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：D0512 地球系統模式發展

林巖鑾 俞永強 陳春剛 劉利 薛巍

1 清華大學地球系統科學系, 北京 100084

2 中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室(LASG), 北京 100029

3 西安交通大學力學系, 西安 710049

4 清華大學計算機系, 北京 100084

1 引言

學科申請代碼調整是國家自然科學基金委員會（簡稱自然科學基金委）“優化學科布局”改革任務的重要組成部分和切入點（李靜海, 2018, 2020）。代碼修訂工作的指導原則是“提高申請代碼的包容性和覆蓋面，通過廣覆蓋的申請代碼結構盡量涵蓋更多的研究方向。鼓勵設置跨科學部申請代碼，加強對跨學科、大交叉研究的支持”（國家自然科學基金委員會, 2019）。2019 年，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”）完成了“二級申請代碼”調整，明確了“分支學科”“支撐技術”和“發展領域”三個板塊的新布局（劉哲等, 2020）。調整后內容的體系性和結構性均有了顯著改善，且有助于大氣科學從傳統的“氣象學”“大氣物理”等較獨立分支向地球系統科學的大氣分量的新格局轉變（劉哲等, 2020; 國家自然科學基金委員會, 2022）。

地球系統模式是在物理氣候系統模式的基礎之上進一步考慮碳氮循環過程，以整個表層地球作為一個整體，包括生物地球化學過程和社會經濟發展模型在內的完整的模式系統（Randall et al., 2018）。它以傳統的氣候系統模式為基礎，以更好的研究整個地球系統不同分量之間的物質和能量交換為目標，最終形成一個完整的模式系統，助力全球變化研究和可持續發展目標。發展地球系統模式是研究氣候變化和可持續發展的主要研究工具，國際地球系統模式的發展越來越注重多圈層、多過程、多要素的耦合（Bonan and Doney, 2018）。在最近一次國際耦合模式比較計劃（CMIP6, Eyring et al., 2016）中，地球系統模式包含了氣候系統五大圈層（大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈）中和氣候變化緊密相關的分量模式，如大氣、陸面、海洋和海冰、氣溶膠、碳氮循環、動態植被、大氣化學和陸地冰等，而把固體地球相關過程，如火山和地幔運動等作為外強迫。當前地球系統模式的發展方向既體現在分量模式的方案改進、精度提升，也表現在進一步耦合驅動全球環境變化、對人類福祉有重要影響的自然和人為要素，找到可持續發展的途徑和解決方案（徐冠華等，2010；van Vuuren et al., 2012;Calvin and Bond-Lamberty, 2018）。

具體來講，地球系統模式通過地球系統中的動力、物理、化學和生物過程建立起來的數學方程組（包括動力學方程組和參數化方案）來確定其各個部分（大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈）的性狀及其相互關系，由此構成求解這些方程組且相互耦合的大型計算軟件（王斌等, 2008; 王會軍等, 2014; Zhou et al., 2020）。地球系統模式能夠再現地球系統過去的歷史演變，預測和預估其未來的變化趨勢。只有通過地球系統模式，我們才能確定人類活動對全球環境變化的影響，提出人類減緩和適應全球變化的策略（徐冠華等, 2013），從而有效地保護人類的生存家園。地球系統模式的發展也是國際國內未來發展的重點。美國國家科學院發布《推動氣候模擬的國家戰略》，提出四個主要組成部分以及五個支撐要素（Committee on a National Strategy for Advancing Climate Modeling et al., 2012;周天軍等譯, 2014）。《氣象高質量發展綱要（2022～2035 年）》也要求加強地球系統數值預報中心能力建設、加強地球系統數值預報核心技術攻關、發展自主可控的地球系統數值預報模式。

2019 年的基金申請代碼調整，將舊版代碼中“數值模式與數值模擬”進行了拆分，除了增加大氣數值模式發展作為支撐技術之一，獨立設置代碼（D0511），還增加了地球系統模式發展這一方向（D0512）。雖然兩者都是模式發展，在地球系統科學的整體框架下，卻有不同的內涵，“大氣數值模式發展”面向大氣科學分量模式技術的研發，而“地球系統模式發展”更強調包括大氣在內地球系統各分量模式的耦合（劉哲等, 2020）。這一調整強調了自然科學基金委“三深一系統”中地球系統模式的重要性，并突出了大氣科學在支撐地球系統科學和地球系統模式中的重要性和引領性。地球系統模式發展（D0512）重點針對地球系統模式發展相關的基礎技術方法研究和模式開發，以促進地球系統科學的發展。強調具有自主知識產權的模式技術研發而非模式（模擬）應用，直面我國地球系統模式發展相對落后，研發人員分散等長期存在的問題，充分體現出學科對地球系統模式發展的高度重視，同時也希望為地球系統模式相關研究人員開辟一個相對集中的申請方向，助力我國地球系統模式的發展。

