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：D0512 地球系统模式发展

林岩銮 俞永强 陈春刚 刘利 薛巍

1 清华大学地球系统科学系, 北京 100084

2 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG), 北京 100029

3 西安交通大学力学系, 西安 710049

4 清华大学计算机系, 北京 100084

1 引言

学科申请代码调整是国家自然科学基金委员会（简称自然科学基金委）“优化学科布局”改革任务的重要组成部分和切入点（李静海, 2018, 2020）。代码修订工作的指导原则是“提高申请代码的包容性和覆盖面，通过广覆盖的申请代码结构尽量涵盖更多的研究方向。鼓励设置跨科学部申请代码，加强对跨学科、大交叉研究的支持”（国家自然科学基金委员会, 2019）。2019 年，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”）完成了“二级申请代码”调整，明确了“分支学科”“支撑技术”和“发展领域”三个板块的新布局（刘哲等, 2020）。调整后内容的体系性和结构性均有了显著改善，且有助于大气科学从传统的“气象学”“大气物理”等较独立分支向地球系统科学的大气分量的新格局转变（刘哲等, 2020; 国家自然科学基金委员会, 2022）。

地球系统模式是在物理气候系统模式的基础之上进一步考虑碳氮循环过程，以整个表层地球作为一个整体，包括生物地球化学过程和社会经济发展模型在内的完整的模式系统（Randall et al., 2018）。它以传统的气候系统模式为基础，以更好的研究整个地球系统不同分量之间的物质和能量交换为目标，最终形成一个完整的模式系统，助力全球变化研究和可持续发展目标。发展地球系统模式是研究气候变化和可持续发展的主要研究工具，国际地球系统模式的发展越来越注重多圈层、多过程、多要素的耦合（Bonan and Doney, 2018）。在最近一次国际耦合模式比较计划（CMIP6, Eyring et al., 2016）中，地球系统模式包含了气候系统五大圈层（大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈）中和气候变化紧密相关的分量模式，如大气、陆面、海洋和海冰、气溶胶、碳氮循环、动态植被、大气化学和陆地冰等，而把固体地球相关过程，如火山和地幔运动等作为外强迫。当前地球系统模式的发展方向既体现在分量模式的方案改进、精度提升，也表现在进一步耦合驱动全球环境变化、对人类福祉有重要影响的自然和人为要素，找到可持续发展的途径和解决方案（徐冠华等，2010；van Vuuren et al., 2012;Calvin and Bond-Lamberty, 2018）。

具体来讲，地球系统模式通过地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组（包括动力学方程组和参数化方案）来确定其各个部分（大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈）的性状及其相互关系，由此构成求解这些方程组且相互耦合的大型计算软件（王斌等, 2008; 王会军等, 2014; Zhou et al., 2020）。地球系统模式能够再现地球系统过去的历史演变，预测和预估其未来的变化趋势。只有通过地球系统模式，我们才能确定人类活动对全球环境变化的影响，提出人类减缓和适应全球变化的策略（徐冠华等, 2013），从而有效地保护人类的生存家园。地球系统模式的发展也是国际国内未来发展的重点。美国国家科学院发布《推动气候模拟的国家战略》，提出四个主要组成部分以及五个支撑要素（Committee on a National Strategy for Advancing Climate Modeling et al., 2012;周天军等译, 2014）。《气象高质量发展纲要（2022～2035 年）》也要求加强地球系统数值预报中心能力建设、加强地球系统数值预报核心技术攻关、发展自主可控的地球系统数值预报模式。

2019 年的基金申请代码调整，将旧版代码中“数值模式与数值模拟”进行了拆分，除了增加大气数值模式发展作为支撑技术之一，独立设置代码（D0511），还增加了地球系统模式发展这一方向（D0512）。虽然两者都是模式发展，在地球系统科学的整体框架下，却有不同的内涵，“大气数值模式发展”面向大气科学分量模式技术的研发，而“地球系统模式发展”更强调包括大气在内地球系统各分量模式的耦合（刘哲等, 2020）。这一调整强调了自然科学基金委“三深一系统”中地球系统模式的重要性，并突出了大气科学在支撑地球系统科学和地球系统模式中的重要性和引领性。地球系统模式发展（D0512）重点针对地球系统模式发展相关的基础技术方法研究和模式开发，以促进地球系统科学的发展。强调具有自主知识产权的模式技术研发而非模式（模拟）应用，直面我国地球系统模式发展相对落后，研发人员分散等长期存在的问题，充分体现出学科对地球系统模式发展的高度重视，同时也希望为地球系统模式相关研究人员开辟一个相对集中的申请方向，助力我国地球系统模式的发展。

