关于海洋气象学学科归属问题的探讨

2022-03-08 01:15方杏芹
气象与环境学报 2022年1期
关键词:气象学物理学大气

方杏芹

(1.广东海洋大学海洋与气象学院,近海海洋变化与灾害预警实验室,广东 湛江 524088;2.陆架及深远海气候、资源与环境广东省高等学校重点实验室,广东 湛江 524088)

引言

世界气象组织(WMO)对海洋气象学(Marine Meteorology)的定义为:它是气象学的一个分支,主要研究海洋上的各种大气现象,这些大气现象对浅海和深海海水的影响,以及海洋表面对大气现象的影响。海洋气象学早期起源于航海需要,最初有关航海安全的气象和海洋知识通常是保密的而非国际共享的[1]。在中国新时期海洋强国建设中,海洋气象学的重要性日益突出。WMO将2021年世界气象日的主题定为“海洋、我们的气候和天气”,也足见国际气象界对海洋的关注。建设海洋强国是一项综合性系统工程,有赖于多学科的综合协调发展。由于海洋气象学是大气科学和海洋科学的交叉学科,具有一定的跨学科特征,长期以来,海洋气象学在大气科学和海洋科学之间存在学科归属矛盾,给科研和教学均造成一定影响。

随着新一轮科技革命和产业变革加速演进,中国对高层次创新型、复合型、应用型人才的需求更为迫切。最近国务院学位委员会决定设置新的交叉学科门类,对于在理论、方法上涉及较多的现有一级学科、显示出多学科综合与交叉的突出特点的学科,在学科专业目录上以新的一级学科直接体现,为推动交叉学科的科学有序发展提供了通道和平台。但是,对于海洋气象学这样未设置在交叉学科门类之下、具有一定学科交叉特点并且存在学科归属矛盾的学科,需要进一步探讨其有序和协调发展的问题。如何从科学哲学的角度明确其学科归属?如何抓住主要矛盾引导学科平衡发展?如何协同攻关?如何培养数理基础扎实的海洋气象学复合人才?值得我们思考。

本文首先揭示中国海洋气象学学科归属存在的问题和影响;然后通过综合分析,从理论上厘清海洋气象学学科归属;最后回顾和讨论海洋气象学的发展方向,并提出优化海洋气象学科研和教学活动的一些设想。

1 中国海洋气象学学科归属存在的问题和影响

1.1 海洋气象学学科在《中华人民共和国学科分类与代码分类表》的学科分类体系中的位置

《中华人民共和国学科分类与代码分类表》(GB/T 13745—2009)的学科分类体系是直接为中国科技政策和科技发展规划以及科研项目、科研成果统计和管理服务的。在一级学科地球科学(代码170)之下,海洋气象学作为三级学科列于二级学科海洋科学(代码17060)之下,而在二级学科大气科学(代码17015)之下的三级学科应用气象学中,将气象学的具体应用纳入其他相关学科。在这个分类体系中,弱化了应用气象学各个方向在大气科学中的位置,强化了各涉海专业(包括海洋气象学)在海洋科学中的位置。

从系统科学理论[2]来看,这个标准对于应用气象学的管理忽略了所应用的领域与气象学的相互作用问题,以及更深层次来说相互作用当中主要矛盾和次要矛盾的问题,至少从形式上削弱了海洋气象学在大气科学中的归属。

1.2 海洋气象学学科在中国国家自然科学基金的申请代码体系中的位置

中国国家自然科学基金申请代码体系是由国家自然科学基金委员会用于指导自然科学基金项目申请的学科分类体系,其主体是依据上述国家学科分类标准《中华人民共和国学科分类与代码分类表》,但是层级分类不同,采取学部制,学部下设不同层级学科代码。申请代码具有一定开放性,每年都有一定调整。有的学科也通过一些行业合作基金对项目申请和评审进行更及时的调整和引导。

2020年制订的新版代码体系[3]调整了一、二级代码,取消了三级代码,并对地球科学部的二级代码按研究领域进行了较大的梳理调整。地球科学部之下,一级代码学科大气科学(代码D05)下面的二级代码学科为:天气学、气候与气候系统、古气候模拟与动力学、大气动力学、大气物理学、大气化学、生态气象、行星大气、大气观测遥感和探测技术与方法、大气数据与信息技术、大气数值模式发展、地球系统模式发展、气候变化及影响与应对、大气环境与健康气象、应用气象学。一级代码学科海洋科学(代码D06)下面的二级代码学科为:物理海洋学、海洋化学、海洋地质学与地球物理学、生物海洋学与海洋生物资源、海洋生态学与环境科学、河口海岸学、海洋遥感、海洋物理与观测探测技术、海洋数据科学与信息系统、海洋系统与全球变化、海洋工程与环境效应、海洋灾害与防灾减灾、海洋能源与资源、海陆统筹与可持续发展、极地科学。

