國(guó)家自然科學(xué)基金大氣科學(xué)學(xué)科二級(jí)申請(qǐng)代碼下設(shè)研究方向與關(guān)鍵詞解讀：D0501 天氣學(xué)

孟智勇 梁旭東

1 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系, 北京100871

2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 北京100081

1 引言

國(guó)家自然科學(xué)基金申請(qǐng)代碼是國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（簡(jiǎn)稱“自然科學(xué)基金委”）為便于項(xiàng)目受理和評(píng)審，以學(xué)科體系為框架，針對(duì)科學(xué)研究設(shè)置的多層次、綜合性的編碼體系（劉哲等, 2020）。申請(qǐng)代碼的布局不僅面向項(xiàng)目申請(qǐng)和評(píng)審，還關(guān)系到學(xué)科布局和知識(shí)體系建設(shè)。為了助力構(gòu)建源于知識(shí)體系邏輯結(jié)構(gòu)、促進(jìn)知識(shí)與應(yīng)用融通的學(xué)科布局，2019 年自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部地球科學(xué)五處（大氣科學(xué)學(xué)科，簡(jiǎn)稱“大氣學(xué)科”）調(diào)整了二級(jí)申請(qǐng)代碼（簡(jiǎn)稱“申請(qǐng)代碼”），按照“分支學(xué)科”“支撐技術(shù)”和“發(fā)展領(lǐng)域”三個(gè)板塊把原有的15 個(gè)申請(qǐng)代碼做了整合與優(yōu)化，基本上解決了原有代碼的邏輯結(jié)構(gòu)不自洽、分支學(xué)科不完整、與地球科學(xué)頂層設(shè)計(jì)脫節(jié)等弊端。

D0501 天氣學(xué)屬于分支學(xué)科板塊，由原代碼D0505 的天氣學(xué)與天氣預(yù)報(bào)調(diào)整而來(lái)，而原代碼中天氣預(yù)報(bào)部分則調(diào)整帶支撐技術(shù)板塊二級(jí)申請(qǐng)代碼D0511 大氣數(shù)值模式發(fā)展。2019 年，通過(guò)廣泛征求天氣學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?jiàn)，開(kāi)展專家研討和論證，形成了天氣學(xué)的6 個(gè)研究方向和相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞，并于2020 年開(kāi)始實(shí)施。2020 版又根據(jù)2020 年關(guān)鍵詞的使用情況和專家建議做了微調(diào)。2022 年，大氣學(xué)科組織申請(qǐng)代碼和關(guān)鍵詞工作組專家針對(duì)2020 版大氣學(xué)科下設(shè)的15 個(gè)二級(jí)申請(qǐng)代碼及相關(guān)研究方向、關(guān)鍵詞進(jìn)行解讀，以幫助申請(qǐng)人準(zhǔn)確選擇吻合申請(qǐng)書(shū)內(nèi)容和研究領(lǐng)域的申請(qǐng)代碼、研究方向和關(guān)鍵詞，這將有利于智能輔助指派系統(tǒng)精確匹配評(píng)審專家以及后期學(xué)科發(fā)展?fàn)顩r的輔助分析和決策。

2 總體框架

天氣學(xué)申請(qǐng)代碼D0501 下的研究方向是根據(jù)天氣學(xué)研究的特點(diǎn)確定的。大氣科學(xué)是研究地球和行星大氣中發(fā)生的各種現(xiàn)象及其變化規(guī)律進(jìn)而利用這些規(guī)律為社會(huì)服務(wù)的學(xué)科。天氣學(xué)尤其如此，天氣學(xué)主要研究大氣中各種天氣現(xiàn)象的演變規(guī)律、生消條件、能量來(lái)源、相互作用等的物理機(jī)制，以及天氣分析預(yù)報(bào)原理和方法。其研究對(duì)象包括多種時(shí)空尺度的天氣系統(tǒng)及其造成的天氣現(xiàn)象，以及這些研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、演變及其背后的物理過(guò)程和預(yù)報(bào)方法（孟智勇等, 2019）。

天氣學(xué)的研究對(duì)象包含天氣現(xiàn)象和天氣系統(tǒng)。天氣現(xiàn)象（或者天氣）指某地區(qū)距離地表較近的大氣層在短時(shí)間內(nèi)的具體狀態(tài)。大氣中氣象要素的空間分布可表現(xiàn)為各種瞬息萬(wàn)變的天氣現(xiàn)象。這些天氣現(xiàn)象的分布和變化是由不同時(shí)空尺度的天氣系統(tǒng)引起的。引起各種天氣變化和分布的高壓、低壓、高壓脊、低壓槽等具有典型特征的大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)稱為天氣系統(tǒng)。各種不同時(shí)空尺度的天氣系統(tǒng)相互交織、相互作用、外加地形影響表現(xiàn)為極為復(fù)雜的演變特征。

天氣學(xué)研究的終極目標(biāo)是提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，具有鮮明的服務(wù)社會(huì)特點(diǎn)。天氣預(yù)報(bào)已由原來(lái)的外推法（假定未來(lái)天氣系統(tǒng)的移動(dòng)和變化與起始時(shí)刻的情況相同，也稱為持續(xù)性法）發(fā)展到目前主要基于各種觀測(cè)和理論發(fā)展的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)代。要提高某一種天氣現(xiàn)象的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，需要對(duì)該天氣過(guò)程的活動(dòng)規(guī)律、三維熱力、動(dòng)力和云微物理結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展消亡的時(shí)空演變特征及其背后的各種物理過(guò)程、預(yù)報(bào)應(yīng)用技術(shù)幾個(gè)層面開(kāi)展深入研究。

