國家自然科學(xué)基金大氣科學(xué)學(xué)科二級申請代碼下設(shè)研究方向與關(guān)鍵詞解讀：D0508 行星大氣

楊軍 孔大力 陳果 胡永云

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

2 中國科學(xué)院上海天文臺, 上海 200030

3 中國科學(xué)院紫金山天文臺, 南京 210023

1 引言

2018 年，國家自然科學(xué)基金委員會（簡稱“自然科學(xué)基金委”）提出了“明確資助導(dǎo)向”“完善評審機制”和“優(yōu)化學(xué)科布局”三項核心改革任務(wù)。2019 年在科學(xué)界的支持下，大氣科學(xué)學(xué)科完成了申請代碼調(diào)整改革工作，形成了2020 版大氣科學(xué)學(xué)科申請代碼設(shè)置方案（劉哲等, 2020, 2021）。2020 版大氣科學(xué)學(xué)科申請代碼包括“分支學(xué)科”“支撐技術(shù)”和“發(fā)展領(lǐng)域”3 個板塊，其中申請代碼D0508“行星大氣”是新增的二級申請代碼，屬于“分支學(xué)科”板塊（劉哲等, 2020）。行星大氣以更為寬廣的角度來審視大氣科學(xué)的基本規(guī)律與基本理論，是大氣學(xué)科的重要內(nèi)容和重要拓展，對于深入理解地球及其他行星的大氣具有不可或缺的作用，為我國深空探測戰(zhàn)略的理論與觀測技術(shù)提供科技支撐。

太陽系內(nèi)有八大行星，除了水星基本沒有大氣以外，其它七顆行星都有大氣。這些行星的大氣成分與地球大氣截然不同。金星、地球和火星是巖石行星，具有固態(tài)的地表。土星、木星、天王星和海王星是氣態(tài)行星，沒有固態(tài)的地表，這4 顆行星的大氣可能代表太陽系的原初大氣成分，以H2和He 為主（胡永云和田豐, 2014）。這些行星擁有完全不同的大氣，促使科學(xué)家們思考行星大氣物理、行星大氣化學(xué)、以及行星大氣演化的各種問題，如為什么太陽系內(nèi)只有地球表面可以維持液態(tài)水的存在？金星與地球的大小與質(zhì)量都接近，為什么金星沒有孕育出生命？火星早期是否有液態(tài)水甚至生命存在？

不僅大氣成分不同，不同行星上的大氣運動也截然不同。地球上每個半球有三圈環(huán)流、中緯度急流和極渦；金星上只有一圈環(huán)流，但是有赤道超級旋轉(zhuǎn)；火星上有巨大的沙塵暴；木星上有很多渦旋，猶如在地球海洋上看到的那么多的渦旋；同為氣態(tài)行星，土星上的渦旋要比木星少很多，只有偶爾的風(fēng)暴。這些又促使科學(xué)家們?nèi)ニ伎伎刂拼髿膺\動的內(nèi)在機理是什么？在何種參數(shù)范圍內(nèi)會出現(xiàn)何種大氣環(huán)流形態(tài)？地球上大氣環(huán)流的特殊性的緣由是什么？許多類似的科學(xué)問題等待我們?nèi)ソ獯稹?/p>