在2020新版申请代码体系中,有这样几个情况值得注意:1)由于取消了三级代码,海洋气象学的研究可以不列入海洋科学;2)应用气象学中的相关研究可以名正言顺地回归大气科学;3)极地科学仍然明列于海洋科学之下。至少从现在看来,这些新的代码分类举措十分有利于海洋气象学的相关研究回归大气科学,回归气象学本质。最近获悉,在国家基金申请二级代码D0515(应用气象学)下划分的研究方向十分丰富,“水文气象”被明列为一个方向,“海洋气象”在“其他应用方向”找到了位置,作为关键词明列。这些举措为海洋气象学相关的科研活动回归大气科学创造了有利条件,申请者不必再借助于海洋科学、环境科学或安全科学等学科以“防灾减灾”之类的关键词来定位。然而,这些临时性举措有待反馈到大气科学学科二级代码的优化以及分类评审[4]的进一步改革中,以完善学科的战略发展规划和人才培养方案。

1.3 海洋气象学学科在中国学位授予和人才培养学科目录、普通高等学校本科专业目录中的位置

中国国务院学位委员会制订的研究生学位授予和人才培养学科目录是按学科门类、一级学科、二级学科来分类的。学科门类和一级学科是国家进行学位授权审核与学科管理、学位授予单位开展学位授予与人才培养工作的基本依据;二级学科是学位授予单位实施人才培养的参考依据。一级学科大气科学(0706)下设的二级学科有:气象学、大气物理学与大气环境;一级学科海洋科学(0707)下设的主要二级学科有:物理海洋学、海洋化学、海洋生物学与生物海洋学、海洋地质学和海洋技术。上述学科目录中大气科学和海洋科学两个一级学科之下均未设置海洋气象学作为二级学科,其在研究生培养的二级学科设置中成为空白。

中国教育部发布的《普通高等学校本科专业目录》自20世纪80年代以来进行了4次调整。20世纪90年代中后期,教育部大气科学委员会制定了相关规范,本科阶段分为大气科学、应用气象学以及大气探测3个专业。自1998版开始,专业目录按照学科门类、专业类、专业3个层次划分,其中专业类大气科学类和海洋科学类的名称与研究生学位授予和人才培养学科目录中的一级学科名称一致。1998版、2012版和2020版3个专业目录版本中,大气科学类均设大气科学和应用气象学两个专业,取消了之前的大气探测专业。海洋科学类1998版设有海洋科学、海洋管理、海洋技术3个专业,2012版取消海洋管理专业,2020版增加海洋资源与环境、军事海洋学两个专业,变化较大。目前,在《普通高等学校本科专业目录》中,大气科学类和海洋科学类之下均未设置海洋气象学专业,其在本科生培养的专业设置中成为空白。

从以上分析发现,中国在研究生学科设置和本科生专业设置中,无论是大气科学还是海洋科学均缺失海洋气象学,这可能与中国科研管理中海洋气象学学科归属问题有关,对中国海洋气象学专门人才的培养势必造成一定的影响。

1.4 中国高校海洋气象学相关学科专业设置实例

近年来,许多高校在教学实践中结合实际针对海洋气象学相关学科专业的设置进行了一些探索,但不同高校由于气象学发展历程不同,其具有的或海洋或物理或地理的特色起源对其后海洋气象学学科专业设置造成或多或少的影响。

中国海洋大学海洋与大气学院设有海洋学系和海洋气象学系,其大气科学专业以“海洋气象”为特色,旨在培养具有扎实的地球物理流体动力学基础理论和宽厚的大气科学与海洋科学专门知识,能够把握相关研究领域的最新国际动态,具有在科学研究中独立提出创新性科学问题并开展研究的能力,能熟练掌握数值计算和数值模拟方法,具有解决实际问题能力的海洋气象专业人才。从所设置的主要专业课程(天气学、大气物理学、动力气象学、大气探测、气候学、气象统计、数值天气预报、空气污染气象学、海洋—大气边界层、海雾、海洋—大气相互作用、海洋气象灾害、海洋学、海洋动力学、海洋调查实习等)来看,地球物理流体动力学或流体力学并未成为一门主要专业课程,反而气候学和海洋—大气相互作用(通常更多地被解读为大尺度)均列为主要专业课程,这可能与该校对海洋气象学内涵侧重点的解读有关,也可能与其海洋气象学发展历程中学科归属问题有关。中国海洋大学海洋气象学学科专业设置的变化历程相当复杂,跨学科特征导致在不同年代有不同的学科归属,是中国海洋气象学发展的一个缩影。这个问题在大气科学和海洋科学中的影响甚至延续至今。

