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：D0503 古气候模拟与动力学

姜大膀 燕青 闻新宇

1 中国科学院大气物理研究所, 北京100029

2 北京大学物理学院大气与海洋科学系, 北京100871

1 引言

随着全球科技革命的迅猛发展、科学研究范式的深刻变革、学科交叉和学科间的日益融合，国家自然科学基金委员会（简称“自然科学基金委”）自2019 年启动了《国家自然科学基金“十四五”发展规划》和《2021～2035 年科学基金中长期发展规划》的编制工作（国家自然科学基金委员会,2019），旨在持续深化科学基金改革，构建“理念先进、制度规范、公正高效”的新时期科学基金体系（https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab961/[2022-08-25]）。为此，自然科学基金委实施了以“明确资助导向、完善评审机制、优化学科布局”为核心的改革方案和“优化资助管理”等若干重要举措。特别是，针对以往学科代码设置中存在的问题，自然科学基金委地球科学部各学科均对申请代码进行了优化调整（如，刘哲等, 2020; 冷疏影和许学伟, 2021; 李薇和张海东, 2021; 刘羽等,2021; 任建国等, 2021），以期更好地体现学科的顶层设计思路、逻辑关系和框架结构，推进自然科学基金委科学基金深化改革。

大气科学是研究地球和行星大气中发生的各种现象及其变化规律，进而利用这些科学知识为社会服务的学科（刘哲等, 2021）。作为国家自然科学基金的改革试点，地球科学部地球科学五处（大气科学学科）（简称大气学科）积极落实新时代自然科学基金资助导向，主动对接地球科学部倡议的“宜居地球”顶层战略设计（刘哲等, 2021）。为此，大气学科提前布局成立了战略研究项目组和科学顾问组，并及时审视2008 年版申请代码与大气科学发展的衔接适应情况；经多次研讨发现，2008 年版申请代码存在逻辑结构不自洽、分支学科不完整、与现有地球科学顶层设计脱节等问题（刘哲等, 2020）。因此，2019 年在“自上而下”与“自下而上”相结合的论证基础上，大气学科对申请代码进行了优化调整，形成了“分支学科”“支撑技术”和“发展领域”三大有序板块。相比于2008 年版的申请代码，新版增设了“古气候学（D0503）”“行 星 大 气（D0508）”“地 球 系统模式发展（D0512）”等二级申请代码（刘哲等,2021），以实现与自然科学基金委地球科学顶层战略设计的有效对接。在2020 年，“古气候学”二级申请代码进一步调整为“古气候模拟与动力学（D0503）”。本文从D0503 代码的增设背景、学科内涵、研究方向、未来发展等方面进行解读，以期帮助科研人员准确理解并选择该代码的申请领域。

2 D0503 学科代码增设背景

地球的宜居性是指适宜生命存在的空间和时间的总称，其起源、演化及可持续发展是重大的基础科学前沿问题，是自然科学基金委地球科学“十四五”发展战略规划的出发点（2021～2030 地球科学发展战略研究组, 2021; 朱日祥等, 2021）。围绕该顶层设计，自然科学基金委地球科学部提出了“深地、深空、深海、地球系统科学”，即“三深一系统”的总体布局。因此，大气学科及时对2008 年版的申请代码进行了科学梳理，以期能与“三深一系统”总体框架有效对接。

在时间维度上，2008 年版申请代码只涵盖了现代和未来气候，并不涉及过去的时段。古气候学旨在使用各种代用指标和不同复杂程度的数值模式，结合基于物理、化学、生物和天文等学科知识的理论探索，综合研究现代器测资料以前的气候与环境的变化过程、格局、规律及成因。古气候一方面可以极大地丰富我们对地球气候与环境演化的了解，另一方面有助于认识现代暖期所处的历史地位及其独特性，并对评估和改进气候模式、预测预估未来气候变化具有重要的科学和现实意义。对标“宜居地球”的顶层设计，研究过去气候是理解现代气候格局形成及地球圈层相互作用的必然途径，是深入认识地球宜居性演化、地球生命起源、地球未来气候与环境的重要基础。

