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：D0511 大氣數(shù)值模式發(fā)展

李建 包慶 雷荔傈 張祎

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

2 中國(guó)氣象局青藏高原氣象研究院, 成都 610000

3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

4 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 南京 210063

5 航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司2035 未來(lái)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100195

1 引言

學(xué)科申請(qǐng)代碼調(diào)整是國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）“優(yōu)化學(xué)科布局”改革任務(wù)的重要組成部分和切入點(diǎn)（李靜海, 2018, 2020）。申請(qǐng)代碼修訂工作的指導(dǎo)原則是“提高申請(qǐng)代碼的包容性和覆蓋面，通過(guò)廣覆蓋的申請(qǐng)代碼結(jié)構(gòu)盡量涵蓋更多的研究方向。鼓勵(lì)設(shè)置跨科學(xué)部申請(qǐng)代碼，加強(qiáng)對(duì)跨學(xué)科、大交叉研究的支持”（國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì), 2019）。自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部大氣科學(xué)學(xué)科作為改革試點(diǎn)，積極落實(shí)新時(shí)代科學(xué)基金資助導(dǎo)向，通過(guò)開展資助戰(zhàn)略研究形成了2020 年度申請(qǐng)代碼設(shè)置方案，明確了“分支學(xué)科”“支撐技術(shù)”“發(fā)展領(lǐng)域”三大板塊的新布局。調(diào)整后申請(qǐng)代碼的體系性和結(jié)構(gòu)性均有了顯著改善，且有助于大氣科學(xué)從傳統(tǒng)的“氣象學(xué)”“大氣物理”等較獨(dú)立的分支向地球系統(tǒng)科學(xué)大氣分量的新格局轉(zhuǎn)變（劉哲等, 2020; 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì),2022）。

大氣數(shù)值模式發(fā)展是大氣科學(xué)學(xué)科中綜合性廣、實(shí)用性強(qiáng)、對(duì)氣象行業(yè)引領(lǐng)度高的研究方向。得益于多年來(lái)基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法的不斷累積，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)持續(xù)發(fā)展（Benjamin et al., 2019; Randall et al., 2019; Yu et al., 2019），各類預(yù)報(bào)系統(tǒng)在世界各大業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中心實(shí)時(shí)運(yùn)行，其影響度不遜色于物理學(xué)的任何其它領(lǐng)域（Bauer et al., 2015）。大氣數(shù)值模式已成為當(dāng)今大氣科學(xué)的核心科技出口，一方面通過(guò)各類數(shù)值試驗(yàn)支撐著大氣科學(xué)各分支學(xué)科和發(fā)展領(lǐng)域的前沿探索，一方面通過(guò)產(chǎn)業(yè)化的數(shù)值預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)系統(tǒng)支撐著全球和區(qū)域的天氣氣候業(yè)務(wù)。

2020 年度的基金申請(qǐng)代碼將舊版代碼中“數(shù)值模式與數(shù)值模擬”進(jìn)行了拆分，大氣數(shù)值模式發(fā)展被設(shè)置為“支撐技術(shù)”板塊中的獨(dú)立代碼（D0511），而數(shù)值模擬則融入了“分支學(xué)科”和“發(fā)展領(lǐng)域”板塊（劉哲等, 2020）。這一調(diào)整有效地區(qū)分了技術(shù)研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用。大氣數(shù)值模式發(fā)展（D0511）強(qiáng)調(diào)具有創(chuàng)新性的、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模式技術(shù)研發(fā)而非模式（模擬）應(yīng)用。這直面了我國(guó)大氣模式發(fā)展長(zhǎng)期存在的“卡脖子”問(wèn)題。由于研發(fā)新模式或開展模式關(guān)鍵技術(shù)研究的挑戰(zhàn)性和試錯(cuò)性較強(qiáng)，以往這類申請(qǐng)?jiān)诤u(píng)過(guò)程中較難獲得專家共識(shí)，相較模式應(yīng)用類申請(qǐng)往往處于劣勢(shì)。獨(dú)立的代碼設(shè)置對(duì)于模式研發(fā)工作起到保護(hù)和扶持的作用。這體現(xiàn)出學(xué)科對(duì)大氣數(shù)值模式發(fā)展的高度重視。