地球系統模式發展方向重點針對全球和區域地球系統模式發展相關的基礎技術方法研究和模式開發，以促進地球系統科學的發展。研究內容主要包括：地球系統不同分量模式（大氣、海洋、陸面、海冰、冰蓋等）中的網格設計、動力框架、動力物理耦合技術；各分量模式中具體物理和生物地球化學過程的表達和參數化；不同分量模式之間的耦合和動量、能量與物質交換；多功能耦合器的發展、應用以及耦合和耦合同化框架和技術的發展；綜合評估模型的發展及其與地球系統模式的雙向耦合；模式運算效率提升及高性能計算支持和平臺開發等。

基金申請代碼直接面向基金項目的申請、評審和資助布局等管理工作，每個申請代碼下設“研究方向”及其“關鍵詞”，是申請人填寫申請書的重要內容，也是智能輔助指派系統匹配專家的重要依據。本文將對地球系統模式發展（D0512）的研究方向和關鍵詞設置進行解讀，以便申請人更好地定位適合的研究方向和關鍵詞，提升智能輔助系統的匹配精度。

2 研究方向及關鍵詞的總體框架

地球系統模式發展覆蓋面廣，不僅涉及多個學科及其交叉，還與計算科學和技術的發展密不可分，地球系統模式發展的重點是針對地球系統模式發展相關的基礎方法研究和模式開發，不斷促進多學科交叉和地球系統模式的發展，最終成為地球系統科學發展的主要工具和重要引領。同時，地球系統模式的發展還有較強的開放性，隨著我們對地球系統以及人類社會活動的認識不斷深化，地球系統模式的外延也將隨之擴展。目前設置的主要考慮如圖1所示。首先，物理氣候系統模式是地球系統模式的基礎，該方向主要考慮主要分量模式（大氣、海洋、陸面、海冰、冰蓋等）中的網格設計、動力、物理建模計算等，包括不同分量模式的動力框架、物理過程參數化和圈層相互作用三個方向。其次，考慮地球系統模式的兩個主要分量：生物地球化學模型、綜合評估模型及其它們與物理氣候系統模式的耦合和相互影響。生物地球化學模型發展主要包括陸面和海洋模式中具體生物地球化學過程的表達和參數化，以及它們與物理氣候系統模式分量模式之間的耦合及其它技術。綜合評估模型發展及耦合包括綜合評估模型發展、氣候變化影響和應對模型、以及綜合評估模型與地球系統模式的雙向耦合。考慮到地球系統模式中的多圈層相互作用，特別設立一個耦合和耦合同化技術方向，主要考慮多功能耦合器的發展、應用以及耦合和耦合同化框架和技術的發展。最后是地球系統模式發展的高性能計算支持方向，主要包括并行優化，模式開發管理以及測試和移植三個方面。

圖1 D0512“地球系統模式發展”五個研究方向的邏輯框架示意圖Fig.1 Logical schematic of the five research directions in D0512, “Earth System Model development”

從上述內容可以看到，五個方向前三個側重具體分量模式的發展，而后兩個側重對模式整體開發的技術支持，相互之間可相對清晰地進行區分。五個方向基本涵蓋了地球系統模式發展過程中的各個環節。由于不同方向的差異較大，每個方向的關鍵詞區分的邏輯沒有一個統一的標準，而是根據每個方向的特點展開。表1 總結了D0512 二級代碼下的主要研究方向和關鍵詞，下面對每個方向的關鍵詞設置進行具體說明。

表1 D0512 地球系統模式發展二級代碼主要研究方向與關鍵詞Table 1 The major research directions and keywords of the 2nd level code of D0512 "Earth System Model Development"

3 關鍵詞解讀與說明

3.1 物理氣候系統模式發展

物理氣候系統模式是地球系統模式的基礎，各個分量模式有一定的相似性，又有各自的特性。這一方向下設三個部分。

分量模式動力求解主要側重不同分量模式中存在的一些共性問題，關鍵詞有5 個：動力框架、平流方案、網格嵌套、水平網格、垂直坐標。其中，動力框架屬于總體關鍵詞術語，其它關鍵詞為動力框架中不同的組成部分或表現形式。動力框架主要包括模式網格和動力方程的數值求解方法。這里設置了平流方案，主要考慮到地球系統模式中通常有大量的平流計算，例如大氣化學模式和海洋生物地球化學模式中都有大量的物質輸送問題，需要高效守恒保形的平流算法。網格嵌套主要是考慮未來模式的發展趨勢需要變分辨率的考慮。最后兩個是常見的網格設計問題。基于Web of Science（WOS）核心數據庫對上述5 個關鍵詞在近5 年（2018～2022 年）的出現頻率統計分析（圖2）來看，動力框架和平流方案出現次數較高，網格嵌套的出現頻次最低（23 次）。

