双碳目标下加强气象学科交叉的路径探索

杨萍 王志强

摘 要 习近平主席在第七十五届联合国大会上首次提出中国力争在2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰、碳中和目标（以下简称双碳目标）随之被纳入生态文明建设整体布局。双碳目标在提振全球应对气候变化信心的同时，也给中国提出了巨大的挑战。在实现双碳目标的进程中，气象学科要为能源开发利用提供更加科学的支撑保障，为保证能源安全提供更具实效的科学服务，为生态环境保护提供更有影响力的决策选择。气象学科交叉融合发展推进双碳目标的实现，应加强顶层设计，加强跨学科合作;优化资源配置，重点营造有利于跨学科研究的平台环境;做好政策衔接，重点攻关创新型关键技术。

关键词 碳中和 学科交叉 新能源 气候治理 能源安全 生态环境保护 应对气候变化

作者简介：杨萍，理学博士，中国气象局气象干部培训学院研究员;王志强，哲学博士，中国气象局气象干部培训学院正高级工程师。

基金项目：中国气象局2021年软科学重点项目“气象学科交叉与科技创新路径选择”（2021ZDIANXM13）

①《习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话》，《人民日报》，2020年9月23日。

②《推动平台经济规范健康持续发展 把碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局》，《人民日报》，2021年3月16日。

③《习近平出席〈生物多样性公约〉第十五次缔约方大会领导人峰会并发表主旨讲话》，《人民日报》，2021年10月13日。

一、引 言

2020年9月，中国宣布将采取更加有力的政策和措施，力争在2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，①之后，碳达峰、碳中和目标（下文简称双碳目标）被纳入生态文明建设整体布局。②为实现双碳目标，中国将陆续发布重点领域和行业碳达峰实施方案和一系列支撑保障措施，构建日渐完善的碳达峰、碳中和“1+N”政策体系。③双碳目标是国家重大战略决策，相关的科学研究不仅涉及能源和环境，而且涉及整个地球系统，将与经济、社会等众多要素产生复杂关联。由于战略目标的长期性、研究对象的多样性和复杂性，不同领域不同学科的深度交叉和融合已成为未来发展的必经之路。

学科交叉发展并非新的话题，但在全球科技发展重大变革的背景下，呈现出新的特点和趋势。首先，解决气候变化、灾害防治、自然环境退化等社会重大问题成为学科交叉融合的主要动力，这是由于社会重大挑战带来的问题在本质上都是复杂的和跨学科的，相关科学技术问题常常需要通过多学科交叉融合才能解决。其次，自然科学和社会科学的交叉趋势显著增强，如全球生物多样性、海洋环境恶化等都需要科学家和社会科学研究者的紧密合作，最明显的标志是国际科学理事会和国际社会科学理事会于2018年合并，此次合并势必会使社会、环境、经济等领域的专家学者开展更加紧密的合作。最后，学科交叉相关研究正在形成新的创新生态系统，各国在资助、组织、文化、环境等方面将采取更加有力的措施，更好地释放学科交叉的活力。樊春良、樊天：《国外学科交叉研究的发展趋势及启示》，《中国科学基金》，2019年第5期，第446-452页。

大气科学是人类对天气、气候知识的不断认识和总结。大气运动让五大圈层（大气圈、岩石圈、生物圈、海洋圈、冰雪圈）连贯成为一体，该特性使大气科学与地球科学的其他分支存在不能割断的联系。郭正堂：《〈地球系统与演变〉：未来地球科学的脉络》，《科学通报》，2019年第9期，第883-884页。同时，大气科学涉及人类生产生活和社会经济发展的方方面面，围绕双碳目标，气象学科与相关学科、相关领域开展更深层次、更广泛的交叉融合将成为必然。本文拟围绕双碳目标的实现，以学科交叉为切入点，分析双碳目标对气象学科发展的新需求、气象学科交叉的现状和问题，提出建议，为实现双碳目标、制定政策措施提供参考和借鉴。

