1、第19卷第4期2004 年8月1001-8166 04-0525-08 文章編號：（2004）地球科學進展A DVAN CE S I N E AR TH S C I E N C EV o l .19 N o.4 A 2004 ug. ，大氣科學：一個充滿活力的前沿科學（中國科學院大氣物理研究所，北京100029）*王會軍，徐永福，周天軍，陳洪濱，高守亭，王普才，陸日宇，張美根摘要：著眼于未來發(fā)展的若干戰(zhàn)略問題，闡述了對當前大氣科學發(fā)展的狀況與趨勢的意見，提出了我國未來發(fā)展大氣科學的思路和重點任務建議，還分析了我國大氣科學研究中存在的若干問題并提出一些政策建議。關鍵詞：大氣科學；發(fā)展狀況與趨勢；

2、建議P 4文獻標識碼： A 中國分類號：1現(xiàn)狀和趨勢近年來，隨著地球系統(tǒng)科學和圈層相互作用概念的提出、學科交叉的不斷深入，以及現(xiàn)代大氣探測技術的突飛猛進，大氣科學研究進入了一個嶄新的歷史發(fā)展時期1 3感技術，并向自動化方向發(fā)展，常規(guī)地面觀測已實現(xiàn)高度自動化和網(wǎng)絡化。高空觀測正逐步應用各種更為先進的遙感探測系統(tǒng)。自動商業(yè)飛機氣象觀測已G PS- M E T 實現(xiàn)業(yè)務化；（全球定位系統(tǒng)氣象學）技G PS （全球定位系統(tǒng)）測風技術逐步實現(xiàn)業(yè)務化；術、。大氣科學的主要任務是認識大多普勒雷達技術、激光遙感技術等都得到迅速發(fā)展，并廣泛應用于高空探測54，氣運動和大氣中各種物理、化學、生物過程的基本規(guī)律及其

3、與周圍環(huán)境相互作用，發(fā)展新的探測和試驗手段，為天氣、氣候和環(huán)境的監(jiān)測、預報和控制提供理論和方法，從而服務于國民經(jīng)濟和社會發(fā)展。大氣圈是地球系統(tǒng)中一個活躍的層圈，在地球系統(tǒng)各圈層相互作用中，大氣圈占有重要地位，它與地球其他圈層的相互作用決定著地球系統(tǒng)的整體行為。因此，當代大氣科學的發(fā)展已從水圈、巖石圈、冰雪圈、生物圈和人類活動對全球氣候的相互影響、相互作用、相互反饋的角度來全方位地研究大氣運動變化的本質，研究天氣、氣候系統(tǒng)演變規(guī)律和預測預報；研究影響局部天氣的調控技術和措施；研究人類活動對天氣、氣候、環(huán)境系統(tǒng)的影響以及氣候、環(huán)境的變化對人體健康的影響和預防等。從而賦予大氣科學以更廣闊的內涵和外延

4、。探測大氣中的各種過程是大氣科學發(fā)展的基礎和重要途徑。當前，大氣探測正在向綜合觀測系統(tǒng)方向發(fā)展。地面觀測不斷采用先進、成熟的遙測遙。大氣各種數(shù)值模式的出現(xiàn)和發(fā)展是理論發(fā)展到相當高階段的標志，而模式的發(fā)展反過來又可以大大推動大氣科學的發(fā)展和進步。當前，氣候系統(tǒng)數(shù)值模式的分辨率越來越高，物理過程越來越完善、復雜，并將逐步考慮物理氣候系統(tǒng)內部各分量之間的耦合以及物理氣候系統(tǒng)和地球生物地球化學過程和人類活動的耦合；由于遙感資料的增加，資料的四維同化和分析理論、技術獲得突破性進展，資料同化越來越和模式協(xié)調，同化技術逐步在業(yè)務應用上得到實現(xiàn)；高水平數(shù)值預報的時效已超過一周，集合預報技術愈發(fā)重要。歐洲中期數(shù)

5、值天氣預報中心中期數(shù)T 639 的分辨率，值預報的目標是未來15年發(fā)展到k m 以內的分辨率，全球模式達到20 中尺度模式達10 k m 的分辨率。到1隨著地球系統(tǒng)科學和地球系統(tǒng)模式概念的提出，大氣科學正走向全方位的交叉與開放，各分支領域在繼續(xù)深化研究的同時，更加重視交叉、綜合和集*2004-04-06 ；2004-04-14收稿日期：修回日期：E -m a i l w a n g h j m a i l . i a p. a c. c n 作者簡介：王會軍（1964-），男，研究員，主要從事氣候動力學研究. ：*本文根據(jù)作者王會軍2004 年3月22日在國家自然科學基金委員會地球科學部地球系