申請(qǐng)代碼直接面向基金項(xiàng)目的申請(qǐng)、評(píng)審和資助布局等管理工作，每個(gè)申請(qǐng)代碼下設(shè)“研究方向”及其“關(guān)鍵詞”，是申請(qǐng)人填寫申請(qǐng)書的重要內(nèi)容，也是智能輔助指派系統(tǒng)匹配專家的重要依據(jù)。本文將對(duì)大氣數(shù)值模式發(fā)展（D0511）的研究方向和關(guān)鍵詞設(shè)置進(jìn)行解讀，以便申請(qǐng)人更好地定位到適合的研究方向和關(guān)鍵詞，同時(shí)提升智能輔助系統(tǒng)的匹配精度。

2 研究方向及關(guān)鍵詞的總體框架

申請(qǐng)代碼D0511 大氣數(shù)值模式發(fā)展主要開展以大氣數(shù)值模式研發(fā)為導(dǎo)向的模式系統(tǒng)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)和基礎(chǔ)理論研究，下設(shè)四個(gè)研究方向：大氣模式動(dòng)力框架、大氣模式過(guò)程參數(shù)化、大氣資料與數(shù)據(jù)同化、大氣模式評(píng)估和集成（表1）。其設(shè)置的主要考慮如下。當(dāng)前，大氣數(shù)值模式正朝著無(wú)縫隙、多尺度、高分辨率等方向發(fā)展，并逐步融入到地球系統(tǒng)模擬的大背景下（Alley et al., 2019; Gettelman et al., 2022）。新的發(fā)展需求對(duì)模式的動(dòng)力框架算法、物理過(guò)程參數(shù)化和多尺度資料同化等問(wèn)題提出了新的挑戰(zhàn)。從數(shù)值模式的結(jié)構(gòu)來(lái)看，動(dòng)力框架和物理過(guò)程是兩個(gè)核心組成部分；資料同化是將觀測(cè)信息吸收入模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這三者可進(jìn)行協(xié)同但相對(duì)獨(dú)立的發(fā)展，因此將其各列為一個(gè)研究方向。此外，鑒于大氣模式是一個(gè)有機(jī)的整體，其發(fā)展必然需要針對(duì)模式的整體進(jìn)行集成，并展開系統(tǒng)性評(píng)估，故在此基礎(chǔ)上設(shè)置了模式評(píng)估和集成方向。值得指出的是，這里的模式評(píng)估是指與模式發(fā)展具有緊密關(guān)聯(lián)度的評(píng)估方法、策略及研究工作。這類評(píng)估研究可以直接與模式整體或部件的發(fā)展產(chǎn)生聯(lián)系，并反饋給相關(guān)的模式開發(fā)者；而其它一般性、與某類具體科學(xué)問(wèn)題關(guān)聯(lián)度更高的模式評(píng)估工作，更貼近模式應(yīng)用，可融入相應(yīng)的“分支學(xué)科”或“發(fā)展領(lǐng)域”板塊。

從上述內(nèi)容可以看到，四類方向既相互支撐、緊密關(guān)聯(lián)，又可相對(duì)清晰地進(jìn)行區(qū)分。四個(gè)方向基本涵蓋了大氣數(shù)值模式發(fā)展過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)方向的關(guān)鍵詞均按研究對(duì)象、研究方法和科學(xué)問(wèn)題分為3 類。下面對(duì)每個(gè)方向的關(guān)鍵詞設(shè)置進(jìn)行具體說(shuō)明。

3 關(guān)鍵詞解讀與說(shuō)明

3.1 大氣模式動(dòng)力框架

大氣模式動(dòng)力框架是承載和驅(qū)動(dòng)數(shù)值模式的骨架和引擎。動(dòng)力框架在模式中的作用，一方面是對(duì)可求解尺度絕熱無(wú)摩擦控制方程組的離散化和求解；另一方面，大氣模式的整體物理—?jiǎng)恿ο嗷プ饔米罱K需要依靠動(dòng)力框架的時(shí)間積分向前推進(jìn)，因此它也起到了牽引整個(gè)模式體系的作用。此方向重點(diǎn)關(guān)注大氣模式動(dòng)力框架相關(guān)的高精度、高效、可擴(kuò)展離散化算法和求解器，以及離散化方程組的動(dòng)力學(xué)特性等。

