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：D0504 大氣動(dòng)力學(xué)

王林 王蕾 張洋

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所, 北京 100029

2 復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院, 上海 200438

3 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 南京 210023

1 引言

作為國(guó)家自然科學(xué)基金改革的一部分，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“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”）于2019 年率先開(kāi)展并完成了申請(qǐng)代碼調(diào)整，形成了邏輯結(jié)構(gòu)自洽、分支學(xué)科完整、與自然科學(xué)基金委地球科學(xué)頂層設(shè)計(jì)交融的新版代碼（劉哲等, 2020）。隨后，自然科學(xué)基金委大氣學(xué)科成立了研究方向及關(guān)鍵詞顧問(wèn)組和工作組，通過(guò)調(diào)研和集思廣益形成了新版代碼的關(guān)鍵詞庫(kù)用于2020 年度的項(xiàng)目申請(qǐng)，并分別于2020 年底、2021年底和2022 年底三次對(duì)關(guān)鍵詞庫(kù)進(jìn)行了修訂。為了便于廣大科研人員更好地理解代碼及代碼下研究方向和關(guān)鍵詞設(shè)置的邏輯和含義，從而在項(xiàng)目申請(qǐng)和個(gè)人信息維護(hù)中選好、用好申請(qǐng)代碼和關(guān)鍵詞，本文特對(duì)“D0504 大氣動(dòng)力學(xué)”代碼進(jìn)行解讀。

2 大氣動(dòng)力學(xué)代碼的含義和范疇

大氣動(dòng)力學(xué)是指利用物理學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算科學(xué)中的原理和方法對(duì)地球和其他行星大氣這一強(qiáng)迫耗散的非線性系統(tǒng)隨時(shí)空演變的普適規(guī)律進(jìn)行定性和定量描述，并從理論上解釋和預(yù)測(cè)大氣演變狀態(tài)的大氣科學(xué)學(xué)科分支。它在科學(xué)層面的目標(biāo)是根據(jù)基本數(shù)學(xué)物理原理并利用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)闡明約束地球和其他行星大氣運(yùn)動(dòng)的普適規(guī)律，從而形成對(duì)大氣時(shí)空演變的本質(zhì)認(rèn)識(shí)；在應(yīng)用層面的目標(biāo)是基于上述本質(zhì)認(rèn)識(shí)來(lái)引導(dǎo)高精度數(shù)值模式的發(fā)展，提高對(duì)地球和其他行星大氣在不同時(shí)間和空間尺度上的模擬和預(yù)測(cè)水平，以及更好地理解和預(yù)測(cè)未來(lái)的天氣、氣候變化。

大氣動(dòng)力學(xué)所關(guān)注的大氣演變的普適規(guī)律可以來(lái)源于對(duì)觀測(cè)事實(shí)的分析、總結(jié)和抽象，也可以來(lái)源于單純的理論推演；這些規(guī)律一旦形成，反過(guò)來(lái)又能指導(dǎo)對(duì)復(fù)雜大氣演變現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)。從歷史進(jìn)程上看，大氣動(dòng)力學(xué)起源于人類對(duì)地球上行星尺度大氣環(huán)流成因的探索，并隨著新觀測(cè)事實(shí)的出現(xiàn)以及各相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展而不斷演化和完善（Vallis, 2016; Held, 2019）。從17～18 世紀(jì)基于牛頓力學(xué)研究行星風(fēng)系的成因，到19 世紀(jì)吸納流體力學(xué)和熱力學(xué)第一定律等最新成果建立沿用至今的閉合大氣運(yùn)動(dòng)方程組，從20 世紀(jì)中葉結(jié)合探空發(fā)現(xiàn)的高空大氣運(yùn)動(dòng)特征從而形成以準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論、大氣波動(dòng)理論、穩(wěn)定性理論等為代表的當(dāng)代大氣動(dòng)力學(xué)理論體系（Held, 2019），到與新出現(xiàn)的電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合從而催生數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、可預(yù)報(bào)性、非線性動(dòng)力學(xué)等新興方向（Benjamin et al., 2018;Held, 2019），再到動(dòng)力學(xué)理論和數(shù)值模擬對(duì)觀測(cè)原則的指導(dǎo)和反饋（穆穆, 2013），大氣動(dòng)力學(xué)的演化和進(jìn)步一直與新事實(shí)、新理論、新方法的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展緊密結(jié)合。在這一過(guò)程中，大氣動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象和研究領(lǐng)域都在持續(xù)擴(kuò)展，研究方法和研究手段也在不斷豐富。20 世紀(jì)后半葉至今，隨著觀測(cè)資料的豐富、數(shù)值模式的進(jìn)步以及氣候系統(tǒng)概念的提出，大氣動(dòng)力學(xué)的內(nèi)涵得到進(jìn)一步拓展，其研究對(duì)象正從單純的大氣本身擴(kuò)展到大氣與大氣中各種物理、化學(xué)、生物過(guò)程以及大氣與相鄰圈層的相互作用，研究手段也從以實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和簡(jiǎn)化模型模擬為主轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)研究、事實(shí)分析、理論分析和不同復(fù)雜程度模型模擬的緊密結(jié)合（Hoskins,1983; Shepherd, 2003; Held, 2005; Kiladis et al.,2009; Randall et al., 2018）。在上述的諸多進(jìn)程中，包含了中國(guó)學(xué)者的巨大貢獻(xiàn)（ Blumen and Washington, 1973; 曾慶存, 1979; 李崇銀等, 1995;呂建華, 2016; Lu and Schneider, 2017）。