圖2 D0512“地球系統模式發展”方向關鍵詞且所有字段包含“地球系統模式”的在2018～2022 年WOS 核心數據庫中的頻次統計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

除了動力框架之外，物理過程參數化也是各個分量模式發展的關鍵，這部分關鍵詞有7 個：大氣物理過程參數化，云降水參數化、海洋水平擴散、海洋垂直混合、融池參數化、陸面過程參數化、冰蓋模型。分別涵蓋大氣、海洋、陸面、海冰和冰蓋模型。由于大氣模式中物理過程的多樣化，設置了一個大氣物理過程參數化，但是這個顯然涵蓋面過寬，出現頻率反而較低（6 次，圖2）。后面幾個分別是不同分量模式中的關鍵物理過程參數化。考慮到冰蓋模型在其動力和物理方面有其獨特的處理方式，單獨列為一個關鍵詞。從關鍵詞近5 年的出現頻率統計來看，冰蓋模型出現頻率最高（132 次），海洋垂直混合次之（38 次）。

最后是圈層相互作用，主要考慮氣候系統中不同分量的相互作用，關鍵詞有5 個：海氣相互作用、陸氣相互作用、海陸氣冰相互作用、冰架—海洋相互作用、日—地系統相互作用。除了傳統的海氣、陸氣相互作用外，包括了近來較為活躍的海陸氣冰相互作用、冰架—海洋相互作用。最后一個是超前布置的日—地系統相互作用，但出現頻率較低（圖2）。此外海陸氣冰相互作用作為一個關鍵詞，可能和前面的幾個關鍵詞有一定的重疊關系。

3.2 生物地球化學模型發展

在物理氣候系統模式的基礎上，增加生物地球化學模型是成為地球系統模式的關鍵。這部分主要包括陸地和海洋生物地球化學模型，以及耦合及其它技術三部分。考慮到這一部分申請人的專業方向大都不是大氣科學，關鍵詞的設定相對寬泛一些，以吸引更多和地球系統模式發展相關的申請。

陸地生物地球化學模型通常作為陸面模式的一個有機組成部分來考慮，主要考慮和植被、土壤等相關的生物地球化學過程。陸地生物地球化學模型下設7 個關鍵詞：陸地碳循環、陸地氮循環、動態植被、冠層動力學、作物生長模型、生物適應性、氣溶膠化學。陸地碳循環包括一系列和植被相關的過程，而碳循環本身又和氮循環緊密聯系在一起。動態植被模型是聯系植被和天氣氣候變化的一大紐帶，而冠層動力學更多考慮的是植被的動力影響部分。作物生長模型從更為寬泛的意義上講是動態植被模型的一部分，但目前主要考慮人類種植的一些作物，予以保留。生物適應性是動態植被模型考慮植被如何適應氣候變化的考量。氣溶膠化學主要指和生物地球化學過程相關的氣溶膠過程，涵蓋面較寬。從關鍵詞在近5 年的出現頻率統計來看，動態植被出現頻率最高（20 次），作物模型和陸地碳循環次之（14 和13 次），陸地氮循環最低（2 次）。

海洋生物地球化學模型通常作為海洋模式的一個有機組成部分來考慮，主要考慮海洋中和碳循環有關的生物地球化學過程。目前這個方向下設8 個關鍵詞：海洋生物地球化學優化、微生物碳泵、生態系統結構優化、極地生物地球化學、海洋酸化與脫氧、有機物、顆粒物沉降。但整體看來邏輯不夠清楚，可以從模型類別和關鍵過程進行分類。從關鍵詞在近5 年（2018～2022 年）的出現頻率統計來看，除了有機物這一過為寬泛的關鍵詞外，大部分的關鍵詞出現頻率都不高，可以考慮進一步的優化。

最后一部分是耦合及其它技術方向，目前包括生物地球化學耦合、全球磷循環、全球硫循環、參數優化、模擬加速5 個關鍵詞。參數優化、模擬加速可以考慮并入高性能計算支持方向。