研究對(duì)象類關(guān)鍵詞有9 個(gè)（表1）。其中，動(dòng)力框架屬于總體關(guān)鍵詞術(shù)語(yǔ)，其它關(guān)鍵詞為動(dòng)力框架中不同的組成部分或表現(xiàn)形式。比如，垂直坐標(biāo)、變網(wǎng)格模式、非靜力模式、模式濾波代表動(dòng)力框架中具有不同屬性的研究對(duì)象。傳輸模式、正壓模式、原始方程則表示動(dòng)力框架中具備不同復(fù)雜度特點(diǎn)的簡(jiǎn)化模式系統(tǒng)。離散算法為動(dòng)力框架研究的主要對(duì)象。從基于Web of Science（WOS）核心數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)的上述9 個(gè)關(guān)鍵詞在近5 年（2018～2022 年）的出現(xiàn)頻率（圖1a）來(lái)看，動(dòng)力框架、傳輸模式、正壓模式、模式濾波、變網(wǎng)格模式等出現(xiàn)次數(shù)較高，離散算法的出現(xiàn)頻次最低（僅4 次）。

表1 大氣科學(xué)學(xué)科二級(jí)申請(qǐng)代碼D0511“大氣數(shù)值模式發(fā)展”主要研究方向與關(guān)鍵詞Table 1 Research directions and keywords under the secondary application codes of the atmospheric sciences discipline:D0511 atmospheric numerical model development

研究方法類關(guān)鍵詞有6 個(gè)（表1）。其中，時(shí)間積分方案、半隱式、有限差分、有限體積、有限元屬于框架中的不同算法主體研究領(lǐng)域。例如，有限差分、有限體積、有限元為三類數(shù)值模式中常用的離散算法，在WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)中出現(xiàn)頻率相對(duì)較高。理想測(cè)試則是檢驗(yàn)動(dòng)力框架的主要研究手段，在從零到一的動(dòng)力框架原始研發(fā)過(guò)程中，不同復(fù)雜度的理想測(cè)試是幫助模式開發(fā)者確認(rèn)模式行為合理性、厘清模式存在問(wèn)題的重要工具和手段。

科學(xué)問(wèn)題類關(guān)鍵詞有5 個(gè)（表1）。其中，穩(wěn)定性、守恒性、適定性均為動(dòng)力框架的基本性能。穩(wěn)定性是WOS 中在動(dòng)力框架方向出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞（圖1a）。地形處理則是一個(gè)動(dòng)力框架在面向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，必須應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。算法效率是框架能否高效率展開實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。適定性則更側(cè)重動(dòng)力框架中偏微分方程的理論問(wèn)題研究。

3.2 大氣模式過(guò)程參數(shù)化

大氣模式過(guò)程參數(shù)化包括物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程的參數(shù)化。物理過(guò)程主要代表那些無(wú)法被求解尺度控制方程所描述的過(guò)程，包括不可求解過(guò)程（如云物理過(guò)程）和欠解析過(guò)程（如對(duì)流）。由于大氣模式過(guò)程參數(shù)化的不確定性和其影響的重要性，參數(shù)化發(fā)展始終是數(shù)值模式發(fā)展的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。尺度自適應(yīng)、“灰區(qū)”分辨率的物理過(guò)程以及物理過(guò)程不確定性等研究是該方向的熱點(diǎn)問(wèn)題。

研究對(duì)象類關(guān)鍵詞有13 個(gè)（表1）。這些關(guān)鍵詞或是表征模式過(guò)程參數(shù)化的不同方面（如對(duì)流參數(shù)化、云微物理參數(shù)化、宏觀云參數(shù)化、邊界層參數(shù)化、重力波參數(shù)化、地形拖曳參數(shù)化、輻射傳輸參數(shù)化、陸面過(guò)程參數(shù)化、表面通量參數(shù)化等），或是需要參數(shù)化的不同對(duì)象（如中小尺度對(duì)流、三維輻射、云降水物理、大氣化學(xué)等）。對(duì)流參數(shù)化、中小尺度對(duì)流系統(tǒng)、云微物理參數(shù)化、邊界層參數(shù)化、大氣化學(xué)、表面通量參數(shù)化等關(guān)鍵詞在WOS核心數(shù)據(jù)庫(kù)中近5 年出現(xiàn)頻次均超過(guò)了百次；其中，對(duì)流和邊界層參數(shù)化則超過(guò)200 次（圖1b）。

