中国学科发展战略·大气科学
第一章科学意义与战略价值
第一节大气科学在整个科学体系中所处的地位
地球大气是人类和其他生物赖以生存的最重要环境之一。大气层包裹着地球，但大气总质量却只有地球的一百二十万分之一。事实上，自地表到10千米左右的高空，发生着各种物理过程和化学过程，形成了雾、霜、冰雪和暴雨、寒潮、台风、冰雹、雷电等天气现象和气候变化过程。这些天气现象和气候变化过程既可造福人类，也可能带来严重的气象灾害，影响工农业生产、交通运输和人民生活，甚至威胁人民的生命财产安全。因此，大气科学一直是人类关注的一门非常重要的自然科学学科。
大气科学以地球大气为主要研究对象，是一门非常重要的自然学科，同时也是地球科学的一个重要组成部分。大气科学主要研究大气的各种现象及其演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务。大气科学不仅研究大气的结构、组成，物理和化学过程，演变规律，而且也研究大气与地球系统其他圈层（岩石圈、冰雪圈、水圈和生物圈）相互作用的动力，物理、化学和生物过程。在地球系统的岩石圈、冰雪圈、水圈、生物圈、大气圈等五大圈层中，大气圈是最为活跃的圈层，是地球系统中能量、物质输送和循环的关键桥梁及决定因素，大气科学与其他圈层的相互作用决定了地球系统的整体行为。
自古以来，人类为了更好地发展经济和改善生活，一直重视对地球大气进行研究和探索。事实上，大气科学是一门古老的学科。天气、气候知识起源于自古就存在的长久的生产劳动和社会生活经验总结。早在渔猎时代和农业时代，人们就逐渐积累起有关天气、气候的知识。在公元前2世纪，中国的《淮南子 天文训》和《逸周书 时训解》中就叙述了二十四节气和七十二候。这些非常重要的气候知识正是来源于生产和生活实践，并且又被用于指导农事活动。
17世纪以前，人们对大气及大气中各种现象的认识是直觉性的、经验性的。17～18世纪，由于物理学和化学的发展，温度、气压、风和湿度等测量仪器的陆续发明，氮、氧等元素的相继发现，为人类定量地认识大气组成和大气运动等创造了条件。于是，大气科学研究开始由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段。1783年，法国物理学家查理制成了携带探测气象要素仪器的氢气气球，这是人们认识三维空间大气运动的开始，也是大气科学发展进程中的一次飞跃。
19世纪后，大气科学观测日益完善，大气科学理论开始逐步建立起来。1820年，利用1783年各地同一时刻的气压和风的记录，布兰德斯绘制了历史上第一张天气图，开创了近代天气分析和天气预报方法，为大气科学向理论研究发展开辟了途径，这是大气科学发展史上的又一次飞跃。1835年，科里奥利力的概念和1857年白贝罗提出的风和气压的关系，成为地球大气动力学和天气分析的基石。
进入20世纪，大气科学的理论体系开始建立，现代大气科学进入了一个重要的发展时期。1920年前后，气象学家皮耶克尼斯、索尔贝格和伯杰龙等提出的气团、锋面和气旋学说，为天气分析和预报1～2天以后的天气变化奠定了理论基础。20世纪30年代，无线电探空仪开始普遍使用，为了解大气的垂直结构提供了条件。根据探空资料绘制的高空天气图，发现了大气长波，真正三度空间的大气科学研究从此开始。1939年，气象学家罗斯贝提出了长波动力学，并由此推导出了位势涡度方程，创立了长波理论。这不仅使有理论依据的天气预报期限延伸到3～4天，而且为后来的数值天气预报和大气环流的数值模拟开辟了道路。1942年，厄特尔（Ertel）从完整的大气运动学方程组出发，得出Ertel位涡方程，包括非绝热加热和摩擦效应，从而把位涡方程拓宽到开放消耗系统中，成为研究气候动力学的有效工具。与此同时，大气科学的重要组成部分大气物理学也得到很大发展，如1946年朗缪尔、谢弗和冯内古特的“播云”试验，探明了在过冷云中播撒固体二氧化碳或碘化银，可以使云中的过冷水滴冰晶化，增加云中的冰晶数目，促进降水，这种人工影响天气的试验，加深了人们对大气物理过程的理解。
20世纪50年代以前，大气科学虽然取得了很大的进展，但受海洋、沙漠等人烟稀少地区缺乏资料的限制，以及大多数大气科学无法重复试验的制约，大气科学的研究还不能摆脱定性或半定性的研究状态。20世纪50年代后，以卫星探测为代表的遥感探测技术及计算机技术的发展，打破了这一局面，从而使大气科学进入全新的发展阶段。20世纪40年代中期，冯 诺依曼开发出了现今所用的将一组数学过程转变为计算机指令语言的基本方法。电子计算机的使用、大气运动的数值模拟和数值天气预报使得大气科学成为可以重复试验验证的科学体系，使大气科学研究进入了定量和试验研究的新阶段。大气的各种现象，大至全球的大气环流，小至雨滴的形成过程，都可以依照物理和化学原理以数学形式表达，并用电子计算机模拟这些现象的发生、发展和消亡过程。同时，由于采用气象卫星、气象火箭，激光、微波、红外等遥感探测手段，以及各种化学痕量分析手段等新技术，对大气的观测能力大大增强，观测范围大大拓宽。例如, 极轨卫星和赤道上空地球同步卫星的使用,几乎能提供全球大气同一时间的状况，气象卫星在大气层外的探测，不仅拓宽了观测范围，也极大地丰富了观测内容。
