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：D0503 古氣候模擬與動力學

姜大膀 燕青 聞新宇

1 中國科學院大氣物理研究所, 北京100029

2 北京大學物理學院大氣與海洋科學系, 北京100871

1 引言

隨著全球科技革命的迅猛發展、科學研究范式的深刻變革、學科交叉和學科間的日益融合，國家自然科學基金委員會（簡稱“自然科學基金委”）自2019 年啟動了《國家自然科學基金“十四五”發展規劃》和《2021～2035 年科學基金中長期發展規劃》的編制工作（國家自然科學基金委員會,2019），旨在持續深化科學基金改革，構建“理念先進、制度規范、公正高效”的新時期科學基金體系（https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab961/[2022-08-25]）。為此，自然科學基金委實施了以“明確資助導向、完善評審機制、優化學科布局”為核心的改革方案和“優化資助管理”等若干重要舉措。特別是，針對以往學科代碼設置中存在的問題，自然科學基金委地球科學部各學科均對申請代碼進行了優化調整（如，劉哲等, 2020; 冷疏影和許學偉, 2021; 李薇和張海東, 2021; 劉羽等,2021; 任建國等, 2021），以期更好地體現學科的頂層設計思路、邏輯關系和框架結構，推進自然科學基金委科學基金深化改革。

大氣科學是研究地球和行星大氣中發生的各種現象及其變化規律，進而利用這些科學知識為社會服務的學科（劉哲等, 2021）。作為國家自然科學基金的改革試點，地球科學部地球科學五處（大氣科學學科）（簡稱大氣學科）積極落實新時代自然科學基金資助導向，主動對接地球科學部倡議的“宜居地球”頂層戰略設計（劉哲等, 2021）。為此，大氣學科提前布局成立了戰略研究項目組和科學顧問組，并及時審視2008 年版申請代碼與大氣科學發展的銜接適應情況；經多次研討發現，2008 年版申請代碼存在邏輯結構不自洽、分支學科不完整、與現有地球科學頂層設計脫節等問題（劉哲等, 2020）。因此，2019 年在“自上而下”與“自下而上”相結合的論證基礎上，大氣學科對申請代碼進行了優化調整，形成了“分支學科”“支撐技術”和“發展領域”三大有序板塊。相比于2008 年版的申請代碼，新版增設了“古氣候學（D0503）”“行 星 大 氣（D0508）”“地 球 系統模式發展（D0512）”等二級申請代碼（劉哲等,2021），以實現與自然科學基金委地球科學頂層戰略設計的有效對接。在2020 年，“古氣候學”二級申請代碼進一步調整為“古氣候模擬與動力學（D0503）”。本文從D0503 代碼的增設背景、學科內涵、研究方向、未來發展等方面進行解讀，以期幫助科研人員準確理解并選擇該代碼的申請領域。

2 D0503 學科代碼增設背景

地球的宜居性是指適宜生命存在的空間和時間的總稱，其起源、演化及可持續發展是重大的基礎科學前沿問題，是自然科學基金委地球科學“十四五”發展戰略規劃的出發點（2021～2030 地球科學發展戰略研究組, 2021; 朱日祥等, 2021）。圍繞該頂層設計，自然科學基金委地球科學部提出了“深地、深空、深海、地球系統科學”，即“三深一系統”的總體布局。因此，大氣學科及時對2008 年版的申請代碼進行了科學梳理，以期能與“三深一系統”總體框架有效對接。

在時間維度上，2008 年版申請代碼只涵蓋了現代和未來氣候，并不涉及過去的時段。古氣候學旨在使用各種代用指標和不同復雜程度的數值模式，結合基于物理、化學、生物和天文等學科知識的理論探索，綜合研究現代器測資料以前的氣候與環境的變化過程、格局、規律及成因。古氣候一方面可以極大地豐富我們對地球氣候與環境演化的了解，另一方面有助于認識現代暖期所處的歷史地位及其獨特性，并對評估和改進氣候模式、預測預估未來氣候變化具有重要的科學和現實意義。對標“宜居地球”的頂層設計，研究過去氣候是理解現代氣候格局形成及地球圈層相互作用的必然途徑，是深入認識地球宜居性演化、地球生命起源、地球未來氣候與環境的重要基礎。