這些年，外賣走紅中國(guó)餐飲業(yè)，店鋪們也都紛紛開通了外賣業(yè)務(wù)。美國(guó)必勝客推出宅急送之后，便設(shè)定了超時(shí)免單的規(guī)則，一經(jīng)推出就受到了各大餐飲店的追捧。

研究方法類關(guān)鍵詞有2 個(gè)（表1）。機(jī)器學(xué)習(xí)屬于近年來(lái)新興的研究手段，主要通過(guò)人工智能等方式來(lái)模擬物理過(guò)程與模式求解尺度環(huán)境的相互作用，從而部分或完全替代原本基于物理邏輯的參數(shù)化方案。可變網(wǎng)格物理過(guò)程參數(shù)化則是由于全球多尺度變分辨率模式的出現(xiàn)，對(duì)物理過(guò)程參數(shù)化在發(fā)展上提出的更高一層的要求——參數(shù)化需要在更復(fù)雜的分辨率變化下，得到較好的模擬效果。

科學(xué)問(wèn)題類關(guān)鍵詞有4 個(gè)（表1）。氣溶膠—云相互作用屬于大氣模式云物理過(guò)程中的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。陸—?dú)庀嗷プ饔脛t是大氣模式與底部下墊面的交互過(guò)程。云參數(shù)化測(cè)試平臺(tái)和云模擬器則屬于用于開展大氣模式過(guò)程參數(shù)化測(cè)試的兩個(gè)主要的科學(xué)研究工具，也被納入科學(xué)問(wèn)題的范疇。

3.3 大氣資料與數(shù)據(jù)同化

數(shù)據(jù)同化是連接觀測(cè)資料與數(shù)值模式的核心。數(shù)據(jù)同化將時(shí)空分布不均的多源觀測(cè)信息加入到數(shù)值模式中，得到對(duì)模式動(dòng)力系統(tǒng)初始狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。數(shù)據(jù)同化還可用于設(shè)計(jì)未來(lái)觀測(cè)系統(tǒng)、改進(jìn)數(shù)值模式及參數(shù)化方案等研究中。因此，對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)同化既是模式基礎(chǔ)理論的難點(diǎn)問(wèn)題，又是學(xué)科優(yōu)化發(fā)展的前沿問(wèn)題。此方向重點(diǎn)關(guān)注大氣資料與數(shù)據(jù)同化理論、傳統(tǒng)和人工智能資料同化算法、同化技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用等問(wèn)題。

研究對(duì)象類關(guān)鍵詞有9 個(gè)（表1）。資料同化屬于總體關(guān)鍵詞術(shù)語(yǔ)，由WOS 的近5 年文獻(xiàn)計(jì)量分析可知資料同化的出現(xiàn)頻次在本方向所有關(guān)鍵詞中最高（圖1c）。資料同化與觀測(cè)資料和數(shù)值模式緊密相連，因此研究對(duì)象里其它關(guān)鍵詞為當(dāng)前資料同化前沿的具體研究對(duì)象。雷達(dá)資料同化、衛(wèi)星資料同化和閃電資料同化涵蓋當(dāng)前數(shù)值天氣預(yù)報(bào)最重要的觀測(cè)資料，由近5 年文獻(xiàn)計(jì)量分析可見衛(wèi)星資料出現(xiàn)頻次最多，其次為雷達(dá)資料，閃電資料雖然出現(xiàn)頻次略少，但其為新興的對(duì)流災(zāi)害性天氣探測(cè)的重要資料。模式初始化和觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)為資料同化與數(shù)值模式結(jié)合的重要研究對(duì)象，前者與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)直接相關(guān)，后者則與觀測(cè)設(shè)計(jì)、同化概念證明等緊密相連。大氣化學(xué)資料同化、古氣候資料同化和耦合數(shù)據(jù)同化為資料同化從傳統(tǒng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)向地球系統(tǒng)模擬的重要延伸。