地球系统模式发展方向重点针对全球和区域地球系统模式发展相关的基础技术方法研究和模式开发，以促进地球系统科学的发展。研究内容主要包括：地球系统不同分量模式（大气、海洋、陆面、海冰、冰盖等）中的网格设计、动力框架、动力物理耦合技术；各分量模式中具体物理和生物地球化学过程的表达和参数化；不同分量模式之间的耦合和动量、能量与物质交换；多功能耦合器的发展、应用以及耦合和耦合同化框架和技术的发展；综合评估模型的发展及其与地球系统模式的双向耦合；模式运算效率提升及高性能计算支持和平台开发等。

基金申请代码直接面向基金项目的申请、评审和资助布局等管理工作，每个申请代码下设“研究方向”及其“关键词”，是申请人填写申请书的重要内容，也是智能辅助指派系统匹配专家的重要依据。本文将对地球系统模式发展（D0512）的研究方向和关键词设置进行解读，以便申请人更好地定位适合的研究方向和关键词，提升智能辅助系统的匹配精度。

2 研究方向及关键词的总体框架

地球系统模式发展覆盖面广，不仅涉及多个学科及其交叉，还与计算科学和技术的发展密不可分，地球系统模式发展的重点是针对地球系统模式发展相关的基础方法研究和模式开发，不断促进多学科交叉和地球系统模式的发展，最终成为地球系统科学发展的主要工具和重要引领。同时，地球系统模式的发展还有较强的开放性，随着我们对地球系统以及人类社会活动的认识不断深化，地球系统模式的外延也将随之扩展。目前设置的主要考虑如图1所示。首先，物理气候系统模式是地球系统模式的基础，该方向主要考虑主要分量模式（大气、海洋、陆面、海冰、冰盖等）中的网格设计、动力、物理建模计算等，包括不同分量模式的动力框架、物理过程参数化和圈层相互作用三个方向。其次，考虑地球系统模式的两个主要分量：生物地球化学模型、综合评估模型及其它们与物理气候系统模式的耦合和相互影响。生物地球化学模型发展主要包括陆面和海洋模式中具体生物地球化学过程的表达和参数化，以及它们与物理气候系统模式分量模式之间的耦合及其它技术。综合评估模型发展及耦合包括综合评估模型发展、气候变化影响和应对模型、以及综合评估模型与地球系统模式的双向耦合。考虑到地球系统模式中的多圈层相互作用，特别设立一个耦合和耦合同化技术方向，主要考虑多功能耦合器的发展、应用以及耦合和耦合同化框架和技术的发展。最后是地球系统模式发展的高性能计算支持方向，主要包括并行优化，模式开发管理以及测试和移植三个方面。

图1 D0512“地球系统模式发展”五个研究方向的逻辑框架示意图Fig.1 Logical schematic of the five research directions in D0512, “Earth System Model development”

从上述内容可以看到，五个方向前三个侧重具体分量模式的发展，而后两个侧重对模式整体开发的技术支持，相互之间可相对清晰地进行区分。五个方向基本涵盖了地球系统模式发展过程中的各个环节。由于不同方向的差异较大，每个方向的关键词区分的逻辑没有一个统一的标准，而是根据每个方向的特点展开。表1 总结了D0512 二级代码下的主要研究方向和关键词，下面对每个方向的关键词设置进行具体说明。

表1 D0512 地球系统模式发展二级代码主要研究方向与关键词Table 1 The major research directions and keywords of the 2nd level code of D0512 "Earth System Model Development"

