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联邦政府在大气、地球和相关科学领域研究和教育学术投入优先领域的建议 发布日期 :2024-04-07  

时间:2016年11月

发布人:Antonio J. Busalacchi博士 UCAR主席

收件人:美国第45届总统政府 第115届国会成员

主题:联邦政府在大气、地球和相关科学领域研究和教育学术投入优先领域的建议

  大气研究大学联盟(The University Corporation for Atmospheric Research,UCAR),代表110所成员学院和大学郑重递交这份白皮书,向新一届政府和第115届国会提出大气、地球和相关科学研究优先领域的建议。

  联邦资源在大气、大气和相关科学有的放矢的投入,将对满足社会重大关切做出重要贡献,这些关注包括:保护美国人的生命和财产;新经济机会的拓展;强化国家安全;加强美国在研发方面的领导地位等。这份白皮书关注下列优先领域面对的挑战和投入的重要性:  

  • 天气; 

  • 水; 

  • 气候; 

  • 空气质量; 

  • 空间天气;以及 

  • 教育  

  这些建议与一些联邦机构直接有关,大气、地球和相关科学在这些机构的不同使命中起重要作用——包括科学和技术办公室(OSTP)、国家科学基金(NSF)、国家海洋和大气管理局(NOAA)、国家航空航天局(NASA)、能源部(DOE)、农业部(USDA)、联邦航空局(FAA)、国防部(DOD)、国土安全部(DHS)、内政部(DOI)、环保局(EPA)和其他部门。

  这些建议还和待确定的立法一脉相承,包括《美国创新和竞争法》、《2015天气研究和预报创新法》、《季节预报改进法》、《空间天气研究和预报法》,以及国会两院的拨款委员会目前和过去的指导等。

  这份UCAR白皮书还支持和建立在2016年5月美国气象学会(AMS)关于天气、水和气候优先性的声明基础上。在那份声明里,AMS阐述了需要对人力、知识、观测能力、物理和网络基础设施持续开发,以及融合天气、水和气候界公共、私人和学术机构之间关系的必要性。

背景信息 

  UCAR是北美110所会员学院和大学的联盟,这些学校致力于大气、地球和相关科学领域的研究和培训。联盟成立于1960年,还代表NSF管理国家大气研究中心(NCAR)。今天,UCAR的使命是通过以下手段让成员机构和NCAR能力提升:促进优秀研究;实施有效协作;管理独特资源;创造全新能力;构筑关键应用;拓展教育机会;以及进行有效倡导。 

  NCAR作为大气科学领域研究和教育的卓越中心而建立,提供研究支持、设施和服务,包括了大气、地球和相关科学以及更广泛的地球科学界。NCAR被指定成为NSF的联邦资助的研发中心,其人力大约等同于750位全日制员工。NCAR的使命是认识大气、地球和相关系统行为;在国内和国际上支持、加强和拓展各大学和更广泛科学团体的能力;以及扶持知识和技术的转化,以改进人类福祉。完成这样的使命,要通过科学研究;开发、改进和操作一系列设施;开展教育和普及项目。

  在与大学研究和教育界合作中,NCAR重点放在瞄准改进我们预报气象、空气质量和空间天气灾害能力和增加我们对区域和全球尺度地球气候系统变率和变化认识的基础研究上。这些研究主题通过NCAR运行的基础设施得以开展,这些设施包括,例如,专用飞机、千万亿次超级计算能力和最先进的通用模式等。与其他相互促进领域研究者的合作,例如在水文、冰雪圈科学、海洋学、陆地生物学、公共健康和社会科学等领域,扩展了NCAR的活动并超越了传统大气、地球和相关科学范围。

  UCAR,作为代NSF管理NCAR的执行者,其职责包括: 

  • 规划、实施、配备人力和管理NCAR项目; 

  • 提供和维护先进的观测、计算和模拟设施和服务,支持研究和教育界; 

  • 日常维护NCAR办公用房和设施,酌情开发和合并新设施; 

  • 招聘、开发和保留高质量和多样性员工; 

  • 与UCAR成员机构及学术和教育界合作,规划和实施未来项目; 

