大氣動力學(xué)發(fā)展態(tài)勢分析
——基于國家自然科學(xué)基金大氣科學(xué)項目

張雅樂 匡鈺 賈朋群

（中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

0 引言

在國家自然科學(xué)基金的大氣科學(xué)學(xué)科體系中，大氣動力學(xué)自設(shè)置以來，在4次學(xué)科代碼調(diào)整中，是唯一一個沒有變化的二級學(xué)科代碼[1-4]。從與母學(xué)科的關(guān)系來看，大氣動力學(xué)搭建了大氣科學(xué)與數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、行星科學(xué)等學(xué)科的交融通道，將母學(xué)科的知識成果引入大氣科學(xué)，并形成系統(tǒng)的知識體系。同時，大氣動力學(xué)作為大氣科學(xué)中的分支學(xué)科，將“天氣”“氣候”“古氣候”不同時間尺度的分支學(xué)科統(tǒng)轄在大氣動力理論體系下，使其可在動力學(xué)的觀點下進行融合；大氣動力學(xué)為“大氣數(shù)值模式發(fā)展”和“地球系統(tǒng)模式發(fā)展”等支撐技術(shù)提供了動力框架支撐[1]。

大氣動力學(xué)是從物理學(xué)和流體力學(xué)的基本定律出發(fā)，研究大氣中各種動力過程演變的學(xué)科，從而探究大氣運動的基本規(guī)律和機制[5]。大氣動力學(xué)起源于北歐，可以追溯到20世紀(jì)20年代挪威學(xué)派提出的鋒面氣旋學(xué)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(rèn)識，芝加哥學(xué)派提出了地轉(zhuǎn)適應(yīng)和長波理論，并因此引出一系列研究。20世紀(jì)50—60年代，隨著計算機和觀測手段發(fā)展，大氣動力學(xué)的研究尺度擴展到中小尺度系統(tǒng)，地理空間也從中高緯度延伸到熱帶，同時還在大氣環(huán)流和氣候形成的數(shù)值模擬等方面取得了成就。70年代以來，大氣動力學(xué)朝著更深更廣的領(lǐng)域發(fā)展，如大氣動力不穩(wěn)定性問題、大氣運動譜結(jié)構(gòu)及演變、準(zhǔn)定常行星波動、大氣環(huán)流遙相關(guān)機制、阻塞形式動力學(xué)、非線性大氣動力學(xué)等[6-8]。

目前，從天氣機理研究到數(shù)值模式發(fā)展，從小尺度對流系統(tǒng)到年代際氣候變化，從定性分析到定量研究，大氣動力學(xué)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(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1 國家自然科學(xué)基金對大氣動力學(xué)資助情況分析

1.1 國家自然科學(xué)基金對大氣動力學(xué)科資助的年度變化

從1987—2021年國家自然科學(xué)基金對大氣動力學(xué)科資助共計544項，占大氣學(xué)科10.1%，資助經(jīng)費25757.3萬元，占大氣學(xué)科9.44%，資助強度高于大氣學(xué)科的平均水平18180.8萬元。35年間，大氣動力學(xué)科受資助項目數(shù)量和資助金額及其在大氣學(xué)科所占比例總體呈上升趨勢，其中資助項目數(shù)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(shù)量和金額在大氣學(xué)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(xué)基金對大氣科學(xué)的資助項目數(shù)量和金額一直持續(xù)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(xué)作為大氣科學(xué)學(xué)科的二級學(xué)科，獲得資助數(shù)量和經(jīng)費同期也有所增長，相對增幅較為平穩(wěn)。

圖1 1987—2021年大氣動力學(xué)立項數(shù)及支持經(jīng)費 Fig. 1 Number of atmospheric dynamics projects and supporting funds from 1987 to 2021

