國家自然科學基金大氣科學學科二級申請代碼下設研究方向與關鍵詞解讀：D0504 大氣動力學

王林 王蕾 張洋

1 中國科學院大氣物理研究所, 北京 100029

2 復旦大學大氣與海洋科學系/大氣科學研究院, 上海 200438

3 南京大學大氣科學學院, 南京 210023

1 引言

作為國家自然科學基金改革的一部分，國家自然科學基金委員會（以下簡稱“自然科學基金委”）地球科學部地球科學五處大氣科學學科（簡稱“大氣學科”）于2019 年率先開展并完成了申請代碼調整，形成了邏輯結構自洽、分支學科完整、與自然科學基金委地球科學頂層設計交融的新版代碼（劉哲等, 2020）。隨后，自然科學基金委大氣學科成立了研究方向及關鍵詞顧問組和工作組，通過調研和集思廣益形成了新版代碼的關鍵詞庫用于2020 年度的項目申請，并分別于2020 年底、2021年底和2022 年底三次對關鍵詞庫進行了修訂。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鍵詞設置的邏輯和含義，從而在項目申請和個人信息維護中選好、用好申請代碼和關鍵詞，本文特對“D0504 大氣動力學”代碼進行解讀。

2 大氣動力學代碼的含義和范疇

大氣動力學是指利用物理學、數學和計算科學中的原理和方法對地球和其他行星大氣這一強迫耗散的非線性系統隨時空演變的普適規律進行定性和定量描述，并從理論上解釋和預測大氣演變狀態的大氣科學學科分支。它在科學層面的目標是根據基本數學物理原理并利用數學語言來闡明約束地球和其他行星大氣運動的普適規律，從而形成對大氣時空演變的本質認識；在應用層面的目標是基于上述本質認識來引導高精度數值模式的發展，提高對地球和其他行星大氣在不同時間和空間尺度上的模擬和預測水平，以及更好地理解和預測未來的天氣、氣候變化。

大氣動力學所關注的大氣演變的普適規律可以來源于對觀測事實的分析、總結和抽象，也可以來源于單純的理論推演；這些規律一旦形成，反過來又能指導對復雜大氣演變現象的理解和認識。從歷史進程上看，大氣動力學起源于人類對地球上行星尺度大氣環流成因的探索，并隨著新觀測事實的出現以及各相關基礎學科的發展而不斷演化和完善（Vallis, 2016; Held, 2019）。從17～18 世紀基于牛頓力學研究行星風系的成因，到19 世紀吸納流體力學和熱力學第一定律等最新成果建立沿用至今的閉合大氣運動方程組，從20 世紀中葉結合探空發現的高空大氣運動特征從而形成以準地轉理論、大氣波動理論、穩定性理論等為代表的當代大氣動力學理論體系（Held, 2019），到與新出現的電子計算機相結合從而催生數值天氣預報、可預報性、非線性動力學等新興方向（Benjamin et al., 2018;Held, 2019），再到動力學理論和數值模擬對觀測原則的指導和反饋（穆穆, 2013），大氣動力學的演化和進步一直與新事實、新理論、新方法的發現和發展緊密結合。在這一過程中，大氣動力學的研究對象和研究領域都在持續擴展，研究方法和研究手段也在不斷豐富。20 世紀后半葉至今，隨著觀測資料的豐富、數值模式的進步以及氣候系統概念的提出，大氣動力學的內涵得到進一步拓展，其研究對象正從單純的大氣本身擴展到大氣與大氣中各種物理、化學、生物過程以及大氣與相鄰圈層的相互作用，研究手段也從以實驗研究、理論分析和簡化模型模擬為主轉向實驗研究、事實分析、理論分析和不同復雜程度模型模擬的緊密結合（Hoskins,1983; Shepherd, 2003; Held, 2005; Kiladis et al.,2009; Randall et al., 2018）。在上述的諸多進程中，包含了中國學者的巨大貢獻（ 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，“大氣動力學”代碼的名稱保持不變，但內涵和范疇有一定變化（圖1），編號也從D0506 調整為D0504（劉哲等, 2020）。慣例上，通常將大氣運動方程組中與流體運動相關、可以通過流體力學方程和熱力學方程來解析的部分稱為“動力學”或“動力過程”，而將與水汽、對流、輻射等過程相關、不能通過流體力學方程和熱力學方程來解析的部分稱為“物理過程”。這種劃分方法可以看作是對大氣環流系統和過程的某種簡化，反映了大氣動力學抽絲剝繭、抓主要過程的研究特點。上述方法論在大氣動力學的發展中起到過重要作用，如促進了20 世紀中葉當代大氣動力學理論體系的建立。然而，隨著時代的發展，“動力過程/動力學”與“物理過程”的含義正在發生變化，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“物理過程”的形式體現在大氣運動方程組中，化學過程乃至生物過程等原本認為對大氣運動影響很小的過程也被證明能夠影響大氣運動和模式性能（Huang and Ding, 2021; Holopainen et al., 2022），因而都可以看作是廣義的“物理過程”。又如，傳統意義上的“動力過程/動力學”和“物理過程”很大程度上源于對數值模式中大氣運動“可解析”和“不可解析/次網格”部分的兩種處理方式，但隨著計算機算力的增強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到全球公里級，在這一量級的分辨率下，深對流等很多傳統認為不可解析的過程正逐漸變成可以直接解析的過程（Stevens et al.,2019），從而成為全新意義的“動力過程/動力學”。為了更合理、準確地解析上述演化中的“動力過程”，就需要從本質上對其原理有深刻的認識，這無疑是對大氣動力學發展提出的新要求（Held,2005; Emanuel, 2020），同時也是D0504 代碼在傳統大氣動力學之外所覆蓋的方向。