气象卫星、新型气象雷达、飞机等探测手段的联合应用，以及大规模数值模拟计算技术的发展，不仅为早期发现和追踪诸如台风及生命史短至几小时的小尺度灾害性天气系统提供了条件，大大提高了天气预报的水平，而且也使得人们可以开展几星期、几个月、一年以上甚至几十年大气可能出现状态的数值模拟和预测评估。运用全球数值模式来进行天气预报和气候预测预估，是未来大气科学服务于社会发展的方向。可以预期，未来最大的超级计算机都将会应用于大气科学研究和业务发展。
第二节大气科学对推动其他学科和相关技术发展 所起的作用
大气科学与地球科学其他分支学科，以及数学、物理、化学、生物、农业、社会科学等基础和应用性学科之间紧密相连，促进了地球科学及相关自然科学的发展。发展大气科学既是国内外地学领域的重要科学问题，也是促进其他学科和技术发展，以及服务于国民经济和社会发展的重大现实问题。
一、大气科学与地学其他学科相互渗透影响
在很长一段时期内，大气科学先是以天气学、气候学，大气的热力学和动力学问题，大气中的物理现象(如电象、光象、声象)和比较一般的化学现象等为主要研究内容，传统称之为“气象学”。随着现代科学技术在气象学中的应用，其研究范畴日益扩展，因而从20世纪60年代以来，“大气科学”术语的日益广泛应用，在很大程度上扩充了传统气象学的研究内容。 近年来，由于人类越来越认识到大气圈与岩石圈、冰雪圈、水圈和生物圈之间相互作用和相互影响的重要性，要了解大气变化过程就不能不深入到其他圈层变化过程进行研究。因此，大气科学的研究内容越来越广泛，与其他学科之间的相互渗透也越来越深入。比如，要研究大气运动，需同流体力学、热力学、数学等学科领域密切合作；要研究太阳辐射及太阳扰动在大气中引起的各种变化与机制，需同高层大气物理学、太阳物理学和空间物理学等学科领域密切合作；要研究水分循环、海洋和大气的相互作用，需同水文科学和海洋科学等学科领域密切合作；要研究地球大气的演化、地球气候的演变，需同地球化学、地质学、冰川学、海洋科学、生物学和生态学等学科领域密切合作；要研究大气化学和大气污染，需同化学、物理学、生物学和生态学等学科领域密切合作；要研究大气问题的数值模拟、数值天气预报等，需同计算数学等学科领域密切合作；要研究大气探测的手段和方法，需同有关的技术科学密切合作；在大气探测、天气预报等自动化的进程中，大气科学还不断同信息理论、系统工程等科学技术领域密切合作。在相互合作和相互渗透的过程中，大气科学不断汲取其他学科的养料；大气科学特定的要求又不断为其他学科开辟新的研究方向，不断丰富着其他学科的内容。
二、大气科学与自然科学其他学科在相互促进中共同发展
大气科学所研究的是自然界中重要的现象，大气科学的理论对自然科学的发展也起了很大的推动作用。20世纪20年代，挪威著名气象学家皮叶克尼斯(V Bjerknes)提出斜压大气和环流理论，推动了整个宏观流体动力学的研究; 1922年，英国科学家理查森(L F Richardson)提出逐步积分的概念，促进了后来计算科学的发展; 20世纪30年代，著名的美籍瑞典气象学家罗斯贝(C G Rossby)提出，我国著名气象学家叶笃正、曾庆存所发展的大气适应理论说明了在大气、海洋这种自然界中质量的分布与运动互相作用，运动由于质量分布不均匀产生，而质量的分布是在运动中形成的，这是自然辩证法的一个很好的发展;在20世纪60年代初，美国伟大的气象学家洛伦兹(E N Lorenz)提出了混沌和奇异吸引子概念。他指出了科学上的确定论与随机论不能截然分开，而且还可以互相联系起来，这被公认为是当代自然科学的重大突破。这些概念的提出不仅推动了大气动力学的发展，而且使数学、物理学、生物学等自然科学取得重大突破，同时也使社会科学得到了很大发展。哲学界认为自然科学发展中有“三次革命”:第一次科学革命是17世纪初牛顿创立的经典力学，它使观测和实验所得到的科学现象上升为理论，产生了近代自然科学理论;第二次科学革命是20世纪初爱因斯坦提出的狭义和广义相对论，为量子力学等现代科学的发展奠定了理论基础;第三次科学革命就是伟大气象学家洛伦兹所提出的非线性系统的“混沌和奇异吸引子”概念，这个理论把自然界的确定变化与随机变化联系了起来，从而可以描述自然界物体运动的多样性、奇异性和复杂性。因此，大气科学与自然科学其他学科是相互影响、相互促进的。
第三节大气科学在国家总体学科发展布局中的地位
大气科学在国民经济和社会发展中的地位越来越重要。在全球变暖的背景下，我国极端天气气候事件频繁发生，严重的气象灾害影响到国民经济和社会发展的方方面面。20世纪90年代以前，我国每年因灾害性天气气候造成的经济损失占我国GDP总量的3%~6%，而2010以后占GDP总量的1%~3%。弄清我国天气气候演变规律和成因，提出天气气候变化的预测理论，服务于减灾防灾，是国民经济和社会发展的重大迫切需求。随着全球气候变暖，大气科学的重要性日益凸显，大气科学已成为地球系统科学中最活跃的领域。为了防灾减灾和应对气候变化，大气科学从来没有像今天这样受到政府、社会和公众的重视和关注。
一、大气科学是国家科技的优先发展领域