1995 年10 月6 日，人類發(fā)現(xiàn)并確認了第一顆圍繞類太陽恒星公轉(zhuǎn)的系外行星——51 Pegasi b。這以后，人類發(fā)現(xiàn)太陽系外行星的數(shù)目基本成指數(shù)增加。太陽系外行星通常被簡稱為“系外行星”。截止目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5000 多顆系外行星（圖1）。系外行星的種類繁多，如超熱木星、熱木星、冷木星、類海王星、迷你海王星、海洋行星、超級地球、巖漿行星、巖石行星、潮汐鎖相行星、類地行星、亞地球、類火星、類金星、類水星等。目前的地面和空間望遠鏡可以探測一些比較熱而大的行星的大氣。系外行星的大氣成分、熱力結(jié)構(gòu)、大氣化學(xué)、大氣運動、大氣逃逸等研究正如火如荼地進行中（竇江培等, 2014; 萬衛(wèi)星等, 2019）。科學(xué)家們的最終目的是理解不同行星的大氣及其演變，總結(jié)行星之間共同的物理與化學(xué)規(guī)律，完善行星科學(xué)乃至整個自然科學(xué)的認知體系，搜尋與地球類似的宜居系外行星，探尋地外生命信號，乃至發(fā)現(xiàn)地外生命。目前，國際上有一系列的太陽系外行星探測計劃，而我們國家也正在籌建空間站望遠鏡（CSST）、地球2.0 太空望遠鏡（Earth 2.0）、近鄰宜居行星巡天計劃（CHES）等等，將來會有越來越多的太陽系外行星大氣探測數(shù)據(jù)，也會涌現(xiàn)越來越多的、新的大氣科學(xué)問題，等待我們?nèi)ニ伎肌⑷ソ鉀Q。太陽系外行星大氣的研究必將成為行星大氣研究的重要部分。

圖1 每年發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星的累積值。不同的顏色代表不同的觀測方法得到的行星數(shù)目，紅色代表視向速度法（Radial Velocity），綠色代表掩星法（Transits），紫色代表微引力透鏡法（Microlensing），藍色代表直接成像法（Imaging）。其他探測方法發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)目比較少，為了簡潔，在此不列出。詳見原始圖片NASA Exoplanet Archive（https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/ [2022-11-11]）。Fig.1 Cumulative quantity of exoplanets discovered every year.Different colors represent the number of planets observed by different methods, red represents radial velocity method, green represents transits method, purple represents microlensing method, blue represents imaging method.The number of exoplanets founded by other detection methods was fewer, not listed here.See details in original images of NASA Exoplanet Archive (https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/[2022-11-11])

在歐美等國家，行星大氣研究已成為一門重要的學(xué)科，具有眾多的研究機構(gòu)與人才培養(yǎng)基地（胡永云等, 2014）。然而在我國，行星大氣研究才剛剛起步。近年來，我國的行星大氣探測與研究有了很好的開局。嫦娥探月計劃揭開了我們國家行星探測與研究的序幕，天問一號火星探測計劃打開了我國行星大氣探測的第一扇門，隨著后續(xù)一系列探測計劃的推進（如木星探測計劃、金星探測計劃、太陽系邊際探測計劃、系外行星探測計劃），我們國家的行星大氣探測與研究必將取得長足的進步（魏勇和朱日祥, 2019; 吳福元等2019）。

從月球到火星，從木星到太陽系邊界，從太陽系內(nèi)行星到太陽系外行星，我們國家的深空探測計劃正不斷向前快速推進。然而，我們國家的行星大氣研究起步比較晚，缺乏這方面的專業(yè)科學(xué)與技術(shù)人才。通過在大氣科學(xué)學(xué)科下設(shè)“行星大氣”二級申請代碼，可以非常有效地推進我們國家在行星大氣領(lǐng)域和深空探測領(lǐng)域的科學(xué)研究與人才培養(yǎng)，為世界人類文明的進步增添我國科學(xué)工作者的貢獻。

2 行星大氣下設(shè)的研究方向與關(guān)鍵詞解讀

現(xiàn)階段的行星大氣研究方向和關(guān)鍵詞設(shè)置，詳見表1。設(shè)置中，考慮了兩個重要原則。第一個原則：盡最大可能覆蓋行星大氣研究的方方面面。與其它研究方向類似，行星大氣研究也大致可以分為觀測或探測、實驗室實驗、以及理論與數(shù)值模擬三個方面。從研究對象來看，行星大氣研究主要包括太陽系內(nèi)行星，太陽系內(nèi)衛(wèi)星和太陽系外行星三個部分。目前，人類的探測技術(shù)還無法探測太陽系外衛(wèi)星。從研究內(nèi)容來看，行星大氣研究主要包含行星大氣物理、行星大氣化學(xué)、行星大氣動力、行星氣候與天氣等。與大氣科學(xué)的其它研究方向不同，行星大氣研究還經(jīng)常會考慮行星大氣的長時間演化問題，例如現(xiàn)在的地球大氣成分是如何從早期原初大氣演變過來的，這就需要考慮地表放氣、大氣化學(xué)、光化學(xué)、大氣逃逸等過程。