鉴于古气候研究的重要性，国际上早在20 世纪90 年代初就启动了古气候模拟比较计划（Paleoclimate Modelling Intercomparison Project），并持续至今，目的在于通过关键时段的古气候模拟及其与多源重建资料的比较，理解过去气候变化的动力学机制和各种气候反馈过程，评估并改进大气、气候和地球系统模式（如，Kageyama et al., 2018）。随着该计划的持续推动，古气候数值模拟进入了快速发展时期。因为过去气候研究有重要的科学和现实意义，美国国家科学基金会也将古气候列为大气科学的五大核心申请代码之一（https://www.nsf.gov/funding/programs.jsp?org=AGS[2022-08-25]）。

同时，古气候数值模拟与动力学研究在国内亦得到逐步重视，科研成果日益丰硕，从业队伍逐步扩大（Jiang et al., 2015）。在研究工具上，国内古气候模拟从早期的粗分辨率大气模式过渡到较高分辨率的气候或者地球系统模式；在研究时段方面，从早期的过去千年、全新世中期（约6 千年前）和末次盛冰期（约2 万年前）逐步拓展到新生代（约6500 万年前至今）甚至成冰纪（约6～8 亿年前）；关于研究内容，已从传统的温度、降水、季风扩展到冻土、冰川、急流、西风带、沃克环流、厄尔尼诺—南方涛动、突变事件、极端天气气候事件等更多气候系统要素或者对象上。尽管从事古气候模拟与动力学研究的学者大多在大气科学及与之相关的科研院所和高校开展科研工作，但古气候在大气科学以往的学科代码中却缺乏体现。

综上所述，在大气科学领域专家充分研讨的基础上，2019 年大气学科增设了“古气候学”二级学科代码，实现大气科学从“分钟、小时直至地史”时间尺度的全面覆盖，以期系统研究大气圈的演化过程和机制以及它与其他圈层的相互作用，促进地球系统科学的发展（刘哲等, 2020）。此后，为了充分体现大气学科的特色，“古气候学”二级学科代码进一步调整为“古气候模拟与动力学”。

3 D0503 学科代码内涵及其与相关学科代码的关联

“古气候模拟与动力学”旨在从大气科学和多学科交叉的视角，充分利用大气科学的学科特长和研究手段及方法，揭示地球过去气候形成与演化的事实和机理，为理解当代和未来气候变化提供科学支撑。D0503 与地质学、地理学等其他学科的古气候研究侧重点不同（刘哲等, 2020）。在空间尺度上，D0503 学科代码主要关注全球和区域尺度上的气候变化，而其他学科更多侧重于“点”上或者有限范围内的气候信息；在研究内容上，除了其他学科聚焦的温度和降水等地表要素以外，D0503 学科代码还覆盖大气环流及相关气候系统的变化；在研究方法上，D0503 学科代码主要依托数值模拟和现代统计方法等定量化手段，而其他学科多侧重于代用资料和气候反演；在研究目标上，D0503 学科代码更加侧重于揭示过去气候变化的复杂的动力学机制和不同强迫因子的定量化贡献，而其他学科多侧重于探究过去气候变化的事实和规律。

D0503 与大气学科其他申请代码密切关联（刘哲等, 2020）。例如，“大气动力学（D0504）”为理解古气候变化机理提供大气动力学理论基础。“大气数值模式发展（D0511）”和“地球系统模式发展（D0512）”为研究古气候提供先进的数值模拟工具。“天气学（D0501）”“气候与气候系统（D0502）”和“古气候模拟与动力学（D0503）”相互融合、相互补充，实现从全时间尺度上理解气候变化的过程、规律和机制。同时，古气候变化研究可为理解“气候与气候系统（D0502）”和“气候变化及影响与应对（D0513）”提供重要的历史参照，又可用于检验和改进气候模式（D0511 和D0512），从而推动相关学科方向的整体发展。