3 关键词解读与说明

3.1 物理气候系统模式发展

物理气候系统模式是地球系统模式的基础，各个分量模式有一定的相似性，又有各自的特性。这一方向下设三个部分。

分量模式动力求解主要侧重不同分量模式中存在的一些共性问题，关键词有5 个：动力框架、平流方案、网格嵌套、水平网格、垂直坐标。其中，动力框架属于总体关键词术语，其它关键词为动力框架中不同的组成部分或表现形式。动力框架主要包括模式网格和动力方程的数值求解方法。这里设置了平流方案，主要考虑到地球系统模式中通常有大量的平流计算，例如大气化学模式和海洋生物地球化学模式中都有大量的物质输送问题，需要高效守恒保形的平流算法。网格嵌套主要是考虑未来模式的发展趋势需要变分辨率的考虑。最后两个是常见的网格设计问题。基于Web of Science（WOS）核心数据库对上述5 个关键词在近5 年（2018～2022 年）的出现频率统计分析（图2）来看，动力框架和平流方案出现次数较高，网格嵌套的出现频次最低（23 次）。

图2 D0512“地球系统模式发展”方向关键词且所有字段包含“地球系统模式”的在2018～2022 年WOS 核心数据库中的频次统计Fig.2 List of all the keywords in D0512, “earth system model development,” and their frequency statistics based on the keyword and “earth system model” in the WOS core database from 2018 to 2022

除了动力框架之外，物理过程参数化也是各个分量模式发展的关键，这部分关键词有7 个：大气物理过程参数化，云降水参数化、海洋水平扩散、海洋垂直混合、融池参数化、陆面过程参数化、冰盖模型。分别涵盖大气、海洋、陆面、海冰和冰盖模型。由于大气模式中物理过程的多样化，设置了一个大气物理过程参数化，但是这个显然涵盖面过宽，出现频率反而较低（6 次，图2）。后面几个分别是不同分量模式中的关键物理过程参数化。考虑到冰盖模型在其动力和物理方面有其独特的处理方式，单独列为一个关键词。从关键词近5 年的出现频率统计来看，冰盖模型出现频率最高（132 次），海洋垂直混合次之（38 次）。

最后是圈层相互作用，主要考虑气候系统中不同分量的相互作用，关键词有5 个：海气相互作用、陆气相互作用、海陆气冰相互作用、冰架—海洋相互作用、日—地系统相互作用。除了传统的海气、陆气相互作用外，包括了近来较为活跃的海陆气冰相互作用、冰架—海洋相互作用。最后一个是超前布置的日—地系统相互作用，但出现频率较低（图2）。此外海陆气冰相互作用作为一个关键词，可能和前面的几个关键词有一定的重叠关系。

3.2 生物地球化学模型发展

在物理气候系统模式的基础上，增加生物地球化学模型是成为地球系统模式的关键。这部分主要包括陆地和海洋生物地球化学模型，以及耦合及其它技术三部分。考虑到这一部分申请人的专业方向大都不是大气科学，关键词的设定相对宽泛一些，以吸引更多和地球系统模式发展相关的申请。

陆地生物地球化学模型通常作为陆面模式的一个有机组成部分来考虑，主要考虑和植被、土壤等相关的生物地球化学过程。陆地生物地球化学模型下设7 个关键词：陆地碳循环、陆地氮循环、动态植被、冠层动力学、作物生长模型、生物适应性、气溶胶化学。陆地碳循环包括一系列和植被相关的过程，而碳循环本身又和氮循环紧密联系在一起。动态植被模型是联系植被和天气气候变化的一大纽带，而冠层动力学更多考虑的是植被的动力影响部分。作物生长模型从更为宽泛的意义上讲是动态植被模型的一部分，但目前主要考虑人类种植的一些作物，予以保留。生物适应性是动态植被模型考虑植被如何适应气候变化的考量。气溶胶化学主要指和生物地球化学过程相关的气溶胶过程，涵盖面较宽。从关键词在近5 年的出现频率统计来看，动态植被出现频率最高（20 次），作物模型和陆地碳循环次之（14 和13 次），陆地氮循环最低（2 次）。

海洋生物地球化学模型通常作为海洋模式的一个有机组成部分来考虑，主要考虑海洋中和碳循环有关的生物地球化学过程。目前这个方向下设8 个关键词：海洋生物地球化学优化、微生物碳泵、生态系统结构优化、极地生物地球化学、海洋酸化与脱氧、有机物、颗粒物沉降。但整体看来逻辑不够清楚，可以从模型类别和关键过程进行分类。从关键词在近5 年（2018～2022 年）的出现频率统计来看，除了有机物这一过为宽泛的关键词外，大部分的关键词出现频率都不高，可以考虑进一步的优化。

