大氣動力學發展態勢分析
——基于國家自然科學基金大氣科學項目

張雅樂 匡鈺 賈朋群

（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

0 引言

在國家自然科學基金的大氣科學學科體系中，大氣動力學自設置以來，在4次學科代碼調整中，是唯一一個沒有變化的二級學科代碼[1-4]。從與母學科的關系來看，大氣動力學搭建了大氣科學與數學、力學、物理學、行星科學等學科的交融通道，將母學科的知識成果引入大氣科學，并形成系統的知識體系。同時，大氣動力學作為大氣科學中的分支學科，將“天氣”“氣候”“古氣候”不同時間尺度的分支學科統轄在大氣動力理論體系下，使其可在動力學的觀點下進行融合；大氣動力學為“大氣數值模式發展”和“地球系統模式發展”等支撐技術提供了動力框架支撐[1]。

大氣動力學是從物理學和流體力學的基本定律出發，研究大氣中各種動力過程演變的學科，從而探究大氣運動的基本規律和機制[5]。大氣動力學起源于北歐，可以追溯到20世紀20年代挪威學派提出的鋒面氣旋學說，在此之后的十年，隨著無線電探空儀的使用，人們對高空大氣運動有了新的認識，芝加哥學派提出了地轉適應和長波理論，并因此引出一系列研究。20世紀50—60年代，隨著計算機和觀測手段發展，大氣動力學的研究尺度擴展到中小尺度系統，地理空間也從中高緯度延伸到熱帶，同時還在大氣環流和氣候形成的數值模擬等方面取得了成就。70年代以來，大氣動力學朝著更深更廣的領域發展，如大氣動力不穩定性問題、大氣運動譜結構及演變、準定常行星波動、大氣環流遙相關機制、阻塞形式動力學、非線性大氣動力學等[6-8]。

目前，從天氣機理研究到數值模式發展，從小尺度對流系統到年代際氣候變化，從定性分析到定量研究，大氣動力學都扮演著舉足輕重的角色。本研究擬通過基金支持的視角，來分析大氣動力學的現狀和發展趨勢。

1 國家自然科學基金對大氣動力學資助情況分析

1.1 國家自然科學基金對大氣動力學科資助的年度變化

從1987—2021年國家自然科學基金對大氣動力學科資助共計544項，占大氣學科10.1%，資助經費25757.3萬元，占大氣學科9.44%，資助強度高于大氣學科的平均水平18180.8萬元。35年間，大氣動力學科受資助項目數量和資助金額及其在大氣學科所占比例總體呈上升趨勢，其中資助項目數量和金額（圖1）都在2021年達到最高，分別為42項和2461萬元，分別是1987年的14倍和307.63倍。資助項目數量和金額在大氣學科的所占比例都在1993年達到最高，分別為35.48%、55.99%。同時，國家自然科學基金對大氣科學的資助項目數量和金額一直持續增長[4]，尤其在2011年后增長幅度很大，相較整體情況，大氣動力學作為大氣科學學科的二級學科，獲得資助數量和經費同期也有所增長，相對增幅較為平穩。

圖1 1987—2021年大氣動力學立項數及支持經費 Fig. 1 Number of atmospheric dynamics projects and supporting funds from 1987 to 2021

1.2 大氣動力學資助分布

國家自然科學基金根據科學發展趨勢和國家戰略需求設立相應的項目類型，從資助定位和管理特點出發，分為研究項目系列、人才項目系列和環境條件項目系列三大資助系列。其中研究項目系列包括面上項目、重點項目、重大項目、重大研究計劃、聯合基金項目和國際（地區）合作研究項目，人才項目系列包括青年科學基金、國家杰出青年基金（包括外籍）、海外青年學者合作研究基金、香港、澳門青年學者合作研究基金、創新研究群體科學基金、國家基礎科學人才培養基金。通過統計1987—2021年國家自然科學基金對大氣動力學科的資助情況，項目分布在重點項目、國家杰出青年基金（包括外籍）、優秀青年科學基金項目、面上項目、青年科學基金項目、地區科學基金項目和海外或港、澳青年學者合作研究基金項目，其中主要集中在重點類項目（包括重點項目、國家杰出青年基金項目）、面上項目、青年科學基金這三種資助類型。

