国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读：D0504 大气动力学

王林 王蕾 张洋

1 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029

2 复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院, 上海 200438

3 南京大学大气科学学院, 南京 210023

1 引言

作为国家自然科学基金改革的一部分，国家自然科学基金委员会（以下简称“自然科学基金委”）地球科学部地球科学五处大气科学学科（简称“大气学科”）于2019 年率先开展并完成了申请代码调整，形成了逻辑结构自洽、分支学科完整、与自然科学基金委地球科学顶层设计交融的新版代码（刘哲等, 2020）。随后，自然科学基金委大气学科成立了研究方向及关键词顾问组和工作组，通过调研和集思广益形成了新版代码的关键词库用于2020 年度的项目申请，并分别于2020 年底、2021年底和2022 年底三次对关键词库进行了修订。为了便于广大科研人员更好地理解代码及代码下研究方向和关键词设置的逻辑和含义，从而在项目申请和个人信息维护中选好、用好申请代码和关键词，本文特对“D0504 大气动力学”代码进行解读。

2 大气动力学代码的含义和范畴

大气动力学是指利用物理学、数学和计算科学中的原理和方法对地球和其他行星大气这一强迫耗散的非线性系统随时空演变的普适规律进行定性和定量描述，并从理论上解释和预测大气演变状态的大气科学学科分支。它在科学层面的目标是根据基本数学物理原理并利用数学语言来阐明约束地球和其他行星大气运动的普适规律，从而形成对大气时空演变的本质认识；在应用层面的目标是基于上述本质认识来引导高精度数值模式的发展，提高对地球和其他行星大气在不同时间和空间尺度上的模拟和预测水平，以及更好地理解和预测未来的天气、气候变化。

大气动力学所关注的大气演变的普适规律可以来源于对观测事实的分析、总结和抽象，也可以来源于单纯的理论推演；这些规律一旦形成，反过来又能指导对复杂大气演变现象的理解和认识。从历史进程上看，大气动力学起源于人类对地球上行星尺度大气环流成因的探索，并随着新观测事实的出现以及各相关基础学科的发展而不断演化和完善（Vallis, 2016; Held, 2019）。从17～18 世纪基于牛顿力学研究行星风系的成因，到19 世纪吸纳流体力学和热力学第一定律等最新成果建立沿用至今的闭合大气运动方程组，从20 世纪中叶结合探空发现的高空大气运动特征从而形成以准地转理论、大气波动理论、稳定性理论等为代表的当代大气动力学理论体系（Held, 2019），到与新出现的电子计算机相结合从而催生数值天气预报、可预报性、非线性动力学等新兴方向（Benjamin et al., 2018;Held, 2019），再到动力学理论和数值模拟对观测原则的指导和反馈（穆穆, 2013），大气动力学的演化和进步一直与新事实、新理论、新方法的发现和发展紧密结合。在这一过程中，大气动力学的研究对象和研究领域都在持续扩展，研究方法和研究手段也在不断丰富。20 世纪后半叶至今，随着观测资料的丰富、数值模式的进步以及气候系统概念的提出，大气动力学的内涵得到进一步拓展，其研究对象正从单纯的大气本身扩展到大气与大气中各种物理、化学、生物过程以及大气与相邻圈层的相互作用，研究手段也从以实验研究、理论分析和简化模型模拟为主转向实验研究、事实分析、理论分析和不同复杂程度模型模拟的紧密结合（Hoskins,1983; Shepherd, 2003; Held, 2005; Kiladis et al.,2009; Randall et al., 2018）。在上述的诸多进程中，包含了中国学者的巨大贡献（ Blumen and Washington, 1973; 曾庆存, 1979; 李崇银等, 1995;吕建华, 2016; Lu and Schneider, 2017）。

