《平流层—对流层相互作用》课程建设思路与规划

郭栋+施春华+刘仁强+陈丹+胡定珠+胡景高+饶建

摘要：平流层-对流层相互作用一直是国际大气科学研究的前沿，而我国在该领域进展相对迟缓，且没有在高校开设相关的本科课程。因此，开设“平流层-对流层相互作用”课程迫在眉睫。本文建议相关高校可以先开设“通识教育选修课”，接着开设“研究生选修课”，然后开设相关方向的“研究生必修课”和“本科生选修课”，最后根据需要再开设“双语课”。此外还将课程内容和课时安排进行了规划。

关键词：平流层-对流层相互作用；课程建设；思路；规划

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）31-0219-02

一、引言

平流层-对流层相互作用对于理解天气气候异常是非常重要的，其过程也极为复杂。平流层和对流层通过辐射、动力、化学、微物理等多种过程相互耦合、相互影响。很多平流层的观测现象如南极臭氧洞、青藏高原臭氧低谷、平流层爆发性增温和热带平流层准两年振荡等都受到对流层的影响，而平流层的动力、辐射和物质输送等过程也可以在某种程度上影响对流层的天气和气候。该领域一直是国际大气科学研究的前沿，而我国在该领域的进展相对迟缓，亟需培养该领域的专业人才，进一步加强对该领域的科研和教育投入。我国有许多高校都开办了大气科学专业，如北京大学、南京大学、浙江大学、兰州大学等，南京信息工程大学和成都信息工程大學更是将大气科学专业作为核心学科重点发展。但是，令人遗憾的是，暂时还没有高校开设“平流层-对流层相互作用”的本科课程。因此，提出该课程设置的基本思路，规划课程授课内容和课时安排，对“平流层-对流层相互作用”方向在国内的发展和繁荣，提高大气科学类学生的专业素养，以及提升公众对天气气候变化的关注度与了解度都具有非常重要的科学价值和现实意义。

二、课程建设的思路

我们建议可以先开设“通识教育选修课”，接着开设“研究生选修课”，然后开设相关方向的“研究生必修课”和“本科生选修课”，最后根据需要再开设“双语课”。“通识教育选修课”可以设置在大三上学期或大四下学期，以便于学生有一些专业基础课的知识储备。因为平流层-对流层相互作用是交叉学科，且本身涉及很多有趣的自然现象，如冬季极夜时的平流层爆发性增温等，因此可以先开设“通识教育选修课”，燃起学生的求知欲和兴趣。接着可以开设“研究生选修课”，可以结合有趣的平流层观测现象，讲授一些基本专业原理，探讨一些重要的科学问题。通过几年的“研究生选修课”尝试，根据教学的反馈情况，进一步对课程的内容设置和教材进行修改、调整和完善。在教学的各要素相对成熟的时候，可以开设相关方向的“研究生必修课”和“本科生选修课”，甚至是“双语课”。

三、课程内容与学时安排

平对流层相互作用涉及到流体力学、大气辐射学、大气化学、气候学等诸多学科门类，因此安排课程内容时，既要统筹兼顾，又要轻重有序。因此，根据目前平对流层相互作用学科的发展情况，参考相关著作和教材，拟编排课程内容分为8部分和32学时，具体如下。

1.引言（2课时）：介绍平对流层相互作用的基本概念、发展历史和发展方向，提高学生的兴趣（1课时）。介绍课程的主要内容、重点、难点和考试形式（1课时）。

2.对流层和平流层大气的结构和成分（2课时）：简要回顾对流层和平流层大气的热力和动力结构，着重介绍“对流层顶”的相关概念，如“热带对流层顶”、“动力对流层顶”、“臭氧对流层顶”、“对流层顶折叠”（1课时）。介绍对流层和平流层的大气成分，特别是二氧化碳、水汽、臭氧和气溶胶的分布和变化（1课时）。