表1 D0508 行星大氣二級代碼的三個主要研究方向以及對應(yīng)的關(guān)鍵詞Table 1 Three research directions and corresponding keywords of the secondary application code D0508 “ Planetary Atmospheres”

第二個原則：盡量做到簡潔明了。這個原則的主要目的是便于基金申請者可以快速挑選到合適的關(guān)鍵詞。與此同時，相比其它研究方向而言，行星大氣的研究學(xué)者目前還較少，因此還不適合設(shè)置太多太細的關(guān)鍵詞，更加適合設(shè)置比較概括簡明的關(guān)鍵詞。例如，太陽系內(nèi)行星包括八大行星，水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，每顆行星的大氣都有很多科學(xué)問題等待解決。但是，并不適合把每顆行星都作為一個關(guān)鍵詞，而用“太陽系內(nèi)行星”來概括比較好。類似的，行星大氣運動包含到很多方面，如大氣環(huán)流、急流、波動、渦旋、波—流相互作用、對流、湍流、季風(fēng)、風(fēng)暴路徑、大氣河、極渦、經(jīng)圈環(huán)流、剩余環(huán)流、平流層動力、?！獨庀嗷プ饔玫鹊龋膊贿m合把這些方面都設(shè)置為關(guān)鍵詞，而是以“行星大氣動力”來作為統(tǒng)稱。再如，大氣化學(xué)包括無機化學(xué)、有機化學(xué)、光化學(xué)、單相化學(xué)、多相化學(xué)、氣溶膠化學(xué)等等，也比較適合以“行星大氣化學(xué)”來統(tǒng)稱。

行星大氣的重大研究進展很大程度上取決于觀測或者探測。與此同時，行星大氣模擬與模式開發(fā)也可以很大程度上來推進行星大氣研究。基于基本物理、化學(xué)與數(shù)學(xué)等方程與過程的行星大氣模式可以幫助我們更好地理解不同行星的大氣運行規(guī)律、也可以幫助我們解譯所觀測或者探測到的行星大氣數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。國內(nèi)外的行星大氣研究學(xué)者，既有在做觀測、探測以及實驗室模擬與測量，也有在做數(shù)值模擬與理論研究。因此，將“行星大氣模擬與模式發(fā)展”作為一個獨立的研究方向是比較合適的。

自1995 年人類發(fā)現(xiàn)第1 顆圍繞類太陽恒星公轉(zhuǎn)的太陽系外行星以來，已經(jīng)確認了5000 多顆太陽系外行星。而且，這一數(shù)字還在不斷快速增加。早期，太陽系外行星大氣的研究主要集中于很熱的熱木星，其表面溫度超過1000 K?，F(xiàn)在，韋布空間望遠鏡基本有能力測量溫度在500～1000 K 左右的超級地球或者迷你海王星的大氣成分。未來，越來越多的太空望遠鏡和超大的地面望遠鏡將有能力探測類似地球大小、類似地球表面溫度的行星。這方面的研究將會越來越多，也會越來越重要。因此，基于系外行星大氣的多樣性與特殊性以及長遠考慮，將太陽“系外行星大氣”單列為一個研究方向。

行星大氣研究的最終目的是找到與地球環(huán)境類似的行星、甚至是類地生命，因此行星宜居性也是行星大氣研究中的一個重要方向。但是，基于研究方向與關(guān)鍵詞設(shè)置的第二個原則，并不適合將“行星宜居性”單列為一個研究方向，更加適合與“系外行星大氣”合在一起，稱為“系外行星大氣與行星宜居性”。當(dāng)然，行星宜居性的研究不止于太陽系外行星，火星與金星的早期大氣與環(huán)境研究也牽涉到行星宜居性，一些衛(wèi)星如泰坦（Titan）、歐羅巴（Europa）的研究也牽涉到行星宜居性。對于這類的研究課題，申請人可以選擇“行星大氣與探測”研究方向，也可以選擇“系外行星大氣與行星宜居性”研究方向。