2006年，我国发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006—2020年)》，该纲要表明大气科学与我国国民经济和社会发展有着极其重要的关系。在该纲要中，大气科学涉及11个重点领域中的5个，即资源、环境、农业、城镇化与城市发展和公共安全，6个与大气科学有关的问题成为优先主题。在18个基础科学研究问题中，大气科学涉及一个科学前沿问题，即地球系统过程与资源、环境和灾害效应；涉及两个面向国家重大战略需求的基础研究问题，即人类活动对地球系统的影响机制、全球变化与区域响应。
2006年，国务院3号文件《国务院关于加快气象事业发展的若干意见》发布，从国家和政府层面上提出加快气象事业发展的重要性和紧迫性。该意见指出：加快我国气象事业发展是应对突发灾害事件、保障人民生命财产安全的迫切需要，是应对全球气候变化、保障国家安全的迫切需要，是应对我国资源压力、保障可持续发展的迫切需要。气象与我国国民经济和社会发展的关系越来越紧密，气象事业的社会关注度越来越高。中国气象局提出我国气象事业发展的战略新理念，即公共气象、资源气象、安全气象。我国气象业务已从传统的天气、气候预报拓展到天气、气候、气候变化、生态与农业气象、大气成分、人工影响天气、空间天气及雷电防护等多种业务。
2007年，国务院办公厅颁发了《关于进一步加强气象灾害防御工作的意见》的49号文件。2007年，党的十七大明确提出，加强应对气候变化能力建设，为保护全球气候做出新贡献。
2012年，党的十八大报告首次专门论述了生态文明，“加强防灾减灾体系建设，提高气象、地质、地震灾害防御能力。坚持预防为主、综合治理，以解决损害群众健康突出环境问题为重点，强化水、大气、土壤等污染防治。坚持共同但有区别的责任原则、公平原则、各自能力原则，同国际社会一道积极应对全球气候变化”。2015年，党的十八届五中全会再次阐释了生态文明、绿色发展的重要战略，并强调了以科技创新推动发展的重要意义，启动了减灾防灾和环境保护领域的“十三五”国家首批重大专项。
二、大气科学已形成完整的学科体系
大气科学作为地球科学的重要学科分支，事关我国地球科学发展水平、国家科技进步、国家安全和人民群众的福祉安康。大气科学的发展，一直伴随着整个地学乃至自然科学的发展，并对自然科学的学科发展起到了重要的促进作用。地球科学及其他基础学科、技术学科的发展，国民经济和社会发展及国家安全与国家资源环境战略需求，以及大气科学自身发展的需求推动了大气科学的发展。
目前，在国家总体学科发展布局中，中国气象局、中国科学院及高校共同组成了气象业务科学研究、大气科学基础和应用基础研究、大气科学领域的人才培养的体系框架。其中，中国气象局承担了中国气象业务服务的主要任务和大气科学研究的重要任务，中国科学院承担了大气科学研究的重要任务和高层次人才培养的重要任务，教育部高校和部分省属高校承担了大气科学领域人才培养的主要任务和大气科学研究的重要任务。迄今为止，民营的气象科研和业务服务力量还仍然非常弱小。
目前，中国内地承担大气科学研究的主要机构有中国科学院下属的大气物理研究所等研究所，中国气象局所属中国气象科学研究院、各业务中心和省级气象业务研究部门，教育部直属和部分省属高等学校等。另外，香港、澳门和台湾地区还有多个研究和教学机构涉及大气科学研究和人才培养。中国气象学会在大气科学学术交流和科普宣传中搭建了高水平平台，发挥了重要的作用。
目前，我国共有三所大学——北京大学、南京大学、南京信息工程大学拥有大气科学领域国家级重点学科；其余设置大气科学学科的高等学校拥有一些大气科学类国家级重点学科培育点或省部级重点学科。中国科学院大气物理研究所和中国气象科学研究院拥有国家级重点实验室；一些高等学校拥有一批大气科学类教育部、中国气象局、省属重点实验室。我国有18所大学（港、澳、台地区数据未统计在内）从事大气科学研究和研究生培养，其中有13所大学从事本科生培养。一些高等学校拥有大气科学类国家级、省级实验教学示范中心。另外世界气象组织（WMO）还在我国设置了亚洲区域培训中心。这些国家和省部级重点学科、国家级和省部级重点实验室等已成为推动我国大气科学学科发展和人才培养质量提升的重要学术平台。
三、大气科学在地球科学发展中的前沿地位
1大气科学相关的大型国际计划
1980年，世界气象组织和国际科学理事会设立了世界气候研究计划 (WCRP)，其总目标是要确定气候变异和变化的可预报性，以及人类活动对气候的影响程度。为实现该目标，WCRP相继在全球范围内发起了一系列重大国际科学研究计划，包括热带海洋和全球大气(TOGA)计划、世界海洋环流试验(WOCE)计划、全球能量和水循环试验(GEWEX)计划、平流层过程及其在气候中的作用(SPARC)计划、北极气候系统研究(ACSYS)、气候与冰冻圈(CliC)计划及气候变异与可预报性研究(CLIVAR)计划。其中CliC、CLIVAR、GEWEX、SPARC是目前WCRP的四大核心计划。这些重大研究计划的实施已经和正在为揭示气候变异和变化的规律、机理及可预报性做出重要贡献。