4 D0503 研究方向及关键词

为了体现新时期大气学科古气候研究的特色并与“宜居地球”顶层设计对接，在广泛征求大气科学领域学者，特别是长期从事古气候数值模拟的专家的意见，并在专家研讨会的讨论和论证的基础上，最终形成了D0503 研究方向及关键词的申请代码体系（表1）。

表1 2022 年古气候模拟与动力学（D0503）的下属研究方向及关键词Table 1 Research direction and keywords for paleoclimate modeling and dynamics (D0503) in 2022

D0503 研究方向的设计遵循“双维度、特色性”的原则。古气候学采用非常丰富的方法及手段来重建和解译过去气候变化，其方法大体可分为两类（Cronin, 2010）：（i）利用各种气候载体（如，黄土、冰芯、石笋等）及相关代用指标，在地质年代学和数值定年的基础上，通过现代过程解译，反演过去气候变化的信息；（ii）利用不同复杂程度的数值模式（如，大气模式、海气耦合模式、地球系统模式），在给定的外部强迫和边界条件下，模拟给出过去气候变化的时空格局和成因机制。此外，过去几千年的历史时期衔接着过去与现代气候，期间人类活动对气候与环境的影响逐步加深，是剖析不同时间尺度气候变化过程中人类活动和自然强迫相对贡献的关键时段；加之，中国是历史悠久的文明古国，历史文献数量巨大、内容广泛、记录详尽，其中包含了许多过去气候变化及影响的重要信息；综合利用文献记载和自然证据，重建历史时期气候变化，是中国在国际古气候学领域独具特色的研究路径（葛全胜, 2011）。因此，从“重建”和“模拟”两个维度出发，并兼顾中国历史气候研究的“特色性”，在D0503 申请代码下，设置了“古气候重建”“古气候模拟与分析”和“历史时期气候与环境变化”三大核心研究方向。

D0503 各研究方向关键词的设计遵循“全尺度、典型性、前沿性”的原则。在时间维度上，古气候研究大体可分为：构造尺度（百万年）、轨道尺度（万年至数十万年）和亚轨道尺度（百年至千年）。不同时间尺度气候变化具有不同的驱动因子和物理过程，但却相互作用、紧密联系。因此，各研究方向关键词的设计首先遵循“全尺度”的原则，尽量覆盖科研人员研究中主要涉及到的各个时间尺度和关键时期。在研究内容维度上，不同研究方向均有各自侧重的内容和特色点。因此，关键词的设计需遵循“典型性、前沿性”的原则，以期涵盖国际科学前沿问题和科研人员普遍感兴趣的研究领域，并包括一些各领域有特色的或新兴的研究方向。例如，在古气候重建方面，关键词既包括“冰芯、湖泊沉积、石笋、黄土”等典型古气候载体和“古季风、古海洋”等传统研究方向，又包括了“空间格局重建”等亟需攻关的领域。在古气候模拟方面，关键词一方面体现了“古气候模拟”和“多模式数据分析”等主流研究手段，又增加了“突变事件、碳循环、同位素模拟”等新兴方向。

总体上，D0503 研究方向1（古气候重建）侧重于利用不同气候载体（冰芯、湖泊沉积、石笋、黄土、海洋沉积、树木年轮），重建关键地质时期（新生代、冰期、间冰期、全新世）温度、降水等要素或环境变化，以期揭示不同时间尺度上（构造尺度、轨道尺度、亚轨道尺度）气候系统（古气候、古季风、古海洋）的演变过程和规律。研究方向2（古气候模拟与分析）侧重于利用不同复杂程度的数值模式，开展古气候模拟试验（瞬变试验、敏感性试验），研究多时间尺度（构造尺度、轨道尺度、千年尺度）关键气候系统（冰冻圈、海平面、大气环流、碳循环、水循环、亚洲季风、沙尘）的时空格局变化，并结合代用指标（模拟与重建比较），揭示古气候变化的驱动因子和动力机制。研究方向3（历史时期气候与环境变化）聚焦于历史时期（过去千年），利用多种载体和研究手段（树轮、历史文献、孢粉、珊瑚重建和数值模拟），研究典型区域（中国、中亚）和关键时段（小冰期）气候与环境要素变化（极端天气气候事件、气候模态、遥相关），辨析人类活动和自然强迫的作用和贡献。