二、双碳目标下气象学科交叉的内涵、现状及问题

（一）气象学科交叉的内涵

要实现双碳目标，我国将在经济、能源、技术等领域迎来重大的变革和挑战，需要持续的科研技術投入，必须加深对全球气候治理、应对气候变化、可再生能源开发和利用的科学认识，加强对关键减排技术、能源系统支撑技术、重点领域近零排放技术的革新。多学科、多产业、多部门的深度融合，必然会催生一系列新的科学和技术，并深刻影响我国经济、社会的变革和发展。从近现代科学技术发展历程看，新突破、新思想、新的生长点常常是在不同学科彼此交叉和相互渗透中形成的。

气象学主要研究大气的各种物理和化学性质、现象及变化规律。随着研究领域的扩大，气象学已经发展成为大气科学，“大科学”特征愈发明显，气象学科交叉呈现出多重内涵和方向。第一，气象学科交叉并非新事物，大气科学在现代科学和社会发展背景下被赋予了更多的含义，逐渐从传统的单一学科向多学科转变。第二，在双碳目标下，大气科学不仅仅需要和数学、物理、化学等基础学科进行交叉，还要和生态学、环境学、生物学、建筑学、新能源等应用学科进行交叉，甚至还需要和经济学、管理学、社会学等社会科学交叉，同时与人工智能、大数据等技术深度融合。第三，在气象学科建设过程中，学科交叉既是目的，也是手段，最终目标是不断拓展大气科学的边界和前沿，不断融合相关技术推动创新，从而完成气象学科助力双碳目标的使命。

（二）气象学科交叉的现状

从学科发展的逻辑来看，传统学科发展到一定阶段，会出现“天花板”效应，迫使研究人员将视野放大并投向其他学科，借鉴有益的思想、理论和方法，从而找到学术延伸的突破口。姚建年：《学科交叉驱动源头创新》，《科技导报》，2016年第1期，第8-9页。气象学科的发展一直伴随着不同知识体系的交织和共享，从其学科发展的脉络和历程看，与其他学科交叉融合是大气学科不断创新和突破的主要动力。国家自然科学基金委在优化大气科学资助布局中，更加重视为民生和社会的可持续发展提供有力科学支撑的多学科交叉研究，如将原代码“大气环境”修改为“大气环境与健康气象”，鼓励科学家在研究大气成分的同时，积极开展与医学、环境和健康等领域的交叉;再如“气候变化及影响与应对”注重大气科学与社会科学的交叉。刘哲、丁爱军、张人禾：《调整国家自然科学基金申请代码，优化大气学科资助布局》，《科学通报》，2020年第12期，第1068-1075页。国家自然科学基金委对大气学科资助布局的调整，反映了气象学科与其他学科和领域交融不断深入的发展态势。1B464F7B-5FE0-4E50-B08C-3B7275142D42

在我国，气象学科交叉涉及高等院校、气象部门、科研院所、相关行业等，在双碳目标的推进过程中，气象学科需要更多地突破天气与气候系统研究本身，广泛地与自然、社会、工程、技术等领域深度融合。学科建设水平和以学科建设为基础的学科交叉是高校综合实力的体现，在国家政策导向和社会需求的推动下，高校对跨学科人才的培养给予了更多关注。同时，高校的发展离不开广泛深入的学术交流，开展多领域跨学科的学术交流已经成为高校提高学术水平、适应社会需求的主要措施，如南京信息工程大学举办“全球气候变化与中国行动方案——碳中和实现路径与政策选择”学术研讨会，围绕我国碳中和的能源方案、实践路径展开深入交流。董战峰、季曦、刘宇等：《碳中和实现路径与政策选择（笔谈）》，《阅江学刊》，2021年第3期，第5-34页。气象部门历来重视气象业务的全链条发展，同时非常关注多领域合作的创新团队建设，而观测、预报、服务等气象业务的协同发展和人才队伍建设也离不开气象学科的交叉融合。在双碳目标的推进过程中，气象部门围绕气候变化、风能太阳能气象业务等出台工作方案或行动计划，通过统筹谋划、机构改革和结构优化，高效服务国家战略，兼顾原有不同层次的气象业务体系，核心是强化跨学科、跨领域的交叉融合，实现相关科研和业务领域的科学布局，提升决策咨询能力，发挥气象部门对双碳目标的科学支撑作用。科研院所的学科交叉主要体现在人才培养的院企合作、跨学科合作等方面，如中国科学院大气物理研究所以国家重点研发计划为平台，开展风能、光伏等领域的气候预测，为国家电力预测、优化电力规划等提供学术支持。在各行各业的需求越来越多样化、保障国家重大发展战略任务越来越多的背景下，气象学科交叉的作用已得到初步体现。