圖1 D0511 大氣數(shù)值模式發(fā)展（a）方向1——大氣模式動(dòng)力框架、（b）方向2——大氣模式過(guò)程參數(shù)化、（c）方向3——大氣資料與數(shù)據(jù)同化和（d）方向4——大氣模式評(píng)估和集成關(guān)鍵詞在2018～2022 年WOS 核心數(shù)據(jù)庫(kù)中出現(xiàn)的頻次統(tǒng)計(jì)Fig.1 Frequency statistics of keywords in (a) direction 1—dynamic framework of atmospheric models, (b) direction 2—parameterization of atmospheric models, (c) direction 3—atmospheric data and assimilation, and (d) direction 4—evaluation and integration of atmospheric model of D0511 atmospheric numerical model development in WOS core database from 2018 to 2022

研究方法類關(guān)鍵詞有7 個(gè)（表1）。變分同化、集合卡爾曼濾波、混合同化、粒子濾波和非線性同化為資料同化中的不同算法的主體研究領(lǐng)域。變分同化、集合卡爾曼濾波和混合同化為當(dāng)前資料同化在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)及高維地球科學(xué)應(yīng)用中的主流方法；隨著數(shù)值模式和觀測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，粒子濾波和非線性同化則為資料同化發(fā)展可能的未來(lái)方法。質(zhì)量控制和偏差訂正為觀測(cè)資料（特別是衛(wèi)星資料和雷達(dá)資料）可成功被模式吸收、有效改進(jìn)初始場(chǎng)的關(guān)鍵手段。

科學(xué)問(wèn)題類關(guān)鍵詞有7 個(gè)（表1）。背景誤差協(xié)方差、模式誤差、觀測(cè)誤差、初值誤差和觀測(cè)算子為資料同化的具體組成部分，是資料同化的直接構(gòu)成部件。多尺度誤差則為資料同化在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、無(wú)縫隙預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)中均需考慮的重要問(wèn)題?？深A(yù)報(bào)性涉及誤差增長(zhǎng)機(jī)制，既是資料同化的基礎(chǔ)理論問(wèn)題，又是資料同化能否在實(shí)際應(yīng)用中成功實(shí)施的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.4 大氣模式評(píng)估和集成

大氣模式評(píng)估和集成包括大氣模式動(dòng)力—物理耦合、大氣模式與同化系統(tǒng)的集成、以及以模式系統(tǒng)改進(jìn)為目的的針對(duì)不同時(shí)空尺度的評(píng)估和檢驗(yàn)。大氣數(shù)值模式發(fā)展中，模式評(píng)估不僅是檢驗(yàn)?zāi)Ｊ叫阅軆?yōu)劣的重要方法，更可為大氣模式的進(jìn)一步發(fā)展指明方向和提供思路。在模式集成領(lǐng)域、動(dòng)力框架和參數(shù)化過(guò)程的一致性、參數(shù)化方案之間的協(xié)調(diào)性、模式分辨率與物理參數(shù)化方案的匹配性、大氣數(shù)值模式和數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)結(jié)合的緊密程度等方面，直接或間接影響到大氣數(shù)值模式模擬性能的優(yōu)劣和數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)水平的高低。

研究對(duì)象類關(guān)鍵詞有9 個(gè)（表1）。主要涵蓋的都是模式評(píng)估和模式集成重點(diǎn)關(guān)注的時(shí)間尺度（準(zhǔn)兩年振蕩、次季節(jié)—季節(jié)、日變化）、典型天氣和氣候事件（大氣低頻振蕩、熱帶氣旋、極端事件）、模式類型（區(qū)域模式）、誤差類型（耦合誤差），或是模式評(píng)估和應(yīng)用的出口（預(yù)測(cè)系統(tǒng)）。其中，日變化、熱帶氣旋、極端事件、預(yù)測(cè)系統(tǒng)在WOS 的近5 年文獻(xiàn)計(jì)量中頻次較高，均超過(guò)了百次（圖1d）。

科學(xué)問(wèn)題類關(guān)鍵詞有3 個(gè)（表1）。系統(tǒng)性誤差是模式評(píng)估中的一個(gè)核心問(wèn)題，因?yàn)槟Ｊ桨l(fā)展改進(jìn)的目的之一就是致力于深入認(rèn)識(shí)并不斷減少模式的系統(tǒng)性誤差。預(yù)報(bào)精度是衡量數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵指標(biāo)，也是模式的重要改進(jìn)方向。誤差非線性增長(zhǎng)是大氣可預(yù)報(bào)性研究領(lǐng)域的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，需要在模式評(píng)估中加以關(guān)注。