1.2 大氣動力學(xué)資助分布

國家自然科學(xué)基金根據(jù)科學(xué)發(fā)展趨勢和國家戰(zhàn)略需求設(shè)立相應(yīng)的項目類型，從資助定位和管理特點出發(fā)，分為研究項目系列、人才項目系列和環(huán)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(lián)合基金項目和國際（地區(qū)）合作研究項目，人才項目系列包括青年科學(xué)基金、國家杰出青年基金（包括外籍）、海外青年學(xué)者合作研究基金、香港、澳門青年學(xué)者合作研究基金、創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金、國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金。通過統(tǒng)計1987—2021年國家自然科學(xué)基金對大氣動力學(xué)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(yōu)秀青年科學(xué)基金項目、面上項目、青年科學(xué)基金項目、地區(qū)科學(xué)基金項目和海外或港、澳青年學(xué)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(xué)基金這三種資助類型。

1987—2021年，國家自然科學(xué)基金對大氣動力學(xué)科的資助在重點類項目、面上項目、青年科學(xué)基金資助項目數(shù)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(shù)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(xué)基金資助大氣動力學(xué)項目中，面上項目資助項目數(shù)量最多，經(jīng)費所占比例最大，可見面上項目代表了大氣動力學(xué)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(jīng)費支持強度高，代表著我國大氣動力學(xué)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(huán)流動力學(xué)機制研究上。

圖2 1987—2021年國家自然科學(xué)基金對大氣動力學(xué)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(xué)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(shù)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(xué)基金對大氣科學(xué)學(xué)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(xué)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(xù)穩(wěn)定資助是與國際水平看齊的關(guān)鍵，對大氣動力學(xué)的持續(xù)支持有利于重大基礎(chǔ)理論的突破。

圖3 1987—2021年國家自然科學(xué)基金對大氣動力學(xué)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(xué)基金資助范圍內(nèi)自由選題，開展創(chuàng)新性的科學(xué)研究。由圖3b可見，1987—2011年，大氣動力學(xué)受面上項目資助的項目數(shù)量和金額整體呈上升趨勢，項目增長和經(jīng)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(shù)量和經(jīng)費有明顯的增加，而從事科研的科技人員卻呈現(xiàn)出指數(shù)性上升，這表明申請面上項目的難度增加，從我國目前的發(fā)展形勢分析，面上項目的立項數(shù)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(fā)揮基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金的作用，促進基礎(chǔ)研究與教育的結(jié)合，為科學(xué)研究源源不斷地提供高素質(zhì)的后備力量。由圖3c可見，大氣動力學(xué)資助項目和金額從2001年起增幅較大，2011年、2021年立項數(shù)明顯增加，2021年資助金額是1989年的116.5倍。從發(fā)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(fā)展看，青年基金的資助力度還應(yīng)該持續(xù)提高，加強對青年學(xué)者的資助力度是提高我國未來大氣動力學(xué)研究水平的關(guān)鍵。

2 主要研究機構(gòu)和領(lǐng)域

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

圖4 1987—2021年大氣動力學(xué)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(tǒng)業(yè)務(wù)單位、暖色系陰影代表氣象系統(tǒng)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(xué)項目申報增加了關(guān)鍵詞，從1993年至今的508個支持項目中共包含1128個關(guān)鍵詞，2043個共頻詞。2000年之前，風(fēng)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(fēng)為出現(xiàn)5次以上的高頻關(guān)鍵詞。之后的10年，即2001—2010年，關(guān)鍵詞數(shù)量和詞頻顯著增長，在之前關(guān)鍵詞從某種程度上成為一個研究領(lǐng)域，項目在此基礎(chǔ)上研究更加聚焦，如非線性理論應(yīng)用于ENSO可預(yù)報性、臺風(fēng)的可預(yù)報性，相互作用擴展到海、陸、氣多系統(tǒng)多尺度研究等；同時，數(shù)值模擬、中小尺度、雷達衛(wèi)星資料應(yīng)用、暴雨、青藏高原等成為新的特點。在近十余年中，關(guān)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(tǒng)的暴雨、臺風(fēng)、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(wěn)定、耦合等大氣動力學(xué)理論體系為基礎(chǔ)。尤其是近2年，申報項目更聚焦復(fù)雜系統(tǒng)、多圈層相互作用、非線性領(lǐng)域。從關(guān)鍵詞分析可見，大氣動力學(xué)研究正朝著更加多元、聚焦、精細(xì)化的領(lǐng)域開展。

