《平流層—對流層相互作用》課程建設(shè)思路與規(guī)劃

郭棟+施春華+劉仁強(qiáng)+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(xué)研究的前沿，而我國在該領(lǐng)域進(jìn)展相對遲緩，且沒有在高校開設(shè)相關(guān)的本科課程。因此，開設(shè)“平流層-對流層相互作用”課程迫在眉睫。本文建議相關(guān)高校可以先開設(shè)“通識教育選修課”，接著開設(shè)“研究生選修課”，然后開設(shè)相關(guān)方向的“研究生必修課”和“本科生選修課”，最后根據(jù)需要再開設(shè)“雙語課”。此外還將課程內(nèi)容和課時(shí)安排進(jìn)行了規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：平流層-對流層相互作用；課程建設(shè)；思路；規(guī)劃

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)雜。平流層和對流層通過輻射、動(dòng)力、化學(xué)、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(xiàn)象如南極臭氧洞、青藏高原臭氧低谷、平流層爆發(fā)性增溫和熱帶平流層準(zhǔn)兩年振蕩等都受到對流層的影響，而平流層的動(dòng)力、輻射和物質(zhì)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(lǐng)域一直是國際大氣科學(xué)研究的前沿，而我國在該領(lǐng)域的進(jìn)展相對遲緩，亟需培養(yǎng)該領(lǐng)域的專業(yè)人才，進(jìn)一步加強(qiáng)對該領(lǐng)域的科研和教育投入。我國有許多高校都開辦了大氣科學(xué)專業(yè)，如北京大學(xué)、南京大學(xué)、浙江大學(xué)、蘭州大學(xué)等，南京信息工程大學(xué)和成都信息工程大學(xué)更是將大氣科學(xué)專業(yè)作為核心學(xué)科重點(diǎn)發(fā)展。但是，令人遺憾的是，暫時(shí)還沒有高校開設(shè)“平流層-對流層相互作用”的本科課程。因此，提出該課程設(shè)置的基本思路，規(guī)劃課程授課內(nèi)容和課時(shí)安排，對“平流層-對流層相互作用”方向在國內(nèi)的發(fā)展和繁榮，提高大氣科學(xué)類學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，以及提升公眾對天氣氣候變化的關(guān)注度與了解度都具有非常重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

二、課程建設(shè)的思路

我們建議可以先開設(shè)“通識教育選修課”，接著開設(shè)“研究生選修課”，然后開設(shè)相關(guān)方向的“研究生必修課”和“本科生選修課”，最后根據(jù)需要再開設(shè)“雙語課”?！巴ㄗR教育選修課”可以設(shè)置在大三上學(xué)期或大四下學(xué)期，以便于學(xué)生有一些專業(yè)基礎(chǔ)課的知識儲備。因?yàn)槠搅鲗?對流層相互作用是交叉學(xué)科，且本身涉及很多有趣的自然現(xiàn)象，如冬季極夜時(shí)的平流層爆發(fā)性增溫等，因此可以先開設(shè)“通識教育選修課”，燃起學(xué)生的求知欲和興趣。接著可以開設(shè)“研究生選修課”，可以結(jié)合有趣的平流層觀測現(xiàn)象，講授一些基本專業(yè)原理，探討一些重要的科學(xué)問題。通過幾年的“研究生選修課”嘗試，根據(jù)教學(xué)的反饋情況，進(jìn)一步對課程的內(nèi)容設(shè)置和教材進(jìn)行修改、調(diào)整和完善。在教學(xué)的各要素相對成熟的時(shí)候，可以開設(shè)相關(guān)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(nèi)容與學(xué)時(shí)安排

平對流層相互作用涉及到流體力學(xué)、大氣輻射學(xué)、大氣化學(xué)、氣候?qū)W等諸多學(xué)科門類，因此安排課程內(nèi)容時(shí)，既要統(tǒng)籌兼顧，又要輕重有序。因此，根據(jù)目前平對流層相互作用學(xué)科的發(fā)展情況，參考相關(guān)著作和教材，擬編排課程內(nèi)容分為8部分和32學(xué)時(shí)，具體如下。

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

2.對流層和平流層大氣的結(jié)構(gòu)和成分（2課時(shí)）：簡要回顧對流層和平流層大氣的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，著重介紹“對流層頂”的相關(guān)概念，如“熱帶對流層頂”、“動(dòng)力對流層頂”、“臭氧對流層頂”、“對流層頂折疊”（1課時(shí)）。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(shí)）。

3.對流層和平流層大氣的輻射過程（4課時(shí)）：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?shù)幕驹砣纭氨葼柖伞焙汀笆吠呶鞫伞钡龋?課時(shí)）。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(shí)）、“溫室效應(yīng)”（1課時(shí)）和“平流層冷卻”（1課時(shí)）。

4.對流層和平流層大氣的動(dòng)力過程（6課時(shí)）：（1）大氣基本動(dòng)力過程（2課時(shí)）。簡要回顧控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組和“地轉(zhuǎn)風(fēng)”、“地轉(zhuǎn)偏差”、“梯度風(fēng)”、“熱成風(fēng)”、“渦度方程”等概念（1課時(shí)）。回顧對流層和平流層的平均經(jīng)圈環(huán)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(huán)的角度解釋其維持的原因（1課時(shí)）。（2）大氣波動(dòng)過程（4課時(shí)）。簡要回顧大氣中波動(dòng)的概念、分類和性質(zhì)（0.5課時(shí)）。介紹大氣波動(dòng)垂直傳播的特征及理論（0.5課時(shí)）。介紹Brewer-Dobson（BD）環(huán)流的概念，及行星波強(qiáng)迫的控制作用（1課時(shí)）。介紹“準(zhǔn)兩年振蕩”現(xiàn)象，介紹行星波和重力波強(qiáng)迫對“準(zhǔn)兩年振蕩”的可能作用及局限性（1課時(shí)）。介紹“平流層爆發(fā)性增溫”現(xiàn)象，以及行星波和重力波強(qiáng)迫在其中扮演的角色（1課時(shí)）。

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

6.對流層和平流層的傳輸和交換（5課時(shí)）：介紹BD環(huán)流對大氣成分輸送的影響（0.5課時(shí)）。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(jī)”和“平流層溫泉”等概念（0.5課時(shí)）。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(lián)系的交換過程（2課時(shí)），特別是南亞高壓區(qū)的平對流層交換過程（2課時(shí)）。

7.平流層對對流層天氣氣候的影響（4課時(shí)）：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(shí)），“環(huán)狀?！钡漠惓Ｏ聜鲗α鲗託夂虻目赡苡绊懀?課時(shí)），極地臭氧洞變化對對流層經(jīng)圈環(huán)流變化的可能作用（1課時(shí)），以及南亞高壓區(qū)大氣成分變化對東亞夏季風(fēng)的可能作用（1課時(shí)）。

8.平對流層相互作用研究進(jìn)展（1課時(shí)）：介紹該領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展方向。

四、結(jié)語

本文從專業(yè)人才需求和課程教學(xué)設(shè)置的矛盾上分析了在大氣科學(xué)專業(yè)開設(shè)“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(shè)“通識教育選修課”，接著開設(shè)“研究生選修課”，然后開設(shè)相關(guān)方向的“研究生必修課”和“本科生選修課”，最后根據(jù)需要再開設(shè)“雙語課”的課程建設(shè)思路。最后，根據(jù)目前平對流層相互作用學(xué)科的發(fā)展情況，參考相關(guān)著作和教材，將課程內(nèi)容規(guī)劃為8個(gè)部分和32學(xué)時(shí)。

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