根據(jù)以上兩個原則，行星大氣下設(shè)了三個主要研究方向，分別是行星大氣與探測、行星大氣模擬與模式發(fā)展、以及系外行星大氣與行星宜居性。每個研究方向下設(shè)有10 個以內(nèi)的關(guān)鍵詞，如表1 所示。表1 對應(yīng)的英文翻譯見附表A1。

研究方向“行星大氣與探測”下設(shè)9 個關(guān)鍵詞。第1～4 個關(guān)鍵詞是根據(jù)研究內(nèi)容來設(shè)置的，包含物理、化學(xué)、動力、演化四個方面。第5～7 個關(guān)鍵詞是為了強調(diào)探測與實驗室實驗方面的研究。第8～9 個關(guān)鍵詞是根據(jù)研究對象來設(shè)置的，包括太陽系內(nèi)行星和太陽系內(nèi)衛(wèi)星。

研究方向“行星大氣模擬與模式發(fā)展”下設(shè)7個關(guān)鍵詞。第1 個關(guān)鍵詞“行星大氣模擬”是統(tǒng)稱。第2～5 個關(guān)鍵詞是針對不同的模式與參數(shù)化方案，包括大氣環(huán)流模式、大氣化學(xué)模式、輻射傳輸模式和參數(shù)化方案。行星大氣模擬與模式發(fā)展?fàn)可娴皆S多方面，例如邊界層模式、輻射-對流平衡模式、動力核、云解析模式、云參數(shù)化、對流參數(shù)化、降水參數(shù)化、平流方案、微物理過程、大氣化學(xué)輸運等等，還有一些尚在發(fā)展的模式或者參數(shù)化方案，如直接模擬方法和AI 參數(shù)化方案等，不可能一一詳盡地列出。因此，設(shè)置了兩個較為含糊的關(guān)鍵詞——“其他數(shù)值模式”和“其他數(shù)值模擬”，供基金申請者選擇。行星大氣模擬與模式發(fā)展，可以是針對太陽系內(nèi)行星，也可以是針對太陽系外行星，或者兩者兼之。

研究方向“系外行星大氣與行星宜居性”下設(shè)8 個關(guān)鍵詞。第1～2 個關(guān)鍵詞是根據(jù)研究手段來設(shè)置的，分別為系外行星大氣探測與系外行星大氣模擬。第3～6 個關(guān)鍵詞是根據(jù)研究內(nèi)容來設(shè)置的，分別為系外行星大氣物理、系外行星大氣化學(xué)、系外行星大氣動力和系外行星氣候與天氣。這4 個關(guān)鍵詞的設(shè)置與第一個研究方向的前4 個關(guān)鍵詞的設(shè)置是基本對應(yīng)的，所不同的是這里針對的太陽系外行星，第一個研究方向針對的太陽系內(nèi)行星或者衛(wèi)星。在行星宜居性方面，共設(shè)置了2 個關(guān)鍵詞，分別是行星宜居性和地外生命及其探測，這里第1個關(guān)鍵詞是統(tǒng)稱，包括大氣、陸地、海洋、空間環(huán)境、地表過程、內(nèi)部過程等。第2 個關(guān)鍵詞更強調(diào)地外生命的理論、模擬或探測研究，這里既包括太陽系內(nèi)、地球以外的生命，又包含太陽系外的生命。

目前，行星大氣二級代碼的申請量還偏少（何建軍等, 2020, 2021），但是獲資助量都不錯。希望通過本文，業(yè)界可以更加了解行星大氣的資助方向與內(nèi)容，未來有更多的申請書選擇“行星大氣”作為二級申請代碼。如今正值國內(nèi)大力開展深空探測之際，行星科學(xué)成為新興學(xué)科，具有非常好的發(fā)展前景。國內(nèi)行星科學(xué)界中，行星地質(zhì)和行星空間物理研究群體較大，但行星大氣研究群體相對較小，更是為行星大氣的發(fā)展提出了迫切的需求。