3.3 綜合評估模型發展及耦合

地球系統模式發展的另外一個主要趨勢是人類社會經濟模型的發展和耦合。這一部分通常稱為“綜合評估模型（IAM）”，指人類社會經濟發展相關的模型。由于人類社會經濟發展影響溫室氣體和污染物的排放，土地利用的變化以及可能的負碳技術發展等，都會對地球系統發生深遠的影響，同時地球系統或氣候變化也會影響人類社會經濟活動，因此這一部分應該成為地球系統模式的一個有機組成部分，但目前真正做到有機耦合的模式還非常欠缺。

這一部分分三部分。第一部分是綜合評估模型發展，包括人口模型、能源經濟模型、經濟增長模型、能源使用、碳排放、土地利用變化、減排成本曲線、農業模型、社會經濟情景預估9 個關鍵詞。從關鍵詞在近5 年的出現頻率統計來看，除了碳排放、土地利用變化、社會經濟情景預估外，大部分的關鍵詞出現頻率不高，一方面反映了綜合評估模型還未能有效耦合到地球系統模式中的現狀，也反映了部分關鍵詞需要進一步的梳理和調整。

氣候變化影響和應對方面包括兩個關鍵詞：氣候政策模型、地球工程模型。這一部分發展迅速，但目前的關鍵詞涵蓋面較窄，未來可以增加相應的關鍵詞。最后的綜合評估模型耦合方面有兩個關鍵詞：人地系統雙向耦合、不確定性分析。人地系統雙向耦合是當前國際上地球系統模式研發的熱點和難點，出現頻率不斷增加。

3.4 耦合和耦合同化技術

這一方向主要側重地球系統模式不同分量之間的耦合技術及耦合同化技術。耦合技術主要涉及支撐不同分量模式之間耦合的軟件技術，關鍵詞有9 個：耦合器、海氣耦合、陸氣耦合、海—冰—氣耦合、海—浪耦合、浪—潮耦合、通量插值、三維耦合、耦合集成。其中，耦合器屬于總體關鍵詞術語，其它關鍵詞為耦合器中的關鍵技術或應用場景。通量插值、三維耦合和耦合集成為耦合器中的關鍵技術。海氣耦合、陸氣耦合、海—冰—氣耦合、海—浪耦合、浪—潮耦合為耦合器及其關鍵技術的應用和檢驗場景，對耦合器及其關鍵技術的發展方向有重要的引領作用。其中海—浪耦合可能改為浪—流耦合更為合理。基于WOS 核心數據庫近5 年的出現頻率統計（圖2）來看，耦合器出現次數最高，海—冰—氣耦合耦合的出現頻次最低（14 次）。

耦合同化技術主要側重于在耦合模式框架下實現不同分量模式的數據同化，以改善耦合模式進行預報/預測的初值和效果，關鍵詞有10 個：耦合同化框架、強耦合同化、弱耦合同化、耦合模式約束、耦合同化方法、耦合同化加速、跨圈層誤差協方差、分量協調性、偏差訂正、機器學習同化。耦合同化技術本質是在數據同化過程中考慮耦合模式約束，需要基于耦合同化方法開展，可分為強耦合同化和弱耦合同化，其中強耦合同化需要考慮跨圈層誤差協方差。耦合同化的效果受到分量協調性的影響，當耦合預報/預測的誤差較大時，還需要對預報/預測的結果進行偏差訂正。耦合同化框架是便捷研發耦合同化系統的軟件平臺，耦合同化加速技術則是確保耦合同化能應用于實際業務預報/預測的基礎技術，機器學習同化是數據同化發展的新方向。基于WOS 核心數據庫近5 年的出現頻率統計（圖2）來看，耦合同化方法出現次數最高（160 次），機器學習同化和耦合模式約束也均有57 次。另外，耦合同化框架和耦合同化方法存在一定的重復性，將來可以考慮合并。

3.5 高性能計算支持

地球系統模式的發展離不開高性能計算的支持，作為一個復雜的軟件系統，從模式的開發測試，診斷分析到最后的評估改進，以及模式的移植，輸入輸出的存儲以及顯示等方面都離不開高性能計算方面的支持。這一方向主要圍繞模式性能的提高、模式開發管理和模式移植三個方面進行分類。

模式運行性能提高主要是并行優化，目前包括6 個關鍵詞：可擴展并行算法、并行框架、異構并行加速、并行機器學習方法、性能建模、自動性能調優。其中性能建模出現頻次最高（56 次），異構并行加速較低（3 次）。可以考慮將性能建模、自動性能調優放到模式開發管理方向。