6、統(tǒng)科學戰(zhàn)略調研組研討會上的報告整理而成成研究，強調觀測、分析、理論、模擬和預測等各種研究方法的有機聯(lián)系和結合；重視全球氣候和環(huán)境變化及其影響、預測和控制問題；重視人類自身生存環(huán)境的優(yōu)化和對自然災害在一定范圍內的人為調控。高性能計算機向大規(guī)模并行方向發(fā)展，性能價格比不斷提高，氣候變化的模擬和災害性天氣的高分辨率數(shù)值預報所需的每秒萬億次的計算能力已在21世紀初成為現(xiàn)實；高速度、智能化、綜合化的通信網(wǎng)絡技術、分布式數(shù)據(jù)庫技術和海量存儲技術的發(fā)展，使氣象通信、計算機網(wǎng)絡以及大氣科學信息處理融國科學院科技計劃的支持使得大氣科學界的體制改革、科研水平、人才隊伍、國際合作等方面都取得了大幅度的進步。未來20

7、年應該遵循重點突破的原則，實現(xiàn)跨越式發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展，特別是要集中研究季風氣候變動及其年際、年代際和百年尺度的預測，季風區(qū)氣候和環(huán)境集成研究、東亞暴雨、大氣化學和大氣環(huán)境等重大課題，以滿足國家防洪抗旱、水資源保護和可持續(xù)利用，環(huán)境建設和保護、可持續(xù)發(fā)展等重大迫切需求。為一體，形成綜合信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，從而使高度分散的氣象臺站網(wǎng)，在采集、存取、分發(fā)與應用等方面真正做到信息資源共享。完全可以說，建立大氣冰雪陸地海洋生物過程相耦合的完整的天氣、氣候和環(huán)境動力學模式系統(tǒng)，注重系統(tǒng)中各組成成分相互作用的研究，尤其是其中物理、化學和生物過程的相互作用以及人類活動的影響，已成為國際大氣科學發(fā)展的必然趨勢6。目前

8、，大氣科學已經(jīng)成為地球科學最為活躍的分支學科之一。據(jù)統(tǒng)計，1991 2001 年間地學領域論文被引用量最多的前25位科學家中，從事大氣科學的占10位，大氣化學的占6位，氣候學的占2位，另外大氣物理學/地球物理學1位，生物氣象學1位。美國和歐洲、日本都把大氣科學的發(fā)展作為未來的發(fā)展重點來考慮，并制定了中長期發(fā)展規(guī)劃，如美國的國家大氣研究中心（N C A R ）、國家環(huán)境預報中心（N CE P ）、國家航空與航天局（N A SA ）、歐洲中期數(shù)值預報中心（E C M W F ）、德國的馬普氣象研究所（M PI ）、日本的全球變化研究所（F R S G C ）等。如美國在2003 年制定了“美國氣候

9、變化科學計劃”，其科學委員會直接掛在總統(tǒng)辦公室，該計劃制定了5個科學目標：改進對地球氣候與環(huán)境歷史和變化及其成因的認識、改進對氣候及其相關系統(tǒng)變化的強迫因子的定量認識、減小預測氣候未來變化的不確定性、認識生態(tài)系統(tǒng)和人類系統(tǒng)對氣候變化的敏感性和適應性、認識氣候變化帶來的風險和機遇的閾值。我國大氣科學在國際上以東亞季風動力學及其預測、青藏高原氣象學、江淮梅雨、短期氣候預測、季風區(qū)全球變化等研究而著稱6 9。多年來我國大氣科學界取得了眾多的高水平科研成果，特別近20多年來進步更加快速，國家攀登計劃、國家基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目（“973 ”）計劃、國家自然科學基金和中目前，全國大氣科學的研究力量主要集中

10、在中國科學院和部分研究型大學，以及部門和軍隊的科研機構中。2未來需求及發(fā)展思路20世紀70年代以來，世界正面臨日益嚴重的糧食、能源和水資源危機以及大氣污染和生態(tài)平衡破壞所引起的環(huán)境惡化問題。與此同時，氣候異常頻繁發(fā)生，我國的氣候和天氣災害非常嚴重，經(jīng)濟損失數(shù)目巨大9。這些問題的解決，很大程度上依賴于大氣科學的研究。社會和經(jīng)濟的發(fā)展對大氣科學的研究提出了更高和更迫切的要求，不僅需要大氣科學研究能提供準確的天氣預報和氣象服務，而且要求能夠預測出氣候異常的出現(xiàn)，能夠對大氣環(huán)境的保護和治理以及經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的制定提供科學依據(jù)。大氣科學對社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有越來越重要的意義。因此，世界各國，尤其是發(fā)達國