3 大氣動力學(xué)趨勢分析

3.1 大氣動力學(xué)自身積極尋求突破

從大氣動力學(xué)自身發(fā)展看，一是縱觀歷史，大氣動力學(xué)的每一次大跨越和數(shù)學(xué)、物理界取得的進步息息相關(guān)，同時與觀測手段和計算能力的發(fā)展也緊密聯(lián)系。大氣動力學(xué)進一步發(fā)展需要與數(shù)學(xué)、物理等母學(xué)科進行更加緊密的聯(lián)系。二是為了將數(shù)學(xué)表述和物理意義有機融合，大氣動力學(xué)各種理論模型在推導(dǎo)過程中有諸多簡化和省略，屬于半開放形式，這就導(dǎo)致發(fā)展到一定階段，傳統(tǒng)經(jīng)典理論在解釋分析和預(yù)報預(yù)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(xué)雖然有了長足的發(fā)展，大氣動力學(xué)的研究沒有協(xié)同，目前各個尺度、系統(tǒng)還有割裂現(xiàn)象，中小尺度天氣系統(tǒng)動力學(xué)機理方面還存在明顯差距，提高災(zāi)害性天氣研究和預(yù)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(xué)從自身尋找突破。

3.2 大氣動力學(xué)與新興學(xué)科的并行與互融

從近年代碼調(diào)整中發(fā)現(xiàn)，“大氣化學(xué)與大氣環(huán)境”“氣候變化及影響與應(yīng)對”“大氣環(huán)境與健康氣象”等學(xué)科成為了資助的新領(lǐng)域，大氣動力學(xué)作為基礎(chǔ)理論學(xué)科在申請項目和資助的波動，以及新興學(xué)科申請和資助的持續(xù)增長，呈現(xiàn)基礎(chǔ)理論領(lǐng)域與新興領(lǐng)域并重的局面。

全球氣候變暖背景下，學(xué)界越來越重視天氣、氣候、環(huán)境等交叉領(lǐng)域研究[9]，如地球系統(tǒng)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(jié)合大氣動力學(xué)深入開展機理研究。說明學(xué)科代碼不斷優(yōu)化中，大氣動力學(xué)作為支撐的基礎(chǔ)學(xué)科在發(fā)揮作用的同時，也在引領(lǐng)和推動新興學(xué)科。因為基礎(chǔ)理論學(xué)科代表著源頭創(chuàng)新，同時國家對科技領(lǐng)域也提出加強基礎(chǔ)科學(xué)研究、提高原始創(chuàng)新能力的要求。

3.3 大氣動力學(xué)發(fā)展需要持續(xù)資助

從大氣動力學(xué)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(wěn)定。從資助形勢看，近十年呈多樣化趨勢，優(yōu)秀青年科學(xué)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(chǔ)研究有關(guān)。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(shù)和資助金額下降幅度較大，重點項目則呈現(xiàn)周期性波動特征。

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

代碼調(diào)整，大氣動力學(xué)始終立于不變的位置，體現(xiàn)了其作為基礎(chǔ)研究是科學(xué)之本、技術(shù)之源，對大氣科學(xué)發(fā)展起著基礎(chǔ)支撐和前瞻引領(lǐng)作用，關(guān)系著大氣科學(xué)學(xué)科發(fā)展的后勁和未來。習(xí)近平總書記指出，“基礎(chǔ)研究是整個科學(xué)體系的源頭，是所有技術(shù)問題的總機關(guān)”。大氣動力學(xué)作為大氣科學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)理論領(lǐng)域，是其立足之本，體現(xiàn)了大氣科學(xué)學(xué)科原始創(chuàng)新能力。對大氣動力學(xué)的支持，也是密切響應(yīng)國家在科技領(lǐng)域強調(diào)加強基礎(chǔ)科學(xué)研究的要求。未來，大氣動力學(xué)需要更加與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科深入融合，不斷拓展研究范式，提高原始創(chuàng)新能力。