  • 监督和支持创新和充满活力的支持大气、地球和相关科学领域的基础及应用研究项目。

  UCAR相信,为了研究和教育界对社会所需的知识和人力资源有所贡献,让NSF、 NOAA、NASA和其他具有相关使命的机构认可其支持的研究和教育活动中的优先领域,同时持续改进业务项目,是非常关键的。此外,这些机构应该欢迎和鼓励构建高度合作关系,不仅是联邦机构之间,还包括学术界和私人企业。

  UCAR提供的关键科学支持对象不仅限于基于大学的大气、地球和相关科学团体,也包括需要在这些领域开展研究、数据分析和管理以及培训的机构。UCAR确定了一组核心价值以确保国家的研究和教育事业保持强大、有活力和成果丰硕。这些价值包括: 

  • 基于指标评估和追求研究的客观性; 

  • 联邦政府在研究和教育上的投入应宽泛和包容,我们才能在下面讨论的着力点获得成功;  

  • 研究和教育界的职责是让科学发现对社会有有益用途。

学术大气地球和相关学科的推荐研究和教育优先领域 

天气准确的天气预报在向短期、长期预报以及迫近极端天气预警提供重要信息方面十分关键。天气预测的目标是提供及时准确的信息,实现减轻天气相关损失、保护生命财产、提升公共健康和安全、支持经济繁荣和国家安全,以及提高所有公民的生活质量。  

  依据国家研究院结果,投资改进公共天气预报和警告的成效是非常显著的:估计每年的利益大约315亿美元,与之相比,联邦政府生成基准信息的费用每年是50亿美元。 

  短期和季节预报的提升对社会的好处远不止能对极端天气事件做充分准备。天气相关的航班延误可以减少,这可以减少商业航空业的运营成本。运用天气信息能让交通运输部门的各类利益相关者有更好的决策机会,不管是对电脑、游客、运输基础设施所有者,还是运输服务和维护者。更好的季节预报对于农业经济部门很有价值,可以让农民和其他人要么充分利用好的天气条件,要么为即将到来的干旱或者洪水等天气挑战做好准备。

  美国毫无疑问应该成为业务天气预报和地球观测能力的领头羊,但根据一些标准,我们的能力其实比不上我们的国际竞争者。这意味着美国其实可以更有效地减轻极端天气的经济、国家安全和公共安全效应。

  大学团体正在努力加深对地球系统科学基本原理的了解,同时开发更好的模式(还有运行模式所需的计算能力)以模拟地方、区域、国家和全球尺度影响强风暴发展的条件。 

  此外,大学团体还坚决支持将社会科学精巧地整合到未来天气和气候研究活动的设计和执行,以及天气和气候相关信息的发布之中。这类研究将帮助风暴和其他形式极端天气的预报和响应上一个台阶,这样能减少生命财产损失,限制极端天气影响地区的经济损失。  

  由国家科学基金会支持,或者在更局限程度上受其他国家机构支持的基础研究和研究培训,巩固了提高天气预报质量的有益尝试。以上包括的领域比如有:对地球上层和下层大气以及空间环境的物理、化学和动力学的研究;对天气和气候过程以及变率的研究;理解气体和颗粒物在地球大气中的自然全球循环的研究。 

  考虑到天气企业正在不断进化——尤其是私营部门提供特别的天气相关产品和服务的能力愈发强大,同时考虑到某些观测能力的终止,需要开设一个或多个论坛进行公私部门间的战略规划。囊括公私两边代表的国家科学院天气相关十年调查就会是很有价值的一个行动。这种调查能发掘一套天气研究和天气预报的联邦(国内和国防相关)研究和业务优先点,为资源受限时代的决策和政策制定者所用。 

水的挑战正在影响美国以至世界的社区和地区,影响面达数十亿人,导致损失高达数十亿美元。而这些挑战对以贫困、少数或者农村人口为主的社区更加困难,因为水不平等与社会经济不平等紧密相连。