模式開發管理方面設置5 個關鍵詞：數據管理、新型數據存儲格式、輸入輸出中間件、模式運行管理、參數自動調優。分別圍繞數據，輸入輸出和模式運行管理，以及模式整體性能提升設置相應的關鍵詞。

測試和移植方向共有4 個關鍵詞：模式軟件測試、模式代碼移植、模式一致性檢驗、計算性能可移植性。這一部分主要針對模式開發過程中的各種測試。軟件測試和代碼移植出現頻次較高。整體看來，一些過于計算機專業的關鍵詞，如輸入輸出中間件、異構并行加速、模式一致性檢驗、計算性能可移植性出現頻次較低（圖2）。

圖2 的計量分析，利用WOS 核心數據庫中2018～2022 年已發表文獻中主題分別屬于五個方向的關鍵詞，且所有字段包含“地球系統模式”的關鍵詞展開。大部分關鍵詞均存在近5 年發表的對應文獻，總體來看各研究方向的關鍵詞設置相對合理。部分出現頻率較低的關鍵詞視后續發展動態可考慮調整。

4 研究方向和關鍵詞選擇的注意事項與建議

基于近3 年（2020～2022 年）基金申請情況進行五個方向關鍵詞的出現比例和使用情況進行統計分析，D0512“地球系統模式發展”代碼近3 年申請量還較少（何建軍等, 2021; 周圻, 2022）。相對較多的方向是陸面模式和過程方面的申請，主要原因是這一塊傳統上和大氣科學的聯系較為緊密。此外，針對D0512 各方向申請人自填關鍵詞（系統關鍵詞庫以外）情況匯總可知，申請人對這一專門針對地球系統模式發展的方向還有一定的認識偏差，出現了不少偏研究或局限于區域性的一些關鍵詞，如海平面變化、東亞降水，青藏高原等。這些關鍵詞更多的是針對項目擬解決的特定科學問題和研究區域，而不是模式發展本身，不宜包括到這一方向中。

2020～2022 年青年基金和面上基金申請中，常見到與已有關鍵詞相似但又不一致的自填關鍵詞，這種情況可直接選擇已有關鍵詞，因此建議全面了解并精準地選擇關鍵詞。由于受數目限制，每個研究方向的關鍵詞數量均在20 個左右。因此，關鍵詞不能囊括所有可能的研究領域。當沒有精準的關鍵詞匹配研究申請時，可選擇較研究申請關鍵詞上一級的關鍵詞。

地球系統模式作為一個典型的學科交叉方向，發展迅速，關鍵詞需反映科技前沿及學科交叉的特色。因此后續會根據各方向在研發進展和具體申報情況進行系統分析的基礎上，考慮新近蓬勃發展的相關領域，持續更新關鍵詞。比如高性能計算支持這一方向隨著計算機技術的高速發展，無論是基金申請還是文獻計量分析中都可見到機器學習、自動調優等關鍵詞的涌現。植物功能型、野火、土地利用管理、凍土、生物源氣溶膠排放等也快速成為生物地球化學發展的重要方向。另外，考慮到地球系統科學的外延性和開放性，適當的推廣和宣傳可以吸引更多的相關研究人員申請這一方向。因此，關鍵詞需要及時的更新或者擴展，也建議專家及時更新個人信息中的關鍵詞。

5 總結

本文針對國家自然科學基金大氣科學學科二級申請代碼D0512 地球系統模式發展的五個方向，進行了關鍵詞信息解讀。總體來看，五個方向的主要關鍵詞設置較為合理，但仍存在一定的改進空間，少部分關鍵詞存在使用頻率偏低和其它二級申請代碼重復的問題，在后續工作中將繼續優化和適當調整。本文對關鍵詞信息的梳理，旨在把握當前地球系統模式發展領域基金申請的整體現狀，明確下一步基金方向和關鍵詞設置的改進思路。可以看到，隨著地球系統科學研究的發展，研究方向和關鍵詞的具體內容需要及時動態調整，在專家群體的共同努力下不斷完善，從而不斷優化以體現學科發展動態和最新信息，不斷擴大代碼的影響力，促進地球系統模式的快速發展。

致謝衷心感謝D0512 地球系統模式發展專題顧問專家和工作組成員對本代碼關鍵詞編制工作的鼎力支持，顧問專家提出的寶貴意見建議和工作組成員扎實細致的調研分析是D0512 關鍵詞編制的重要基礎和保障。感謝清華大學地學系周宇峰開展的數據統計分析工作，為本文解讀提供了數據支撐。