但是，气象业务分工和相关学科分支越来越细，气象专业人才在知识结构、实践能力等方面的“偏科”现象还比较突出，综合素养无法适应复杂工作的要求。同时，气象学科及相关专业分布在全国几十所高校，统筹谋划跨学科人才培养难度较大，科研院所作为大气科学研究的主体，偏重团队和项目，学科交叉融合缺乏深度，这些都是不利因素。

（三）气象学科交叉的问题

第一，缺乏围绕国家战略的整体策划。气象学科发展的主力军是高校和科研院所，目前中国已有三十多所高校设置了气象专业，但在学科建设方面，主要以单一学科作为整体单元进行推进，基础课程教育偏少、专业概念输入偏早，这导致相关专业的学生在知识面的拓展、发散思维的训练方面长期偏弱，以大气科学为主导的单一学科的科研思维意识过强，限制了学生对其他学科的关注。高校、科研院所囿于办学目标，对国家发展实际需求的关注度不够高，例如，围绕双碳目标，应重点发展哪些学科、如何推动学科交叉融合、培养怎样的跨学科人才……关于这些问题，高校和科研院所需要更多的思考和更合理的布局。气象部门和行业主管部门应研究双碳目标对学科发展的现实需求和潜在需求，在此基础上出台相关政策，帮助高校和科研院所打破学科界限，推动交叉融合取得实效。

第二，缺乏相关组织机构的横向沟通。双碳目标涉及能源、环境、经济、社会等多个领域，科学支撑必然需要跨学科合作、多学科交叉，需要多领域、多部门、多团队的协同合作。然而，要搭建跨学科的研究平台、取得多学科交叉融合的重大成果，还存在一些障碍甚至壁垒。一方面，气象部门以服务保障国家需求为主要任务，实际业务是重点，服务为首要责任，由于业务分工不断细化、服务更加专门化，客观上导致专业技术人员知识复合程度不高、储备较为单一、对非业务急需的知识和技能学习动力不足，影响了高水平跨学科人才和团队的培养。另一方面，高校目前主要以纵向、单向管理为主，对不同学科之间的交叉融合形成了事实上的阻碍。

第三，缺乏锚定重点领域联合攻关的体制机制。美、日、英、德、法等发达国家在20世纪70年代已经开始进入碳达峰阶段，相比之下，我国要在十年内完成碳达峰目標，任务的难度很大。此外，在碳达峰之后用30年时间实现碳中和，这个计划比欧盟缩短了40年的时间，挑战巨大。从碳排放的演化和发展来看，实现碳中和是一个长周期的过程，从微观层面的脱碳技术研究到中观层面的脱碳规划，还不足以实现最终的减排目标，迫切需要宏观层面的顶层设计和联合攻关。然而，受制于行业和学科的条块分割，从国家战略高度集中开展能源、气候、环境、社会等领域的交叉融合和量化研究，从深度和广度而言，推进力度不足。以大气科学研究和相关技术开发为例，气象工作者在新能源、生态环境、人体健康、基础设施等重点领域贡献不足，气象学科服务双碳目标的靶向还不够精准，原因之一便是尚未打破学科、部门、行业的分割，缺乏国家层面的关键技术和重点领域联合攻关体制机制，未形成不同学科的真交叉和真融合。