圖1 所示的計(jì)量分析是基于WOS 核心數(shù)據(jù)庫(kù)中2018～2022 年已發(fā)表文獻(xiàn)中主題分別屬于四個(gè)方向且所有字段包含“大氣數(shù)值模擬”的關(guān)鍵詞開展，并在其中篩選出氣象/大氣科學(xué)類文獻(xiàn)所得到的。每個(gè)關(guān)鍵詞均存在近5 年發(fā)表的對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)，總體來(lái)看各研究方向的關(guān)鍵詞設(shè)置基本合理。部分出現(xiàn)頻率較低的關(guān)鍵詞視后續(xù)發(fā)展動(dòng)態(tài)可考慮調(diào)整。

4 基于基金申請(qǐng)情況的統(tǒng)計(jì)分析

基于近2 年（2021～2022 年）的基金申請(qǐng)情況對(duì)四個(gè)方向關(guān)鍵詞的出現(xiàn)比例和使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。D0511“大氣數(shù)值模式發(fā)展”代碼近2 年申請(qǐng)量為155（73+82）項(xiàng)，4 個(gè)方向申請(qǐng)數(shù)量分別為：大氣模式動(dòng)力框架13（6+7）項(xiàng)、大氣模式過(guò)程參數(shù)化37（17+20）項(xiàng)、大氣資料與數(shù)據(jù)同化68（31+37）項(xiàng)、大氣模式評(píng)估和集成37（19+18）項(xiàng)。申請(qǐng)量較多的為“大氣資料與數(shù)據(jù)同化”方向，申請(qǐng)量較小的為“大氣模式動(dòng)力框架”方向。

申請(qǐng)書中的關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計(jì)如圖2 所示。其中，出現(xiàn)頻次較高（≥6）的關(guān)鍵詞依次為：資料同化、衛(wèi)星資料同化、變分同化、質(zhì)量控制、背景誤差協(xié)方差、觀測(cè)誤差、混合同化、GRAPES 模式、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)值模擬、雷達(dá)資料同化、高分辨率、集合卡爾曼濾波、觀測(cè)算子、集合預(yù)報(bào)。出現(xiàn)頻次≥3的關(guān)鍵詞如圖3 所示。

圖2 D0511 大氣數(shù)值模式發(fā)展代碼2021～2022 年申請(qǐng)書關(guān)鍵詞的詞頻統(tǒng)計(jì)特征Fig.2 Frequency statistics of keywords in the applications of D0511 atmospheric numerical model development from 2021 to 2022

圖3 2021～2022 年D0511 申請(qǐng)書關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次≥3 次的關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計(jì)Fig.3 Frequency statistics of keywords with a frequency of occurrence no less than three times in the applications of D0511 from 2021 to 2022

基于計(jì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析2021～2022 年“申請(qǐng)書關(guān)鍵詞”與“系統(tǒng)內(nèi)設(shè)關(guān)鍵詞”的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。方向1“大氣模式動(dòng)力框架”未被使用的關(guān)鍵詞為：模式濾波、時(shí)間積分方案、理想測(cè)試、穩(wěn)定性、適定性、地形處理，共6 個(gè)；13 項(xiàng)申請(qǐng)書使用“系統(tǒng)內(nèi)設(shè)關(guān)鍵詞”的占比為70.0%。方向2“大氣模式過(guò)程參數(shù)化”未被使用的關(guān)鍵詞為：宏觀云參數(shù)化、三維輻射、云參數(shù)化測(cè)試平臺(tái)、云模擬器，共4 個(gè)；37 項(xiàng)申請(qǐng)書使用“系統(tǒng)內(nèi)設(shè)關(guān)鍵詞”的占比為78.9%。方向3“大氣資料與數(shù)據(jù)同化”未被使用的關(guān)鍵詞為：古氣候資料同化、耦合數(shù)據(jù)同化、觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)、可預(yù)報(bào)性，共4 個(gè)；68項(xiàng)申請(qǐng)書使用“系統(tǒng)內(nèi)設(shè)關(guān)鍵詞”的占比為82.6%。方向4“大氣模式評(píng)估和集成”未被使用的關(guān)鍵詞為：大氣低頻振蕩、熱帶氣旋，共2 個(gè)；37 項(xiàng)申請(qǐng)書使用“系統(tǒng)內(nèi)設(shè)關(guān)鍵詞”的占比為90.9%。