隨著我國深空探測計劃的不斷實施，越來越多的院校與研究機構(gòu)加入到行星科學(xué)研究隊伍中來，尤其是近年來相關(guān)研究團隊增長迅速，如表2 所示。一方面，雖然部分院校與研究機構(gòu)現(xiàn)在還沒有行星大氣研究方向，但是隨著行星大氣人才的不斷增長，未來行星大氣研究勢必會逐漸成為眾多高校與科研院所的主要研究內(nèi)容之一。另一方面，部分大學(xué)已經(jīng)設(shè)置或者正在籌備增加行星科學(xué)專業(yè)，招收與培養(yǎng)本科生，如中國科學(xué)院大學(xué)、南京大學(xué)、成都理工大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)等。值得指出的是2021 年第一屆全國行星科學(xué)大會在蘇州舉行，共1000 余人參會。

表2 國內(nèi)從事行星科學(xué)探測與研究的相關(guān)單位和團隊（改自戎昭金等, 2019）Table 2 Domestic related units and teams engaged in planetary science detections and research (modified from Rong et al.2019)

3 總結(jié)與展望

行星大氣科學(xué)有很多經(jīng)典的問題，也有很多不斷涌現(xiàn)的新問題，等待科學(xué)家們?nèi)ヌ剿鳌⑷ソ獯?。大氣科學(xué)學(xué)科下設(shè)“行星大氣”二級申請代碼，填補了原申請代碼大氣科學(xué)領(lǐng)域的一個重要分支，也為行星大氣科學(xué)家提供了一個相互交流、相互學(xué)習(xí)的平臺?！靶行谴髿狻倍壣暾埓a的設(shè)置將會為國家、為世界培養(yǎng)越來越多的行星科學(xué)優(yōu)秀儲備人才提供一片沃土。

行星大氣科學(xué)屬于國際前沿的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。不同行星大氣的研究可以幫助我們探究清楚行星大氣的運行規(guī)律和內(nèi)在機理，也可以幫助我們理解地球大氣的過去、現(xiàn)在與未來的可能演變。不同行星大氣之間的比較研究，將有助于理解為什么地球在太陽系內(nèi)是如此特殊的存在，也將有助于理解在太陽系以外是否存在可能宜居的第二顆地球。從地球大氣到行星大氣，這使得科學(xué)家們能夠站在更高、更為寬廣的角度來思考與回答一些基礎(chǔ)而重要的科學(xué)問題，從而幫助解決一些懸而未決的大氣科學(xué)問題。

行星大氣發(fā)展的關(guān)鍵主要在于兩個方面，一是人才培養(yǎng)，人才是根本，國內(nèi)外的本科生、研究生和博士后等是重要培養(yǎng)對象和未來的主力軍，二是經(jīng)費支持，除了自然科學(xué)基金委的支持以外，還需要其他相關(guān)機構(gòu)和各高校研究院所的大力支持。

最后，值得指出的是，除了表1 中明確列出的關(guān)鍵詞，基金申請者還可以根據(jù)自身的申請內(nèi)容自定義關(guān)鍵詞。行星大氣研究屬于方興未艾的領(lǐng)域，很多新的研究分支、新的研究術(shù)語都在不斷快速增長，表1 中的設(shè)置很難做到面面俱到。歡迎各位學(xué)者給本文的作者提出您的寶貴意見或建議，共同推進我們國家行星大氣科學(xué)的研究與發(fā)展。

致謝在“D0508 行星大氣”的研究方向與關(guān)鍵詞的設(shè)置過程中，國內(nèi)外眾多的學(xué)者參與了組織與討論，給出了寶貴的意見和建議，在此一并表示感謝。感謝三位評審老師對本文所提出的各種建議與意見。

附錄A

表A1 正文中表格1 的研究方向與關(guān)鍵詞的英文對照表Table A1 English Comparison of research directions and keywords in Table 1