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在以上现状分析的基础上,对我院大气科学发展战略进行了分析:
即采取国际化发展战略、人才发展战略、技术带动战略和开放联合战略;
提出了我院大气科学的发展目标:
即创建国际一流的大气科学研究基地,全面赶超国际上大气科学研究领先的研究机构,继续引领国内大气科学发展。
最后提出了实现上述目标的八大对策建议:
制定我院大气科学发展的中长期规划;
深入研究我院大气科学发展的规模和布局问题;
人才发展战略要落到实处;
加强国际合作并在国际合作中抢占主动;
重视大气科学实验研究基地的建设;
重视大气科学新技术的发展和应用;
加强与中国气象局、大学等系统的合作;
加强与其他学科间的交叉融合。
关键词:
大气科学;
研究计划;
中国科学院;
发展战略;
文献计量;
特尔斐法
1引言
大气科学的主要任务是认识大气运动和大气中各种物理、化学、生物过程的基本规律及其与周围环境相互作用的机理,发展新的探测和试验手段,为天气、气候和环境的监测、预报和控制提供理论和方法,从而服务于国民经济和社会发展(王会军等,2004)。
20世纪90年代以来,在以全球变暖为主要特征的气候变化背景下,极端天气气候灾害明显增多,对经济社会发展的影响日益加剧,气候变化导致的水资源短缺、大面积干旱、海平面上升、冰川退缩、荒漠化土地扩展、粮食数量和质量下降、流行病传播等对全球的生态、资源、环境等安全构成严重影响(秦大河等,2005)。
这些问题对大气科学提出了更高和更迫切的要求,促使大气科学自身的发展及与其他学科间的交叉和融合,使之成为当前地球科学领域中一个非常活跃的前沿研究学科。
近年来,大气观测技术的不断发展,特别是遥感技术的发展和应用以及计算机技术的迅速发展,也促使大气科学获得了突飞猛进的发展,大气科学已经发展成为一门拥有如大气探测、天气学与大气环流、大气动力学、气候学、大气物理学、大气环境学、大气化学等众多分支学科的综合性科学;
并且大气科学已从一种简单的、定性描述的科学变成一种比较严格的,可以用计算机对各种过程进行数值模拟、数值试验的数理科学(黄荣辉,2001)。
同时,也产生和发展了一些新的分支学科,如卫星气象学、GPS气象学等,这些新的分支学科的发展进一步丰富并促进了大气科学的深入发展和扩展。
20世纪80年代以来,以世界气候研究计划(WCRP)、国际地圈-生物圈计划(IGBP)等大型国际性计划为主导的研究计划的兴起,促进了大气科学的快速发展,因而20世纪80年代也成为大气科学发展进入第四次飞跃期的起始时代(大气科学发展战略研究组,1994)。
之后,大气科学的国际研究计划如雨后春笋般地遍及在世界各地,成为推动大气科学前沿研究领域发展与热点问题有效解决的重要组织方式。
20世纪80年代国际上大气科学研究计划大肆兴起的时候,也正值我国实行改革开放、各行各业开始奋起发展的时代。
我国的大气科学经过几代科学家的努力,特别是改革开放的20多年的奋起追赶,目前我国的大气科学研究已经取得了令人瞩目的辉煌成绩,并形成了一些独特的优势研究领域,而自立于世界大气科学研究之林。
特别地,通过“九五”期间实施的六大气象实验(罗云峰,2000)以及“十五”期间基金委以“研究计划”方式组织实施项目的变化(陆则慰,2000),为我国大气科学研究人员提供了领导和实施大的研究计划和大项目的舞台,一批大气科学研究专家开始走上国际舞台,在国际大型研究计划中担刚重要角色甚或首席科学家。
中国科学院拥有一支优秀的大气科学研究队伍,是我国大气科学研究的主力军,为我国大气科学研究自立世界之林做出了突出贡献,特别是中国科学院实施创新工程以来,我院大气科学研究取得了更加丰硕的成果,在许多领域取得了突破性进展。
但同时也应看到,与美国等世界大气科学研究强国相比,我国和我院大气科学研究水平还有不小的差距;
与我国经济社会发展对大气科学的迫切要求相比,许多重大的环境问题还未能很好的解决(秦大河等,2005)。
及时了解国际大气科学发展的态势和前沿热点问题,准确把握国家重大社会经济发展对大气科学的需求,是推动我国和我院大气科学发展的不竭动力。
我国大气科学界非常重视大气科学发展战略的研究,如基金委在20世纪80年代末立项开展了大气科学发展战略的软科学研究(大气科学发展战略研究组,1994);