11、家無不把對大氣科學的支持和發(fā)展放在戰(zhàn)略性的重要地位。我國未來20年發(fā)展所面臨的重大環(huán)境和災害問題中，幾乎所有的問題都與大氣科學有關，特別是氣候長期變化（十年際氣候變化和全球變暖問題）、氣候和天氣災害及其預報、環(huán)境和生態(tài)變化及其整治、水資源問題、氣象預報和環(huán)境預報、國防和重大工程建設等。大氣科學和其他基礎科學及技術科學的關系非常密切。大氣科學發(fā)展的歷史表明，自然科學尤其是基礎科學的重大理論突破和新技術的出現(xiàn)對大氣科學的發(fā)展有很大的影響。從50年代起，計算機技術和遙感技術的引入，使大氣科學有了突飛猛進的發(fā)展，已成為一門分支學科眾多的綜合性科學。因此，大氣科學的發(fā)展思路應該是堅持走觀測分析和理論研究

12、模式和模擬預測和調控4個環(huán)節(jié)和方法的密切結合的道路，觀測是基礎，分析和理論研究是基礎創(chuàng)新的關鍵，模式和模擬研究是大氣科學研究和預測應用的主要工具，預測和調控是大氣科學發(fā)展的最終目的；特別加強大氣科學與海洋科學、生物學、化學、數(shù)理科學等的交叉；大力抓好公共的觀測和信息及模式等方面的平臺設計和建設，為大氣科學的發(fā)展提供強有力的支持和發(fā)展空間；積極推進大氣科學成果的應用，為解決國家發(fā)展所面臨的氣候、天氣、環(huán)境、生態(tài)、減災等重大課題服務。其預測。（3）云、氣溶膠與氣候變化。由于目前氣候模式對云和氣溶膠如何影響氣候過程模擬水平極低，其中存在極大的不確定性。氣溶膠、云與氣候變化之間可能有某種正的或負的反饋

13、關系，從而造成氣溶膠、云和氣候變化之間可能是一種非線性相互作用關系。應通過觀測資料分析、數(shù)值模擬等方法加強這方面的研究；這方面的研究也將為全球變化研3我國大氣科學發(fā)展重點與主要任務的思考結合國際大氣科學和相關學科發(fā)展的前沿和趨勢，并充分考慮到我國未來經(jīng)濟和社會發(fā)展在氣候災害、強天氣過程、氣候與環(huán)境變化、大氣污染、軍事與航空氣象、水分循環(huán)與水資源等方面的重大需求，筆者就我國大氣科學戰(zhàn)略重點和主要任務發(fā)表幾點意見和建議。31氣候的多尺度變異與預測新理論（1）不同尺度氣候變化的相互作用過程和機制。氣候變化具有不同的時間尺度，其中包括低頻振蕩、年際變化、年代際及其以上的變化10，11。目前對低頻振蕩和

14、年際變化的物理機制有了一些了解，但由于資料時間長度較短，對年代際及其以上變化的物理機制了解甚少。此外，目前已經(jīng)知道氣候變化中不同時間尺度之間的相互作用十分顯著，如年際變化規(guī)律在不同年代可能有不同的表現(xiàn)，低頻振蕩在很大程度上決定年際變化等。但是，我們對這些不同時間尺度之間相互作用的具體物理機理只有一些初步的認識，嚴重地制約著對氣候變化規(guī)律的認識水平。（2）半球間相互作用和海陸氣耦合與氣候可預測性。南北兩個半球之間的相互作用、極地冰雪過程以及極地冰雪海洋大氣相互作用對東亞氣候影響甚大，因此要預測東亞氣候的變化就必需開展這些方面的研究工作，特別是以下幾方面12：北半球中高緯地區(qū)冰雪海洋大氣相互作用對

15、東亞氣候的影響。南北半球主要環(huán)流系統(tǒng)的季節(jié)變化及其與中國夏季降水年際異常的關系。南極海冰的變化及其與南半球主要環(huán)流系統(tǒng)特別是南半球副高、越赤道氣流的關系，及其對西太平洋副高活動和東亞夏季風活動的影響。結合觀測分析和數(shù)值模擬試驗，進一步研究南半球環(huán)流影響東亞夏季風異常的過程和機理。圈層間相互作用與年代際氣候和環(huán)境變化及究提供理論和手段等基礎。32短期天氣變化的預測理論和關鍵技術（1）中小尺度動力學、數(shù)值模式和同化理論與技術。中小尺度動力學研究的重點之一在于如何把大氣中的水汽及與水汽有關的相變效應考慮到動力學方程組中去，建立濕空氣、液態(tài)水、冰晶三相混合的濕空氣動力學理論。過去受大尺度動力學的影響，