北京大学的大气与海洋科学系设于物理学院,它的物理特色与其渊源有关。1952年,由清华大学气象系和北京3所高校物理系的大部分合并成北京大学物理系,下设物理专业与气象专业。北京大学大气科学学科是全国唯一的大气科学一级重点学科,研究生培养设大气物理学与大气环境、气象学两个硕士和博士学位点;本科设有大气科学专业,是国家大气科学本科基础人才培养基地。近年来,为加强大气与海洋科学之间的交叉和促进大气—海洋相互作用及其对气候变化影响的研究,系名改为大气与海洋科学系,并在实力强大的大气科学专业基础上拟增设物理海洋专业,向海融合拓展。如果将大气—海洋相互作用的研究重点定位于其对气候变化的影响,显然会影响以天气研究为重点的海洋气象学的发展。

中山大学大气科学学院成立于2015年10月,其前身是1961年创办的中山大学地理学系气象学专业。该学院包括海洋气象系在内的院系架构正在筹建中,目前本科设有大气科学、应用气象学两个专业。在大气科学学院成立之前,根植于地理学系的中山大学大气科学学科专业的发展历程比较曲折,1998年获得气象学博士学位授予权,2001年获批大气物理学与大气环境专业硕士点,2010年获得大气科学一级学科博士学位授予权。早期在热带气象学和海—气相互作用方面较有特色,后来偏向大气环境学,近期以季风和气候变化为龙头全面拓展。在海洋科学方面,中山大学早在建校之初即开展了海洋科学研究。2008年,历经多个基础学科(比如生物学、地质学)的向海发展,成立了海洋学院,后更名为海洋科学学院。目前,海洋科学尝试新办学理念:本科生低年级接受数学、物理学、化学、生物学、地质学等相关学科教育,培养宽广的知识面;二年级开始按海洋生物、海洋地质、物理海洋、海洋化学方向“四选一”进行专业培养。在大气科学和海洋科学分属不同学院的情况下,一方面,大气科学学院正朝包括气候变化在内的更多方向强势发展;另一方面,有悠久历史渊源的海洋科学学院要重新崛起。作为交叉学科但学科归属又不明确的海洋气象学处境有些尴尬,发展任重道远。

中国较早开展海洋水文气象学中等教育的学校是成立于1958年的湛江气象学校(这是现广东海洋大学气象学和物理海洋学教育的渊源)。早期招生有海洋水文气象专业、气象专业,后来还有海训方面的专业。停办十多年后于1979年复校,曾经设置过气象通信、气象和农业气象等专业。湛江气象学校并入湛江海洋大学后,相关专业升为大学专科。湛江海洋大学于2005年改名为广东海洋大学后,气象专业曾被纳入水产学院气象系。2009年,为加强海洋学科建设、强化海洋学科特色,广东海洋大学在水产学院气象系和环境科学系的基础上,引进海洋科学特聘人才,设立二级学院海洋与气象学院。目前,学院拥有海洋科学一级学科博士点和硕士点,除物理海洋学之外,正逐步凝练拓展其他二级学科方向和领域。学院下设海洋科学、大气科学两个系,对应海洋科学类和大气科学类两个本科专业。海洋科学类之下设置的物理海洋、海洋化学、海洋地质3个本科专业均是《普通高等学校本科专业目录》明列的专业,也均有国家研究生人才培养二级学科一一对应,这种专业和学科的自然贯通比较有利于本科毕业生选择对口专业就业和深造,也有利于研究生培养单位选拔培养对象。相比之下,大气科学类之下按照《普通高等学校本科专业目录》设置的大气科学和应用气象学2个本科专业,却与国家研究生人才培养一级学科大气科学下设的二级学科气象学、大气物理学与大气环境均不完全对应,这是目前中国大气科学学科普遍存在的问题。广东海洋大学曾经尝试在大气科学专业之下分设天气动力、海洋气象、气候变化3个专业方向,在应用气象专业之下分设应急减灾和雷电防护2个专业方向,以突出特色培养和适应就业市场。这种专业设置改革是符合学科多方向多层次发展逻辑的,但是,由于没有对应的二级学科自然贯通,同时也由于就业市场的变化,毕业生就业和深造趋势均不太稳定。

2018年中国海洋大学出版社出版了傅刚编著的《海洋气象学》[5]一书,该书对海洋气象学基础知识有深入浅出的阐述,也包含了不少海洋气象学发展的新内容。我们注意到,该书是作为教育部海洋科学类专业教学指导委员会规划教材和高等学校海洋科学类本科专业基础课程规划教材丛书之一出版的,可见,中国海洋气象学学科归属的问题势必也影响到相应的教材编撰工作以及学科和专业的战略规划。