此外，通過(guò)對(duì)D0511 各方向申請(qǐng)人自填關(guān)鍵詞（系統(tǒng)關(guān)鍵詞庫(kù)以外）的分析可知：方向1“大氣模式動(dòng)力框架”的自填關(guān)鍵詞多是已有關(guān)鍵詞庫(kù)里對(duì)應(yīng)關(guān)鍵詞的同義詞或是其細(xì)化，部分關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)項(xiàng)目開展涉及到的特定模式或是網(wǎng)格；方向2“大氣模式過(guò)程參數(shù)化”的自填關(guān)鍵詞多為申請(qǐng)人在某個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵詞基礎(chǔ)上根據(jù)申請(qǐng)書所提科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行的細(xì)化，因此自填關(guān)鍵詞大多屬于已被系統(tǒng)關(guān)鍵詞所包含的子集；方向3“大氣資料與數(shù)據(jù)同化”的自填關(guān)鍵詞多為“資料同化”的出口（例如“數(shù)值模擬”“數(shù)值預(yù)報(bào)”“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”），或是將“資料同化”的觀測(cè)資料直接列為關(guān)鍵詞，同時(shí)存在將項(xiàng)目的研究對(duì)象作為關(guān)鍵詞的現(xiàn)象，值得注意的是，“機(jī)器學(xué)習(xí)”為該方向部分申請(qǐng)人的高頻自填關(guān)鍵詞；方向4“大氣模式評(píng)估和集成”的自填關(guān)鍵詞多為針對(duì)項(xiàng)目擬解決的特定科學(xué)問(wèn)題所進(jìn)行的細(xì)化。

5 關(guān)鍵詞選擇與設(shè)置的建議

5.1 建議精準(zhǔn)地選擇系統(tǒng)已有關(guān)鍵詞

2021～2022 年青年基金和面上基金申請(qǐng)中，常見到與已有關(guān)鍵詞相似但不一致的自填關(guān)鍵詞，建議在全面了解系統(tǒng)已有關(guān)鍵詞后，直接精準(zhǔn)地選擇已有關(guān)鍵詞。比如，“集合背景誤差協(xié)方差”和“流依賴背景誤差協(xié)方差”，均可選擇“背景誤差協(xié)方差”；“陸地上衛(wèi)星資料同化”“風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化”“弱約束四維變分方法”，可分別選擇“衛(wèi)星資料同化”“雷達(dá)資料同化”“變分方法”；“初始化方案”則可選擇“模式初始化”。

5.2 建議考慮上一級(jí)匹配關(guān)鍵詞

由于每個(gè)研究方向的關(guān)鍵詞數(shù)量均在20 個(gè)左右，受此限制，系統(tǒng)已有關(guān)鍵詞不能囊括所有可能的研究領(lǐng)域。當(dāng)沒(méi)有系統(tǒng)關(guān)鍵詞可精準(zhǔn)匹配研究申請(qǐng)時(shí)，可選擇較研究申請(qǐng)關(guān)鍵詞更上一級(jí)的匹配關(guān)鍵詞。比如，在申請(qǐng)中所見的一些自填關(guān)鍵詞：自適應(yīng)局地化、GC 局地化、模式空間局地化，雖然并未有與“局地化”直接匹配的已有關(guān)鍵詞，但實(shí)際上“局地化”為已有關(guān)鍵詞“集合卡爾曼濾波”中的一個(gè)研究方向。因此，建議選擇“集合卡爾曼濾波”為關(guān)鍵詞。相似的還有“稀疏化”“云檢測(cè)”等衛(wèi)星資料同化中的研究方向，則可選擇“衛(wèi)星資料同化”為關(guān)鍵詞；某物理過(guò)程中的某一具體要素，可選擇該物理過(guò)程所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞。