气候变化已引起各国政府的高度重视。1988年，世界气象组织和联合国环境规划署（UNEP）建立了政府间气候变化专门委员会(IPCC)，其主要任务是定期对气候变化的现状及其对社会和经济的潜在影响，以及适应和减缓气候变化的可能对策等进行科学评估，为各国政府和国际社会提供气候变化的信息。IPCC自成立以来，已在1990年、1995年、2001年、2007年、2013年先后五次提出了科学评估报告及综合报告，第五次报告进一步强调了人类活动对全球增暖的影响。
气候变化是全球变化的重要部分。为应对全球变化的严峻挑战, 应深入研究全球变化的各种主要问题，为全人类社会经济的可持续发展提供科学支撑。与全球变化相关的四大著名国际研究计划包括WCRP、IGBP、IHDP(国际全球变化人文因素计划)、DIVERSITAS(生物多样性计划)，这四大国际研究计划联合起来于2001年建立了地球系统科学联盟(Earth System Science Partnership，ESSP)。ESSP成立之后启动了四项联合计划: 全球碳计划(GCP)、全球环境变化与食物系统(GECAFS)、全球水系统计划(GWSP)、全球环境变化与人类健康(GECHH)。它们的主要目的是综合研究全球变化及其对全球可持续性发展的影响。之后，又实施了两个区域性集成研究计划，即季风亚洲区域集成研究(MAIRS)和亚马孙生物圈大气试验(LBA)，为推动全球变化的区域集成研究起到了重要作用。
与全球气候变化关联的全球变化是国际科学联合理事会(简称国际科联，ICSU)长期关注的问题之一。近年来，其关注的重点正从着重理解人类对地球系统的影响转变到更广泛的领域，包括理解和预测全球环境变化的后果，以及人类应对全球环境变化的方法和策略。2013年，由国际科联、国际社会科学联盟(ISSC)发起，联合国教科文组织(UNESCO)、联合国环境规划署、联合国大学(UNU)和国际全球变化研究资助机构(IGFA)等组织牵头了一个为期十年(2013~2022年)的大型科学计划，即“未来地球”(Future Earth)计划，该计划旨在应对全球环境变化给各区域、国家和社会带来的挑战，加强自然科学与社会科学的沟通与合作，为全球可持续发展提供必要的理论知识、研究手段和方法。“未来地球”计划将在整合目前相关GEC项目(IGBP、WCRP、IHDP、DIVERSITAS)的同时，与Belmont Forum合作在全世界推动和实施该计划。由“未来地球”计划涉及的研究方向可以发现，国际科联与地球系统科学联盟的目光已从过去单纯的地球物理过程和人类活动研究深入到环境社会耦合系统中来，并将重点放在人类社会的稳定和发展层面上，强调了通过技术和制度的创新和推广，以及集体和个人的共同努力，适应和减缓气候变化，并最终达成良性的全球可持续发展。
2我国大气科学发展规划
自“八五”以来，特别是近10年来，我国通过国家重点基础研究发展计划（“973”计划）等国家重大科技计划的实施，围绕东亚季风变异、极端天气气候事件、海陆气相互作用与气候变异、气溶胶的气候效应、平流层过程及其在天气气候中的作用、代用指标与过去气候变化、北方干旱化与人类适应、冰冻圈过程及其对气候的影响、重大天气气候灾害形成机理及预测理论、大规模城市化的气候效应及对策、气候变化的社会经济影响分析和减缓对策等方面的重大科学问题进行了大量项目部署，取得了许多重要进展。为贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，为履约、应对国际谈判和应对气候变化自主行动提供科技支撑，2010年科技部启动了“全球变化重大科学研究计划”，部署了一大批项目，针对全球变化研究中的关键科学问题，开展基础性、战略性、前瞻性研究，旨在全面提升我国全球变化研究的竞争力。
我国地处亚洲季风区。亚洲季风是当前世界气候研究的一个重要焦点。季风变异涉及复杂的海、陆、气相互作用过程，影响着世界上人口最为集中区域的经济和社会。亚洲季风气候变异不仅受到全球气候变化的影响，也能引发全球气候的异常。2007年，WCRP联合科学委员会批准了“亚洲季风年”(AMY)协调季风观测计划，主要目的是对亚洲季风海洋、陆地和大气之间的相互作用进行综合观测，并在此基础上开展数值模式参数化改进、亚洲季风区海洋和大气资料同化分析及季节年际尺度气候异常的可预报性研究，为提高对季风的认识及预测水平，以及防灾减灾服务。
青藏高原是控制大气环流的重要因子，它通过全球动量能量和水分循环影响着区域和全球的气候变化。2013年，国家自然科学基金委员会发布和实施了“青藏高原地气耦合系统变化及其全球气候效应”重大研究计划，旨在揭示青藏高原对全球气候及其变化的影响机制，提高亚洲及全球天气气候预测水平，培养一批优秀的领军人才，把我国青藏高原大气科学研究进一步推向世界舞台并处于国际的领军地位，从而为社会的可持续发展做出贡献。总体科学目标是：认识青藏高原地气耦合过程、青藏高原云降水及水循环过程，以及对流层平流层相互作用过程；建立青藏高原资料库和同化系统；完善青藏高原区域和全球气候系统数值模式；揭示青藏高原影响区域与全球能量和水分循环的机制。随着全球气候变化研究的深入，青藏高原地气耦合系统变化及其全球气候效应的重要性越来越显现，已经成为一个重要的国际气候研究和地球系统科学研究前沿。开展青藏高原对中国灾害性天气气候变化影响的研究，将提升我国灾害性天气气候预报能力。