2 海洋气象学学科归属综合分析

2.1 海洋气象学相关学科的内涵和外延

根据WMO对海洋气象学的定义,海洋气象学是气象学的一个分支,其研究内容为海洋上的各种大气现象,这些大气现象对浅海和深海海水的影响,以及海洋表面对大气现象的影响。美国气象学会(AMS)对海洋气象学的定义如下:它是气象学的一部分,主要涉及对海洋部分包括岛屿和滨海区域的研究,特别是海洋气象学能提供满足海上航空与航海业务需求的服务,由于海洋与大气之间存在紧密的相互作用,海洋对天气与气候的影响可以追踪到陆地的深处。现代气象学使用这个名词来做区域上的或管理上的区别。气象学词典[6]中海洋气象学首先被认为是大气科学的一个分支,是研究气象现象与海洋现象及海上作业相互关系、相互作用的学科,研究范围包括海洋上的天气现象和天气系统、海洋—大气相互作用、大洋气象波浪、冰山飘浮,以及为海洋事业提供的气象服务;其次也被认为是海洋物理学的重要内容。

大气科学[6]是研究大气结构、组成、物理现象、化学反应、运动规律及其他问题的学科。主要分有理论气象学(大气物理学、大气化学)、实用气象学(气候学、天气学、导变气象学)、应用气象学(农业气象学、航空气象学、海洋气象学、水文气象学)等。广义的大气科学研究范围还可以包括大气与地面、海面及生物圈之间的相互作用,更广义的大气科学研究范围把其他天体上的大气也包括在内。大气科学的知识体系起始于气象学, 早期以大气现象描述为主, 伴随着数学、物理学、化学等基础学科(又称“母学科”)在气象研究中的广泛应用, 逐步形成了大气动力学、大气物理学和大气化学等分支学科;进而随着分支学科间以及与其他学科的进一步融合, 最终形成了相对独立和完整的大气科学知识体系。

气象学[6]是大气科学的主要部分,也是地球物理学的重要分支。是应用物理学原理和数学、物理方法来研究地球大气中各种现象和过程的科学。主要研究地球周围100 km以下,特别是50 km以下大气中发生的现象(压强、温度、密度、能量等因素的分布以及大气中电、光、声学属性等)及这些现象的演变过程。气象学是一门古老的学科,最初与天文、地理、农业联系紧密。气象学可分为天气学、大气物理学、气候学、气象仪器学(或大气探测学)和各种应用气象学。

从“大气科学”词目来看,海洋气象学被明列为应用气象学的一支,强调其应用性、非理论性。但是,从“气象学”词目来看,则不易找到海洋气象学的位置,因为就在同一本气象学词典的“应用气象学”词目中,即使列出12种专业气象学,海洋气象学也没有被明列其中。

大气物理学[6]是大气科学的一个分支,研究大气的物理过程、物理现象及其演变规律。研究对象主要是对流层和平流层,但随着科学的进展,研究对象已向中间层、热层及磁层扩展。传统的大气物理学研究大气中不直接涉及力学的物理学问题(又叫物理气象学);广义的大气物理学则包括大气动力学,特别是云雾降水物理学需要用到大气热力学和流体力学的理论;更广义的大气物理学显然除云雾降水物理学之外应该包括整个大气热力学。从系统论来看,针对实际气象问题,热力和动力应该结合起来。另外,大气边界层是重要的物质、动量、能量(包括辐射、感热、潜热)交换场所,大气物理学也应该包括大气边界层物理学,这才是大气物理学的应有之义。

值得注意的是,大气物理学作为大气科学的一个分支和大气科学其他分支有紧密联系,并且随着现代科技的发展,大气物理学在大气科学中的地位越来越重要。比如,大气物理过程受到天气背景的制约,同时大气物理研究和探测的结果,又广泛用于天气分析和预报;越来越受研究者关注的云动力学是大气物理学和大气动力学结合的产物;大气物理学的许多内容(比如大气辐射学)涉及对气候变化的研究;大气物理学是大气探测和应用气象学的基础,而这两个学科的发展,又丰富了大气物理学的内容,例如大气物理学为气象雷达或卫星观测提供原理依据,而雷达或卫星探测的气象信息则为研究大气过程提供丰富的资料。海洋气象学不属于比较狭义的大气物理学,但是,大气物理学与海洋气象学有非常紧密的联系。一方面,广义的大气物理学中的大气边界层物理学中的海洋大气边界层物理学是海洋气象学的重要理论基础,它增加了海洋气象学的理论特色;另一方面,大气物理学可以为海上大气探测提供原理依据。

海洋学(https://baike.baidu.com/item/海洋学)即海洋科学,是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律,以及与开发利用海洋有关的知识体系,是地球科学的重要组成部分。海洋科学是一门综合性很强的学科,从海洋科学的内涵以及其专业发展的历程来看,其涉及的专业领域非常广泛,各专业的理论部分依赖于各基础学科,正是各基础学科偏向于海洋特色的应用形成海洋科学的专业体系,包括海洋物理学、海洋化学、海洋生物学和海洋地质学等。