天氣學(xué)研究對(duì)象種類繁多，每個(gè)研究對(duì)象都有獨(dú)特的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，涉及到的物理過(guò)程復(fù)雜多樣，因而從內(nèi)容上劃分為不同的研究方向是比較困難的。為了便于對(duì)研究進(jìn)行分類，將天氣學(xué)申請(qǐng)代碼劃分為6 個(gè)研究方向，包括大尺度天氣系統(tǒng)、中小尺度天氣系統(tǒng)、災(zāi)害性天氣、結(jié)構(gòu)和演變機(jī)理、關(guān)鍵物理過(guò)程、預(yù)報(bào)理論與可預(yù)報(bào)性（表1，英文關(guān)鍵詞列表見(jiàn)表A1）。前3 個(gè)研究方向是按照研究對(duì)象做的分類，把天氣系統(tǒng)按尺度分為大尺度和中小尺度。災(zāi)害性天氣方向包含不同尺度天氣系統(tǒng)造成的致災(zāi)性天氣現(xiàn)象。所有這三類研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)和演變以及關(guān)鍵物理過(guò)程又劃分為兩個(gè)研究方向。最后一個(gè)研究方向側(cè)重預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用。

表1 天氣學(xué)D0501 申請(qǐng)代碼的下設(shè)研究方向及關(guān)鍵詞Table 1 Research directions and keywords under the application code of synoptic meteorology (D0501)

目前6 個(gè)研究方向的劃分是與我國(guó)天氣學(xué)研究的現(xiàn)狀緊密相連的。天氣學(xué)的研究從20 世紀(jì)30 年代之前對(duì)各種天氣現(xiàn)象的定性描述為主，發(fā)展到目前的與動(dòng)力氣象學(xué)、高性能計(jì)算和日新月異的觀測(cè)技術(shù)緊密結(jié)合的定量化研究。幾個(gè)研究方向里列的一些關(guān)鍵詞雖然屬于傳統(tǒng)研究?jī)?nèi)容，但是觀測(cè)手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為這些古老的話題提供了前所未有深入研究的可能。尤其是大部分的中小尺度天氣系統(tǒng)和災(zāi)害性天氣，其細(xì)致的三維熱力、動(dòng)力和云微物理結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵物理過(guò)程認(rèn)知還非常有限，導(dǎo)致數(shù)值模式的預(yù)報(bào)能力明顯不足。各種新型觀測(cè)數(shù)據(jù)的定量應(yīng)用近幾年也才剛剛開(kāi)始受到關(guān)注。

6 個(gè)研究方向里共有150 個(gè)關(guān)鍵詞可供選擇，力求全面、典型、前沿?？紤]包容性，每個(gè)方向的關(guān)鍵詞并不是完全互斥的，設(shè)置了一些包含關(guān)系的關(guān)鍵詞，比如鋒面之于梅雨鋒、極地天氣系統(tǒng)之于極渦、低渦之于冷渦、對(duì)流之于中尺度對(duì)流系統(tǒng)、降水之于短時(shí)強(qiáng)降水、低能見(jiàn)度之于大霧、強(qiáng)對(duì)流之于雷暴、強(qiáng)度變化之于強(qiáng)度突變、熱力過(guò)程之于非絕熱加熱、地形強(qiáng)迫之于高原影響、數(shù)值模擬之于大渦模擬等等。這主要是基于完整性的考慮，有的申請(qǐng)人可能關(guān)注的是一般意義上的某一類天氣系統(tǒng)或?yàn)?zāi)害性天氣里的物理過(guò)程，而不是特別局限于某一種天氣系統(tǒng)或?yàn)?zāi)害性天氣；有的申請(qǐng)人則是研究?jī)?nèi)容比較具體，聚焦于某一特定的種類。這種具有包含關(guān)系的設(shè)置使得申請(qǐng)人便于選擇相應(yīng)的關(guān)鍵詞，又能夠凸顯一些關(guān)注度比較大或者前沿性的研究?jī)?nèi)容。

按照目前6 個(gè)方向的分類，申請(qǐng)人可以在前三個(gè)研究方向里選擇研究對(duì)象，在后三個(gè)研究方向里選擇要探討的機(jī)制過(guò)程或預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用。這樣可以更好地指導(dǎo)科研人員更為便捷、準(zhǔn)確地選擇合適的關(guān)鍵詞，也可以比較好地滿足邏輯性和包容性，避免關(guān)鍵詞在不同研究方向的重復(fù)，也比較方便未來(lái)關(guān)鍵詞的增減。

3 基于基金申請(qǐng)情況的關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)分析

基于2020～2022 年天氣學(xué)申請(qǐng)代碼下關(guān)鍵詞使用情況看，少數(shù)申請(qǐng)人選擇自填關(guān)鍵詞，不利于申請(qǐng)書(shū)的精準(zhǔn)指派。關(guān)鍵詞推薦列表的使用率在逐年提高，2022 年79%的關(guān)鍵詞被申請(qǐng)人使用。2020～2022 年每年的前20 個(gè)關(guān)鍵詞分布（圖1）也說(shuō)明了這一點(diǎn)。2020 年有3 個(gè)關(guān)鍵詞不在推薦列表，2021 年和2022 年的高頻關(guān)鍵詞大多在推薦列表里，每年有2～3 個(gè)比較接近于推薦列表的關(guān)鍵詞。

