双碳目标下加强气象学科交叉的路径探索

　　摘要：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，气象学科需要为能源开发利用提供更加科学的支撑保障，为能源安全运行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，重点扶持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

　　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，与之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。正是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自然科学家和社会科学家的紧密合作，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。再次，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。

　　4气象科学是人类对天气、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，该特性使气象科学与地球科学的其他分支存在不能割断的联系。5同时，气象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，气象科学与相关科学、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科学发展的新需求以及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，需要有持续的科研技术投入，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。在多学科、多产业、多部门深度融合的过程中，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，从而推动社会变革和进步。气象学主要研究大气的各种物理和化学性质、现象及其变化规律，以揭示大气中的各种物理现象、化学现象及其过程的发生发展本质，探索规律，将其应用于国防和国民经济建设。

　　随着研究领域的扩大，气象学已经发展成为大气科学。伴随着世界科技发展，作为推动双碳目标实现的基础性科学，大气科学的“大科学”特征愈发明显，气象学科交叉呈现出多重内涵和多重方向。

　　第一，气象学科交叉并非一个新事物，而是大气科学在现代科学和社会发展背景下被赋予更多的含义，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、化学等基础科学进行交叉，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、大数据等技术的深度融合。第三，在气象学科建设过程中，气象学科交叉既是目的，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

　　从学科发展的自身逻辑来看，传统学科发展到一定阶段，会出现“天花板”效应，迫使科学家将眼光放大并投向其他学科，借鉴有益的思想、理论和方法，从而找到学术方向延伸的突破口。

　　1气象学科的发展一直伴随着不同知识体系的交织和共享，从其学科自身发展的脉络和历程看，与其他学科交叉与融合是大气科学能够不断出现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持的多学科交叉研究，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，积极与医学、环境和健康等领域交叉;再如“气候变化及影响与应对”注重与社会科学的交叉。2国家自然科学基金委在大气科学领域资助布局的调整反映了大气科学与多学科、多领域交融不断深入的发展态势。在我国，气象学科交叉涉及高等院校、气象部门、科研院所、气象相关行业等，在双碳目标的推进过程中，气象学科需要更多地突破天气、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。

　　学科建设水平和建立在学科建设基础上的学科交叉程度是高校综合实力的反映，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。例如，北京大学元培学院、浙江大学竺可桢学院等创新实验班无不在探索多学科交叉人才的培养模式上下功夫。3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、碳中和的实践路径展开深入交流。

　　1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，在双碳目标的实现过程中，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，高效服务国家双碳目标战略，兼顾原有不同层次的气象业务体系，其核心是强化跨学科、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，发挥气象部门对实现双碳目标的科学支撑作用。

　　2科研院所的学科交叉主要体现在人才培养院企合作、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、服务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，由于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，综合素养尚不适应复杂工作的要求。同时，由于气象及相关专业分布在全国几十个高校，统筹谋划跨学科人才培养难度较大，科研院所作为气象科学研究的主体，偏重于团队和项目，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个高校设置了气象专业，但在以大气科学为主体的气象相关学科建设上，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、发散思维的训练上长期偏弱，以大气科学为主导的单一学科的科研思维意识过强，限制了学生对于其他学科的关注。

　　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有更多的考虑和更合理的布局。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，推动交叉融合取得成效。

　　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、服务更加专业化，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，高校目前主要是“学校—科技处—院系(同类学科)—研究所—教师”的格局，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的目标，任务难度很大。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，这是一个长周期的过程，从微观层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定量化研究，从深度和广度而言，推进力度不足。以气象科学和相关技术为例，气象工作在面向新能源、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)气象学科需要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。

　　1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。2经过多年发展，气象部门已经初步建立了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。在双碳目标愿景的引领下，如何开展更为精细化的风能太阳能资源评估、如何开展更加精准的风能太阳能预报、如何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。

　　(二)气象学科需要为能源安全运行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的特点，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，甚至会造成重大电力断供风险。开展更加精准的风能、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，美国加州8·14停电事故(2020年)和德州2·14停电事故(2021年)都是由极端天气气候事件引起，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。3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，这些都需要多学科开展交叉研究，提供更科学的论证。4

　　(三)气象科学需要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。研究气候及气候变化的相关科学问题是理解自然生态系统变化最重要的领域之一，全球变暖增幅一旦达到气候变化临界点，将导致难以逆转的气候巨变。5联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告重点关注两个问题，一是升温2°C和1.5°C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。

　　1已发布的第一工作组报告从物理科学的角度指出，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。2加强生态系统修复和保护，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。从以上分析可以看到，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，这是异常复杂艰巨的任务。气象科学的研究对象是复杂系统，气象学科内部各个学科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，大气科学从描述性科学已经变为以数学、物理为基础的现代科学，大气科学特别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。3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，亟须加强气象学科与生态学、环境学、新能源、经济学等多学科的交叉，具有强大的外在驱动力。因此，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。4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。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、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，根据短期经济复苏、中期结构调整、长期发展转型等多个时间尺度，制定阶段性目标，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，重点扶持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作。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，高质量的数据是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、科研人员等多方力量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。

　　(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、电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、与相关重点领域的融合，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;重点加强气候变化脆弱区有关基础设施布设、生态系统影响、金融等方面的政策制定;与多行业融合，为国家电力、能源等产业结构布局、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，不同区域之间在科学研究、经济发展水平、资源分布等方面存在较大差异，我国天气、气候特征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，在关键区数据融合和应用共享、分时分区可再生能源预报预测、区域高影响天气预警及能源安全等关键技术上与电力、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

　　实现双碳目标是一个系统工程，兼具长期性、复杂性、艰巨性，需要多措并举、多领域发力，需要开展跨学科融合、多学科交叉。一方面，双碳目标的实现过程将延续30～40年，属于长远的战略目标。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，不是一朝一夕能够完成的，长远谋划非常重要。通过学科交叉融合推动学科发展，进而实现创新，推进双碳目标实现，在时间尺度上高度契合。

　　另一方面，实现双碳目标，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，学科交叉可以也应该成为推动实现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的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、社会科学的最新进展更加深度地融合，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领域需要深入思考的问题。

　　作者：杨萍王志强