在此次基金代碼改革中，“大氣動(dòng)力學(xué)”代碼的名稱保持不變，但內(nèi)涵和范疇有一定變化（圖1），編號(hào)也從D0506 調(diào)整為D0504（劉哲等, 2020）。慣例上，通常將大氣運(yùn)動(dòng)方程組中與流體運(yùn)動(dòng)相關(guān)、可以通過(guò)流體力學(xué)方程和熱力學(xué)方程來(lái)解析的部分稱為“動(dòng)力學(xué)”或“動(dòng)力過(guò)程”，而將與水汽、對(duì)流、輻射等過(guò)程相關(guān)、不能通過(guò)流體力學(xué)方程和熱力學(xué)方程來(lái)解析的部分稱為“物理過(guò)程”。這種劃分方法可以看作是對(duì)大氣環(huán)流系統(tǒng)和過(guò)程的某種簡(jiǎn)化，反映了大氣動(dòng)力學(xué)抽絲剝繭、抓主要過(guò)程的研究特點(diǎn)。上述方法論在大氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展中起到過(guò)重要作用，如促進(jìn)了20 世紀(jì)中葉當(dāng)代大氣動(dòng)力學(xué)理論體系的建立。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，“動(dòng)力過(guò)程/動(dòng)力學(xué)”與“物理過(guò)程”的含義正在發(fā)生變化，它們之間的界限也在變得模糊。例如，其他圈層的微小變化與大氣之間的相互作用也多以類似“物理過(guò)程”的形式體現(xiàn)在大氣運(yùn)動(dòng)方程組中，化學(xué)過(guò)程乃至生物過(guò)程等原本認(rèn)為對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)影響很小的過(guò)程也被證明能夠影響大氣運(yùn)動(dòng)和模式性能（Huang and Ding, 2021; Holopainen et al., 2022），因而都可以看作是廣義的“物理過(guò)程”。又如，傳統(tǒng)意義上的“動(dòng)力過(guò)程/動(dòng)力學(xué)”和“物理過(guò)程”很大程度上源于對(duì)數(shù)值模式中大氣運(yùn)動(dòng)“可解析”和“不可解析/次網(wǎng)格”部分的兩種處理方式，但隨著計(jì)算機(jī)算力的增強(qiáng)和模式分辨率的提高，“可解析”的定義正在不斷被修正。目前世界上最高精度的大氣模式可以達(dá)到全球公里級(jí)，在這一量級(jí)的分辨率下，深對(duì)流等很多傳統(tǒng)認(rèn)為不可解析的過(guò)程正逐漸變成可以直接解析的過(guò)程（Stevens et al.,2019），從而成為全新意義的“動(dòng)力過(guò)程/動(dòng)力學(xué)”。為了更合理、準(zhǔn)確地解析上述演化中的“動(dòng)力過(guò)程”，就需要從本質(zhì)上對(duì)其原理有深刻的認(rèn)識(shí)，這無(wú)疑是對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展提出的新要求（Held,2005; Emanuel, 2020），同時(shí)也是D0504 代碼在傳統(tǒng)大氣動(dòng)力學(xué)之外所覆蓋的方向。

圖1 大氣動(dòng)力學(xué)的內(nèi)涵及其與其他領(lǐng)域的聯(lián)系Fig.1 Connotation of atmospheric dynamics and the relationship with other fields