推薦列表的關(guān)鍵詞基本能夠抓住學(xué)科領(lǐng)域多數(shù)申請(qǐng)人的關(guān)注點(diǎn)。天氣學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)在中小尺度天氣系統(tǒng)、其造成的災(zāi)害性天氣及其物理過(guò)程。每年以及三年總的申請(qǐng)書(shū)前20 個(gè)關(guān)鍵詞分布（圖1）表明，關(guān)注最多的天氣系統(tǒng)和災(zāi)害性天氣為熱帶氣旋、中尺度對(duì)流系統(tǒng)、暴雨、極端降水、短時(shí)強(qiáng)降水、暖區(qū)暴雨、冷池和低空急流。關(guān)注比較多的結(jié)構(gòu)和演變機(jī)理為動(dòng)力結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度變化、熱力結(jié)構(gòu)、對(duì)流觸發(fā)、日變化、形成機(jī)理、快速增強(qiáng)和水汽輸送。關(guān)注比較多的關(guān)鍵物理過(guò)程為多尺度相互作用、云微物理過(guò)程、地形強(qiáng)迫、動(dòng)力過(guò)程。關(guān)注比較多的預(yù)報(bào)理論和可預(yù)報(bào)性方向?yàn)榧项A(yù)報(bào)、可預(yù)報(bào)性、短臨預(yù)報(bào)。這一特點(diǎn)在這三年每個(gè)研究方向不少于4 次使用的關(guān)鍵詞列表（圖2）里也有明顯體現(xiàn)。

圖1 2020～2022 年天氣學(xué)申請(qǐng)書(shū)的前20 個(gè)關(guān)鍵詞使用情況。藍(lán)（紅）色代表在（不在）推薦列表里的關(guān)鍵詞，綠色代表與推薦列表的關(guān)鍵詞比較接近Fig.1 Usage of the top 20 keywords in the proposals in the synoptic meteorology from 2020 to 2022.The blue (red) color denotes the keywords included (not included) in the recommended list.The green color denotes keywords similar to those in the recommended list

圖2 2020～2022 年天氣學(xué)申請(qǐng)書(shū)各研究方向使用頻次不小于4 次的關(guān)鍵詞Fig.2 Keywords used at least four times in the proposals from all research directions in synoptic meteorology from 2020 to 2022

2022 年修訂關(guān)鍵詞里3 年均未被使用的關(guān)鍵詞共有32 個(gè)（圖3），包含24 個(gè)研究對(duì)象、4 個(gè)機(jī)理和物理過(guò)程、4 個(gè)預(yù)報(bào)技術(shù)。這些關(guān)鍵詞缺少關(guān)注的原因有幾個(gè)方面。一是屬于認(rèn)知比較成熟的范疇，往往很少被作為關(guān)鍵詞，更多的可能是作為對(duì)其他天氣系統(tǒng)的影響背景。包括西風(fēng)槽、極渦、副熱帶高壓、熱帶輻合帶、高空急流、干線、切變線、羅斯貝波、開(kāi)爾文波、東風(fēng)波。這些關(guān)鍵詞在未來(lái)不同系統(tǒng)相互作用的研究里是可能用到的。二是理論性比較強(qiáng)且認(rèn)知有限的內(nèi)容，包括渦旋波、渦旋羅斯貝波、慣性重力波、邊界層滾渦、不穩(wěn)定性、波流相互作用、非線性過(guò)程。三是比較經(jīng)典且空間尺度比較大的災(zāi)害性天氣。這類災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)能力相對(duì)較高，可能是關(guān)注度較低的原因，包括持續(xù)性降水、寒潮、低溫陰雨、沙塵暴。這類天氣一旦出現(xiàn)，有可能會(huì)造成較大的社會(huì)影響。四是考慮了包容性因而與其他的關(guān)鍵詞有一定的重疊。包括氣旋、中尺度低渦、低能見(jiàn)度。氣旋與低渦、冷渦、極渦、切斷低壓有重疊，中尺度低渦與低渦、中尺度低壓、中小尺度渦旋、熱帶氣旋有重疊。低能見(jiàn)度與大霧、沙塵暴有重疊。機(jī)理和過(guò)程方向，路徑突變?cè)从谝酝鶡釒庑难芯繜狳c(diǎn)，目前人們更多地關(guān)注結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化，對(duì)路徑突變的研究減少，但路徑突變的預(yù)報(bào)難度還是存在的，仍需要進(jìn)一步研究。預(yù)報(bào)技術(shù)方向的四個(gè)關(guān)鍵詞確是需要深入研究的內(nèi)容，只是這三年缺少關(guān)注。

圖3 2022 年天氣學(xué)修訂關(guān)鍵詞里2020～2022 年均未被使用的關(guān)鍵詞Fig.3 Keywords in the updated 2022 version but not used in the proposals from all research directions in synoptic meteorology from 2020 to 2022

4 關(guān)鍵詞解讀與說(shuō)明

4.1 研究方向1：大尺度天氣系統(tǒng)