5.3 建議及時(shí)更新關(guān)鍵詞設(shè)置

學(xué)科和科研均在持續(xù)發(fā)展，關(guān)鍵詞需反映科技前沿。因此建議在對(duì)各方向研發(fā)進(jìn)展和具體申報(bào)情況進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，及時(shí)更新關(guān)鍵詞設(shè)置。比如，全球公里級(jí)高分辨率模式發(fā)展與高性能計(jì)算技術(shù)聯(lián)系緊密（Bauer et al., 2021），在關(guān)鍵詞設(shè)置中，可進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)大氣模式發(fā)展起到支撐作用的關(guān)鍵技術(shù)條目設(shè)置。同時(shí)，模式調(diào)試是模式走向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)（Mauritsen et al.,2012; Hourdin et al., 2017），但由于其側(cè)重經(jīng)驗(yàn)性，難以提出具體的科學(xué)問(wèn)題，往往被視為研究的“灰色領(lǐng)域”，未來(lái)可考慮在滿足科學(xué)研究規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)此類“灰色領(lǐng)域”研究的包容度。資料同化的一個(gè)前沿發(fā)展方向?yàn)榕c機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，無(wú)論是基金申請(qǐng)還是文獻(xiàn)計(jì)量分析中都可見到“機(jī)器學(xué)習(xí)”“生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)”等關(guān)鍵詞的涌現(xiàn)。另外，隨著數(shù)值模式、觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及基礎(chǔ)算法的發(fā)展，“不確定性”“不確定量化”等關(guān)鍵詞也不斷涌現(xiàn)。因此，關(guān)鍵詞需要及時(shí)更新或者擴(kuò)展。同時(shí)，建議專家及時(shí)更新個(gè)人信息中的關(guān)鍵詞。

6 總結(jié)

設(shè)立D0511 代碼的目的是進(jìn)一步增強(qiáng)大氣科學(xué)領(lǐng)域中的模式研發(fā)力量。必須承認(rèn)，由于模式發(fā)展的特殊性，目前在整個(gè)大氣科學(xué)學(xué)科的“面青地”項(xiàng)目申請(qǐng)中，D0511 及其關(guān)聯(lián)代碼D0512（地球系統(tǒng)模式發(fā)展）的占比處于偏低狀態(tài)（何建軍等,2021）。因此，合理設(shè)置并不斷完善代碼關(guān)鍵詞將有助于更好地引導(dǎo)科研人員的項(xiàng)目申請(qǐng)及研究方向。本文針對(duì)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D0511 大氣數(shù)值模式發(fā)展的四個(gè)方向，進(jìn)行了關(guān)鍵詞信息解讀，旨在把握當(dāng)前大氣數(shù)值模式發(fā)展領(lǐng)域基金申請(qǐng)的整體現(xiàn)狀，明確下一步基金研究方向和關(guān)鍵詞設(shè)置的改進(jìn)思路。

總體來(lái)看，四個(gè)方向的主要關(guān)鍵詞設(shè)置合理，少部分關(guān)鍵詞存在使用頻率偏低的問(wèn)題，在后續(xù)工作中可適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)一步增強(qiáng)關(guān)鍵詞的多樣性和前沿性。此外，隨著科學(xué)研究的發(fā)展，在推進(jìn)我國(guó)數(shù)值模式研發(fā)力量整體發(fā)展這一基本指導(dǎo)思想的基礎(chǔ)上，研究方向和關(guān)鍵詞的具體內(nèi)容應(yīng)進(jìn)一步面向大氣數(shù)值模式發(fā)展的核心科學(xué)問(wèn)題、面向關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化、面向?qū)W科交叉與前沿技術(shù)，通過(guò)對(duì)近兩年D0511 代碼的申請(qǐng)情況進(jìn)行深度研判，在專家群體的共同努力下不斷完善、及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而持續(xù)優(yōu)化以體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)。

致謝衷心感謝D0511 大氣數(shù)值模式發(fā)展專題顧問(wèn)專家和工作組成員對(duì)本代碼關(guān)鍵詞編制工作的鼎力支持，顧問(wèn)專家提出的寶貴意見建議和工作組成員扎實(shí)細(xì)致的調(diào)研分析是D0511 關(guān)鍵詞編制的重要基礎(chǔ)和保障。特別感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院李普曦副研究員開展的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工作，為本文解讀提供了數(shù)據(jù)支撐。