1987—2021年，國家自然科學基金對大氣動力學科的資助在重點類項目、面上項目、青年科學基金資助項目數分別為33項（6.07%）、342項（62.87%）、152項（27.94%），資助金額分別為5658萬元（21.97%）、15851.4萬元（61.54%）、3312.5萬元（12.86%），平均單項資助金額分別為171.45萬元、46.35萬元、21.79萬元。從項目數量來看依次為面上、青年、重點；從資助金額來看依次為面上、重點、青年；從平均單項資助金額來看依次為重點、面上、青年（圖2）。由此可見，國家自然科學基金資助大氣動力學項目中，面上項目資助項目數量最多，經費所占比例最大，可見面上項目代表了大氣動力學科研究最重要的力量和研究水平；重點類項目（包括重點項目、國家杰出青年項目）資助范圍小，但經費支持強度高，代表著我國大氣動力學研究的最高水平，主要集中在氣候變化、熱帶氣旋、青藏高原環流動力學機制研究上。

圖2 1987—2021年國家自然科學基金對大氣動力學資助分布情況 Fig. 2 Distribution of NSFC support for atmospheric dynamics from 1987 to 2021

1.3 主要資助項目年度變化

由圖3a可見， 1991年起大氣動力學開始得到重點類項目的資助，1991—2021 年，受重點類項目資助的項目數量和資助金額呈階段性變化趨勢，其中2001—2011年增加資助金額幅度最大，期間受資助項目18項，金額為2985萬元；2011年增加資助金額最大，2011 年也是國家自然科學基金對大氣科學學科的重點類項目資助力度增幅最大的一年。自2015年起，大氣動力學重點類項目的資助有隔年資助的特征，且項目較少。重點類項目的持續穩定資助是與國際水平看齊的關鍵，對大氣動力學的持續支持有利于重大基礎理論的突破。

圖3 1987—2021年國家自然科學基金對大氣動力學主要資助情況 Fig. 3 NSFC support for atmospheric dynamics from 1987 to 2021

面上項目支持科技工作者在國家自然科學基金資助范圍內自由選題，開展創新性的科學研究。由圖3b可見，1987—2011年，大氣動力學受面上項目資助的項目數量和金額整體呈上升趨勢，項目增長和經費支持較為一致，有4個增長幅度較大的年份，分別在2005年、2011年、2018年和2021年。近幾年來面上項目的資助數量和經費有明顯的增加，而從事科研的科技人員卻呈現出指數性上升，這表明申請面上項目的難度增加，從我國目前的發展形勢分析，面上項目的立項數量不會大幅提高，面上項目的申報難度還會進一步增加，競爭將會更加激烈。

青年項目旨在發揮基礎科學人才培養基金的作用，促進基礎研究與教育的結合，為科學研究源源不斷地提供高素質的后備力量。由圖3c可見，大氣動力學資助項目和金額從2001年起增幅較大，2011年、2021年立項數明顯增加，2021年資助金額是1989年的116.5倍。從發展趨勢看，青年科技工作者申請項目獲批的幾率會進一步上升。從未來發展看，青年基金的資助力度還應該持續提高，加強對青年學者的資助力度是提高我國未來大氣動力學研究水平的關鍵。

2 主要研究機構和領域

自1987年至今，在自然基金資助下，國內大氣動力學研究已經形成了一個由高校、中國科學院、氣象系統組成的體系，其中中國科學大氣物理研究所（144項）、南京大學（65項）、南京信息工程大學（41項）分列前三。除地方高校外，軍隊的高校中逐漸建立起穩定的大氣動力學研究力量。近年，隨著高校增設大氣科學專業，如復旦大學、北京師范大學等，承擔項目數顯著增長。中國氣象局國家級科研院所如氣象科學研究院、上海臺風研究所、烏魯木齊沙漠氣象研究所，主要業務機構如國家氣象中心、國家氣候中心、干部學院也是大氣動力學項目的主要承擔單位。

圖4 1987—2021年大氣動力學前20獲批資助單位情況（冷色系表示高校、綠色系表示軍隊院校、暖色系表示中科院、冷色系陰影表示氣象系統業務單位、暖色系陰影代表氣象系統科研單位） Fig. 4 Top 20 agencies that have been granted with the supporting fund for atmospheric dynamics from 1987 to 2021 (cold color represents colleges and universities, green color represents military colleges and universities, warm color represents Chinese Academy of Sciences, the shaded cold color represents meteorological operational agencies, and the shaded warm color represents meteorological research agencies)