按經(jīng)典尺度劃分，水平范圍2～2000 km 的稱為中尺度天氣系統(tǒng)，生命期為幾小時(shí)到幾天，2000 km以上的稱為大尺度天氣系統(tǒng)，生命期為幾天到十幾天。人們有時(shí)把1000～3000 km 的也稱為天氣尺度天氣系統(tǒng)，生命期為一天到三天，把200～2000 km的也稱為次天氣尺度天氣系統(tǒng)，生命期為10 小時(shí)到一天，把等于或大于天氣尺度的天氣系統(tǒng)也稱為大尺度天氣系統(tǒng)。研究方向1 里包含的就是該意義下的大尺度天氣系統(tǒng)。包含氣團(tuán)交界面、低壓、高壓和波動(dòng)四個(gè)類別。氣團(tuán)交界面類別包含鋒面（包含冷鋒和暖鋒）、準(zhǔn)靜止鋒、具有我國(guó)特色的梅雨鋒、以及干濕氣團(tuán)交界面的干線。低壓類別包含西風(fēng)槽、低渦、冷渦、極渦、切斷低壓、季風(fēng)槽、熱帶輻合帶。高壓類別包括阻塞高壓、副熱帶高壓、南亞高壓。波動(dòng)類別包含羅斯貝波、開(kāi)爾文波、東風(fēng)波。此外，還包含了一些風(fēng)場(chǎng)上具有獨(dú)特的水平或垂直分布的天氣系統(tǒng)，包括氣旋（多指溫帶氣旋）、切變線、高空急流、低空急流?？紤]極地天氣的前沿性，除了在低值系統(tǒng)里列了極渦之外，也把極地天氣系統(tǒng)作為一個(gè)關(guān)鍵詞。

4.2 研究方向2：中小尺度天氣系統(tǒng)

該研究方向包含的是時(shí)空尺度低于4.1 節(jié)所列大尺度類別的天氣系統(tǒng)。不同于大尺度天氣系統(tǒng)，中小尺度系統(tǒng)多伴隨著較大的氣壓、溫度和風(fēng)的梯度。中小尺度系統(tǒng)是氣壓場(chǎng)向風(fēng)場(chǎng)適應(yīng)，因此風(fēng)場(chǎng)特征占主導(dǎo)，特別是垂直速度比較大的對(duì)流系統(tǒng)，包括對(duì)流、中尺度對(duì)流系統(tǒng)、颮線、超級(jí)單體、龍卷。伴隨著較大溫度梯度的有下?lián)舯┝鳌⒗涑?、陣風(fēng)鋒、海風(fēng)鋒、中尺度環(huán)流。這一方向同樣分為低壓、高壓、波動(dòng)和獨(dú)特的風(fēng)場(chǎng)特征系統(tǒng)多個(gè)類別。低壓系統(tǒng)包含中尺度低壓和中尺度低渦；高壓系統(tǒng)包括中尺度高壓；波動(dòng)包括渦旋波、重力波、渦旋羅斯貝波、重力羅斯貝波、慣性重力波；具有獨(dú)特風(fēng)場(chǎng)特征的包括熱帶氣旋、中小尺度渦旋、中尺度輻合線、邊界層滾渦（又名對(duì)流卷）。

4.3 研究方向3：災(zāi)害性天氣

該研究方向服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)的重大需求，選取了典型的涵蓋多個(gè)尺度的災(zāi)害性天氣。這個(gè)研究方向具有時(shí)空尺度和災(zāi)害種類兩個(gè)類別。時(shí)空尺度類別包含了大尺度災(zāi)害天氣包括寒潮、低溫陰雨、雨雪冰凍、高溫?zé)崂?；中小尺度?zāi)害天氣包括暴雨、短時(shí)強(qiáng)降水、極端降水、強(qiáng)對(duì)流、雷暴、雷電、冰雹、焚風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、低能見(jiàn)度、大霧、沙塵暴、暴雪。大、中、小尺度兼具的有大風(fēng)、降水、持續(xù)性降水、高影響天氣。

災(zāi)害種類可分為與降水、風(fēng)、溫度、能見(jiàn)度相關(guān)的致災(zāi)性天氣。降水類包含暴雨、降水、短時(shí)強(qiáng)降水、持續(xù)性降水、極端降水、雨雪冰凍、暴雪。風(fēng)類包括大風(fēng)、焚風(fēng)。溫度類包含寒潮、低溫陰雨、高溫?zé)崂?。風(fēng)雨交加類主要是臺(tái)風(fēng)和對(duì)流性天氣（包含強(qiáng)對(duì)流、雷暴、雷電、冰雹）。能見(jiàn)度類包括低能見(jiàn)度、大霧、沙塵暴。

高影響天氣列為一個(gè)關(guān)鍵詞增加了天氣與社會(huì)科學(xué)的交叉融通，關(guān)注天氣變化的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響效應(yīng)，積極思考應(yīng)對(duì)措施，服務(wù)于國(guó)家和人類社會(huì)發(fā)展中的減災(zāi)防災(zāi)戰(zhàn)略。關(guān)于高影響天氣的定義，目前學(xué)界存在一些誤解。很多的災(zāi)害性天氣，特別是經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡比較大的都具有較高的社會(huì)影響。但并不是所有的災(zāi)害性天氣都是高影響天氣，比如發(fā)生在無(wú)人區(qū)的龍卷風(fēng)，即便強(qiáng)度很強(qiáng)，如果沒(méi)有造成任何災(zāi)害甚至都有可能不被發(fā)現(xiàn)，就不是高影響天氣。有的天氣雖然沒(méi)有致災(zāi)性，但對(duì)社會(huì)活動(dòng)、生產(chǎn)、生活造成較大影響，也屬于高影響天氣。與此相關(guān)的，極端天氣有時(shí)也會(huì)被誤認(rèn)為高影響天氣。極端天氣是指某一個(gè)特征發(fā)生頻率很低的天氣，一般用氣候發(fā)生頻率的前3%界定，如極端降水、極端低溫、極端高溫等。具有高社會(huì)影響的極端天氣才可稱之為高影響天氣。同樣，高影響天氣并不一定具有極端性。