鑒于古氣候研究的重要性，國際上早在20 世紀90 年代初就啟動了古氣候模擬比較計劃（Paleoclimate Modelling Intercomparison Project），并持續至今，目的在于通過關鍵時段的古氣候模擬及其與多源重建資料的比較，理解過去氣候變化的動力學機制和各種氣候反饋過程，評估并改進大氣、氣候和地球系統模式（如，Kageyama et al., 2018）。隨著該計劃的持續推動，古氣候數值模擬進入了快速發展時期。因為過去氣候研究有重要的科學和現實意義，美國國家科學基金會也將古氣候列為大氣科學的五大核心申請代碼之一（https://www.nsf.gov/funding/programs.jsp?org=AGS[2022-08-25]）。

同時，古氣候數值模擬與動力學研究在國內亦得到逐步重視，科研成果日益豐碩，從業隊伍逐步擴大（Jiang et al., 2015）。在研究工具上，國內古氣候模擬從早期的粗分辨率大氣模式過渡到較高分辨率的氣候或者地球系統模式；在研究時段方面，從早期的過去千年、全新世中期（約6 千年前）和末次盛冰期（約2 萬年前）逐步拓展到新生代（約6500 萬年前至今）甚至成冰紀（約6～8 億年前）；關于研究內容，已從傳統的溫度、降水、季風擴展到凍土、冰川、急流、西風帶、沃克環流、厄爾尼諾—南方濤動、突變事件、極端天氣氣候事件等更多氣候系統要素或者對象上。盡管從事古氣候模擬與動力學研究的學者大多在大氣科學及與之相關的科研院所和高校開展科研工作，但古氣候在大氣科學以往的學科代碼中卻缺乏體現。

綜上所述，在大氣科學領域專家充分研討的基礎上，2019 年大氣學科增設了“古氣候學”二級學科代碼，實現大氣科學從“分鐘、小時直至地史”時間尺度的全面覆蓋，以期系統研究大氣圈的演化過程和機制以及它與其他圈層的相互作用，促進地球系統科學的發展（劉哲等, 2020）。此后，為了充分體現大氣學科的特色，“古氣候學”二級學科代碼進一步調整為“古氣候模擬與動力學”。

3 D0503 學科代碼內涵及其與相關學科代碼的關聯

“古氣候模擬與動力學”旨在從大氣科學和多學科交叉的視角，充分利用大氣科學的學科特長和研究手段及方法，揭示地球過去氣候形成與演化的事實和機理，為理解當代和未來氣候變化提供科學支撐。D0503 與地質學、地理學等其他學科的古氣候研究側重點不同（劉哲等, 2020）。在空間尺度上，D0503 學科代碼主要關注全球和區域尺度上的氣候變化，而其他學科更多側重于“點”上或者有限范圍內的氣候信息；在研究內容上，除了其他學科聚焦的溫度和降水等地表要素以外，D0503 學科代碼還覆蓋大氣環流及相關氣候系統的變化；在研究方法上，D0503 學科代碼主要依托數值模擬和現代統計方法等定量化手段，而其他學科多側重于代用資料和氣候反演；在研究目標上，D0503 學科代碼更加側重于揭示過去氣候變化的復雜的動力學機制和不同強迫因子的定量化貢獻，而其他學科多側重于探究過去氣候變化的事實和規律。

D0503 與大氣學科其他申請代碼密切關聯（劉哲等, 2020）。例如，“大氣動力學（D0504）”為理解古氣候變化機理提供大氣動力學理論基礎?！按髿鈹抵的Ｊ桨l展（D0511）”和“地球系統模式發展（D0512）”為研究古氣候提供先進的數值模擬工具?！疤鞖鈱W（D0501）”“氣候與氣候系統（D0502）”和“古氣候模擬與動力學（D0503）”相互融合、相互補充，實現從全時間尺度上理解氣候變化的過程、規律和機制。同時，古氣候變化研究可為理解“氣候與氣候系統（D0502）”和“氣候變化及影響與應對（D0513）”提供重要的歷史參照，又可用于檢驗和改進氣候模式（D0511 和D0512），從而推動相關學科方向的整體發展。