由著名气象学家谢义炳院士发起的大气科学前沿研讨会于1990年、1995年分别召开了第一次和第二次会议,2000年初第三次会议就“21世纪大气科学前沿与展望”主题,对国内外大气科学发展现状、趋势、问题及我国的优势领域进行了深入的研讨(黄荣辉等,2000)。
我国从2002年起,从国家层面上开始了未来20年国家中长期科学与技术发展的规划工作,随后也启动了由国务院领导、中国气象局牵头组织的“中国气象事业发展战略”的研究与编写工作(罗云峰等,2004)。
通过大气科学前沿问题的研讨和大气科学发展战略的研究,我国科学家能够及时了解国际大气科学发展的态势和前沿研究领域和热点问题,并对制订我国大气科学的发展战略和重点提供科学指导,从而推动我国大气科学的快速发展,更好地服务于国家经济建设和社会发展。
本报告主要从大气科学的国际研究和实验计划,特别是近期设立的国际大气科学研究计划的深入分析入手,结合文献计量分析和专家咨询方法(特尔斐法),在大量研读文献的基础上,对大气科学的国际发展态势和前沿研究领域及其近期重点发展方向进行分析和归纳,然后针对我院大气科学研究的现状和存在问题,提出中国科学院大气科学发展的对策建议。
2主要的大气科学国际研究计划
大气科学的研究对象范围广,从局地到区域,从大洋、大陆到全球,涉及以大气圈为主的地球系统的各个圈层及其界面。
研究手段和角度多样:
目前的研究工作可以利用现场观测和遥感、模式模拟、分析研究等各种手段,从水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈和人类活动对全球气候的相互影响、相互作用、相互反馈等诸多角度,多方位地实施。
研究内容多样:
涉及大气运动变化的本质,天气、气候系统演变规律和预测预报,影响局部天气的调控技术和措施,人类活动对天气、气候、环境系统的影响以及气候、环境的变化对人体健康的影响和预防等诸多方面。
作为一门面向地球系统的复杂性综合学科,大气科学研究工作的开展在很大程度上依赖于跨区域、跨国家的,集成多种手段和技术的,融合不同圈层或对象的区域性或国际性的研究网络和计划,这一特征在进入20世界70-80年代后,随着观测能力、模拟手段和通讯技术等的发展日益明显,大气科学进入了一个快速发展期和重要的成果产出期,从而成为现代地球科学中最活跃的学科。
近40年来国际大气科学的进步在很大程度上受益于国际合作开展的一系列研究计划和综合性的观测实验,因此要了解国际大气科学的发展历程、特征及其发展态势,首先需要了解大气科学研究计划。
在过去的二三十年间,大气科学领域的研究计划可概括为四个层次,即:
国际组织负责的跨国家的综合性大型计划、国家层面上的研究计划、各专业组织的专门化的研究计划以及企业、团体或个人等实施的研究计划。
由于大气科学的特殊性,其很多工作的开展依赖于对大气层及相关圈层的观测,大气科学界也设立了一些专门性的支持专门性研究的观测计划,本文将主要侧重介绍大型国际计划(包含大型观测计划)和部分国家实施的研究计划两个方面。
2.1大气科学的主要国际研究计划及其主要研究内容
在大气科学领域的国际大型计划中,一些国际组织发挥了重要作用。
这些国际组织处于大多数研究计划的顶层,负责研究计划的发起、资助和协调,其中以国际科学理事会(ICSU,即原国际科学联合会理事会,1998年更名)、世界气象组织(WMO)等最有影响力。
ICSU作为国际科学舞台的重要组织,直接或间接地对国际大气科学研究进行了大量的资助。
WMO作为联合国下属的专门性机构,在设立、支持大气科学研究计划方面作用最为突出,在其支持的项目中,又尤以世界气候研究计划(WCRP)最具代表性。
世界气象组织起源于1873年成立的国际气象组织(IMO),自1951年起成为联合国的在气象(天气和气候)、水资源管理和相关科学领域的专门机构,并更名为世界气象组织。
WMO是联合国系统内关于地球大气状况、海-气相互作用、全球气候变化和水资源分布等领域的主导权威机构,拥有187个国家和地区会员。
通过组织、实施或参与大量的观测和研究计划,WMO为大气科学的研究与发展做出了重要贡献,在全球的环境监测和防治全球变暖、气候变化和海平面上升引起的灾害方面的活动中发挥了重要的领导作用,并在很大程度上推动了政府间气候变化专门委员会(IPCC)的建立以及《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)、《保护臭氧层维也纳公约》等减缓气候变化的国际行动的开展。