臺(tái)風(fēng)是西北太平洋熱帶氣旋的別名。臺(tái)風(fēng)在我國(guó)熱帶氣旋等級(jí)劃分上有嚴(yán)格的定義，按照底層中心附近最大平均風(fēng)速等級(jí)分為熱帶低壓（10.8～17.1 m s-1，風(fēng)力6～7 級(jí)）、熱帶風(fēng)暴（17.2～24.4 m s-1，風(fēng)力8～9 級(jí)）、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（24.5～32.6 m s-1，風(fēng)力10～11 級(jí)）、臺(tái)風(fēng)（32.7～41.4 m s-1，風(fēng)力12～13 級(jí)）、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（41.5～50.9 m s-1，風(fēng)力14～15 級(jí)）和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（≥51.0 m s-1，風(fēng)力16 級(jí)或以上）。我國(guó)習(xí)慣上用臺(tái)風(fēng)代表熱帶氣旋。這個(gè)關(guān)鍵詞的使用頻率很高，因此除了在中小尺度天氣系統(tǒng)里列了熱帶氣旋之外，在災(zāi)害性天氣這個(gè)方向也列了臺(tái)風(fēng)，這樣設(shè)置不影響對(duì)評(píng)審專家的匹配。

4.4 研究方向4：天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和演變機(jī)理

這個(gè)研究方向的劃分考慮了研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、演變及其環(huán)境條件三個(gè)類別。隨著觀測(cè)手段特別是各種遙感觀測(cè)手段的進(jìn)步，天氣系統(tǒng)或天氣現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)特征研究逐漸成為可能。對(duì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確認(rèn)知也直接關(guān)系著災(zāi)害的分布和預(yù)警。結(jié)構(gòu)類別包括動(dòng)力結(jié)構(gòu)、熱力結(jié)構(gòu)、云微物理結(jié)構(gòu)、邊界層結(jié)構(gòu)。

演變類別包括觸發(fā)、對(duì)流自聚合、形成、對(duì)流組織化、強(qiáng)度變化、強(qiáng)度突變、路徑變化、路經(jīng)突變、移動(dòng)傳播、日變化、臺(tái)風(fēng)變性、非線性過(guò)程。形成一般指某一類天氣系統(tǒng)達(dá)到一定強(qiáng)度、長(zhǎng)度等指標(biāo)的階段，可用于所有天氣系統(tǒng)。觸發(fā)則多指強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)并達(dá)到某一個(gè)強(qiáng)度的過(guò)程，是強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的初始階段，一般不用于非對(duì)流系統(tǒng)。對(duì)于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)而言，觸發(fā)和形成是不同的。比如颮線的觸發(fā)一般指雷達(dá)回波首次達(dá)到35 dBZ的過(guò)程，而形成則一般指40 dBZ回波長(zhǎng)度達(dá)到100 km 的時(shí)間維持至少3 小時(shí)的初始時(shí)刻。移動(dòng)傳播這個(gè)關(guān)鍵詞有兩層含義，移動(dòng)指的研究對(duì)象作為一個(gè)整體的位移，而傳播方向指的是多單體對(duì)流系統(tǒng)里新生單體的發(fā)生方向。這兩個(gè)特征的決定因素和方向往往不一樣，整個(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)方向是單體移動(dòng)方向和傳播方向的矢量之和。

非線性過(guò)程這個(gè)關(guān)鍵詞比較寬泛，指天氣系統(tǒng)的非線性演變過(guò)程。真實(shí)的天氣過(guò)程都具有不同程度的非線性。一些過(guò)程的非線性特征比較顯著，比如天氣系統(tǒng)演變過(guò)程中的突變特征。中小尺度天氣系統(tǒng)的演變往往具有明顯的非線性。一些大尺度的天氣過(guò)程也具有非線性特征，比如阻塞過(guò)程。

對(duì)流組織化和對(duì)流自聚合是兩個(gè)具有類似含義的關(guān)鍵詞，比較容易引起混淆。對(duì)流組織化指的是對(duì)流風(fēng)暴的存在形式，包括單體、分布雜亂的單體群、排列成線狀的單體群、超級(jí)單體。對(duì)流的組織化類型與其造成災(zāi)害性天氣的強(qiáng)度、范圍和持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。對(duì)流組織化可用于觀測(cè)或模擬的對(duì)流風(fēng)暴。對(duì)流自聚合是對(duì)流組織化的一個(gè)子集，指的是輻射對(duì)流平衡、邊界層條件和強(qiáng)迫均一條件下的云解析數(shù)值模擬中，濕對(duì)流單體自發(fā)地組織為一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的單體群（Wing et al., 2017）。對(duì)流自聚合是國(guó)際上熱帶地區(qū)對(duì)流活動(dòng)機(jī)理研究中的熱點(diǎn)話題，例如，對(duì)流自聚合和熱帶氣旋形成的關(guān)系研究就是目前的一個(gè)前沿方向。

研究對(duì)象發(fā)生、發(fā)展所在的環(huán)境條件類別包括環(huán)境場(chǎng)、不穩(wěn)定性、垂直風(fēng)切變、水汽輸送。不穩(wěn)定性、垂直風(fēng)切變和水汽輸送是深濕對(duì)流發(fā)生的重要環(huán)境條件。對(duì)這些環(huán)境條件的準(zhǔn)確認(rèn)知和預(yù)報(bào)是短期天氣預(yù)報(bào)和對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。