最后一部分是耦合及其它技术方向，目前包括生物地球化学耦合、全球磷循环、全球硫循环、参数优化、模拟加速5 个关键词。参数优化、模拟加速可以考虑并入高性能计算支持方向。

3.3 综合评估模型发展及耦合

地球系统模式发展的另外一个主要趋势是人类社会经济模型的发展和耦合。这一部分通常称为“综合评估模型（IAM）”，指人类社会经济发展相关的模型。由于人类社会经济发展影响温室气体和污染物的排放，土地利用的变化以及可能的负碳技术发展等，都会对地球系统发生深远的影响，同时地球系统或气候变化也会影响人类社会经济活动，因此这一部分应该成为地球系统模式的一个有机组成部分，但目前真正做到有机耦合的模式还非常欠缺。

这一部分分三部分。第一部分是综合评估模型发展，包括人口模型、能源经济模型、经济增长模型、能源使用、碳排放、土地利用变化、减排成本曲线、农业模型、社会经济情景预估9 个关键词。从关键词在近5 年的出现频率统计来看，除了碳排放、土地利用变化、社会经济情景预估外，大部分的关键词出现频率不高，一方面反映了综合评估模型还未能有效耦合到地球系统模式中的现状，也反映了部分关键词需要进一步的梳理和调整。

气候变化影响和应对方面包括两个关键词：气候政策模型、地球工程模型。这一部分发展迅速，但目前的关键词涵盖面较窄，未来可以增加相应的关键词。最后的综合评估模型耦合方面有两个关键词：人地系统双向耦合、不确定性分析。人地系统双向耦合是当前国际上地球系统模式研发的热点和难点，出现频率不断增加。

3.4 耦合和耦合同化技术

这一方向主要侧重地球系统模式不同分量之间的耦合技术及耦合同化技术。耦合技术主要涉及支撑不同分量模式之间耦合的软件技术，关键词有9 个：耦合器、海气耦合、陆气耦合、海—冰—气耦合、海—浪耦合、浪—潮耦合、通量插值、三维耦合、耦合集成。其中，耦合器属于总体关键词术语，其它关键词为耦合器中的关键技术或应用场景。通量插值、三维耦合和耦合集成为耦合器中的关键技术。海气耦合、陆气耦合、海—冰—气耦合、海—浪耦合、浪—潮耦合为耦合器及其关键技术的应用和检验场景，对耦合器及其关键技术的发展方向有重要的引领作用。其中海—浪耦合可能改为浪—流耦合更为合理。基于WOS 核心数据库近5 年的出现频率统计（图2）来看，耦合器出现次数最高，海—冰—气耦合耦合的出现频次最低（14 次）。

耦合同化技术主要侧重于在耦合模式框架下实现不同分量模式的数据同化，以改善耦合模式进行预报/预测的初值和效果，关键词有10 个：耦合同化框架、强耦合同化、弱耦合同化、耦合模式约束、耦合同化方法、耦合同化加速、跨圈层误差协方差、分量协调性、偏差订正、机器学习同化。耦合同化技术本质是在数据同化过程中考虑耦合模式约束，需要基于耦合同化方法开展，可分为强耦合同化和弱耦合同化，其中强耦合同化需要考虑跨圈层误差协方差。耦合同化的效果受到分量协调性的影响，当耦合预报/预测的误差较大时，还需要对预报/预测的结果进行偏差订正。耦合同化框架是便捷研发耦合同化系统的软件平台，耦合同化加速技术则是确保耦合同化能应用于实际业务预报/预测的基础技术，机器学习同化是数据同化发展的新方向。基于WOS 核心数据库近5 年的出现频率统计（图2）来看，耦合同化方法出现次数最高（160 次），机器学习同化和耦合模式约束也均有57 次。另外，耦合同化框架和耦合同化方法存在一定的重复性，将来可以考虑合并。

3.5 高性能计算支持

地球系统模式的发展离不开高性能计算的支持，作为一个复杂的软件系统，从模式的开发测试，诊断分析到最后的评估改进，以及模式的移植，输入输出的存储以及显示等方面都离不开高性能计算方面的支持。这一方向主要围绕模式性能的提高、模式开发管理和模式移植三个方面进行分类。