傳統(tǒng)的大氣動(dòng)力學(xué)給人的印象可能是復(fù)雜的公式推導(dǎo)、高深的理論抽象和精妙的模型構(gòu)建，這是因?yàn)樵诖髿鈩?dòng)力學(xué)許多經(jīng)典理論的發(fā)展過(guò)程中，可供分析的觀測(cè)資料和可以使用的研究手段均非常有限，因此當(dāng)時(shí)的大氣動(dòng)力學(xué)研究者們會(huì)將主要精力放在理論的推演上。然而即便如此，縱觀大氣動(dòng)力學(xué)的歷史，新的觀測(cè)事實(shí)一直是牽引大氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的動(dòng)力，近代諸多杰出的大氣動(dòng)力學(xué)家們也都是將觀測(cè)分析、理論推演和數(shù)值模擬有機(jī)地結(jié)合在一起。當(dāng)前，可供使用的觀測(cè)資料和高性能模式越來(lái)越多，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)重視資料分析和數(shù)值模擬，輕視理論認(rèn)知的情況，這無(wú)疑會(huì)損害大氣動(dòng)力學(xué)乃至大氣科學(xué)的整體發(fā)展（Emanuel, 2020）；與此相對(duì)，純粹公式推演和理論解析的研究方式也已不能完全適應(yīng)當(dāng)前的大氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展。只有充分利用當(dāng)前觀測(cè)資料和數(shù)值模式的優(yōu)勢(shì)，將觀測(cè)、理論和模擬緊密結(jié)合，才能真正促進(jìn)大氣動(dòng)力學(xué)和大氣科學(xué)的進(jìn)步（Vallis, 2016; Emanuel, 2020）。因此，不管研究的重心是資料分析、理論推演還是數(shù)值模擬，不論研究的對(duì)象是天氣、現(xiàn)代/未來(lái)氣候還是古氣候，只要在科學(xué)或應(yīng)用層面上以闡明大氣時(shí)空演變的本質(zhì)規(guī)律或引導(dǎo)數(shù)值模式的發(fā)展為主要目標(biāo)，此類研究都是D0504 代碼所覆蓋的對(duì)象。

3 研究方向與關(guān)鍵詞的設(shè)置邏輯和選取建議

D0504 大氣動(dòng)力學(xué)代碼下設(shè)6 個(gè)研究方向，分別是“地球流體動(dòng)力學(xué)”“熱帶大氣動(dòng)力學(xué)”“熱帶外大氣動(dòng)力學(xué)”“中層大氣動(dòng)力學(xué)”“氣候動(dòng)力學(xué)”“非線性動(dòng)力學(xué)和可預(yù)報(bào)性”，它們的邏輯關(guān)系如圖2 所示。地球流體動(dòng)力學(xué)是大氣動(dòng)力學(xué)與流體力學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的接口，也是大氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的基石和重要源泉。熱帶與熱帶以外地區(qū)的對(duì)流層大氣以及自對(duì)流層頂至約110 km 高度的中層大氣具有差異巨大的動(dòng)力和熱力特性，因而在長(zhǎng)期的研究中形成了“熱帶大氣動(dòng)力學(xué)”“熱帶外大氣動(dòng)力學(xué)”“中層大氣動(dòng)力學(xué)”三個(gè)經(jīng)典方向，它們是地球流體動(dòng)力學(xué)在這三個(gè)區(qū)域的細(xì)化和發(fā)展，基本從空間上對(duì)地球的流體大氣實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，同時(shí)也是大氣學(xué)科從“深空”角度與自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部“宜居地球”戰(zhàn)略（張朝林等, 2021; 朱日祥等, 2021）對(duì)接的重要橋梁。“熱帶外大氣動(dòng)力學(xué)”在很多文獻(xiàn)中也常被稱為“中高緯大氣動(dòng)力學(xué)”，但考慮到使用“中高緯”可能會(huì)引起不包含副熱帶地區(qū)的誤解，因此最終選用“熱帶外大氣動(dòng)力學(xué)”的表述形式。如上節(jié)所述，大氣動(dòng)力學(xué)的研究范疇正從單純的研究大氣自身的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到研究大氣與其他圈層相互作用中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，因此“氣候動(dòng)力學(xué)”就成為大氣動(dòng)力學(xué)的自然延伸和上述擴(kuò)展的具體體現(xiàn)。大氣運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)非線性特征，當(dāng)前的大氣動(dòng)力學(xué)研究仍主要基于線性框架和弱非線性框架開(kāi)展，但從強(qiáng)非線性角度開(kāi)展研究是大氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的必然方向；同時(shí)，在數(shù)值模擬過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的可預(yù)報(bào)性研究常常與非線性動(dòng)力學(xué)研究緊密交融，其研究群體也存在較大的交集，因此，“非線性動(dòng)力學(xué)和可預(yù)報(bào)性”能夠從另一個(gè)維度將前述5 個(gè)方向進(jìn)行串聯(lián)和融合，從而全方位地覆蓋大氣動(dòng)力學(xué)的研究領(lǐng)域。