海洋物理学是海洋科学的一部分,也是地球物理学中的重要分支。它是以物理学的理论、技术和方法研究发生于海洋中的各种物理现象及其变化规律的学科。广义的海洋物理学主要包括物理海洋学、海洋气象学、海洋声学、海洋光学、海洋电磁学、河口海岸带动力学等;最狭义的海洋物理学是海洋探测、卫星海洋遥感、海洋光学、海洋声学、海洋传感器等和观测、认知海洋有关的信息技术。

物理海洋学主要研究海水的各类运动、海水湍流和物质输送、海水微结构及其规律;更广义一点的物理海洋学还研究海洋同大气圈和岩石圈的相互作用规律,即包括海洋大气相互作用、海洋气象学;最广义的物理海洋学还研究海洋中声、光、电的现象和过程,以及有关海洋观测的各种物理学方法,这也实际上就是最广义的海洋物理学。

值得注意的是,在海洋科学最近几十年的发展中[7],物理海洋学和海洋物理学渐渐地分别有了其特指的内涵,特别是由于物理海洋学从主要研究海水的各类运动而向大气圈和岩石圈拓展,海洋物理学变得更多地是指其狭义内涵,即侧重于观测和认知海洋有关的信息技术。如今,海洋物理学作为一个名词从学科分类体系逐渐淡出,但新兴的海洋技术和海洋工程逐步发展起来了。

2.2 海洋气象学学科归属的厘清

以上分析发现,大气科学和海洋科学均是研究范围很广的学科,相关学科分支均具有广义和狭义的范围界定。相较于在大气科学体系的位置,在海洋科学体系中,海洋气象学只是浩瀚海洋中的一滴水,是物理海洋学向大气圈经海洋—大气相互作用之外的进一步扩展。

要厘清海洋气象学的学科归属,有一个概念要明确,即海洋—大气相互作用,简称海—气相互作用。海—气相互作用[6]指海洋与大气密迩相接、互相影响、互相制约、交替耦合、彼此适应的作用。辽阔的海洋具有很大的热容量,在调节气温、提供大气以水汽及凝结核、影响大气稳定度、使气团变性并成为气团源地之一、调节气候等方面,都有较大贡献。海水又在以波浪等阻滞气流、形成海面平流海雾及蒸汽雾、供应大气以潜热能、促成海面天气系统的形成和发展等方面,有很大作用。而大气对海洋也有影响,如气流能吹动海水以形成洋流、风浪、海潮;云层能减弱海面接受到的太阳辐射增温从而影响海水的稳定度;降水的强弱、蒸发的盛衰,都会影响海水盐度的浓淡;台风能形成涌浪;气温影响海冰;海面出现的风成环流会影响海洋的深层环流及铅直方向的水流;气压的高低会使海水内所溶的气体发生变化。研究海—气相互作用对气象学、海洋学等,都是十分重要的。

大气有多尺度特征[8],海水有多尺度特征[9],海—气相互作用具有非常丰富的内容,上述海—气相互作用概念中的“密迩”两字深刻地提示了海—气相互作用的多尺度特征。海—气相互作用是连接气象学和海洋学的重要纽带,既是海洋气象学也是物理海洋学的重要研究内容。有趣的是,学术界中文用“海—气相互作用”多,英文用“air-sea interaction”多,这也许从一个侧面反映了中西方最初对相互作用尺度认识及作用主体认识的倾向性。

大多数情况下,由于大气的变化远快于海洋的变化,海—气相互作用中特别是短期、小尺度相互作用的主体往往是大气,尽管海雾、海冰、台风生成发展于海面,风暴潮和海浪是海水的起伏,但这些海面现象和气象现象的驱动和生消变化主要影响因素是海面大气的变化,影响海洋气象灾害的主要因素来源于大气变幻,海洋气象灾害预报预警能力直接受制于天气预报的准确度和精确度,离开准确性的天气预报,谈不上准确的海面波、浪、潮的预报。风暴潮预报专家秦曾灏先生曾在他的著名论文“海—气相互作用与海流、风暴潮”[10]一文中说过,浅海和超浅海海流和风暴潮数值预报的实现不能摆脱对海面大气温压场数值预报的依赖。因此,把海洋气象学纳入物理海洋学的拓展范围有些勉强,不是物理海洋学的应有之义。物理海洋学向深海远洋拓展才是其学科应有之义。