模式运行性能提高主要是并行优化，目前包括6 个关键词：可扩展并行算法、并行框架、异构并行加速、并行机器学习方法、性能建模、自动性能调优。其中性能建模出现频次最高（56 次），异构并行加速较低（3 次）。可以考虑将性能建模、自动性能调优放到模式开发管理方向。

模式开发管理方面设置5 个关键词：数据管理、新型数据存储格式、输入输出中间件、模式运行管理、参数自动调优。分别围绕数据，输入输出和模式运行管理，以及模式整体性能提升设置相应的关键词。

测试和移植方向共有4 个关键词：模式软件测试、模式代码移植、模式一致性检验、计算性能可移植性。这一部分主要针对模式开发过程中的各种测试。软件测试和代码移植出现频次较高。整体看来，一些过于计算机专业的关键词，如输入输出中间件、异构并行加速、模式一致性检验、计算性能可移植性出现频次较低（图2）。

图2 的计量分析，利用WOS 核心数据库中2018～2022 年已发表文献中主题分别属于五个方向的关键词，且所有字段包含“地球系统模式”的关键词展开。大部分关键词均存在近5 年发表的对应文献，总体来看各研究方向的关键词设置相对合理。部分出现频率较低的关键词视后续发展动态可考虑调整。

4 研究方向和关键词选择的注意事项与建议

基于近3 年（2020～2022 年）基金申请情况进行五个方向关键词的出现比例和使用情况进行统计分析，D0512“地球系统模式发展”代码近3 年申请量还较少（何建军等, 2021; 周圻, 2022）。相对较多的方向是陆面模式和过程方面的申请，主要原因是这一块传统上和大气科学的联系较为紧密。此外，针对D0512 各方向申请人自填关键词（系统关键词库以外）情况汇总可知，申请人对这一专门针对地球系统模式发展的方向还有一定的认识偏差，出现了不少偏研究或局限于区域性的一些关键词，如海平面变化、东亚降水，青藏高原等。这些关键词更多的是针对项目拟解决的特定科学问题和研究区域，而不是模式发展本身，不宜包括到这一方向中。

2020～2022 年青年基金和面上基金申请中，常见到与已有关键词相似但又不一致的自填关键词，这种情况可直接选择已有关键词，因此建议全面了解并精准地选择关键词。由于受数目限制，每个研究方向的关键词数量均在20 个左右。因此，关键词不能囊括所有可能的研究领域。当没有精准的关键词匹配研究申请时，可选择较研究申请关键词上一级的关键词。

地球系统模式作为一个典型的学科交叉方向，发展迅速，关键词需反映科技前沿及学科交叉的特色。因此后续会根据各方向在研发进展和具体申报情况进行系统分析的基础上，考虑新近蓬勃发展的相关领域，持续更新关键词。比如高性能计算支持这一方向随着计算机技术的高速发展，无论是基金申请还是文献计量分析中都可见到机器学习、自动调优等关键词的涌现。植物功能型、野火、土地利用管理、冻土、生物源气溶胶排放等也快速成为生物地球化学发展的重要方向。另外，考虑到地球系统科学的外延性和开放性，适当的推广和宣传可以吸引更多的相关研究人员申请这一方向。因此，关键词需要及时的更新或者扩展，也建议专家及时更新个人信息中的关键词。

5 总结

本文针对国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码D0512 地球系统模式发展的五个方向，进行了关键词信息解读。总体来看，五个方向的主要关键词设置较为合理，但仍存在一定的改进空间，少部分关键词存在使用频率偏低和其它二级申请代码重复的问题，在后续工作中将继续优化和适当调整。本文对关键词信息的梳理，旨在把握当前地球系统模式发展领域基金申请的整体现状，明确下一步基金方向和关键词设置的改进思路。可以看到，随着地球系统科学研究的发展，研究方向和关键词的具体内容需要及时动态调整，在专家群体的共同努力下不断完善，从而不断优化以体现学科发展动态和最新信息，不断扩大代码的影响力，促进地球系统模式的快速发展。

致谢衷心感谢D0512 地球系统模式发展专题顾问专家和工作组成员对本代码关键词编制工作的鼎力支持，顾问专家提出的宝贵意见建议和工作组成员扎实细致的调研分析是D0512 关键词编制的重要基础和保障。感谢清华大学地学系周宇峰开展的数据统计分析工作，为本文解读提供了数据支撑。