  最近的一些事件,包括西部破纪录的干旱,东南部的严重干旱,密歇根州弗林特市的水质危机,推动了关于国内水质、资源和基础设施状态的全国对话。随着人口增长和气候变化继续加剧此类水的挑战,这个对话变得愈来愈重要。与水质、能源生产、水资源管理和水基础设施相关的问题在发展中国家更为严峻。因此,我们必须协心齐力建设可持续的水未来——人人无论何时何地都能获取他们需要的安全、清洁、可负担的水。 

  天气和气候模式是理解地球水循环以及与可用性、质量、水资源管理、能源生产、洪水和干旱相关的问题的基础。水研究的一个重心是通过增加对水循环的了解、提高天气和气候模式中对水循环的集成,来减少不确定性。另外一个努力方向是考察气候变化对水系统的影响,并确定对水管理政策的潜在影响。 

  在提高模拟能力上需要进行研究支持,以提供更及时和详尽的洪水预报。水管理者和规划者需要更好的雪盖和河流流量的估算,来提供春季径流、洪水、地方水供给效用的更多信息。提供可靠的提前一年或多年的干旱预报的研究,能够向政府和私营部门提供做相应准备的时间和信息。 

  降水模式的变化,人口的增长,让像西南部这样的地区对水匮乏和干旱愈加敏感。在提高洪水预报和尽早预知干旱上,科学是必要的。研究可以通过创新水技术、管理工具、以及系统层面分析的开发,促进国家现有城市水系统的进步。城市水管理可以得益于一系列决策支持工具,通过这些工具,公用事业能够量化区域城市水弹性和可持续性;在共有水资源的地区启用虚拟交易,推动城市水供应渠道的多样化;水再利用和风暴水补给系统的集成管理得到支持。 

  对水系统的全面了解要求一种超越大气的方法,把地球水系统与气候变化、土地利用和生态系统的联系包括在内。 

气候当今的全球气候变化有显著的影响,体现为热浪、持续干旱、野火、病媒昆虫和害虫迁徙、海洋变暖、以及其他事件。全球气候变化已经对环境产生了可观测的影响。冰川退缩,河湖融冰提前,动植物范围迁移,树花期提前。科学家过去预测的全球气候变化影响正在发生:海冰变少,海平面升高加快,热浪更长更剧烈。

  预计全球气候变化在这个世纪以及未来还会持续。接下来几十年之后的气候变化的强度,取决于全球排放的吸热气体的量,以及地球气候对这些排放的敏感程度。气温将继续升高。因为人为变暖叠加在自然气候变化之上,温度升高并非、未来也不会是全国或者全球恒定的,因此对不同的地区也有不同的影响。无霜和生长期会加长,对全球农业食品生产造成影响。

  降水模式的变化会持续。例如,预计在这个世纪内,美国北部的冬季和春季降雨会增加,西南部会减少。预计会发生更剧烈的干旱和热浪,飓风和台风等强烈风暴会更强、更剧烈。海平面升高到2100年取决于地点可能达到1-4英尺。海平面升高对相关海岸设施牵扯到国家安全,也有可能加剧发展中国家的社会动荡。  

  作为公共政策问题,全球气候变化的关键问题在于:气候在变化;人类在导致气候变化;气候变化的社会后果高度不确定,但有可能有严重后果;对气候变化风险管理有一系列政策选项。全球气候变化风险管理办法通常分为以下几类:减缓;适应;地球工程或气候工程;基于知识的扩展——加深对气候系统的学习和理解,帮助支持主动风险管理。 

  全球气候风险全面管理包括政策响应的结合。不过,政策抉择必须要整合气候系统的客观信息以及我们与之的关系,和主观的价值判断,比如我们是对气候变化风险还是对政策响应更不情愿,我们如何评估各国和人民之间的公平问题,以及我们对文化遗产和非人类物种的考虑。这造就了一个复杂而且常常有争议的风险管理挑战。 