WMO的结构体系涉及了大气监测、科学研究、信息服务、教育培训、活动协调等诸多的领域。
在WMO新近制订的发展规划(WMO第六个长期计划:
2004-2011)中,为了适应准确预测气候变化并对其负面影响采取预防措施等日益增强的新需求,WMO对其原有计划内容还适当进行了一些重要调整,并增加了一些新的关注领域,如与人类健康和城市规划有关的大气科学问题。
除了WMO、ICSU等组织支持、实施的研究计划外,一些相关领域的重大研究计划,如国际地圈生物圈计划(IGBP)也设立了一些与大气科学紧密相关的研究计划,本节将逐一介绍。
2.1.1世界天气监测网计划(WWWP)
世界天气监测网计划(WorldWeatherWatchProgramme,WWWP),也称作WWW,成立于1963年,是WMO在全球范围内开展大气科学资源和知识收集、管理与服务的技术性计划,其核心组成包括全球观测系统(GOS)、全球通信系统(GTS)和全球资料加工和情报系统(GDPFS)。
GOS主要在陆地、海洋以及飞机、卫星等平台上进行天气观测;
GTS主要负责处理、收集和分发观测资料;
GDPFS主要通过各气象机构提供气象数据产品。
WWW还支持以下4个计划以加强其业务工作:
(1)仪器和观测方法计划(IMOP):
主要负责新仪器的技术和应用以及提高仪器、观测与测量技术的精度和标准化;
(2)热带气旋计划(TCP):
帮助WMO会员减轻由热带气旋带来的灾害;
(3)紧急响应活动计划(ERA):
帮助各国与有关的国际组织合作以有效应对大气污染事件;
(4)WMO南极活动(WMOAA):
为南极的环境监测和气候研究工作提供气象服务。
在未来的数年中,WWW将在更大的范围内应用新的技术和新的观测系统,其中包括风廓线仪、多普勒和高频雷达、飞机自动观测和报告系统(AMDAR)、自动船载探高设备(ASAP)和自动气象站(AWS),以及应用可提供高性能仪器和服务的新一代极轨和静止卫星,并与空基系统和地面设备相结合。
不断开发适合不断变化的区域需求的观测网络,对GOS进行深入的优化和功能完善,进一步提高短期预报(包括临近预报)以及多季节尺度的天气预报中的资料质量。
2.1.2世界气候计划(WCP)
世界气候计划(WorldClimateProgramme,WCP)是在1979年日内瓦第一届世界气候大会上通过设立的研究计划,属于WMO,其主要任务是针对全球气候系统开展研究和监测工作,提供气候和气候变化领域的科学咨询(包括对灾害性气候事件提供日益精确、可靠的预警和气候信息服务),帮助世界各国将气候信息和知识应用到人类的可持续发展事业中。
同时,WCP通过WMO/UNEP政府间气候变化专门委员会的渠道提供气候科学、气候对社会经济的影响以及人类社会的响应等科学评估报告。
WCP下设以下四个子计划:
(1)世界气候数据和监测计划(WCDMP)
WCDMP的目的是开发全方位的气候数据管理系统,向WMO会员提供全球气候观测系统中的数据和信息。
WCDMP以适当的格式制作数据产品,用于模拟气候过程、检测和监测气候变化和变率并应用于科学评估工作。
(2)世界气候应用与服务计划(WCASP)
WCASP的目的是通过推广气候科学和相关服务的应用来帮助WMO成员和相关国际组织维护公共安全、卫生和社会福利事业,减少贫困以及促进可持续发展。
在目前阶段,其工作的开展主要以气候信息和预测服务(CLIPS)项目为主。
(3)世界气候影响评估和对策计划(WCIRP)
WCIRP由联合国环境规划署(UNEP)实施。
在WMO各项计划中,与WCIRP有关的活动主要由WCASP负责组织,因为在气候影响评估、应用以及减缓气候变化和变率的不利影响的措施之间有着密切的联系。
(4)世界气候研究计划(WCRP)
WCRP由ICSU、WMO等组织共同资助,其主要任务是提高科学认识水平,以确定气候预测的能力和人类对气候影响的程度。
WCRP是WMO最主要的组成部分之一,也是国际全球变化研究的四大计划之一,在大气科学领域的科学计划中具有举足轻重的地位,在本文中将把WCRP作为重点计划单独进行介绍。
2.1.3大气研究和环境计划(AREP)