圖2 D0504 大氣動(dòng)力學(xué)二級(jí)申請(qǐng)代碼6 個(gè)研究方向設(shè)置的邏輯關(guān)系Fig.2 Logic diagram for the six research directions of the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

關(guān)鍵詞在基金評(píng)審過(guò)程中的作用包括精準(zhǔn)反映申請(qǐng)書(shū)內(nèi)容和輔助匹配評(píng)審專家兩方面，且存在總數(shù)限制，因此其設(shè)置與一般學(xué)術(shù)論文的關(guān)鍵詞略有差異。D0504 代碼下的關(guān)鍵詞（表1）主要包括“科學(xué)問(wèn)題”“現(xiàn)象/對(duì)象”“空間區(qū)域”“時(shí)間尺度”“方法手段”這5 個(gè)維度，旨在通過(guò)這5 個(gè)維度的交叉來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)申請(qǐng)書(shū)的精準(zhǔn)定位（圖3）。同時(shí)，為了保持6 個(gè)研究方向中的關(guān)鍵詞數(shù)量相對(duì)平衡，并考慮到自然科學(xué)基金委系統(tǒng)中同一個(gè)二級(jí)代碼下各研究方向之間的關(guān)鍵詞可以互相打通使用，因此，那些可同時(shí)適用于多個(gè)研究方向的關(guān)鍵詞會(huì)被放置于其中某一個(gè)方向之下。此外，為了避免某些申請(qǐng)書(shū)無(wú)法被上述5 個(gè)維度所覆蓋，部分關(guān)鍵詞設(shè)置得比較寬泛，以期在關(guān)鍵詞的準(zhǔn)確性和包容度之間達(dá)到一個(gè)總體平衡。

圖3 D0504 大氣動(dòng)力學(xué)二級(jí)申請(qǐng)代碼關(guān)鍵詞設(shè)置的維度示意Fig.3 Schematics for the aspects of the keywords for the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

表1 D0504 大氣動(dòng)力學(xué)二級(jí)申請(qǐng)代碼下設(shè)的主要研究方向與關(guān)鍵詞Table 1 Research directions and keywords for the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

基于上述邏輯，特針對(duì)實(shí)際操作中選取申請(qǐng)代碼、研究方向或關(guān)鍵詞時(shí)可能遇到的幾個(gè)問(wèn)題給出簡(jiǎn)要建議。

建議1：不同的二級(jí)申請(qǐng)代碼下可能有相同的關(guān)鍵詞，此時(shí)應(yīng)根據(jù)研究的重心來(lái)選擇相應(yīng)的申請(qǐng)代碼和關(guān)鍵詞。例如，“季風(fēng)”關(guān)鍵詞同時(shí)存在于D0502 的“季風(fēng)變異及影響”和D0504 的“氣候動(dòng)力學(xué)”方向，若研究側(cè)重于季風(fēng)的變化特征、影響或預(yù)測(cè)則選擇D0502 代碼，若研究側(cè)重于季風(fēng)的動(dòng)力學(xué)特性或變化機(jī)制則選擇D0504 代碼。

建議2：打通使用同一二級(jí)申請(qǐng)代碼下不同研究方向之間的關(guān)鍵詞。例如，申請(qǐng)書(shū)的內(nèi)容屬于D0504 的“熱帶大氣動(dòng)力學(xué)”方向，關(guān)鍵詞也主要在該方向下選取，但符合申請(qǐng)書(shū)內(nèi)容的“年際變率”關(guān)鍵詞并不在該方向下，則此時(shí)可以手動(dòng)輸入位于“氣候動(dòng)力學(xué)”方向下的“年際變率”關(guān)鍵詞。

建議3：用好不同維度的關(guān)鍵詞。D0504 代碼下的關(guān)鍵詞包括5 個(gè)維度，在選取關(guān)鍵詞時(shí)可盡量從更多的維度中選取，從而通過(guò)不同維度的交集來(lái)實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)書(shū)的準(zhǔn)確定位和評(píng)審專家匹配。