16、長期研究干空氣動力學，但中小尺度系統(tǒng)絕大部分是同濕過程相聯(lián)系，特別是暴雨及冰雹過程更為突出。如果在動力學上不能很好地描述濕過程，中小尺度動力學的研究就很難深入下去。另一方面，在中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生與演變過程中，輻散、輻合明顯，散度效應同渦度效應同等重要，如何在動力方面體現(xiàn)散度效應也是中小尺度動力學未來研究的方向。在數(shù)值模擬方面，目前已有很多工作，但大部分工作是使用國外的數(shù)值模式，如M M 5 、A R PS 及R A M S 模式等完成的。我們應該重點研究發(fā)展能夠較好地刻畫我國云系特征及邊界層的特征來發(fā)展具有自己知識產(chǎn)權的物理參數(shù)化過程，如積云參數(shù)化、邊界層參數(shù)化是未來中尺度數(shù)值模式建設中的重要

17、研究方面。我們需要大力發(fā)展同化理論和技術，利用最大量的實測和模式信息來改進對各種尺度短期天氣變化的預測水平。（2）暴雨等災害性天氣的模擬和預測研究。我國是世界上自然災害，尤其是氣象災害頻繁發(fā)生的國家之一，自然災害對人民生命財產(chǎn)構成了重大的威脅，而且經(jīng)濟越發(fā)展，災害損失越大。1998年長江流域和松花江流域特大洪澇災害就造成了巨大的損失。暴雨等中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的機理是當今大氣科學研究的一個薄弱環(huán)節(jié)，國際科學界近年來一直把它作為一個重要的研究方向。我國應在以下幾個方面加強研究。季風和青藏高原環(huán)境對我國暴雨系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的影響。這些系統(tǒng)有：梅雨鋒、靜止鋒、低空急流、西南低渦、切變線等。暴雨等中尺度系統(tǒng)

18、發(fā)生發(fā)展的機理。涉及中尺度對流系統(tǒng)的動力熱力結構，云物理過程對暴雨的影響，邊界層、下墊面、地形等對暴雨的影響。暴雨等強對流的探測理論。新一代暴雨數(shù)值模式的研制。33大氣化學動力過程和大氣環(huán)境動力學、預測與度有了一定的認識，然而對于氣溶膠這樣的微量成分存在著很大的不確定性。氣候變化不再被認為僅是C O 2增加驅動的。其它溫室氣體和不同類型氣溶膠的共同作用可能更為重要。更好地了解短壽命輻射活性物質（如O 3）的時空分布以及某些微量成分（如C O 和有機物）對大氣輻射的間接效應。在研究氣溶膠對云及其光學特性和降水影響時，一個中心問題是氣溶膠的化學成分（無機和有機的）在確定氣溶膠的間接輻射強迫中的作用

19、是什么？化學輸送模式。過去幾年的研究已表明：氣調控）大氣化學過程的觀測和數(shù)值模擬研究。始（1于20世紀50年代的大氣化學，經(jīng)過約半個世紀的發(fā)展，已成為大氣科學的一門新興分支學科，它涉及的研究領域越來越廣泛，同時其研究成果也為其它學科的發(fā)展奠定了堅實的基礎。在過去10多年中，以溫室氣體為主要對象的研究已取得了不少成果，對于因人為排放造成的對“背景”大氣的影響已有一定的認識，現(xiàn)在清楚地認識到人為活動已擾動了局地、區(qū)域和全球的大氣化學成分。目前，國際大氣化學研究面臨著新的課題。準確地確定大氣中短壽命和長壽命的化學物種的全球分布并記錄它們隨時間變化的濃度，理解對于控制大氣中化學物種分布及其對全球變化和