  不论如何,理解全球气候变化对于这个国家和世界的福祉至关重要。前沿的数据收集和分析工具让基于用途的基础研究成为可能,这可以提供政府、商业和社区应对威胁生命、财产、自然资源和经济的气候相关变化时所需的知识。研究加深了对于地球系统中相互交互的物理、化学、生物和社会元素,对其自然和人文维度脆弱性和弹性,以及对科学知识如何有效通告对全球变化的响应的理解。这类研究取决于在跨领域观测、过程研究以及模式上的长期项目投资。科学调查的基础部分需要有各自的专业、基础设施和规划的范围,但最终会合作建立对全球变化更全面和整合的理解。 

空气质量空气质量广泛影响社会的各个方面,从人类健康到作物产量到我们国家公园到访量。颗粒物和臭氧最常触发空气质量警报和导致健康影响。科学家在改进污染物追踪,开发详细空气质量预报。同时有研究关注如何提前多日进行空气质量预报。提高预报能力对社会有很高的潜在价值。 

  在开发模式工具方面需要加强工作,以进一步确定空气质量特征,预测从地方、城市、地区到陆地、半球尺度的暴露情况;其他需求包括空气模式工具与其他媒介(比如水)模式工具的结合,以及集合多媒介模式系统的开发。在美国每年有11万人死于室外空气污染,因此导致的疾病、缺席工作、作物及森林受灾等损失预计在每年全国总计近1500亿美元。科学家加强颗粒物和污染物追踪,同时开发细化空气质量预测,二者都在提高模式和预报能力上有重要作用。 

空间天气空间天气能中断关乎这个国家经济命脉和国家安全的关键科技,不管是空基还是地基的,包括卫星、航班运行、通讯网络、导航系统以及电网。为了更好地应对空间天气事件,就需要增进对日地联系的理解。基准线能帮助政府和工业评估关键基础设施的脆弱性,建立决策点和行动阈值,理解风险,提供减缓程序和实践的参考点,以及加强反应和恢复规划。  

  仍然有提高空间天气的基本理解,提高空间天气观测和预报(以及相关产品和服务)的准确性、可靠性和及时性的空间。以科学和观测为基础,将驱动模式能力的进步,改善空间天气产品和服务的质量。空间天气业务中心开发最新的科学技术并向其转变的能力越强,预报的提升速度越快。 

  为了加强空间天气能力,相关联邦机构在行动和物资上必须互相合作来提高和按需设计观测系统。需要的物资有:能提供空间天气灾害探测覆盖范围的空基测量,因为一部分灾害在地面观测不到,另外还需要地基测量来提供更密集的空间覆盖。

教育和培训以上研究挑战的成功基于科学、技术、工程、数学,即STEM教育系统之上,STEM教育系统提供了多样化和准备充分的科学家、技术员、工程师、数学家和教育者劳动力,还包括熟知科学和工程理念和工具的公民。STEM教育在从K-12到本科到研究生的各个层面上,都会为提高所有公民的生活质量,提升国家健康、繁荣、福利和安全做出贡献。 

  我国STEM教育活动的目标应该是:准备好下一代的地学以及广泛领域的STEM专业人员,吸引和留下更多美国人到STEM职业中;建立一个稳健的研究团体,来开展严谨的研究和评估,首先支持STEM教育的卓越性,并将研究和教育整合到一起;其次提高所有美国人的技术、科学和数理素养,让他们能在一个越来越科技化的社会行驶有责任的公民权利,过有成效的生活;拓宽参与度(个人、地理区域、机构类型、STEM科目),在STEM各领域填补成就缺口。 

  理解地球系统运行的方式,把这种知识转化为行动,将使得我们的国家以及世界能有效地响应和适应变化的环境状况。为了让愿景成为现实,国家投资和引导与政府、私营部门、学术部门各级的加强合作结合是必不可少的。加强上面列出的领域的研究和教育能让个体、团体、社区和政府更好地管理风险、根据变化的环境状况进行适应和减缓工作,同时加强国家安全和经济社会繁荣。 

  UCAR大学团体随时准备按照需求协助决策者,包括服务于机构或者跨机构咨询和决策委员会;在听证会作证;为决策者提供简报;参与提高知识、施行相应战略计划的研讨会和其他实践;向行政部门关键位置推荐候选人;回应国会和其委员会对科学和技术信息的需求,因其与政策和审查立法问题相关。