3.对流层和平流层大气的辐射过程（4课时）：简要回顾大气辐射的基本概念，如“光度测定”、“辐射测定”、“黑体辐射”、“反射”、“透射”、“亮温”和“反照率”等，简要回顾辐射传输的基本原理如“比尔定律”和“史瓦西定律”等（1课时）。介绍太阳辐射的变化以及在对流层和平流层中的传输，包括“太阳辐射的周期性”、“辐射加热的垂直廓线”、“大气窗”（1课时）、“温室效应”（1课时）和“平流层冷却”（1课时）。

4.对流层和平流层大气的动力过程（6课时）：（1）大气基本动力过程（2课时）。简要回顾控制大气运动的基本方程组和“地转风”、“地转偏差”、“梯度风”、“热成风”、“涡度方程”等概念（1课时）。回顾对流层和平流层的平均经圈环流特征，通过以上知识解释其形成的原因，并从平均能量循环的角度解释其维持的原因（1课时）。（2）大气波动过程（4课时）。简要回顾大气中波动的概念、分类和性质（0.5课时）。介绍大气波动垂直传播的特征及理论（0.5课时）。介绍Brewer-Dobson（BD）环流的概念，及行星波强迫的控制作用（1课时）。介绍“准两年振荡”现象，介绍行星波和重力波强迫对“准两年振荡”的可能作用及局限性（1课时）。介绍“平流层爆发性增温”现象，以及行星波和重力波强迫在其中扮演的角色（1课时）。

5.对流层和平流层大气的化学过程（8课时）：（1）大气化学的基本概念与原理（4课时）。简要介绍“一级反应”、“二级反应”、“三体反应”和“热解离反应”的概念和化学反应动力学（0.5课时）。介绍臭氧的“Chapman循环”理论，及其局限性（1课时）。介绍臭氧光解的时空变化特征及成因（0.5课时）。介绍氢自由基、氮自由基、氯自由基对臭氧的催化损耗（1课时）。介绍“极地平流层云”的概念，及其“非均相化学反应”对臭氧的损耗作用（0.5课时）。简要介绍对流层化学过程（0.5课时）。（2）平流层臭氧损耗与恢复（4课时）。介绍影响平流层臭氧变率的自然因素和人类因素（1课时）。介绍极地臭氧洞的概念，讨论其形成理论，包括动力理论、氮氧化合物理论和非均相化学理论（2课时）。介绍青藏高原臭氧低谷的概念，讨论其形成理论（1课时）。

6.对流层和平流层的传输和交换（5课时）：介绍BD环流对大气成分输送的影响（0.5课时）。介绍热带对流层顶附近的交换过程，包括“冻干过程”、“大气录音机”和“平流层温泉”等概念（0.5课时）。介绍中纬度对流层顶附近与阻塞高压、切断低压和对流层顶折叠相联系的交换过程（2课时），特别是南亚高压区的平对流层交换过程（2课时）。

7.平流层对对流层天气气候的影响（4课时）：介绍平流层大气成分如臭氧和气溶胶变化对对流层气候的影响（1课时），“环状模”的异常下传对对流层气候的可能影响（1课时），极地臭氧洞变化对对流层经圈环流变化的可能作用（1课时），以及南亚高压区大气成分变化对东亚夏季风的可能作用（1课时）。

8.平对流层相互作用研究进展（1课时）：介绍该领域的最新进展和发展方向。

四、结语

本文从专业人才需求和课程教学设置的矛盾上分析了在大气科学专业开设“平流层-对流层相互作用”的本科课程的必要性。提出了先开设“通识教育选修课”，接着开设“研究生选修课”，然后开设相关方向的“研究生必修课”和“本科生选修课”，最后根据需要再开设“双语课”的课程建设思路。最后，根据目前平对流层相互作用学科的发展情况，参考相关著作和教材，将课程内容规划为8个部分和32学时。

参考文献：

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