20、空氣質量影響的過程，提高預測未來幾十年的大氣化學成分的能力，這些構成了未來10 20 年大氣化學研究的基本目標。大氣微量成分的觀測分析。探測未知的大氣微量成分是大氣化學的研究課題，準確確定已知的大氣微量成分的時空分布也是大氣化學的研究領域。要達到此目的，需不斷改進或發(fā)展新的分析方法，包括探測儀器。這里也應包括一些背景站（區(qū)域，全球）的完善，以闡明大氣化學成分的長期變化以及某些物理化學過程。大氣微量成分的源。盡管我國已經(jīng)開展了這方面的研究工作，但由于缺少統(tǒng)籌的計劃，至今未有國產(chǎn)的數(shù)據(jù)庫，目前在用的一些微量成分（或污染物）的排放源來自于國外。我國應該建立從城市尺度到區(qū)域尺度的微量成分排放源清單，并

21、能做到隨時更新。大氣中均相和非均相化學過程。該研究目的是為了更好地認識大氣對流層中的一些重要的基本化學過程，闡明大氣中某些物種產(chǎn)生和消耗的主要控制因子。該研究工作需要通過外場觀測和實驗室工作的配合；煙霧箱實驗是實驗室工作的一個較好的例子。大氣化學成分與氣候變化。在過去的10多年中，已經(jīng)對某些輻射活性物質的分布及其輻射強溶膠和臭氧這樣的短壽命物質也能在洲際間輸送。由于輸送過程中伴隨著化學轉化，所以這種輸送引起區(qū)域尺度的大氣成分的變化，導致區(qū)域氣候變化和大氣環(huán)境質量的改變。一個典型的例子是沙塵暴。大氣化學輸送模式是一個研究工具，模式尚需不斷發(fā)展以用于解決不同的科學問題。（2）大氣質量的多尺度變化過

22、程、數(shù)值模擬及預測、調控。近20年來，隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，化石燃料的大量使用和人們對能源的需求日益增加，使得排向大氣的工業(yè)廢棄物如C O 2、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和顆粒物等急劇增加。與此同時，交通運輸業(yè)的發(fā)展，汽車大量增加，也使得汽車尾氣的排放物如氮氧化物、碳氫化合物和顆粒物等急劇增加。二氧化硫、氮氧化物、碳氫化合物和顆粒物等廢棄物排放量的大量增加，不僅使得大氣污染、酸雨等一系列環(huán)境問題極為突出，而且影響云雨的形成和地氣系統(tǒng)的能量平衡，對區(qū)域乃至全球氣候發(fā)生重要影響。按照目前我國的能源結構和經(jīng)濟發(fā)展趨勢，在今后一段時間內大氣污染排放將會持續(xù)增加。因此，開展大氣污

23、染形成機理、大氣污染物的輸送與演變過程及其影響與控制研究不僅是當前，而且也是今后一段時間內的研究熱點13，14。大氣污染形成機理及其影響與控制研究涉及大氣動力學、大氣邊界層物理、大氣化學和自然控制論等諸多學科領域，是一項多學科交叉的應用基礎研究。在未來10年內，主要任務應該包括3個方面：研究全球大氣污染物的時空分布、我國大氣污染排放對全球大氣質量的影響以及其他地區(qū)排放的污染物在我國大氣污染形成中的作用，建立我國自主產(chǎn)權的全球大氣化學模式。目前我國在大氣化學物種的全球分布及其時空變化方面的研究還相當少），關于全球大氣化學模式的研制也只是處于起始階段。此外，大氣污染物跨國輸送是（如果不是空白I G

24、A C ）未來10 20 年國際全球大氣化學研究計劃（ 隨著業(yè)務和科研工作的發(fā)展，對高時空分辨率、高精度、全要素的觀測的需求日益增長。為此，我們要堅持不斷地探索大氣探測和環(huán)境監(jiān)測的新方法和新技術，并加以及時的推廣應用。大氣遙感是大氣探測中一個重要方面。隨著地E O S ）時代的到來和遙感技術的發(fā)展，球觀測系統(tǒng)（的重要研究內容之一。研究區(qū)域（或城市群）尺度大氣污染物的輸送與演變規(guī)律和沙塵（或揚塵）氣溶膠的產(chǎn)生機理，評估外來污染物在某一地區(qū)或城市大氣污染形成中的作用以及大氣污染（如酸沉降、高濃度臭氧等）對農(nóng)作物的危害。城市之間或地區(qū)之間污染物的相互傳輸對于某些城市或地區(qū)的空氣質量具有非常重要的影響