AREP属于WMO,其主要任务是了解影响现在和未来大气状况、天气以及相关环境状态(空气质量和污染)的过程,支持国际臭氧层保护和其他环境公约的实施,其工作框架包括全球大气监测网计划(GAW)、世界天气研究计划(WWRP)、热带气象研究计划(TMRP)、云物理学和人工影响天气研究等内容。
2.1.4气象应用计划(AMP)
AMP是WMO为促进气象在经济和社会问题中的实际应用而设立的一项计划,这一计划主要关注全球的人类安全、环境保护和可持续发展等问题,其中包括一些面向生产和交通等的商业服务。
AMP下设公共天气服务计划(PWSP)、农业气象计划(AgMP)、航空气象计划(AeMP)和海洋气象与海洋学计划(MMOP)。
2.1.5世界气候研究计划(WCRP)
世界气候研究计划(WorldClimateResearchProgramme,WCRP)(http:
//www.wmo.ch/web/wcrp/wcrp-home.html)是1967~1980年执行的全球大气研究计划(GARP)的延续,从20世纪70年代中期开始酝酿、从1980年起开始实施,最初由国际科学理事会(ICSU)、世界气象组织(WMO)共同资助,自1993年起国际教科文组织政府间海洋委员会(IOC)也加入到这一计划的资助行列。
WCRP在成立之初就将发展对自然气候系统和气候过程的科学认识作为主要任务,以实现对以下两个目标:
①确定人类对气候的影响程度;
②人类能够在多大程度上预测气候。
为实现上述目标,WCRP积极推动一系列基础性研究工作以了解物理气候系统的基本行为。
WCRP的研究活动以全球气候为核心,紧紧围绕大气圈、海洋、海/陆冰、陆面等影响地球气候系统的诸多过程,开展了以定量研究为目的的系列研究活动。
在过去的20余年间,WCRP在很大程度上提高了人类对全球气候系统及其演变的理解,对现代大气科学的发展做出了重要贡献(丁一汇,2004),概括而言,包括以下几项成就:
(1)通过在全球范围内实施覆盖关键气候问题的研究计划,建立了大气科学领域的世界研究网络;
(2)作为政府间气候变化专门委员会(IPCC)、《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)以及《21世纪议程》的重要研究支撑,针对气候变化问题提供了连续的评估和预测报告,其中非常重要的一个成果是确定了人类活动是目前全球变暖的主要因素;
(3)奠定了短期气候预测(季与年际)的物理基础,通过ENSO等强气候信号的揭示,实现了季节预测的重大突破;
(4)揭示了有关平流层温度和臭氧变化等一系列新事实;
(5)进行了一系列的综合性外场实验和测量,并在此基础上整编了多种全球与区域的气候资料集;
(6)发展、应用和评估综合全球气候系统模式,并为此建立了联合数值试验工作组(WGNE)与耦合模式工作组(WGCM)。
(7)作为气候变化研究的先驱,对增强气候变化与人类影响气候系统的公众意识,促进全球的可持续发展,推动世界各国应对气候变化的能力建设和国际组织的合作研究等方面也发挥了重要作用。
WCRP是一项庞大的研究计划,下设或参与了多项研究计划,主要包括世界大洋环流实验计划(WOCE,已中止,是一项延续了近20年的、当今世界上最大、最成功的海洋研究项目)、北极气候系统研究计划(ACSYS)、气候变化及其可预测性研究计划(CLIVAR)、全球能量与水循环试验(GEWEX)、平流层过程及其在气候中的作用(SPARC)、气候与冰冻圈计划(CLiC)、上层海洋与低层大气研究计划(SOLAS)、气候系统观测与预测试验计划(COPE,新设立的计划)等。
通过这些研究计划,WCRP与世界众多国家、相关组织和研究计划的合作日益紧密,尤其是通过与IGBP、IHDP、DIVERSITAS一道发起的地球系统科学联盟的建立,使得WCRP的研究活动进入了一个新的交叉集成发展时期。
2.1.6热带海洋和全球大气研究计划(TOGA)
为了研究热带海洋和全球大气的月际到年际变化,从而推动气候变化及异常气象问题的研究,提高和改善海洋环境和气候预测能力,政府间海洋学委员会(IOC)和世界气象组织(WMO)共同发起了热带海洋和全球大气研究计划(TropicOceanGlobalAtmosphere,TOGA)。
该计划在1985~1994年十年间在热带太平洋地区进行了海气变化研究,计划分两个阶段进行,第一个5年为普查阶段,第二个五年为详查阶段(加强监测期)。
在第二个五年中,还在1992年10月至1993年2月间开展了一项连续四个月的加密调查工作(强化观测期),这是有史以来对海气通量进行的规模最大、最周密、最详尽的一次观测活动。