此外，为了更好地了解D0503 代码的申请动态，以下重点分析近三年D0503 面上项目、青年科学基金项目（简称“青年基金”）和地区科学基金项目（简称“地区基金”，以上3 类项目合称“面青地”项目）的申请和资助情况。自2020 年使用新代码分类以来，D0503 代码2020、2021、2022 年“面青地”项目的申请项目总数相当，分别为26、22、22 项，其占大气学科项目总申请数的1.7%、1.2%、1.3%（何建军等, 2020, 2021,2022）。除2020 年以外，2021 和2022 年青年基金的申请项目数量大于面上项目，但地区基金的申请量极少（表2）。相较于大气学科其他二级申请代码，D0503 项目申请数量为15 个代码末列（何建军等, 2020, 2021, 2022）。根据表2 所示的项目获资助情况，2020、2021、2022 年度“面青地”项目的资助率分别为30.8%、50%、50%，其中青年基金资助率高于面上基金。相比较，D0503“面青地”项目的资助率在15 个代码中位于前列，会评时的重点审议率也处于较高水平（何建军等,2020, 2021, 2022）。

表2 2020～2022 年度D0503“面青地”项目申请与资助情况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 未来发展方向

围绕“宜居地球”顶层设计和“三深一系统”总体布局，结合国际古气候研究领域的前沿发展态势，考虑不同复杂程度数值模式的快速发展和中国“地球系统数值模拟装置”的建成并投入使用，D0503 未来重点发展方向包括以下几点：

在古气候重建领域，从单一或有限点位的小范围研究逐渐向多点位的大范围和区域尺度气候与环境重建发展，在以往单一代用指标重建工作的基础上，更加注重多指标的交叉验证和多要素的综合重建。

在古气候模拟方面，从前期的粗分辨率模式的平衡态模拟（即切片模拟）向高分辨率的瞬变连续模拟转变，从温度、降水、环流模拟向耦合沙尘、同位素、碳循环等模块的地球系统模拟发展，以期更加全面地揭示地球系统的演化过程和机理。

在模拟与重建比较工作中，从传统的重建与模拟的定性定量对比转变为利用数据同化技术将气候模式和代用资料进行有效融合，以期为过去气候变化提供新的认知。

在研究内容上，从传统的温度、降水、大气环流等要素向更加系统的大气—海洋—陆地表层研究以及深地—深空—深海模拟研究转变（如，考虑地球内部动力过程对气候的影响），有效衔接未来地球科学各圈层动力过程整合的范式研究。

6 结语

在国内外地球科学研究范式不断变革的大背景下，为了有效衔接“宜居地球”顶层设计，大气学科及时调整优化了申请代码，新增了D0503 二级学科代码。D0503 是一个成熟的学科方向，是拟重点发展的前沿领域。D0503 从应对气候变化等国家重大现实需求出发，聚焦国际地球科学基础前沿方向，从“古”的角度揭示地球气候系统的演化过程及机理，解答现代气候从哪里来以及怎么来到这里这一重大问题；并通过与当代气候研究相衔接，“以古鉴今、古为今用”，深化对当代和未来气候变化的理解。

本文从“代码—研究方向—关键词”三个方面对D0503 进行了概要解读，希望帮助项目申请人理解D0503 代码的内涵和框架设置。建议科研人员在项目申报时，首先明确研究方向的属性问题（数值模拟、资料重建），其次在关键词选择方面，可以按照研究尺度、研究内容和研究区域等方面进行梳理和凝练。此外，尽管近三年D0503“面青地”项目总数相对偏少，但希望在专家和学界同行的帮助下，通过开展多形式宣讲活动和成立关键词工作组等方式，吸引从事古气候研究（特别是，古气候重建研究）的科学家选择D0503 进行项目申报，共同推动D0503 学科的建设与稳健发展。