25、，因此，正確評估這一影響對于這些地區(qū)的空氣污染預報與控制是十分重要的。衛(wèi)星大氣遙感將在全球大氣觀測系統(tǒng)中扮演越來越15 20 年后有可能起主導作用，重要的角色，那時地面常規(guī)氣象觀測和探空觀測將僅起到輔助定標的作用164，。主要任務：研究城市地區(qū)光化學煙霧的形成與演化機理以及控制對策，評估大氣污染對人體健康的影響，研制高分辨率（可分辨街區(qū)或建筑群影響）的城市空氣質量預報模式系統(tǒng)，和建立大氣污染優(yōu)化控制綜合模式系統(tǒng)。隨著我國汽車擁有量的增長，光化學污染已日漸突出，但目前仍缺乏有關光化學煙霧形成機理與控制對策的系統(tǒng)研究。34中高層大氣與氣候和環(huán)境（1）中層大氣動力/化學/輻射過程探測與模式研究。在氣

26、候變化和全球環(huán)境變化的同時，位于10100 k m 高度的中層大氣中出現(xiàn)了更為顯著的變化，如中高緯度臭氧的損耗，南極臭氧洞的出現(xiàn)，平流層大氣濕度的增加，以及中層大氣溫度的大幅度下降等。作為大氣圈層的一部分，中層大氣雖然僅占總質量的15左右，但它不僅作為氣候變化的指示器，而且其中的動力/化學/輻射過程的變化必將影響整個大氣圈層的結構，進而影響全球大氣環(huán)流型式和氣候。中層大氣還是日地關系中連接上下層的中間環(huán)節(jié)，因此是研究日地整體行為中不可缺少的部分4，5，15。中層大氣的深入研究，將為數(shù)值天氣預報模式、氣候系統(tǒng)模式以及空間環(huán)境預報模式的改進擴展，提供相應的知識基礎和模式。主要任務：先從上對流層和下

27、平流層做起，逐漸向上平流層和中間層研究過渡，在46年后實現(xiàn)與空間物理和空間天氣的上下溝通。借助衛(wèi)星觀測資料和數(shù)值模式，研究中層大氣中的物理、化學和輻射過程。引進國外中層大氣模式，加以研析和發(fā)展，在條件成熟時（58年）引入或耦合到數(shù)值天氣、空間天氣以及氣候系統(tǒng)模式中去。（2）大氣遙感與環(huán)境監(jiān)測的新方法、新技術及其應用研究。大氣探測與環(huán)境監(jiān)測仍是從事氣象和相關業(yè)務以及大氣科學研究的一項基本工作內容。根據(jù)現(xiàn)有技術條件和基礎，近35年改進和完善一批探測儀器設備，如數(shù)字臭氧探空系統(tǒng)，平流層氣球探空系統(tǒng)，地基主被動微波云雨探測系統(tǒng)等。在48年內研制發(fā)展一批新技術，如多普勒D opp l e r ）激光測風

28、雷達和全天空多波段成像系統(tǒng)等。815 年內力求在空間實驗室或中國科學院系列小衛(wèi)星上搭載以中國科學院大氣物理研究所為主研制的遙感器，如紫外臨邊光譜（或多波段）成像儀和星地微波衰減雙波長發(fā)射機等。35地球系統(tǒng)數(shù)值模式的研究與發(fā)展（1）發(fā)展完善海陸氣冰耦合的氣候系統(tǒng)模式（即物理氣候系統(tǒng)模式）。其技術發(fā)展動向是采用耦合器框架（c o up l e r ）、具備模塊化結構、實現(xiàn)直接耦合（即不采用通量調整）。耦合器的開發(fā)，現(xiàn)階段必須滿足大氣、海洋、陸面和海冰4個子系統(tǒng)模式相互耦合的需要，長遠必須滿足地球系統(tǒng)模式中各子系統(tǒng)模式相互耦合的需要；技術上需具備高度的靈活性，便于耦合分量的增加、替換，必須最大限度地

29、方便模式用戶、促進模式的推廣使用；科學上必須滿足整個耦合系統(tǒng)的物質和能量的守恒。模塊化結構的實現(xiàn)，主要強調模式開發(fā)中的標準化問題，從系統(tǒng)工程的角度，在標準的總體框架設計下，按照統(tǒng)一的標準進行模式編程，各子模式分量、子模式中可分割的部分各自形成相對獨立的模塊單元，可以方便地進行修改、替換。直接耦合目標的實現(xiàn)，在科學上依賴于對大氣模式等內部物理過程的改進，目前一般認為直接耦合過程中出現(xiàn)的“氣候平衡態(tài)”的漂移問題，主要是由于大氣模式對與輻射收支相關的云物理過程處理不盡合理造成的。在物理氣候系統(tǒng)模式的發(fā)展中，大氣模式、海洋模式、陸面模式、海冰模式的開發(fā)和改進依然是一項長期的任務。模式的并行化是隨著模式