综合分析来看,将海洋气象学归属于大气科学比归属于海洋科学更适合海洋气象学的发展,且当务之急是把海—气相互作用的研究更多地引导到更小尺度上来。另外,由于海洋气象学与应用气象学中的其他分支相比,更具独特性,即不单是将气象学应用于一个相对独立的行业,更是应用于具有强烈的多尺度相互作用的客体,也由于海洋气象学研究的重要性,未来将海洋气象学作为独立的专业方向与天气学、气候学等并列设置于大气科学类专业之下比放入应用气象学专业作为一个方向更为合适。而海洋科学类之下设置的物理海洋学专业则回归其对海水的各类运动和结构(如海流、行星波、海洋内波、海水湍流和物质输送、海水层的微热动力结构等)的观测、分析和模拟的关注和研究。当然,在物理海洋学中保留海—气相互作用中关于大气对海洋的作用部分是很必要的。至于海面的运动,当作为整个海水运动的一部分时是物理海洋学的研究对象,且是很重要的一部分,因为它往往是更深层海水运动的驱动源。但是,当海面的波、浪、潮等作为极端灾害事件的主体时应是海洋气象学的研究对象,海面波、浪、潮的预报交由更多掌握气象学知识和技能的海洋气象学者,利用考虑了海表热动力作用的大气数值模式来完成更为合理。当然,要做好海上和海岸带天气预报,也必须考虑来自作为下垫面的海面和海岸带的影响。

2016年1月,为贯彻建设海洋强国的发展战略、加强海洋气象服务,中国国家发展改革委员会会同中国气象局、国家海洋局组织编制完成了《海洋气象发展规划(2016—2025年)》[11](以下简称《规划》)。《规划》确定了全国海洋气象发展的指导思想、发展目标、规划布局和主要任务,对气象、海洋等部门建立共建共享协作机制做了安排,是这十年全国海洋气象发展的基本依据。

2018年3月自然资源部(对外保留国家海洋局牌子)的组建强调了海洋作为自然资源一部分的属性,体现了国家生态文明建设、海洋强国建设和统筹自然资源管理的战略部署。让海洋战略规划、海洋技术发展、海域海岛管理、海洋预警监测、海洋权益等工作更易内部协调,也更便于海洋事业与其他事业协调。比如,最近自然资源部整合发布了2021年1月截止的《自然资源现行标准目录》就是一种协同管理的例子。中国气象局在机构改革中并未像海洋局一样并入自然资源部,也未像地震局一样并入应急管理部,可能与气象资源的特殊性、学科的基础性和气象保障的多重性有关。当然,基于地球系统理念,气象部门要提高气象保障能力,也必须加强与自然资源部各部门特别是海洋局的协调。

中国气象局局长庄国泰在2021年全国气象局长会议上提到“海洋气象是中国气象业务的短板”,宣示未来海洋气象业务的发展气象部门责无旁贷,也意味着过去由海洋业务部门承担的一部分海洋气象业务将可能回归气象业务部门。

3 海洋气象学的发展和展望

20世纪80年代束家鑫[12]对中国海洋气象学的发展进行了回顾和展望。他在文中对海洋气象学的研究范围是这样界定的:海洋及巨大水域上的天气现象和天气系统、海洋与大气相互作用、海上风暴潮、海浪等。他从海洋气象观测、探测和资料收集,海上风暴潮及海浪、海气相互作用、温带气旋、台风等方面分析总结了海洋气象学的研究内容、研究方法、研究成果,强调了海上观测和数值模拟的重要性。他将海气相互作用的研究分为海冰的预报、小尺度海气相互作用、大尺度海气相互作用3个方面。他还特别指出,海洋和大气相互作用及其对天气气候的影响是气象学和海洋学的基本理论问题,是地球科学中一个十分活跃的问题,内容极为广泛。左中道[13]在20世纪80年代末期曾指出,关于小尺度海气相互作用,还须在海上小尺度观测、理论研究等方面多开展些工作。Rogers[14]1995年在回顾海—气相互作用研究时也指出人们已认识到了小尺度过程在海—气相互作用中的重要性。Kraus和Businger[15]在1994年提出了一些需引起更多关注的研究领域:风和表面波的相互作用及其作为次网格尺度过程在大尺度环流模式中的参数化,海—气界面间气体传输等,均涉及到小尺度过程。