第四节大气科学是实现国家科技发展战略目标的
重要支撑之一
大气科学是重要的基础性并具有广泛应用的学科，在环境、生态和资源成为社会经济发展热点问题的今天，大气科学的学科发展和科技创新具有重要的意义。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确提出，到2020年我国科技发展的目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，进入创新型国家行列。党的十八大明确指出，科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置，并提出要坚持走中国特色自主创新道路、实施创新驱动发展战略。因此，提高科技创新能力、实施科技创新驱动战略，是我国科技发展的核心任务。大气科学是地球系统科学中最活跃的分支学科，大气层的运动复杂多变，时刻影响着人类生存的环境，同时又受多种因素的共同影响。气候系统五大圈层相互作用、大气科学与多学科交叉融合不断推动提出学科发展的新需求和新问题，也不断提供学科创新的动力和创新发展的空间。大气科学涉及纲要提出的许多前沿重点发展方向和领域，大气科学不仅在科学基础研究领域，而且在前沿技术的开发应用领域，也发挥着越来越重要的作用。大气科学技术是实现国家科技发展战略目标的重要支撑之一。
一、大气科学涉及科技发展战略多个重点领域和优先主题
实施创新驱动发展战略，是我国的重要国策，对我国形成国际竞争新优势、提高经济增长的质量和效益、降低资源能源消耗和改善生态环境具有重要的意义。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》根据全面建设小康社会的紧迫需求和世界科技发展趋势，把发展能源、水资源和环境保护技术放在优先位置，强调基础科学和前沿技术研究的重要性，并特别指出要在重点领域解决重大公益性科技问题，提高公共服务能力。在纲要提出的11个重点发展领域及其优先主题中，公共安全、环境、农业、能源、水资源、城镇化与城市发展、国家安全等众多方面都与大气科学密切相关。
随着经济社会的发展和文明的进步，自然灾害的防御、预报预警和应急处置逐渐成为社会公共安全的重要内容。在全球气候变化的背景下，气象灾害对经济社会的影响日益加重，气象灾害及其衍生灾害占所有自然灾害的三分之二以上。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》把气象灾害的防御提升到公共安全的高度，对气象灾害的监测预警关键技术的研究赋予了新的内涵，也提出了新的更高的要求。气象信息利用既可以有效规避气象灾害带来的损失和影响，同时也可以趋利避害，为各经济生产行业有效利用气象要素资源和环境条件提供增值的空间，气象信息对促进经济社会发展的重要意义正在各个行业日益显现。该纲要对大气科学在能源资源、水资源领域的科技支撑作用提出了明确要求。环境资源问题和城镇化问题是我国新的发展时期面临的两个重要问题，该纲要明确把城镇科学规划与资源环境承载能力放在科技支撑需求的首要位置，凸显了需求的迫切性和重要性。气候要素是环境资源的基础，气候要素及其变化规律是环境问题、资源利用问题不可回避的研究主题。大气科学是基于观测和信息处理发展起来的基础应用学科。航天、探测、信息网络技术、高性能计算等前沿技术的进步为大气科学的发展提供了机遇，同时大气科学发展的需求也促进了这些前沿技术的发展应用。有效地利用这些领域高新技术的成就，也是大气科学研究取得创新成果的重要路径和内容。作为重要的基础学科之一，大气科学在认识地球系统、了解和把握人类活动与自然的相互作用规律的科学研究中起到了核心作用，同时也还有很多重大的科学问题需要解决和突破。
综上所述，国家发展对大气科学的需求集中体现在公共安全、公共服务、资源环境、基础研究支撑和高新技术应用等几个方面。
二、大气科学成为公共安全科技保障的重要基础
公共安全是国家安全和社会稳定的基石。面对我国公共安全领域的严峻挑战，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》对大气科学研究和技术进步提出了更高的需求。纲要指出，要形成科学预测、有效防控与高效应急的公共安全技术体系，优先解决公共安全领域的大气科学问题，要重点研究开发台风、暴雨、洪水、地质灾害等监测、预警和应急处置关键技术，大力发展森林火灾、溃坝、决堤险情等重大灾害的监测预警技术，以及重大自然灾害综合风险分析评估技术。纲要强调，要重视复杂系统、灾变形成及其预测控制的理论研究，加强研究复杂系统运动、突变规律，研究复杂系统不同尺度行为间的相关性，发展复杂系统的理论与方法等。
三、大气科学为提高公共服务能力提供科技支撑
当今，人们越来越意识到，气象信息服务涉及社会公众、行业的方方面面，是重要的社会公共服务。按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》的要求，大气科学要大力开展气象重大公益性科技问题研究，为提高气象公共服务能力提供科技支撑。例如，大气科学研究可以在农业结构区划、种植业结构调整、病虫防御、牧畜承载力评估和气象灾害的监测与防治技术等方面提供科技支撑；气象信息可以在智能交通管理系统、交通事故预防预警技术等方面发挥科技支撑作用。气象信息是一项重要的社会基础信息，气象信息与经济社会众多的其他信息相互关联，可产生新的价值和产业机会。在以大数据、云计算为导向的信息时代，气象信息将在促进国家基础信息服务和相关产业发展的领域提供基础的科技支撑。