三、双碳目标对气象学科交叉融合发展的新需求

（一）为能源开发利用提供更加科学的支撑保障

双碳目标的深层次背景是在生态文明新形态下构建环境友好型、资源节约型社会，核心是绿色低碳转型，关键是从传统化石能源向高比例可再生能源转型发展。据研究，到2030年，我国非化石能源的一次能源消费比重要达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量要达到12亿千瓦以上。《习近平在气候雄心峰会上发表重要讲话》，《人民日报》，2020年12月13日。合理开发利用风能、太阳能等可再生能源，不仅是政策问题，更是科学问题，如果不科学分析资源总量、可开发量、地域分布特征等，就难以为制定风能太阳能的发展建设规划、宏观选址、有序开发、合理利用等提供科学依据。申彦波：《我国太阳能资源评估方法研究进展》，《气象科技进展》，2017年第1期，第77-84页。李正泉、宋丽莉、马浩等：《海上风能资源观测与评估研究进展》，《地球科学进展》，2016年第8期，第800-810页。经过多年发展，气象部门已经能够提供风能太阳能资源监测、评估和预报业务，开展精细化风能太阳能资源评估，并形成了风能太阳能监测和预报能力。在双碳目标的引领下，开展更为精细的风能太阳能资源评估、提供更加精准的风能太阳能预报、提升风能太阳能资源延伸期预报能力，都需要气象学科的不断发展。1B464F7B-5FE0-4E50-B08C-3B7275142D42

（二）为保证能源安全提供更具实效的科学服务

为推进双碳目标，电力系统利用可再生能源发电的比例要不断提升，这是必然的趋势。然而，风、光等气候资源的间歇性和不稳定性使风电、光电具有显著的波动性特点，无法保持稳定。例如，大面积、长时间的阴天、雨天、静风天气会影响以光伏、风电为主体的电力系统的稳定性，甚至会造成电力断供的重大风险。更加精准的风能、太阳能发电功率预报，对于增强并网调峰调度水平、提高现有装机规模的利用时数和运行时数、提升风能太阳能等新能源的利用效果至关重要。同时，气候变化引起极端天气气候事件不断增多，负面影响不断增强，高温、雨雪冰冻、强风、暴雨、雷暴、沙尘暴等灾害性天气增大了电力基础设施受损的可能性，从而造成更加严重的能源安全隐患。例如，美国加利福尼亚州“8·14”停电事故（2020年）和得克萨斯州“2·14”停电事故（2021年）都是由极端天气气候事件引起的，而可再生能源发电系统在应对极端天气气候事件时的调节能力不足。米建华：《从美国近期大停电事故的共因看当前电力安全供应问题》，《中国电力企业管理》，2021年第7期，第42-46页。此外，可再生能源的大规模开发意味着风电、光伏发电装机量将出现数倍乃至数十倍的增长，大规模风、光电站的开发利用也可能对气候、生态、环境产生影响，这些都需要开展多学科的交叉研究，进行更科学的论证。李芬、杨勇、赵晋斌等：《光伏电站建设运行对气候环境的能量影响》，《气象科技进展》，2019年第2期，第71-77页。