4.5 研究方向5：關(guān)鍵物理過(guò)程

該研究方向關(guān)注影響天氣系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象發(fā)展演變的物理過(guò)程和機(jī)制。關(guān)鍵詞的選擇充分體現(xiàn)了與其他學(xué)科方向的交叉融通。關(guān)鍵詞的分類有單一過(guò)程和多過(guò)程相互作用兩個(gè)類別。單一過(guò)程包括動(dòng)力過(guò)程、熱力過(guò)程、非絕熱加熱、不穩(wěn)定過(guò)程、云微物理過(guò)程、湍流過(guò)程、氣溶膠效應(yīng)等內(nèi)部過(guò)程，以及輻射過(guò)程、邊界層過(guò)程、陸面過(guò)程、下墊面強(qiáng)迫、地形強(qiáng)迫、高原影響、城市熱島等外強(qiáng)迫過(guò)程。根據(jù)關(guān)鍵詞使用情況，2022 年新增加了土壤濕度，可以近似歸屬于外強(qiáng)迫類別。這部分的關(guān)鍵詞體現(xiàn)了天氣學(xué)與大氣動(dòng)力學(xué)以及大氣化學(xué)、大氣物理學(xué)等具有不同母學(xué)科背景分支學(xué)科的交叉。多過(guò)程相互作用類別包括多尺度相互作用、多系統(tǒng)相互作用、波流相互作用、海氣相互作用、陸氣相互作用和能量轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)了多尺度、多過(guò)程、多圈層、多學(xué)科的交叉。特別是多尺度相互作用的使用次數(shù)顯著增多（圖1），曾多次被作為天氣學(xué)研討會(huì)的名稱。天氣系統(tǒng)雖被劃分為多個(gè)時(shí)空尺度，但不同尺度系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜的相互作用和能量反饋，直接影響著數(shù)值模式各種尺度上的預(yù)報(bào)誤差。

4.6 研究方向6：預(yù)報(bào)理論與可預(yù)報(bào)性

該研究方向的主題是預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用，包含預(yù)報(bào)時(shí)效、預(yù)報(bào)種類、預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、產(chǎn)品釋用、目標(biāo)觀測(cè)、觀測(cè)應(yīng)用、災(zāi)害預(yù)警和防范、新興預(yù)報(bào)技術(shù)等多個(gè)類別。預(yù)報(bào)時(shí)效類別包含短臨預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、延伸期預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)種類類別包含大渦模擬、客觀預(yù)報(bào)、動(dòng)力統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、降尺度預(yù)報(bào)、網(wǎng)格預(yù)報(bào)、集合預(yù)報(bào)。產(chǎn)品釋用類別包含預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、模式釋用與訂正。目標(biāo)觀測(cè)類別包含外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)、自適應(yīng)觀測(cè)、目標(biāo)觀測(cè)。觀測(cè)應(yīng)用類別包含多源資料融合、資料同化、資料反演、衛(wèi)星資料應(yīng)用、雷達(dá)資料應(yīng)用。災(zāi)害預(yù)警和防范類別包含災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警和災(zāi)害評(píng)估與防范。新興預(yù)報(bào)技術(shù)類別包含大數(shù)據(jù)和人工智能。數(shù)值模擬和數(shù)值預(yù)報(bào)屬于兩個(gè)包容性關(guān)鍵詞。

可預(yù)報(bào)性這個(gè)關(guān)鍵詞的含義在學(xué)界比較模糊。美國(guó)氣象學(xué)會(huì)關(guān)于可預(yù)報(bào)性的定義是基于對(duì)某一個(gè)天氣系統(tǒng)目前和過(guò)去狀態(tài)的認(rèn)知對(duì)其未來(lái)狀態(tài)的可預(yù)報(bào)上限（American Meteorological Society, 2022a）。由于天氣系統(tǒng)的非線性特征、以前和目前的信息以及預(yù)報(bào)模式都是有誤差的，因而可預(yù)報(bào)性本質(zhì)上大多是有限的。即使模式和觀測(cè)任意精確，一個(gè)物理系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性也多是有限的。Lorenz（1963）最早提出了可預(yù)報(bào)性的概念。大氣的可預(yù)報(bào)性通常分為兩類（Lorenz, 1996; Melhauser and Zhang, 2012）：實(shí)際可預(yù)報(bào)性和本性可預(yù)報(bào)性。實(shí)際可預(yù)報(bào)性關(guān)注當(dāng)前水平下對(duì)天氣過(guò)程能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的最長(zhǎng)時(shí)限（Lorenz, 1996），主要受限于目前數(shù)值模式和初始場(chǎng)的誤差（Lorenz, 1982, 1996）。本性可預(yù)報(bào)性關(guān)注使用近乎完美的數(shù)值模式和初始場(chǎng)對(duì)天氣過(guò)程能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的最長(zhǎng)時(shí)限（Lorenz, 1996），主要受限于天氣系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)力過(guò)程和誤差增長(zhǎng)機(jī)制（Lorenz, 1969, 1996）。在最理想的情況下，隨著數(shù)值模式和初始場(chǎng)誤差的持續(xù)減小，實(shí)際可預(yù)報(bào)性將會(huì)逼近本性可預(yù)報(bào)性。本性可預(yù)報(bào)性的研究范疇比較容易界定，多是考察很小的初始擾動(dòng)的增長(zhǎng)特征和機(jī)制。實(shí)際可預(yù)報(bào)性卻往往被混同于預(yù)報(bào)檢驗(yàn)中的誤差分析，而預(yù)報(bào)時(shí)限的特征卻往往被忽略。例如，采用不同的物理參數(shù)化方案對(duì)一次颮線過(guò)程進(jìn)行模擬，如果只是對(duì)比分析每個(gè)模擬結(jié)果與觀測(cè)颮線的差異，而不關(guān)注對(duì)颮線的形成或觸發(fā)時(shí)間的預(yù)報(bào)時(shí)限變化，就不能嚴(yán)格地歸于颮線過(guò)程的可預(yù)報(bào)性研究。