四、大气科学聚焦面向资源环境的关键问题
大气环境是生态环境的基础条件。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确提出，全球环境已成为国际社会共同关注的焦点。我国参与全球环境变化合作能力亟待提高。气候变化与全球环境相织交错，纲要指出，要积极参与国际环境合作，加强全球环境公约履约对策与气候变化科学不确定性及其影响研究，开发全球环境变化监测和温室气体减排技术，提升应对环境变化及履约能力。
大气要素及其变化同时也是很多自然资源开发利用的基础，按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》要求：要加大风能、太阳能可再生能源规模化应用利用原理和新途径研究，深化电网安全稳定和经济运行的理论和技术研究；要发展水资源跨流域调水、雨洪利用等水资源开发技术，重点研究开发大气水转化机制和优化配置技术，提高人工增雨的技术水平，加强长江、黄河等重大江河综合治理及南水北调等跨流域重大水利工程治理开发的关键技术，开展针对我国水土资源区域空间分布匹配的多变量、大区域资源配置优化分析技术，建立预测决策模型。
城镇化是我国实现现代化的重要途径。城镇化进程中，环境问题日益突出而受到关注，环境容量正在成为城镇化进程中必须考量的条件或红线。纲要提出要实现城镇发展规划与区域资源环境承载能力的相互协调，要求加强信息技术应用、提高城市综合管理水平。纲要还指出，要优先重点研究开发城市防灾减灾等综合功能提升技术，加强城市“热岛”效应形成机制与人工调控技术的研究。
五、大气科学是面向国家战略需求的重要基础研究
基础研究的目的是深刻认识自然现象、揭示自然规律，是未来科学和技术发展的内在动力。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》指出，在国家科技基础研究中，科学前沿问题的重要方向之一是地球系统过程与资源、环境和灾害效应，主要研究地球系统各圈层（大气圈、水圈、生物圈、地壳、地幔、地核）的相互作用，地球系统中的物理、化学、生物过程及其资源、环境与灾害效应，地基、海基、空基、天基地球观测与探测系统及地球模拟系统，地球系统科学理论等，并加强太阳活动等外源系统对地球环境和灾害的影响及其预报等。大气科学是地球科学的重要组成部分，气候动力学研究、气候系统复杂的耦合作用研究、气象灾害规律研究将有助于从整体上认识地球系统，了解各组成部分之间的相互影响，更加深刻地理解大气圈在地球系统中的作用。纲要从国家战略需求的角度，要求将全球变化与区域响应作为基础研究的研究方向之一，对当今国际政治和环境外交中全球变化的热点问题开展研究，为我国开展环境外交提供有力的科技支撑。
六、大气科学助推若干前沿技术发展
前沿技术是高技术领域中具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术，是未来高技术更新换代和新兴产业发展的重要基础，是国家高技术创新能力的综合体现。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》指出，要推进科学实验与观测方法、技术和设备的创新，强调要在地球科学与空间科学研究中采用新观测手段和新信息获取方法，发展高分辨率对地观测系统。其中，海洋环境立体监测技术要着重发展在空中、岸站、水面、水中对海洋环境要素进行同步监测的技术，并和大气探测互为补充，将海洋和大气作为一个整体，以支撑海气耦合研究。而空天技术的发展，将对人类探测和研究地外行星及其大气状况提供重要支持。大规模超算技术和大数据信息处理技术，是大气科学研究和业务突破的技术基础，同时，大气科学的科研业务实践也将对大规模超算技术提出更高的要求，从而客观上促进其发展。
第五节大气科学为国民经济、社会发展和国家安全
保驾护航
大气科学是自然科学的重要组成部分，是国民经济和社会发展重要的科学知识基础和技术保障条件。适宜的大气环境是人类生存和实现可持续发展的必要条件，目前，全球气候变化正深刻地影响着人类生存和发展，环境、健康、农业、水资源、能源、海洋、交通运输、城市发展、国家安全等敏感行业都受到气候变化的影响。世界气象组织在其发展战略中指出，气象服务要满足全球的新需求，在降低灾害风险、保障各种交通的安全性、维护经济运行、加强应对气候异常和气候变化应变能力，以及实现自然资源的可持续利用等领域发挥作用。更科学地认识和把握天气气候规律，提高我国防灾减灾、合理开发利用气候资源和保护大气环境的能力，是我国大气科学学科为经济社会发展和国家安全承担的首要任务。
一、大气科学与公共安全