圖1 大氣動力學的內涵及其與其他領域的聯系Fig.1 Connotation of atmospheric dynamics and the relationship with other fields

傳統的大氣動力學給人的印象可能是復雜的公式推導、高深的理論抽象和精妙的模型構建，這是因為在大氣動力學許多經典理論的發展過程中，可供分析的觀測資料和可以使用的研究手段均非常有限，因此當時的大氣動力學研究者們會將主要精力放在理論的推演上。然而即便如此，縱觀大氣動力學的歷史，新的觀測事實一直是牽引大氣動力學發展的動力，近代諸多杰出的大氣動力學家們也都是將觀測分析、理論推演和數值模擬有機地結合在一起。當前，可供使用的觀測資料和高性能模式越來越多，有時會出現重視資料分析和數值模擬，輕視理論認知的情況，這無疑會損害大氣動力學乃至大氣科學的整體發展（Emanuel, 2020）；與此相對，純粹公式推演和理論解析的研究方式也已不能完全適應當前的大氣動力學發展。只有充分利用當前觀測資料和數值模式的優勢，將觀測、理論和模擬緊密結合，才能真正促進大氣動力學和大氣科學的進步（Vallis, 2016; Emanuel, 2020）。因此，不管研究的重心是資料分析、理論推演還是數值模擬，不論研究的對象是天氣、現代/未來氣候還是古氣候，只要在科學或應用層面上以闡明大氣時空演變的本質規律或引導數值模式的發展為主要目標，此類研究都是D0504 代碼所覆蓋的對象。

3 研究方向與關鍵詞的設置邏輯和選取建議

D0504 大氣動力學代碼下設6 個研究方向，分別是“地球流體動力學”“熱帶大氣動力學”“熱帶外大氣動力學”“中層大氣動力學”“氣候動力學”“非線性動力學和可預報性”，它們的邏輯關系如圖2 所示。地球流體動力學是大氣動力學與流體力學、數學等基礎學科的接口，也是大氣動力學發展的基石和重要源泉。熱帶與熱帶以外地區的對流層大氣以及自對流層頂至約110 km 高度的中層大氣具有差異巨大的動力和熱力特性，因而在長期的研究中形成了“熱帶大氣動力學”“熱帶外大氣動力學”“中層大氣動力學”三個經典方向，它們是地球流體動力學在這三個區域的細化和發展，基本從空間上對地球的流體大氣實現了全覆蓋，同時也是大氣學科從“深空”角度與自然科學基金委地球科學部“宜居地球”戰略（張朝林等, 2021; 朱日祥等, 2021）對接的重要橋梁?！盁釒獯髿鈩恿W”在很多文獻中也常被稱為“中高緯大氣動力學”，但考慮到使用“中高緯”可能會引起不包含副熱帶地區的誤解，因此最終選用“熱帶外大氣動力學”的表述形式。如上節所述，大氣動力學的研究范疇正從單純的研究大氣自身的動力學問題擴展到研究大氣與其他圈層相互作用中的動力學問題，因此“氣候動力學”就成為大氣動力學的自然延伸和上述擴展的具體體現。大氣運動具有強非線性特征，當前的大氣動力學研究仍主要基于線性框架和弱非線性框架開展，但從強非線性角度開展研究是大氣動力學發展的必然方向；同時，在數值模擬過程中發展起來的可預報性研究常常與非線性動力學研究緊密交融，其研究群體也存在較大的交集，因此，“非線性動力學和可預報性”能夠從另一個維度將前述5 個方向進行串聯和融合，從而全方位地覆蓋大氣動力學的研究領域。

圖2 D0504 大氣動力學二級申請代碼6 個研究方向設置的邏輯關系Fig.2 Logic diagram for the six research directions of the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