（三）为生态环境保护提供更有影响力的决策选择

气候是自然生态系统中最为活跃的因素之一，是自然生态系统状况的综合反映，也是人类赖以生存和发展的基础。气候及气候变化的相关科学问题是自然生态系统变化最重要的领域之一，全球變暖程度一旦达到气候变化临界点，将导致难以逆转的气候巨变。 Steffen W， Rockstrim J， Richardson K， et al，“Trajectories of the earth system in the anthropocene”，Proceedings of the National Academy of Sciences，vol.115，no.3（2018），p.201810141.IPCC第六次评估报告重点关注两个问题，一是限制升温2 ℃和1.5 ℃的减缓路径是否可行，二是采取何种措施来实现减缓并展示政策可行性。姜克隽：《IPCC第三工作组第六次评估报告：全球减缓走向何方？》，《气候变化研究进展》，2020年第2期，第251-252页。已发布的第一工作组报告从科学的角度指出，在限制全球变暖的过程中，既要控制二氧化碳的累积排放量，又要控制其他温室气体排放。刘毅：《中国气象局有关负责人解读IPCC第六次评估报告的第一工作组报告——为全球气候治理提供坚实科学支撑》，《人民日报》，2021年8月24日。加强生态系统保护和修复，主动顺应气候规律，需要在科学应对气候变化、统筹开发利用空中水资源、有效防御气象灾害、合理利用气候容量、着力改善气候环境等方面加强研究，为生态环境保护提供更加有影响力的决策选择。

实现双碳目标，关系经济发展、行业转型、新兴领域发展、生产生活方式调整等，从碳达峰到碳中和只有30年时间，任务异常复杂艰巨。大气科学的研究对象是复杂系统，与其他学科的交叉融合不仅有助于自身的拓展，也有助于解决影响和制约双碳目标实现的重大理论问题和技术难题。一方面，从发展的历史轨迹看，气象学从描述性科学已经变为以数学、物理为基础的现代科学，尤其是当代大气科学具备与其他学科进行交叉融合的天然动力。肖子牛、叶梦姝：《大气科学历史进程中多学科的交叉影响》，《气象科技进展》，2014年第6期，第50-53页。另一方面，双碳目标涉及面之广、难度之大、问题之复杂绝非单一学科所能涵盖，气象学科与能源安全、资源开发利用、生态环境保护等领域关系密切。因此，推动气象学科与生态学、环境学、新能源、经济学等多学科交叉的外在驱动力强大。在双碳目标的战略性引领下，开展气象学科交叉既是挑战也是机遇。

四、气象学科交叉融合发展推进双碳目标实现的可行路径

（一）加强顶层设计，围绕双碳目标加强跨学科合作

实现双碳目标，需要资源、环境、能源、工业、建筑、交通、材料、海洋、农林、气象等各个领域和行业的科技创新和技术推广，形成合力完成温室气体减排目标。王灿、张雅欣：《碳中和愿景的实现路径和政策体系》，《中国环境管理》，2020年第6期，第58-64页。上述各个领域的科技创新离不开相关学科的基础支撑，从这个角度看，温室气体减排需要多学科交叉融合。针对气候系统的定量评估、太阳能风能等新能源的精细化特征、灾害性天气的影响等科学问题，亟须开展跨学科研究，科研成果如何更好地为政府和企业发挥决策咨询作用，亟须开展跨领域合作，这些都离不开顶层设计和统筹谋划。气象部门应主动联合高校、科研院所、行业企业协同合作，共同深入研究能源转型、温室气体减排、污染治理等领域的理论问题和技术问题，与经济发展、环境治理协同增效。建议气象部门加强顶层设计、建立跨部门协调机制，依托局校合作、国际合作等方式开展跨学科合作，统筹考虑双碳目标下气象学科与其他学科交叉融合的发展规划或工作方案，根据短期、中期、长期等时间尺度，制定经济复苏、结构调整、发展转型等阶段性目标，建立稳定支持机制，争取设立跨部门的联合实验室或跨学科的国家重点实验室。