30、分辨率的提（530 地球科學進展第 19 卷 3 圍 ）雜志發(fā)表的我國學者的論文中有約 2 / 的論文 高、 適應高性能計算機發(fā)展態(tài)勢的必然選擇。 （2 開發(fā)生物地球化學 biogeochem ical ） （ ）系統(tǒng) 模式。這方面的任務尤為迫切， 目前國際上一些知 名的研究機構已有成型的模式產(chǎn)品問世， 而國內在 某些領域尚沒有起步。目前 NCAR 把在通用氣候 模式 CCSM）中加入生物地球化學過程模式 （ （重點 考慮碳、 氮和鐵循環(huán) ）從而形成 “通用地球系統(tǒng)模 式 （Com m unity Earth System Model CESM ）列為當 ” ， 前工作的最高優(yōu)先級。這方面的工

31、作包括： 發(fā)展對流層大氣化學 /動力學模式和氣溶膠模 式； 發(fā)展對流層化學模式。作為發(fā)展真正意義上的 地球系統(tǒng)模式的第一步， 盡早實現(xiàn)上述子模式系統(tǒng) 與物理氣候系統(tǒng)模式和其它分量的耦合， 乃是當務 之急。 海洋生物地球化學模式的研制 （包括海洋生態(tài) 系統(tǒng)、 碳循環(huán)等海洋生物地球化學循環(huán)過程 ）。生 態(tài)系統(tǒng)模式包括對鐵的吸收、 浮游生物的生長、 固氮 過程、 鈣化過程、 循環(huán)再生過程等進行參數(shù)化。 陸地生態(tài)系統(tǒng)模式的研制 （包括陸地生態(tài)系 統(tǒng)、 碳循環(huán)等 。陸地生態(tài)系統(tǒng)模式的研制是和現(xiàn) ） 在意義上的陸面模式的發(fā)展結合在一起的。 （3 在發(fā)展物理氣候系統(tǒng)模式、 ） 生物地球化學 系統(tǒng)模式的基礎上

32、， 實現(xiàn)兩套模式系統(tǒng)的耦合， 并引 入人文過程的影響， 從而形成完整的地球系統(tǒng)模式。 物理氣候系統(tǒng)模式、 生物地球化學系統(tǒng)模式的發(fā)展， 將主要是在 W CRP 和 IGBP 的主持下進行。人文影 響模式將主 要在全球環(huán)境 變化的人 類因素 計劃 （IHDP ）下進行。 未來的 10 年將是地球系統(tǒng)模式快速發(fā)展的黃 金時段， 經(jīng)過 10 余年的努力， 將形成比較完美的 （State-of the-art 的地球系統(tǒng)模式。 ） 是有關氣候研究的論文， 我國大氣科學領域的 12 位 中國科學院 院士 中氣 候領 域 的院 士有 8 位（占 2 /3 ， ） 中國科學院大氣物理研究所是我國大氣科學 博

33、士的主要培養(yǎng)單位， 其在學博士生有 1 /2 以上是 氣候方向的， 導師的比例也大致如此。 另外， 我國的大氣科學人才培養(yǎng)中也存在知識 結構和梯次結構不盡合理的問題。在知識結構方 面， 新的知識和交叉學科的知識傳輸不夠， 如化學、 生物學、 地球物理學等方面的知識傳輸明顯不夠， 不 能很好地適應大氣科學與其他學科交叉的需要。在 人才的梯次結構方面， 大學本科的人才比例有下降 趨勢， 碩士的比例下降明顯， 而博士的比例增長過 快， 這些結構性問題都是非常值得關注和研究的。 4 2投入強度問題 我國大氣科學的投入相對不足也是一個客觀存 在。以美國科學基金為例， 其大氣科學的投入占地 球科學的 1

34、/3， 而我國由于大氣科學的隊伍規(guī)模等 10 在國家 973 “ ”項目 方面的原因只占約 1 / 。此外， 等方面存在類似的投入比例過低的問題。 4 3國際化問題 大氣科學是一個需要全球科學家密切合作研究 的學科， 因此需要最緊密和廣泛的國際合作。我國 的大氣科學研究目前的國際化水平不夠， 人才、 雜 志、 科研、 儀器等方面的國際化水平都有待大大提 高。可喜的是近年來相繼有一些重要的國際化舉措 出臺， 如建立國際高層次氣候論壇 CTW F Forum）、 （ 倡導季風亞洲集成研究國際計劃、 建立國際性的竺 可楨南森研究中心、 東亞區(qū)域氣候研究中心、 國際 氣候與環(huán)境科學中心等， 雜志也開始