關鍵詞在基金評審過程中的作用包括精準反映申請書內容和輔助匹配評審專家兩方面，且存在總數限制，因此其設置與一般學術論文的關鍵詞略有差異。D0504 代碼下的關鍵詞（表1）主要包括“科學問題”“現象/對象”“空間區域”“時間尺度”“方法手段”這5 個維度，旨在通過這5 個維度的交叉來實現對申請書的精準定位（圖3）。同時，為了保持6 個研究方向中的關鍵詞數量相對平衡，并考慮到自然科學基金委系統中同一個二級代碼下各研究方向之間的關鍵詞可以互相打通使用，因此，那些可同時適用于多個研究方向的關鍵詞會被放置于其中某一個方向之下。此外，為了避免某些申請書無法被上述5 個維度所覆蓋，部分關鍵詞設置得比較寬泛，以期在關鍵詞的準確性和包容度之間達到一個總體平衡。

圖3 D0504 大氣動力學二級申請代碼關鍵詞設置的維度示意Fig.3 Schematics for the aspects of the keywords for the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

表1 D0504 大氣動力學二級申請代碼下設的主要研究方向與關鍵詞Table 1 Research directions and keywords for the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

基于上述邏輯，特針對實際操作中選取申請代碼、研究方向或關鍵詞時可能遇到的幾個問題給出簡要建議。

建議1：不同的二級申請代碼下可能有相同的關鍵詞，此時應根據研究的重心來選擇相應的申請代碼和關鍵詞。例如，“季風”關鍵詞同時存在于D0502 的“季風變異及影響”和D0504 的“氣候動力學”方向，若研究側重于季風的變化特征、影響或預測則選擇D0502 代碼，若研究側重于季風的動力學特性或變化機制則選擇D0504 代碼。

建議2：打通使用同一二級申請代碼下不同研究方向之間的關鍵詞。例如，申請書的內容屬于D0504 的“熱帶大氣動力學”方向，關鍵詞也主要在該方向下選取，但符合申請書內容的“年際變率”關鍵詞并不在該方向下，則此時可以手動輸入位于“氣候動力學”方向下的“年際變率”關鍵詞。

建議3：用好不同維度的關鍵詞。D0504 代碼下的關鍵詞包括5 個維度，在選取關鍵詞時可盡量從更多的維度中選取，從而通過不同維度的交集來實現申請書的準確定位和評審專家匹配。

4 近年來基金申請中的關鍵詞使用情況

根據大氣學科申請代碼改革以來的數據統計，2020～2022 年D0504 代碼下的青年項目和面上項目申請書主要集中在“熱帶大氣動力學”“中層大氣動力學”“氣候動力學”和“非線性動力學和可預報性”四個方向（表2）。相比之下，“熱帶外大氣動力學”和“地球流體動力學”方向的申請書偏少，特別是“地球流體動力學”方向的申請書最少。在每類項目使用頻次前40 位的關鍵詞中，屬于“地球流體動力學”方向的關鍵詞數目為零。一方面這可能與該方向研究的成熟度和難度有關，另一方面也可能與當前國內外研究的大環境和導向有關。盡管如此，作為一個基石性的研究方向，地球流體動力學對于大氣動力學乃至大氣科學的發展都有不可或缺的重要意義。因此，雖然目前的申請數量偏少，但自然科學基金委仍將本著引導和培育學科可持續發展的目的保留和鼓勵該研究方向。

表2 2020～2022 年D0504 大氣動力學二級申請代碼面上項目和青年項目申請中出現頻次最高的前20 個關鍵詞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 結束語

大氣動力學是一個實驗研究、觀測分析、理論推演和數值模擬緊密結合的學科，是大氣科學發展的數理基礎和理論支撐，也是大氣科學有別于地球科學其他學科的重要標志性學科，它的研究對象是地球和其他行星中各種時間和空間尺度上的大氣運動規律。為此，它不僅要考慮大氣內部的過程，還要考慮大氣與其相鄰圈層間的相互作用過程；不僅要解釋觀測中大氣運動的動力學成因，還要解釋數值模型對實際大氣模擬和預測產生偏差的動力學原因?；谏鲜稣J識，在科學界和自然科學基金委大氣學科的大力支持下，D0504 申請代碼關鍵詞顧問組及工作組通過多方調研和集思廣益形成了“大氣動力學”代碼的新版研究方向和關鍵詞，并于2020 年起開始使用。由于學識所限，難免存在疏漏，請學界同仁批評指正并積極反饋，以期形成更為完善的關鍵詞庫，促進大氣動力學的項目申請和學科發展。

致謝感謝D0504 關鍵詞顧問組和工作組在關鍵詞調整和修訂中的辛勤付出，感謝黃榮輝、吳國雄、李崇銀、丁一匯、穆穆、王會軍、張人禾、黃建平、談哲敏、曹杰、陳文、陳曦、費建芳、封國林、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、鐘中等老師對論文的寶貴建議和細致修改，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。