自然灾害管理是社会公共安全的重要内容，而气象灾害占所有自然灾害的70%以上。我国是天气气候灾害多发频发地区，全球变暖使得极端天气气候事件发生频率增加。另外，随着经济的发展，一次气象灾害所造成的经济损失越来越大，气象灾害的影响呈现复杂性和延伸性，灾害发生的气象致灾因子和影响因子不断出现新的特征，灾害预防预警对气象要素预报预测的需求不断增加。因此，大气科学必须加强对灾害性天气气候成因的机理研究和预测预报技术的开发，不断提高天气气候预报的精准程度，延长预报时效，丰富预报要素，其中以提高对极端天气气候事件的预报水平为主要目标，重点在台风、暴雨、洪水、地质灾害等影响重大的气象灾害的路径落区预报、风雨定量预报、延长预报时效等方面取得成果突破，为科学防御气象灾害和衍生灾害提供基础支撑。
二、大气科学与环境健康
大气环境与人类生存密切相关，大气环境的每一个因素几乎都影响到人类生存和发展。大气污染不仅对人体健康形成巨大威胁，也会对工农业生产造成各种危害。目前，大气污染成为全世界最重要的热点问题。大气污染的累积和形成与天气气候环境有直接的关联，大气成分的演变规律是大气科学的重要研究内容。
大气污染造成的危害不仅取决于大气污染物质的来源、性质、浓度和持续时间，也和污染地区的气象条件、地理环境等因素密切相关。大气污染还会对全球大气环境造成影响，主要表现在空气质量影响、臭氧层破坏、酸雨腐蚀和全球气候变暖。对大气污染物造成危害的机理、分布和规模等问题进行深入研究，可以为控制和防治大气污染提供必要的依据。
大气污染的防控是我国实现国民经济增长方式转变的重要指标，是建设美丽中国的基本条件。近年来，我国的大气污染加重，特别是华北地区多次出现严重的雾霾天气，引发全社会对大气污染问题的关注。2013年，国务院发布《大气污染防治行动计划》，部署一系列治理大气污染措施。科学实施大气污染治理，需要在产业规划、城市建设规划前置考虑当地大气运动和大气污染演变规律，并动态地监测评估大气成分承载力，制作发布区域气候容量资源负载表。这些工作的开展，需要大气科学在大气化学、大气边界层、数值模式等多方面的研究工作成果提供科技支撑。
气象环境和大气污染直接影响人们的身体健康和居住的舒适度，同时，大气环境条件还直接与一些传染病和疫情的爆发传播有密切关系。气候变化导致热浪事件频发多发也会对人类健康产生越来越广泛的影响。世界气象组织和世界卫生组织在2014年联合成立了气候与健康办公室，以便更好地利用短期到长期的气象预报信息对疾病疫情进行更有效的防控和应对。
三、大气科学与水资源
水资源将是未来最重要的自然资源。我国面临严重的洪涝灾害、水资源短缺、水环境恶化和水土流失等一系列水问题。我国位于东亚季风区，降水时空的不均匀性是我国水资源管理中最重要的特点和难点，减灾避险与资源利用相结合，正成为水资源管理的新思路。将防治洪水灾害和利用洪水资源相结合，既防灾减灾又趋利避害，在最大限度地减轻灾害损失的同时尽可能将洪水转化为可利用资源，需要有天气气候演变规律、预报预测信息才能得以有效实现。
在气候变暖、人口增长及经济社会发展对水资源需求不断增长的共同影响下，地下水超采、河流断流、入海径流减少等现象严重，水的环境质量也受到气候变化和人类活动的深刻影响。在水资源规划和未来供给中，气候变化的影响成为必需的考虑因素，从气候系统的观点和理论出发研究上述因素的影响，并探讨水资源循环再生的维持机理，对水资源可持续利用具有重大的科学和现实意义。
开发空中云水资源是人类调控降水分布、改善水资源状况的重要手段。为提高人工增雨的效益，急需加强人工影响天气的关键技术研究，更好地理解和把握降雨形成的微物理过程，提高人工增雨作业中最优条件、时机和位置的选择的科技水平，研究高效作业方式和手段，科学评估作业效果，合理开发空中云水资源，提升人工影响天气的服务效益。
四、大气科学与农业
农业是国民经济的基础，农业生产高度依赖天气气候条件，一直是气象科研和业务工作的主要对象。虽然农业种植技术已经有了很大的进步，但天气气候灾害给农业生产造成的巨大损失仍然是不可忽视的，天气气候条件仍然是决定农业丰歉的重要因素。加强农作物不同生长期气象要素的适宜性和敏感性研究，研究低温冷害、霜冻害、冻害、干旱、洪涝、干热风、寒露风、冰雹、大风和风沙及森林火灾等主要农业灾害的发生规律，是提高农业敏感天气预报的准确率的技术理论基础。
我国地域辽阔，气候条件的巨大差异使得农业气候资源分布具有明显的区域性特点，区域气候对全球气候变化的响应，导致光、热、水等农业气候资源在数量、时间和空间上的变化，对耕地可种植面积、种植熟制、作物生长发育、粮食产量、农作物品质等产生影响，从而极大地影响着种植业气候资源的分布和生产潜力。同时，气候变化还带来农业病虫害种类分布、迁徙和习性的变异，农业气象灾害的风险分布也会发生改变。
粮食安全是国家安全的重要内容，也是国家发展和社会稳定的基础。我国作为人口大国，粮食安全一直以来都是国家的头等大事。研究把握在气候变化的背景下气候因素对农业生产的影响，是对农业气象科研工作提出的新命题和新挑战，是一项关系国家粮食安全的重要任务。
五、大气科学与能源
开发利用清洁能源和可再生能源，是我国能源政策的重要内容。我国是全球最大的能源消费国，调整能源结构、增加可再生能源的比例，是保护环境、保障居民健康实现可持续发展的重要途径，也是积极减排温室气体、主动应对气候变化的重要途径之一。风能、太阳能资源精细化评估，优化选址技术和安全并网运行气象保障技术，迫切需要在区域气候变化、气象灾害发生规律、地形气候影响、大气边界层特征和数值模拟技术等方面提供科技支撑。