20世纪50年代在美国海军研究办公室(ONR)主导下,伍兹霍尔海洋研究所等研究机构和许多大学的气象系参与了大量海洋气象方面的基础研究工作,在《Journal of Meteorology》和《Deep Sea Research(1953)》有部分公开发表的结果。1962年,《Journal of Meteorology》改名为《Journal of the Atmospheric Sciences》,《Deep Sea Research(1953)》改名为《Deep Sea Research and Oceanographic Abstract》,两者均扩大了发文范围,从不同角度保住了海洋气象学研究的阵地。1977年《Deep Sea Research and Oceanographic Abstract》改名为《Deep Sea Research》,并于1979年再次改名并拆分为两份杂志《Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers》和《Deep Sea Research Part B. Oceanographic Literature Review》,分别登载海洋学研究论文和回顾性文章。Part B的回顾性文章自1979年1月改刊起至1992年12月停刊止,一直按以下6个主题来分类:物理海洋学、海洋气象学、化学海洋学、海底地质和地球物理学、生物海洋学、综合。Part A于1993年被拆分为两份杂志《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》和《Deep Sea Research Part II: Topical Research Papers in Oceanography》,Part I曾在1994年1月发出过一次近岸海洋学征稿启事。可见,虽然杂志名称仍然保留“深海研究”,其发文重点逐步偏向各国近岸。《Deep Sea Research》系列杂志虽然一直公开发表至今,中国国内图书馆很难查到其1995年以前的论文全文,而在1995年以后,中国人在此杂志上发文越来越多,并且逐步有中国人或华人担任期刊编辑。与此相对应,美国气象界在1992年将中尺度气象学研究的关注点导向至陆架海岸气象学[16],后来Rotunno等[17]于1996年对前几年的海岸气象学和海洋学的科学进展进行了回顾,以会议总结的形式报告给美国国家研究委员会,具有向政府提供科技战略咨询的性质,报告中强调了海岸气象学的重要性和复杂性,认为对海岸区域海洋和大气的短时(0—24 h)小范围(10—100 km)的预报是现实可期的,并提出了如何实现此目标的建议。以上分析发现,实际上,1992—1993年是美国甚至整个西方关于海洋气象学学科归属认识的一个转折点,在此之前,海洋气象基础研究主要依托海军科学研究部门主导下的深海海上观测,气象学家和海洋学家均有贡献,但更多地从名义上归属于海洋学界;在此之后,随着计算机技术的进步,海洋气象研究更多地由已掌握一定中尺度气象数值模拟技术的气象学家主导,且研究重点更偏向于比深海更易获得观测资料的海岸地区[18]。美国于1970年在海岸和地质调查局、天气局、水产和渔业委员会3个组织的基础上成立了国家海洋和大气管理局(NOAA),隶属商务部。NOAA的成立协调了美国天气、海洋、渔业、气候、环境、太空各个方面,也产生了深远的国际影响。

国际上海洋气象观测和海洋学观测分别由下属于WMO的海洋气象学委员会(CMM)和下属于联合国教科文组织(UNESCO)的政府间海洋学委员会(IOC)协调。1999年,WMO和IOC发起成立了海洋学和海洋气象学联合技术委员会(JCOMM)[19],旨在对海洋和海洋气象观测、资料管理和服务进行国际协调。2001年,JCOMM第一次会议[20]在冰岛举行,有4人及以上成员的主要国家代表团的成员所在单位分布情况见表1。另外,此次会议的8位特邀专家英国3位、美国2位、澳大利亚1位、法国1位、日本1位,大部分是西方主要国家在一些国际性海洋观测机构技术指导委员会的专家。以上与会人员分布情况从侧面反映了当时各国对海洋气象学和海洋学的科技和业务管理架构。由此看来,本世纪初国际主流将海洋气象学归属于气象组织,但由于观测数据对于海洋气象学越来越重要,近20 a其与海洋学的联系一直在加强。在JCOMM这个由西方主导的机构中,中国起初由气象部门参与为主,近年来海洋部门参与更多。事实上,西方国家很重视收集全球气象和海洋观测数据,长期致力于推动国际合作以发动各国力量建立全球观测网,比如世界天气监测网(WWW,World Weather Watch,始建于1962年)、热带大气海洋观测阵(TAO,Tropical Atmospheric Ocean,始建于1985年)、全球大洋观测系统(Global Ocean Observing System,始建于1991年)、地转海洋学实时观测阵(ARGO,Array for Real-time Geostrophic Oceanography,始建于1998年)等。中国幅员辽阔,向国际组织贡献了较多有益的数据,但目前还很难掌握数据全貌并综合应用。

表1 参加JCOMM第一次会议主要国家代表团的成员所在单位分布情况Table 1 Member affiliations of main national delegations attending the first meeting of JCOMM