大渦模擬也是一個(gè)容易被誤用的關(guān)鍵詞。大渦模擬是近十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的研究湍流運(yùn)動(dòng)的一種重要手段，指的是湍流運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)值模擬中比關(guān)注系統(tǒng)尺度小的大渦可以被解析，但其他次網(wǎng)格的渦動(dòng)效應(yīng)被參數(shù)化（American Meteorological Society,2022b）。湍流運(yùn)動(dòng)是由許多大小不同的渦組成的。大渦對(duì)平均流動(dòng)有明顯影響，大量的質(zhì)量、熱量、動(dòng)量、能量交換是通過(guò)大渦實(shí)現(xiàn)的，小渦的作用表現(xiàn)為耗散。大渦具有明顯的各向異性，小渦更接近各向同性，因而較易于建立有普遍意義的模型。于是人們把湍流運(yùn)動(dòng)分成大尺度和小尺度兩部分，小尺度量通過(guò)模型建立與大尺度量的關(guān)系，大尺度量通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到。大渦模式的空間格距減小到慣性子區(qū)，使得大渦可以被解析，次網(wǎng)格只包含通過(guò)分子粘性力對(duì)能量輸送和耗散從而可以忽略不計(jì)或作參數(shù)化處理的小渦。

自適應(yīng)觀測(cè)和目標(biāo)觀測(cè)兩個(gè)概念也容易混淆。自適應(yīng)觀測(cè)指的是自動(dòng)啟動(dòng)識(shí)別觀測(cè)目標(biāo)并跟蹤捕獲其動(dòng)態(tài)演變信息，還可以自動(dòng)切換觀測(cè)模式，快、精、準(zhǔn)地獲取對(duì)流多維結(jié)構(gòu)，為氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警提供支撐。目標(biāo)觀測(cè)（或適應(yīng)性觀測(cè)）多指通過(guò)計(jì)算觀測(cè)敏感區(qū)，在敏感區(qū)內(nèi)做額外的觀測(cè)，以達(dá)到同化這些觀測(cè)而最大程度地減小目標(biāo)預(yù)報(bào)量的誤差。

大數(shù)據(jù)和人工智能是近幾年的新興技術(shù)。大數(shù)據(jù)的含義是對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的加工，挖掘數(shù)據(jù)背后的應(yīng)用價(jià)值。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是研究開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)，主要目標(biāo)是使機(jī)器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。人工智能由機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等不同領(lǐng)域組成。機(jī)器學(xué)習(xí)是利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)或者其他算法，構(gòu)建隱藏在數(shù)據(jù)中的模型并用于預(yù)測(cè)。結(jié)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)以及海量的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)有可能在氣象領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。目前已有很多機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于氣象領(lǐng)域的成功案例，例如，對(duì)流雷達(dá)重構(gòu)（Duan et al., 2021）、模式誤差訂正（Han et al., 2021b）、短臨預(yù)報(bào)（Han et al., 2021a）等等。由于關(guān)鍵詞總數(shù)的限制，目前的列表無(wú)法窮舉各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，暫一并由人工智能代表。

5 研究方向和關(guān)鍵詞選擇的注意事項(xiàng)和建議

每個(gè)申請(qǐng)書(shū)可以選擇5 個(gè)關(guān)鍵詞。這5 個(gè)關(guān)鍵詞的選擇對(duì)突出申請(qǐng)的核心關(guān)鍵內(nèi)容和評(píng)審專家的匹配至關(guān)重要。一般來(lái)講，要有一個(gè)關(guān)鍵詞給出核心研究對(duì)象，一到兩個(gè)關(guān)鍵詞給出研究的核心物理過(guò)程或影響系統(tǒng)，一到兩個(gè)關(guān)鍵詞給出核心的研究方法。如第2 節(jié)框架設(shè)計(jì)里所述，天氣學(xué)下設(shè)的6個(gè)研究方向是并列的，分屬研究對(duì)象、結(jié)構(gòu)和演變、物理過(guò)程、預(yù)報(bào)方法。申請(qǐng)人可以在前3 個(gè)方向里選擇研究對(duì)象，在第4 和第5 個(gè)研究方向里選擇研究?jī)?nèi)容，在第6 個(gè)研究方向里選擇研究方法。各部分的關(guān)鍵詞基本不重疊。每個(gè)方向內(nèi)部會(huì)有部分關(guān)鍵詞有交叉或包含關(guān)系。申請(qǐng)人需要選擇最接近研究對(duì)象和核心研究?jī)?nèi)容的關(guān)鍵詞。

建議申請(qǐng)人優(yōu)先選擇關(guān)鍵詞列表中的詞匯。如果不使用推薦列表的關(guān)鍵詞，而是自己添加關(guān)鍵詞，往往會(huì)造成添加的關(guān)鍵詞與其他方向里的推薦關(guān)鍵詞意思接近但寫(xiě)法不一樣，不利于申請(qǐng)書(shū)精準(zhǔn)指派。