在此次基金代码改革中，“大气动力学”代码的名称保持不变，但内涵和范畴有一定变化（图1），编号也从D0506 调整为D0504（刘哲等, 2020）。惯例上，通常将大气运动方程组中与流体运动相关、可以通过流体力学方程和热力学方程来解析的部分称为“动力学”或“动力过程”，而将与水汽、对流、辐射等过程相关、不能通过流体力学方程和热力学方程来解析的部分称为“物理过程”。这种划分方法可以看作是对大气环流系统和过程的某种简化，反映了大气动力学抽丝剥茧、抓主要过程的研究特点。上述方法论在大气动力学的发展中起到过重要作用，如促进了20 世纪中叶当代大气动力学理论体系的建立。然而，随着时代的发展，“动力过程/动力学”与“物理过程”的含义正在发生变化，它们之间的界限也在变得模糊。例如，其他圈层的微小变化与大气之间的相互作用也多以类似“物理过程”的形式体现在大气运动方程组中，化学过程乃至生物过程等原本认为对大气运动影响很小的过程也被证明能够影响大气运动和模式性能（Huang and Ding, 2021; Holopainen et al., 2022），因而都可以看作是广义的“物理过程”。又如，传统意义上的“动力过程/动力学”和“物理过程”很大程度上源于对数值模式中大气运动“可解析”和“不可解析/次网格”部分的两种处理方式，但随着计算机算力的增强和模式分辨率的提高，“可解析”的定义正在不断被修正。目前世界上最高精度的大气模式可以达到全球公里级，在这一量级的分辨率下，深对流等很多传统认为不可解析的过程正逐渐变成可以直接解析的过程（Stevens et al.,2019），从而成为全新意义的“动力过程/动力学”。为了更合理、准确地解析上述演化中的“动力过程”，就需要从本质上对其原理有深刻的认识，这无疑是对大气动力学发展提出的新要求（Held,2005; Emanuel, 2020），同时也是D0504 代码在传统大气动力学之外所覆盖的方向。

图1 大气动力学的内涵及其与其他领域的联系Fig.1 Connotation of atmospheric dynamics and the relationship with other fields

传统的大气动力学给人的印象可能是复杂的公式推导、高深的理论抽象和精妙的模型构建，这是因为在大气动力学许多经典理论的发展过程中，可供分析的观测资料和可以使用的研究手段均非常有限，因此当时的大气动力学研究者们会将主要精力放在理论的推演上。然而即便如此，纵观大气动力学的历史，新的观测事实一直是牵引大气动力学发展的动力，近代诸多杰出的大气动力学家们也都是将观测分析、理论推演和数值模拟有机地结合在一起。当前，可供使用的观测资料和高性能模式越来越多，有时会出现重视资料分析和数值模拟，轻视理论认知的情况，这无疑会损害大气动力学乃至大气科学的整体发展（Emanuel, 2020）；与此相对，纯粹公式推演和理论解析的研究方式也已不能完全适应当前的大气动力学发展。只有充分利用当前观测资料和数值模式的优势，将观测、理论和模拟紧密结合，才能真正促进大气动力学和大气科学的进步（Vallis, 2016; Emanuel, 2020）。因此，不管研究的重心是资料分析、理论推演还是数值模拟，不论研究的对象是天气、现代/未来气候还是古气候，只要在科学或应用层面上以阐明大气时空演变的本质规律或引导数值模式的发展为主要目标，此类研究都是D0504 代码所覆盖的对象。

3 研究方向与关键词的设置逻辑和选取建议

D0504 大气动力学代码下设6 个研究方向，分别是“地球流体动力学”“热带大气动力学”“热带外大气动力学”“中层大气动力学”“气候动力学”“非线性动力学和可预报性”，它们的逻辑关系如图2 所示。地球流体动力学是大气动力学与流体力学、数学等基础学科的接口，也是大气动力学发展的基石和重要源泉。热带与热带以外地区的对流层大气以及自对流层顶至约110 km 高度的中层大气具有差异巨大的动力和热力特性，因而在长期的研究中形成了“热带大气动力学”“热带外大气动力学”“中层大气动力学”三个经典方向，它们是地球流体动力学在这三个区域的细化和发展，基本从空间上对地球的流体大气实现了全覆盖，同时也是大气学科从“深空”角度与自然科学基金委地球科学部“宜居地球”战略（张朝林等, 2021; 朱日祥等, 2021）对接的重要桥梁。“热带外大气动力学”在很多文献中也常被称为“中高纬大气动力学”，但考虑到使用“中高纬”可能会引起不包含副热带地区的误解，因此最终选用“热带外大气动力学”的表述形式。如上节所述，大气动力学的研究范畴正从单纯的研究大气自身的动力学问题扩展到研究大气与其他圈层相互作用中的动力学问题，因此“气候动力学”就成为大气动力学的自然延伸和上述扩展的具体体现。大气运动具有强非线性特征，当前的大气动力学研究仍主要基于线性框架和弱非线性框架开展，但从强非线性角度开展研究是大气动力学发展的必然方向；同时，在数值模拟过程中发展起来的可预报性研究常常与非线性动力学研究紧密交融，其研究群体也存在较大的交集，因此，“非线性动力学和可预报性”能够从另一个维度将前述5 个方向进行串联和融合，从而全方位地覆盖大气动力学的研究领域。

图2 D0504 大气动力学二级申请代码6 个研究方向设置的逻辑关系Fig.2 Logic diagram for the six research directions of the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