4 D0503 研究方向及關鍵詞

為了體現新時期大氣學科古氣候研究的特色并與“宜居地球”頂層設計對接，在廣泛征求大氣科學領域學者，特別是長期從事古氣候數值模擬的專家的意見，并在專家研討會的討論和論證的基礎上，最終形成了D0503 研究方向及關鍵詞的申請代碼體系（表1）。

表1 2022 年古氣候模擬與動力學（D0503）的下屬研究方向及關鍵詞Table 1 Research direction and keywords for paleoclimate modeling and dynamics (D0503) in 2022

D0503 研究方向的設計遵循“雙維度、特色性”的原則。古氣候學采用非常豐富的方法及手段來重建和解譯過去氣候變化，其方法大體可分為兩類（Cronin, 2010）：（i）利用各種氣候載體（如，黃土、冰芯、石筍等）及相關代用指標，在地質年代學和數值定年的基礎上，通過現代過程解譯，反演過去氣候變化的信息；（ii）利用不同復雜程度的數值模式（如，大氣模式、海氣耦合模式、地球系統模式），在給定的外部強迫和邊界條件下，模擬給出過去氣候變化的時空格局和成因機制。此外，過去幾千年的歷史時期銜接著過去與現代氣候，期間人類活動對氣候與環境的影響逐步加深，是剖析不同時間尺度氣候變化過程中人類活動和自然強迫相對貢獻的關鍵時段；加之，中國是歷史悠久的文明古國，歷史文獻數量巨大、內容廣泛、記錄詳盡，其中包含了許多過去氣候變化及影響的重要信息；綜合利用文獻記載和自然證據，重建歷史時期氣候變化，是中國在國際古氣候學領域獨具特色的研究路徑（葛全勝, 2011）。因此，從“重建”和“模擬”兩個維度出發，并兼顧中國歷史氣候研究的“特色性”，在D0503 申請代碼下，設置了“古氣候重建”“古氣候模擬與分析”和“歷史時期氣候與環境變化”三大核心研究方向。

D0503 各研究方向關鍵詞的設計遵循“全尺度、典型性、前沿性”的原則。在時間維度上，古氣候研究大體可分為：構造尺度（百萬年）、軌道尺度（萬年至數十萬年）和亞軌道尺度（百年至千年）。不同時間尺度氣候變化具有不同的驅動因子和物理過程，但卻相互作用、緊密聯系。因此，各研究方向關鍵詞的設計首先遵循“全尺度”的原則，盡量覆蓋科研人員研究中主要涉及到的各個時間尺度和關鍵時期。在研究內容維度上，不同研究方向均有各自側重的內容和特色點。因此，關鍵詞的設計需遵循“典型性、前沿性”的原則，以期涵蓋國際科學前沿問題和科研人員普遍感興趣的研究領域，并包括一些各領域有特色的或新興的研究方向。例如，在古氣候重建方面，關鍵詞既包括“冰芯、湖泊沉積、石筍、黃土”等典型古氣候載體和“古季風、古海洋”等傳統研究方向，又包括了“空間格局重建”等亟需攻關的領域。在古氣候模擬方面，關鍵詞一方面體現了“古氣候模擬”和“多模式數據分析”等主流研究手段，又增加了“突變事件、碳循環、同位素模擬”等新興方向。

總體上，D0503 研究方向1（古氣候重建）側重于利用不同氣候載體（冰芯、湖泊沉積、石筍、黃土、海洋沉積、樹木年輪），重建關鍵地質時期（新生代、冰期、間冰期、全新世）溫度、降水等要素或環境變化，以期揭示不同時間尺度上（構造尺度、軌道尺度、亞軌道尺度）氣候系統（古氣候、古季風、古海洋）的演變過程和規律。研究方向2（古氣候模擬與分析）側重于利用不同復雜程度的數值模式，開展古氣候模擬試驗（瞬變試驗、敏感性試驗），研究多時間尺度（構造尺度、軌道尺度、千年尺度）關鍵氣候系統（冰凍圈、海平面、大氣環流、碳循環、水循環、亞洲季風、沙塵）的時空格局變化，并結合代用指標（模擬與重建比較），揭示古氣候變化的驅動因子和動力機制。研究方向3（歷史時期氣候與環境變化）聚焦于歷史時期（過去千年），利用多種載體和研究手段（樹輪、歷史文獻、孢粉、珊瑚重建和數值模擬），研究典型區域（中國、中亞）和關鍵時段（小冰期）氣候與環境要素變化（極端天氣氣候事件、氣候模態、遙相關），辨析人類活動和自然強迫的作用和貢獻。