本文通過(guò)對(duì)不在推薦列表里的關(guān)鍵詞的分析，主要發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）關(guān)鍵詞過(guò)細(xì)。多為推薦列表里的關(guān)鍵詞加了定語(yǔ)或者是某一推薦關(guān)鍵詞的分支。建議申請(qǐng)人把過(guò)于細(xì)化的關(guān)鍵詞用推薦列表里意思最接近的關(guān)鍵詞代替。每個(gè)研究方向里都有一些包含性很強(qiáng)的關(guān)鍵詞，比如對(duì)流、降水、數(shù)值預(yù)報(bào)、數(shù)值模擬等，實(shí)在找不到合適的關(guān)鍵詞就建議使用這些包含性比較強(qiáng)的關(guān)鍵詞，起碼能確保匹配的大方向準(zhǔn)確。比如，暖區(qū)暴雨可改為暴雨，登陸熱帶氣旋可改為熱帶氣旋，初值擾動(dòng)可改為集合預(yù)報(bào)，深度學(xué)習(xí)可改為人工智能等。（2）多個(gè)關(guān)鍵詞組合。比如，降水日變化可拆分為降水和日變化兩個(gè)詞。（3）非核心內(nèi)容的關(guān)鍵詞。比如，地名，推薦列表里沒(méi)有把純地名作為關(guān)鍵詞。建議申請(qǐng)人針對(duì)科學(xué)內(nèi)容選擇關(guān)鍵詞。申請(qǐng)書(shū)關(guān)鍵詞和發(fā)表文章的關(guān)鍵詞有一定差異，地名出現(xiàn)在文章關(guān)鍵詞里是可以的，但不適合出現(xiàn)在申請(qǐng)書(shū)的關(guān)鍵詞里。（4）含義不確定、不完整。比如，“特征提取”“梯度異常”“權(quán)重推薦”等。（5）常規(guī)物理量。比如，“溫度”“垂直運(yùn)動(dòng)”“閾值”“成因”“云參量”等。申請(qǐng)代碼和關(guān)鍵詞工作組將進(jìn)一步征詢科學(xué)界的意見(jiàn)，適時(shí)提出關(guān)鍵詞優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞是用來(lái)自動(dòng)匹配評(píng)審專家的。評(píng)審專家是從關(guān)鍵詞列表里選擇合適的關(guān)鍵詞來(lái)界定自己的研究范疇，申請(qǐng)人只有從推薦列表里選擇最能反映自己申請(qǐng)書(shū)或研究領(lǐng)域核心內(nèi)容的關(guān)鍵詞才能為申請(qǐng)書(shū)匹配到最合適的評(píng)審專家。申請(qǐng)人自己添加不在列表里的關(guān)鍵詞往往會(huì)給智能輔助指派系統(tǒng)精準(zhǔn)指派帶來(lái)困難。天氣學(xué)作為大氣科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，大氣科學(xué)其他二級(jí)學(xué)科的研究或多或少會(huì)涉及到與天氣學(xué)的交叉。目前其他二級(jí)學(xué)科的申請(qǐng)代碼下也包含了一些天氣學(xué)申請(qǐng)代碼的關(guān)鍵詞。建議申請(qǐng)人在申請(qǐng)項(xiàng)目核心科學(xué)內(nèi)容隸屬的二級(jí)學(xué)科申請(qǐng)代碼中選擇關(guān)鍵詞，這樣更利于匹配到合適的評(píng)審專家。

6 結(jié)語(yǔ)

天氣學(xué)的研究方向設(shè)置和其他二級(jí)申請(qǐng)代碼下設(shè)研究方向的思路有很大不同。目前以研究對(duì)象、結(jié)構(gòu)和演變機(jī)理、物理過(guò)程和預(yù)報(bào)技術(shù)而不是真正的研究方向設(shè)置，優(yōu)點(diǎn)是涵蓋了傳統(tǒng)研究的各個(gè)方面，也比較有利于自由探索、發(fā)展學(xué)科新的生長(zhǎng)點(diǎn)，也比較符合申請(qǐng)人的研究習(xí)慣。缺點(diǎn)是研究?jī)?nèi)容比較分散，學(xué)科發(fā)展的導(dǎo)向性不強(qiáng)，后期也難以做研究方向的統(tǒng)計(jì)分析。未來(lái)有待基于天氣學(xué)的國(guó)內(nèi)外研究態(tài)勢(shì)對(duì)天氣學(xué)申請(qǐng)代碼下的研究方向和關(guān)鍵詞做進(jìn)一步的優(yōu)化。也希望通過(guò)大氣科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业纳疃妊杏?，?duì)大氣科學(xué)所有二級(jí)申請(qǐng)代碼下的研究方向和關(guān)鍵詞做進(jìn)一步的優(yōu)化，以更有效地促進(jìn)多學(xué)科平衡發(fā)展。

致謝感謝所有參與天氣學(xué)二級(jí)申請(qǐng)代碼下關(guān)鍵詞討論的專家，特別是專題顧問(wèn)談?wù)苊?、費(fèi)建芳、閔錦忠、李躍清教授的指導(dǎo)和建議。

附錄A

表A1 天氣學(xué)D0501 申請(qǐng)代碼的下設(shè)研究方向及關(guān)鍵詞的英文表述Table A1 Research directions and keywords in English under the application code D0501 Synoptic Meteorology