关键词在基金评审过程中的作用包括精准反映申请书内容和辅助匹配评审专家两方面，且存在总数限制，因此其设置与一般学术论文的关键词略有差异。D0504 代码下的关键词（表1）主要包括“科学问题”“现象/对象”“空间区域”“时间尺度”“方法手段”这5 个维度，旨在通过这5 个维度的交叉来实现对申请书的精准定位（图3）。同时，为了保持6 个研究方向中的关键词数量相对平衡，并考虑到自然科学基金委系统中同一个二级代码下各研究方向之间的关键词可以互相打通使用，因此，那些可同时适用于多个研究方向的关键词会被放置于其中某一个方向之下。此外，为了避免某些申请书无法被上述5 个维度所覆盖，部分关键词设置得比较宽泛，以期在关键词的准确性和包容度之间达到一个总体平衡。

图3 D0504 大气动力学二级申请代码关键词设置的维度示意Fig.3 Schematics for the aspects of the keywords for the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

表1 D0504 大气动力学二级申请代码下设的主要研究方向与关键词Table 1 Research directions and keywords for the secondary application code D0504 Atmospheric Dynamics

基于上述逻辑，特针对实际操作中选取申请代码、研究方向或关键词时可能遇到的几个问题给出简要建议。

建议1：不同的二级申请代码下可能有相同的关键词，此时应根据研究的重心来选择相应的申请代码和关键词。例如，“季风”关键词同时存在于D0502 的“季风变异及影响”和D0504 的“气候动力学”方向，若研究侧重于季风的变化特征、影响或预测则选择D0502 代码，若研究侧重于季风的动力学特性或变化机制则选择D0504 代码。

建议2：打通使用同一二级申请代码下不同研究方向之间的关键词。例如，申请书的内容属于D0504 的“热带大气动力学”方向，关键词也主要在该方向下选取，但符合申请书内容的“年际变率”关键词并不在该方向下，则此时可以手动输入位于“气候动力学”方向下的“年际变率”关键词。

建议3：用好不同维度的关键词。D0504 代码下的关键词包括5 个维度，在选取关键词时可尽量从更多的维度中选取，从而通过不同维度的交集来实现申请书的准确定位和评审专家匹配。

4 近年来基金申请中的关键词使用情况

根据大气学科申请代码改革以来的数据统计，2020～2022 年D0504 代码下的青年项目和面上项目申请书主要集中在“热带大气动力学”“中层大气动力学”“气候动力学”和“非线性动力学和可预报性”四个方向（表2）。相比之下，“热带外大气动力学”和“地球流体动力学”方向的申请书偏少，特别是“地球流体动力学”方向的申请书最少。在每类项目使用频次前40 位的关键词中，属于“地球流体动力学”方向的关键词数目为零。一方面这可能与该方向研究的成熟度和难度有关，另一方面也可能与当前国内外研究的大环境和导向有关。尽管如此，作为一个基石性的研究方向，地球流体动力学对于大气动力学乃至大气科学的发展都有不可或缺的重要意义。因此，虽然目前的申请数量偏少，但自然科学基金委仍将本着引导和培育学科可持续发展的目的保留和鼓励该研究方向。

表2 2020～2022 年D0504 大气动力学二级申请代码面上项目和青年项目申请中出现频次最高的前20 个关键词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 结束语

大气动力学是一个实验研究、观测分析、理论推演和数值模拟紧密结合的学科，是大气科学发展的数理基础和理论支撑，也是大气科学有别于地球科学其他学科的重要标志性学科，它的研究对象是地球和其他行星中各种时间和空间尺度上的大气运动规律。为此，它不仅要考虑大气内部的过程，还要考虑大气与其相邻圈层间的相互作用过程；不仅要解释观测中大气运动的动力学成因，还要解释数值模型对实际大气模拟和预测产生偏差的动力学原因。基于上述认识，在科学界和自然科学基金委大气学科的大力支持下，D0504 申请代码关键词顾问组及工作组通过多方调研和集思广益形成了“大气动力学”代码的新版研究方向和关键词，并于2020 年起开始使用。由于学识所限，难免存在疏漏，请学界同仁批评指正并积极反馈，以期形成更为完善的关键词库，促进大气动力学的项目申请和学科发展。

致谢感谢D0504 关键词顾问组和工作组在关键词调整和修订中的辛勤付出，感谢黄荣辉、吴国雄、李崇银、丁一汇、穆穆、王会军、张人禾、黄建平、谈哲敏、曹杰、陈文、陈曦、费建芳、封国林、付遵涛、胡永云、李建平、梁湘三、罗德海、吕建华、谭本馗、田文寿、杨崧、杨修群、张耀存、钟中等老师对论文的宝贵建议和细致修改，感谢Theodore Gordon Shepherd 教授的有益讨论，感谢三位审稿人提出的宝贵修改建议。