此外，為了更好地了解D0503 代碼的申請動態，以下重點分析近三年D0503 面上項目、青年科學基金項目（簡稱“青年基金”）和地區科學基金項目（簡稱“地區基金”，以上3 類項目合稱“面青地”項目）的申請和資助情況。自2020 年使用新代碼分類以來，D0503 代碼2020、2021、2022 年“面青地”項目的申請項目總數相當，分別為26、22、22 項，其占大氣學科項目總申請數的1.7%、1.2%、1.3%（何建軍等, 2020, 2021,2022）。除2020 年以外，2021 和2022 年青年基金的申請項目數量大于面上項目，但地區基金的申請量極少（表2）。相較于大氣學科其他二級申請代碼，D0503 項目申請數量為15 個代碼末列（何建軍等, 2020, 2021, 2022）。根據表2 所示的項目獲資助情況，2020、2021、2022 年度“面青地”項目的資助率分別為30.8%、50%、50%，其中青年基金資助率高于面上基金。相比較，D0503“面青地”項目的資助率在15 個代碼中位于前列，會評時的重點審議率也處于較高水平（何建軍等,2020, 2021, 2022）。

表2 2020～2022 年度D0503“面青地”項目申請與資助情況Table 2 Overview of the project application, review, and funding for the General Program, Young Scientists Fund,and Fund for Less Developed Regions in D0503 from 2020 to 2022

5 D0503 未來發展方向

圍繞“宜居地球”頂層設計和“三深一系統”總體布局，結合國際古氣候研究領域的前沿發展態勢，考慮不同復雜程度數值模式的快速發展和中國“地球系統數值模擬裝置”的建成并投入使用，D0503 未來重點發展方向包括以下幾點：

在古氣候重建領域，從單一或有限點位的小范圍研究逐漸向多點位的大范圍和區域尺度氣候與環境重建發展，在以往單一代用指標重建工作的基礎上，更加注重多指標的交叉驗證和多要素的綜合重建。

在古氣候模擬方面，從前期的粗分辨率模式的平衡態模擬（即切片模擬）向高分辨率的瞬變連續模擬轉變，從溫度、降水、環流模擬向耦合沙塵、同位素、碳循環等模塊的地球系統模擬發展，以期更加全面地揭示地球系統的演化過程和機理。

在模擬與重建比較工作中，從傳統的重建與模擬的定性定量對比轉變為利用數據同化技術將氣候模式和代用資料進行有效融合，以期為過去氣候變化提供新的認知。

在研究內容上，從傳統的溫度、降水、大氣環流等要素向更加系統的大氣—海洋—陸地表層研究以及深地—深空—深海模擬研究轉變（如，考慮地球內部動力過程對氣候的影響），有效銜接未來地球科學各圈層動力過程整合的范式研究。

6 結語

在國內外地球科學研究范式不斷變革的大背景下，為了有效銜接“宜居地球”頂層設計，大氣學科及時調整優化了申請代碼，新增了D0503 二級學科代碼。D0503 是一個成熟的學科方向，是擬重點發展的前沿領域。D0503 從應對氣候變化等國家重大現實需求出發，聚焦國際地球科學基礎前沿方向，從“古”的角度揭示地球氣候系統的演化過程及機理，解答現代氣候從哪里來以及怎么來到這里這一重大問題；并通過與當代氣候研究相銜接，“以古鑒今、古為今用”，深化對當代和未來氣候變化的理解。

本文從“代碼—研究方向—關鍵詞”三個方面對D0503 進行了概要解讀，希望幫助項目申請人理解D0503 代碼的內涵和框架設置。建議科研人員在項目申報時，首先明確研究方向的屬性問題（數值模擬、資料重建），其次在關鍵詞選擇方面，可以按照研究尺度、研究內容和研究區域等方面進行梳理和凝練。此外，盡管近三年D0503“面青地”項目總數相對偏少，但希望在專家和學界同行的幫助下，通過開展多形式宣講活動和成立關鍵詞工作組等方式，吸引從事古氣候研究（特別是，古氣候重建研究）的科學家選擇D0503 進行項目申報，共同推動D0503 學科的建設與穩健發展。