（二）优化资源配置，重点营造有利于跨学科研究的平台环境

推进双碳目标，核心是既能稳步推动经济发展，又能有效应对气候变化。这种绿色转型发展需要各个行业、各个部门、各个领域的通力合作，也离不开各个学科内部、各个学科之间的交叉融合。不可否认，由于各个行业的分工越来越细化，气象领域同样存在业务与科研脱节、科研与服务脱节、学科融合壁垒等问题，例如，高质量的气象数据是开展气候变化研究的重要基础和取得科研突破的关键，但是，数据的质量控制工作通常由不同机构独立开展，导致业务机构、科研部门、科研人员等多方主体都在从事气象数据质量控制工作，既不集约，也不高效。瞄准双碳目标，气象部门已经采取行动，对气候变化中心、温室气体及碳中和监测、风能太阳能服务等部门的优势力量进行重组，目的是加强统筹、促进融合。未来，应对相关重点攻关领域给予人、财、物等方面的重点扶持，吸引高校、行业、企业等进行跨领域深度合作，推动学科交叉，增强解决复杂综合问题的基础能力。1B464F7B-5FE0-4E50-B08C-3B7275142D42

（三）做好政策衔接，重点攻关创新型关键技术

实现双碳目标的重要途径是通过绿色低碳转型发展，减少能源资源消耗，从而减少温室气体排放。这涉及两个层面的内容：一是转型，这种转型不仅是能源结构的转型，还有发展方式的转型，实现这种转变并非意味着不再消耗能源和资源，而是要实现能源的可再生和资源的循环利用，充分利用风、光等与气象具有密切关系的绿色能源是重点。二是减排，如何减排、怎样减排，要回答这些问题，需要对气候变化等科学问题有更加深刻的研究和认知。不管转型还是减排，都需要全社会的共同参与，特别要充分发挥智库、非政府组织和企业的作用，发挥气象学科与多领域其他学科的交叉渗透优势。一方面，要更加关注气象学科与其他学科的交叉、与相关重点領域的融合。比如，提升新能源预报预测准确度，加强对能源低碳转型的技术支撑;重点加强脆弱地区基础设施布设、生态系统、金融等方面的政策制定;与多行业融合，为国家电力与能源等产业的结构布局、空间规划以及减排方案等政策的制定提供科学的依据。另一方面，我国区域发展不平衡现象客观存在，不同区域在科学研究、经济发展水平、资源分布等方面存在较大差异，我国天气、气候条件同样具有明显的地域差别。推广大气科学研究成果要与区域资源利用、绿色转型等有效结合，提高关键数据融合和应用共享能力、分时分区可再生能源预报预测准确性、区域高影响天气预警精确性，加强能源安全，在关键技术等方面与电力、能源、金融等行业开展更有效的融合，做好体制机制、政策标准、规划方案的衔接，汇聚人才资源，形成互联互通的跨学科网络，从整体上构建有利于实现双碳目标的学科交叉融合发展格局。

五、结 语

实现双碳目标是一项系统工程，兼具长期性、复杂性、艰巨性，需要多措并举、多领域发力，跨学科融合、多学科交叉。一方面，双碳目标属于长期战略目标，过程将延续30～40年。学科交叉是学科发展的内在规律之一，但也需要外力的推动，长远谋划非常重要。通过学科交叉融合推动学科创新发展，实现双碳目标，在时间尺度上高度契合。另一方面，双碳目标涉及学科广、覆盖领域多，属于国家亟须解决的重大问题，学科交叉在解决复杂的系统问题上优势明显，从目标与手段的契合来看，可以也应该成为推动双碳目标的重要手段。世界科技经历了多轮革命，在新一轮科技革命的推动下，气象业态已经发生了改变，将来还要发生更深刻的转变。在大数据、人工智能等技术与气象行业融合程度越来越高的过程中，面对日益更新的技术方法和不断变化的社会需求，如何使传统优势学科与自然科学、社会科学的最新发展深度融合，以应对不断出现的重大挑战，不仅是气象学科发展所面临的挑战，也是其他学科和技术研究领域需要深入思考的问题。

〔责任编辑：沈 丹〕1B464F7B-5FE0-4E50-B08C-3B7275142D42