自1993年以來，國家自然基金大氣動力學項目申報增加了關鍵詞，從1993年至今的508個支持項目中共包含1128個關鍵詞，2043個共頻詞。2000年之前，風暴、相互作用、非線性、熱帶氣旋、厄爾尼諾與南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）、季風為出現5次以上的高頻關鍵詞。之后的10年，即2001—2010年，關鍵詞數量和詞頻顯著增長，在之前關鍵詞從某種程度上成為一個研究領域，項目在此基礎上研究更加聚焦，如非線性理論應用于ENSO可預報性、臺風的可預報性，相互作用擴展到海、陸、氣多系統多尺度研究等；同時，數值模擬、中小尺度、雷達衛星資料應用、暴雨、青藏高原等成為新的特點。在近十余年中，關鍵詞按空間劃分有熱帶、中緯度、極地的陸地、大氣、海洋，垂直上從邊界層到平流層均有涉及；從時空尺度看，研究從小尺度到全球尺度，從小時到年代際甚至古氣候均有覆蓋；從研究對象看，既有傳統的暴雨、臺風、ENSO，還有火山、臭氧、云降水過程；研究以波動、能量、混沌、渦旋、湍流、不穩定、耦合等大氣動力學理論體系為基礎。尤其是近2年，申報項目更聚焦復雜系統、多圈層相互作用、非線性領域。從關鍵詞分析可見，大氣動力學研究正朝著更加多元、聚焦、精細化的領域開展。

3 大氣動力學趨勢分析

3.1 大氣動力學自身積極尋求突破

從大氣動力學自身發展看，一是縱觀歷史，大氣動力學的每一次大跨越和數學、物理界取得的進步息息相關，同時與觀測手段和計算能力的發展也緊密聯系。大氣動力學進一步發展需要與數學、物理等母學科進行更加緊密的聯系。二是為了將數學表述和物理意義有機融合，大氣動力學各種理論模型在推導過程中有諸多簡化和省略，屬于半開放形式，這就導致發展到一定階段，傳統經典理論在解釋分析和預報預測方面存在欠缺。三是與國際先進水平相比，我國大氣動力學雖然有了長足的發展，大氣動力學的研究沒有協同，目前各個尺度、系統還有割裂現象，中小尺度天氣系統動力學機理方面還存在明顯差距，提高災害性天氣研究和預報水平，需要對多尺度的相互作用，中小尺度演變機理進行深入研究。這就需要大氣動力學從自身尋找突破。

3.2 大氣動力學與新興學科的并行與互融

從近年代碼調整中發現，“大氣化學與大氣環境”“氣候變化及影響與應對”“大氣環境與健康氣象”等學科成為了資助的新領域，大氣動力學作為基礎理論學科在申請項目和資助的波動，以及新興學科申請和資助的持續增長，呈現基礎理論領域與新興領域并重的局面。

全球氣候變暖背景下，學界越來越重視天氣、氣候、環境等交叉領域研究[9]，如地球系統模式各圈層反饋機制，污染物與天氣、氣候的相互作用和反饋機制等都需要結合大氣動力學深入開展機理研究。說明學科代碼不斷優化中，大氣動力學作為支撐的基礎學科在發揮作用的同時，也在引領和推動新興學科。因為基礎理論學科代表著源頭創新，同時國家對科技領域也提出加強基礎科學研究、提高原始創新能力的要求。

3.3 大氣動力學發展需要持續資助

從大氣動力學受資助趨勢分析，青年基金資助增長速度較快，面上基金資助較為穩定。從資助形勢看，近十年呈多樣化趨勢，優秀青年科學基金、國家杰出青年基金資助的年份也有明顯增長。以上增長與國家支持基礎研究有關。同時需要注意的是，整體趨勢增長的同時，近五年，青年基金、面上基金個別年份立項個數和資助金額下降幅度較大，重點項目則呈現周期性波動特征。

通過對近年“申報代碼2”和立項關鍵詞分析發現，很多涉及大氣動力學的項目選擇在天氣學、氣候與氣候系統和數值模式領域申報，可能與基金在以上三個領域立項數較多有關，申報人沒有把大氣動力學作為第一代碼申報。說明大氣動力學在新時期的支持存在爭議。

代碼調整，大氣動力學始終立于不變的位置，體現了其作為基礎研究是科學之本、技術之源，對大氣科學發展起著基礎支撐和前瞻引領作用，關系著大氣科學學科發展的后勁和未來。習近平總書記指出，“基礎研究是整個科學體系的源頭，是所有技術問題的總機關”。大氣動力學作為大氣科學學科基礎理論領域，是其立足之本，體現了大氣科學學科原始創新能力。對大氣動力學的支持，也是密切響應國家在科技領域強調加強基礎科學研究的要求。未來，大氣動力學需要更加與數學、物理學、信息科學等學科深入融合，不斷拓展研究范式，提高原始創新能力。