4 近年來(lái)基金申請(qǐng)中的關(guān)鍵詞使用情況

根據(jù)大氣學(xué)科申請(qǐng)代碼改革以來(lái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020～2022 年D0504 代碼下的青年項(xiàng)目和面上項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)主要集中在“熱帶大氣動(dòng)力學(xué)”“中層大氣動(dòng)力學(xué)”“氣候動(dòng)力學(xué)”和“非線性動(dòng)力學(xué)和可預(yù)報(bào)性”四個(gè)方向（表2）。相比之下，“熱帶外大氣動(dòng)力學(xué)”和“地球流體動(dòng)力學(xué)”方向的申請(qǐng)書(shū)偏少，特別是“地球流體動(dòng)力學(xué)”方向的申請(qǐng)書(shū)最少。在每類項(xiàng)目使用頻次前40 位的關(guān)鍵詞中，屬于“地球流體動(dòng)力學(xué)”方向的關(guān)鍵詞數(shù)目為零。一方面這可能與該方向研究的成熟度和難度有關(guān)，另一方面也可能與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的大環(huán)境和導(dǎo)向有關(guān)。盡管如此，作為一個(gè)基石性的研究方向，地球流體動(dòng)力學(xué)對(duì)于大氣動(dòng)力學(xué)乃至大氣科學(xué)的發(fā)展都有不可或缺的重要意義。因此，雖然目前的申請(qǐng)數(shù)量偏少，但自然科學(xué)基金委仍將本著引導(dǎo)和培育學(xué)科可持續(xù)發(fā)展的目的保留和鼓勵(lì)該研究方向。

表2 2020～2022 年D0504 大氣動(dòng)力學(xué)二級(jí)申請(qǐng)代碼面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目申請(qǐng)中出現(xiàn)頻次最高的前20 個(gè)關(guān)鍵詞Table 2 Top 20 keywords in the proposals of General Project and Youth Project that choose D0504 Atmospheric Dynamics as the application code based on statistics of 2020-2022

5 結(jié)束語(yǔ)

大氣動(dòng)力學(xué)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究、觀測(cè)分析、理論推演和數(shù)值模擬緊密結(jié)合的學(xué)科，是大氣科學(xué)發(fā)展的數(shù)理基礎(chǔ)和理論支撐，也是大氣科學(xué)有別于地球科學(xué)其他學(xué)科的重要標(biāo)志性學(xué)科，它的研究對(duì)象是地球和其他行星中各種時(shí)間和空間尺度上的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為此，它不僅要考慮大氣內(nèi)部的過(guò)程，還要考慮大氣與其相鄰圈層間的相互作用過(guò)程；不僅要解釋觀測(cè)中大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)成因，還要解釋數(shù)值模型對(duì)實(shí)際大氣模擬和預(yù)測(cè)產(chǎn)生偏差的動(dòng)力學(xué)原因?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，在科學(xué)界和自然科學(xué)基金委大氣學(xué)科的大力支持下，D0504 申請(qǐng)代碼關(guān)鍵詞顧問(wèn)組及工作組通過(guò)多方調(diào)研和集思廣益形成了“大氣動(dòng)力學(xué)”代碼的新版研究方向和關(guān)鍵詞，并于2020 年起開(kāi)始使用。由于學(xué)識(shí)所限，難免存在疏漏，請(qǐng)學(xué)界同仁批評(píng)指正并積極反饋，以期形成更為完善的關(guān)鍵詞庫(kù)，促進(jìn)大氣動(dòng)力學(xué)的項(xiàng)目申請(qǐng)和學(xué)科發(fā)展。

致謝感謝D0504 關(guān)鍵詞顧問(wèn)組和工作組在關(guān)鍵詞調(diào)整和修訂中的辛勤付出，感謝黃榮輝、吳國(guó)雄、李崇銀、丁一匯、穆穆、王會(huì)軍、張人禾、黃建平、談?wù)苊?、曹杰、陳文、陳曦、費(fèi)建芳、封國(guó)林、付遵濤、胡永云、李建平、梁湘三、羅德海、呂建華、譚本馗、田文壽、楊崧、楊修群、張耀存、鐘中等老師對(duì)論文的寶貴建議和細(xì)致修改，感謝Theodore Gordon Shepherd 教授的有益討論，感謝三位審稿人提出的寶貴修改建議。