受国际影响,从20世纪80年代以来,中国政府部门和学者参与了多项海洋气象学或更广义的气候研究国际合作,比如热带海洋全球大气/耦合海洋大气响应试验(TOGA/COARE)[21]。几十年过去了,在大尺度海气相互作用和气候效应方面发表了很多文章,特别是关于ENSO[22],在台风[23]、海雾[24]、海冰[25]、海上大风[26]等灾害天气的观测、理论、模拟和预报等方面也已经取得了很大发展,但是在小尺度海—气边界层湍流结构的研究、动量和热量交换的研究[27]、海洋大气边界层动力学理论和数值模拟方面[28]进展并不多。这可能受制于观测手段和探测技术,也可能与学科归属问题有关。20世纪90年代末以来,中国研究人员与国外合作或者独立进行了一些细致的海气相互作用方面的观测和分析,比如在南沙[29],在黄海和东海[30],但是规模都不大,持续时间也不长。1999年吴增茂和盛立芳[31]回顾了国内外海岸气象学研究进展。2004年Wang等[32]全方位回顾了1999—2002年中国海洋气象学研究进展,提出了积极参与国际合作,展望了以南海为重点的观测和影响研究,所回顾的海洋气象学研究论文分别来自海洋界和气象界,并且,这篇回顾性文章的3位作者分别来自中国科学院海洋研究所、中国气象局台风研究所、中国气象局热带海洋气象研究所,这充分体现了海洋气象学学科的交叉性。2008年Wang等[33]再次回顾了2003—2006年中国海洋气象学研究进展,通过更多的第一手数据解决了一些科学问题,重点对台风、海啸、海冰、海雾、风浪等海洋灾害的研究进行了梳理,介绍了中国海洋气象预报技术和遥感技术的进步,指出了未来努力的方向:改进探测技术、提高观测精度、加强现场观测实验、揭示海—气相互作用原理、应用于预报实践、建立合适的流体动力学模式。这篇新的海洋气象学回顾性文章的4位作者均来自中国科学院海洋研究所,少了气象界的参与,这似乎从侧面反映了中国海洋气象学学科归属的问题及带来的影响。近十年,中国在沿海建立了一些海洋气象观测站进行长期观测和实验。比如,气象部门在广东茂名建立的海洋气象观测站[34]是其中的一个代表。这些海洋气象观测站的建立大大促进了海岸气象学研究和台风预报[35]。2012年彭世球等[36]比较全面地回顾了区域海气耦合模式研究进展。近年来,中国不同单位在海—气—浪—流耦合模式的开发应用方面进行了很多尝试,比如中国气象局上海台风研究所[37]、解放军科教部门[38-40]、航运界[41-42]等。这些是目前研究的前沿,模式的物理和动力过程的细节有待通过更多的观测和理论研究加以完善,逐步改进预报效果。最近几年,中国学者加强了对近海海风锋及其触发对流的机制研究[43-44]以及远距离台风大暴雨的机制研究[45-48],这两方面的研究实际上分别涉及海上天气现象对陆地的近岸和内陆造成的高影响天气,属于海洋气象学的重点研究内容,也是难点。可见,未来海上大气和海表面状况的探测仍然是制约海洋气象学研究的瓶颈之一。

海洋科学是一个很广泛的学科,物理海洋学的理论和数值模拟研究也一样高度依赖于观测,海洋观测探测是联系海洋科学各方向以及海洋气象学研究的纽带。正如国家自然科学基金委冷疏影和许学伟[49]指出,海洋科学是一个观测学科,高度依赖对海洋的长期观测和数据积累,未来需要发展壮大观测探测技术分支学科,基金委将大力支持海上观测实验,支撑海洋科学理论创新。以海上观测探测为纽带,加强与海洋科学的联系,是海洋气象学发展的重要途径。

4 结语

长期以来,海洋气象学存在学科归属矛盾,影响科研和教学活动的有效组织。理顺学科归属问题对于海洋气象学的有序发展非常重要。撇开历史发展的遗留问题,综合分析表明,海洋气象学归属于大气科学比归属于海洋科学更合理。厘清海洋气象学学科归属的关键是理解海—气相互作用的多尺度特征。

海洋气象学归属于大气科学有利于其科研活动的有效组织。但是,也要避免学科方向条块分割,要避免自立山头和固步自封,强调综合应用相关各门基础知识,认知现象、分析现象、理解规律、预测现象、服务社会。海洋气象学未来的发展极大地依赖于海上高科技探测技术、实地和遥感观测的综合应用、中小尺度海—气相互作用理论的突破、多层次大气—海洋耦合模式的发展。随着研究的深入和技术的进步,涉及的学科也是动态发展的。相应地,高校需要培养具有扎实地球物理流体动力学基础理论和宽厚的大气科学与海洋科学专门知识,熟练掌握数值模拟技术的复合型海洋气象专业人才。在教学实践中,可以打破传统教学系统设计局限,使课程设计向着整体优化的方向发展,教师跨系甚至跨院协调,大气和海洋协同出海,既节约成本,又加强交流,还可能产出综合性的研究成果。

要理顺中国海洋气象学学科归属问题,需要科研、教育、业务主管部门从国家层面进行综合协调。理顺学科归属是一方面,引导学科重点发展方向更是一个很重要的问题。对于海洋气象学来说,从大处着眼,从小处着手,需要把海—气相互作用的研究引导到更小的尺度,需要投入更多人力物力潜心攻关卡脖子技术和理论,即海上高科技探测技术、实地和遥感观测的综合应用方法、中小尺度海—气相互作用理论、多层次大气—海洋耦合模式。

(致谢:感谢广东海洋大学发展规划处林年冬教授指导。)

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