35、走向國際， 更多 的科學家開始擔任國際學術組織的成員。應該說， 發(fā)展的勢頭是喜人的。 4 4基礎與應用研究的關系問題 4 我國大氣科學發(fā)展中存在的問題及 政策建議 我國大氣科學的發(fā)展在過去半個多世紀特別是 近 20 多年來取得了許多主要成就， 但也存在著一些 問題制約著大氣科學的發(fā)展。 4 1結構問題 大氣科學是一個有很強應用目標的公益性基礎 學科， 大氣科學的發(fā)展可以服務于環(huán)境與氣象預報、 農(nóng)業(yè)規(guī)劃、 防災減災、 水利、 航空航天、 軍事、 林業(yè)、 生 態(tài)建設等諸多的方面。客觀上需要其基礎研究與應 用基礎研究及實際應用緊密結合， 但目前機制不明、 條塊分割、 資源競爭等都不利于這種結合， 而

36、這種結 合才是符合大氣科學發(fā)展需要和滿足國家需求的。 鑒于這些情況， 筆者建議國家有關部門采取相 應措施， 切實搞好大氣科學研究與應用的頂層設計 和機制制定。適當增加投入， 并充分重視高水平科 學研究機構的建設和穩(wěn)定投入， 以推動我國大氣科 目前我國大氣科學學科的發(fā)展是不均衡的， 存 在結構性問題， 或者說是嚴重失調的。氣候學科過 重， 而天氣學、 大氣物理學、 大氣化學、 大氣探測與遙 感等學科分支過輕。這可以從我國現(xiàn)在國家自然科 學基金的面上基金資助的項目分布上看得一清二 2 楚， 氣候學科占了 1 / 左右。我國唯一的 SCI （外 第 4 期王會軍等： 大氣科學： 一個充滿活力的前沿科

37、學 531 學更快地達到國際先進水平。 （1 建議國家成立 ） “氣候與環(huán)境變化研究國家 實驗室 。我國在該領域已經(jīng)有 2 個國家重點實驗 ” 室， 即大氣科學與地球流體力學數(shù)值模擬國家重點 試驗 LASG）和邊界層物理與化學國家重點實驗室 （ （LAPC） 以及中國科學院、 ， 教育部和氣象局的部門 實驗室若干個。建議以此為基礎， 加強氣候與環(huán)境 科學研究， 組建高水平的國家實驗室， 長期穩(wěn)定地支 持其圍繞氣候系統(tǒng)動力學、 氣候預測科學、 氣候系統(tǒng) 模式研制、 氣候變化的影響、 氣候與生態(tài)環(huán)境相互作 用、 大氣化學等相關重大科學問題展開深入研究。 在此基礎上， 積極參與國際科技合作， 為我國

38、制定氣 候與環(huán)境問題的相關戰(zhàn)略提供強有力的科學支撐； 有力推動我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和全面建設小康社會 戰(zhàn)略的實施。 （2 適當增加對大氣科學的資金投入， ） 開展結 構性部署和調整。大學的大氣科學研究單元要進一 步加強協(xié)調和統(tǒng)籌規(guī)劃， 成立中國大學大氣科學研 究會 （類似于美國的 UCAR） 。以便協(xié)調人才培養(yǎng)、 學科布局、 教育教學、 協(xié)作研究等方面的工作。 （3 在國家自然科學基金委員會建立地球科學 ） 超級計算中心， 以支持大氣科學及整個地球科學領 域的超級計算。這樣可以減少重復投資， 提高投資 效率， 也可以更好地協(xié)調大氣科學和地球科學領域 的數(shù)值模擬和數(shù)值模式發(fā)展方面的工作。 （4 大

39、力加強大氣遙感和大氣探測理論研究與 ） 應用， 加重對衛(wèi)星資料應用方面的研究和數(shù)據(jù)同化 理論和技術的研究。 （5 大力研究解決大氣科學學科發(fā)展、 ） 人才培 養(yǎng)、 資源分配等方面的結構性問題。 （6 大力推進國際化， ） 加快我國地球科學人才、 研究和雜志等方面的國際化步伐， 建立聯(lián)合研究單 元， 共同開展科研項目， 聯(lián)合培養(yǎng)研究生和博士后， 短期培訓中青年科技人員， 以便迅速提高我國大氣 科學研究的水平。 致謝： 在本文的完成中得到了黃鼎成、 林海、 陳 泮勤、 范蔚茗先生的熱情支持和有益的討論， 作者在 此一并致謝！ 參考文獻 References ： （ ） 1 W CRP. Sc ie

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