气科学本科专业尚没有专门的课程向学生讲授这一方面的内容，尽管已有部分课程涉及到陆—气相互作用的相关内容，多没有深入讨论，使得学生对于这一学科分支的相关认识较为缺乏，不足以适应当前科技和社会发展的需求。所以，在大气科学本科专业开设《陆面过程与气候》课程是十分必要且切实可行的。根据目前学科发展状况和已有相关著作，本文还对课程内容做了初步拟定，对课程教学方式进行了探讨。

参考文献：

[1]孙菽芬.陆面过程的物理：生化机理和参数化模型[M].北京：气象出版社，2005.

[2]孙照渤，陈海山，谭桂容，等.短期气候预测基础[M].北京：气象出版社，2010.