提高能源利用效益，也是降低能源消耗的积极手段。气象预报预测信息的使用，能够根据气象环境条件，合理调整供暖季的调温和采暖配置，以达到节约能源的效果。提高温度预报预测的准确率、延长预报时效、开展社区楼宇的精细化温度预报，是有效调整供暖指标、减少能源消耗的技术基础。
六、大气科学与海洋
随着海洋经济的兴起，我国海洋航运、油气开采、海洋渔业、科研调查、海洋管理等各类海上经济社会的气象保障需求迅速增加，急需加强对台风、大风、寒潮、海雾等海洋气象灾害的监测预警能力，提高台风路径预报、大风强度预报、海雾预报精度，延长预报时效。这些都是大气科学研究需要关注的核心目标。同时，大气和海洋是联系最为密切的两个系统，深入开展海气相互作用中海洋灾害形成机理研究，有利于科学预报和应对海洋灾害的发生，减少和避免生命财产损失。
七、大气科学与交通运输
交通运输业是国民经济的基础产业。现代交通运输对天气条件高度敏感，恶劣天气气候会引起交通拥堵甚至瘫痪，造成交通事故，给国民经济和社会发展带来巨大损失。极端高温、低温、积雪、结冰、低能见度、大风、暴雨及其引起的山洪、滑坡、泥石流等次生灾害，对公路、铁路、内河等运输方式都将造成严重影响和重大损失。研究开发交通天气气候条件的监测、预报、预警、服务技术方法，是交通气象科研的主要任务。
同时，加强气候变化对交通基础设施影响的研究，在数值模拟、降尺度技术等的支持下开展交通气候区划、气候论证及影响评估，也是交通运输基础设施建设中迫切需要的科技支撑。全球气候变暖对海平面、海冰覆盖的影响，会在一定程度上改变海运交通的格局。全球气候变化研究要关注变暖趋势对北极海冰覆盖的影响，研究蓝色北极和北极海运通道对全球贸易和运输产生重大影响。
八、大气科学与航空和空天技术
航空业一直是气象服务的重要领域。作为航空业大国，我国迫切需要建立自主的航空气象保障业务，逐渐摆脱英美独霸航空气象服务的局面。随着我国航空运输的发展，通用航空的发展需要更为个性化的气象服务产品，飞行安全和空域调度都需要更为精细化的气象监测和预报技术支持。
从平流层到近地空间高层大气的剧烈变化对卫星、通信等技术系统及航天活动都有重要的影响。对空间天气的监测和预测预报越来越成为迫切的需求。保密通信、应急通信、军事通信、星地通信等依赖电离层天气的短波通信领域，需要有更准确的空间天气预报技术支撑。其次，中高纬地区的地面电力输送系统，需要根据空间天气的干扰预报预警进行防护。随着我国超高压输电网的空间跨度的大大增加，其对空间天气的敏感性将显著增加。此外，航天是空间天气业务最重要的需求方，进入太空的航天器会不可避免地受到其所处环境的影响。随着我国航天事业的快速发展，以及高精度载荷、不断扩大的空间探索范围和高精准目标要求，在轨环境、飞行安全、精密测控等方面对空间天气保障提出了越来越多的新需求。
九、大气科学与城市发展
城镇化是我国实现工业化、现代化的重要途径。目前，我国城镇化率已经超过50%，未来城镇化率将超过70%。新型城镇化是我国城镇化实现可持续发展的必然选择。《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》提出，要推进绿色城市、智慧城市和人文城市建设，要根据土地、水资源、大气环流特征和生态环境承载能力，优化城镇化空间布局和城镇规模结构。城镇化面临的城市安全运行、防灾减灾、气候资源合理利用和应对气候变化等问题均需要大气科学提供科技支撑。对暴雨、高温、雾和霾、雷电、冰雹、大风等城市灾害进行风险评估与区划，可以在城镇规划和建设过程中为城市空间合理布局提供科学依据。《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》指出，要完善城市应急管理体系，加强城镇防灾减灾能力建设，抵御台风、洪涝、沙尘暴、冰雪、干旱、地震、山体滑坡等自然灾害。迫切需要大气科学研究成果为城市地区高影响天气监测预警、城市社区高精度气候环境模拟提供技术支持，从而为政府决策部门、城市生命线安全运行（水务防汛、交通路政、电力、供热等）提供保障服务，以及为突发公共安全事件应急保障提供科学支撑。
十、大气科学与国家安全
大气科学对我国国家安全具有越来越重要的影响。国防安全历来是国家安全体系的关键内容。自古以来，气象条件就是战争重要的环境条件之一。现代国防在作战防御和武器使用方面都更需要大气科学给予科技支撑，以空海军为主力的现代全天候国防力量、中远程导弹系统、空间武器尤其需要在气象预测预报、空间天气监测预报等方面有高精准、长时效的保障技术支持。将先进的大气综合探测和预报预测技术成果优先应用于国防军事建设，为国防安全提供可靠的气象保障，是大气科学研究的重要职责。
全球经济活动的安全保障是当今国家利益的重要内容，随着全球化进程的深入，经济贸易交流和人员往来已经遍布世界的每一个角落，维护世界和平和国际经济贸易秩序，是我国需要履行的国际义务，也是维护我国国家利益的重要内容，国家对气象服务保障的需求也将随之延伸到世界各地，呈现全球化的趋势。