2.1.7世界海洋环流实验(WOCE)
世界海洋环流实验(WorldOceanCirculationExperiment,WOCE)是政府间海洋学委员会(IOC)、海洋研究科学委员会(SCOR)、世界气象组织(WMO)和ICSU等国际组织在20世纪80年代末共同发起的一项大规模国际合作调查计划。
WOCE与热带海洋和全球大气研究计划(TOGA)都是WCRP中海洋研究工作的重要组成部分。
WOCE的科学目标是:
(1)发展对预测气候变化有用的各种模式,并搜集检验这些模式所必需的资料;
(2)确定描述海洋长期变化的WOCE专门资料集的代表性,探索确定海洋环流长期变化的方法。
WOCE的核心工作是1990~1998年间开展的全球准同步观测,这项工作利用数值模拟和经常性监测、专题调查相结合的方式,增进了人类对全球海洋环流变化及其对全球气候影响的机制的了解,积累了大量的观测数据(见:
http:
//woce.nodc.noaa.gov/wdiu/),卓有成效地开展了数据开放共享的实践,目前这些数据仍在为科学研究提供重要支持。
2.1.8平流层及其在气候中的作用计划(SPARC)
平流层及其在气候中的作用计划(StratosphericProcessesAndtheirRoleinClimate,SPARC)是WCRP于1992年设立的一项计划,旨在了解平流层如何影响气候,并预报平流层未来状况对于对流层-平流层气候系统将具有的影响。
SPARC涉及的内容包括人类活动导致的平流层臭氧变化对气候的影响,火山喷发进入平流层的气溶液对气候的影响,以及温室气体浓度增加导致的平流层变化及其对气候的影响。
SPARC计划目前主要致力于以下三个领域的研究活动(http:
//www.atmosp.physics.utoronto.ca/SPARC/):
(1)平流层的变化趋势及其对气候变化的响应,平流层的成分变化对气候的影响;
(2)与平流层中的物理学和化学过程及其与气候的关联;
(3)平流层过程与趋势及其对气候的影响模拟。
2.1.9气候变化及其可预测性研究计划(CLIVAR)
气候变化及其可预测性研究计划(ClimateVariabilityandPredictability,CLIVAR)(http:
//www.clivar.org)于1992年由世界气候研究计划(WCRP)联合委员会倡议,1995年成立,是WCRP框架下以研究和预测自然气候变化、评估人为气候变化问题为目的的国际研究计划,这一计划继承了TOGA和WOCE工作和成果。
CLIVAR由3个子计划组成,即季节到年际时间尺度的气候变化及可预测性(CLIVAR-GOALS)、年代际到世纪时间尺度气候变化及可预测性(CLIVAR-DecCen)和气候系统对大气中增加温室气体和气溶胶含量的响应(CLIVAR-ACC)。
其任务如下:
(1)通过收集和分析观测资料,以及发展和应用耦合气候系统模式,揭露和了解反映季节、年际、年代际和世纪时间尺度的气候变化及可预测性的物理过程;
(2)通过对有质量校订的古气候资料和仪器观测资料的综合处理,延长气候变化的记录,以便研究各种重要时间尺度的气候变化;
(3)通过发展全球耦合预测模式,扩大季节到年际时间尺度气候预测的范围及提高预测精度;
(4)了解和预测气候系统对温室气体和气溶胶增加的响应,并通过这些预测与观测的气候记录的比较,揭露人类活动对自然气候信号的影响程度。
2.1.10全球能量与水循环试验(GEWEX)
全球能量与水循环实验(GlobalEnergyandWaterCycleExperiment,GEWEX)(http:
//www.gewex.org/index.html)成立于1990年,是WCRP计划框架中负责开展大气-陆面-上层海水之间的水文循环和能量通量观测、研究与预测任务的综合性国际计划,GEWEX与WCRP的SPARC、CLIVAR、ACSYS/CliC等研究计划的研究任务可以相互支持与补充,并通过国际卫星陆面气候项目(ISLSCP)与IGBP有着密切的联系。
GEWEX的科学目标为:
(1)根据对大气和陆面特征的全球测量,确定水文循环和能量通量;
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