李銳 李正強(qiáng) 趙坤 孫業(yè)樂

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院, 合肥230026

2 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京100094

3 南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 南京210023

4 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所, 北京100029

1 引言

2019 年，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）要求按照新時(shí)代科學(xué)基金資助導(dǎo)向，以大氣科學(xué)為試點(diǎn)，率先開始改革，其中核心任務(wù)之一是“優(yōu)化學(xué)科布局”。通過梳理、調(diào)整申請(qǐng)代碼以順應(yīng)學(xué)科發(fā)展態(tài)勢(shì)與需求，構(gòu)建“源于知識(shí)體系邏輯結(jié)構(gòu)、促進(jìn)知識(shí)與應(yīng)用融通的學(xué)科布局”，形成以“分支學(xué)科”為主體，輔以“支撐技術(shù)”，服務(wù)于“發(fā)展領(lǐng)域”的整體結(jié)構(gòu)；要求大氣科學(xué)學(xué)科下設(shè)的“研究方向”及其“關(guān)鍵詞”需進(jìn)一步細(xì)化詮釋申請(qǐng)代碼的內(nèi)涵和外延，體現(xiàn)申請(qǐng)代碼內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)、分支方向、特色與交叉、需求與導(dǎo)向。通過改革，新的大氣科學(xué)二級(jí)代碼共有三大類（15 個(gè)），包括分支學(xué)科類（8 個(gè)）、支撐技術(shù)類（4 個(gè)）和發(fā)展領(lǐng)域類（3 個(gè)）。舊版涉及到的大氣探測(cè)兩個(gè)二級(jí)代碼（即“D0503 大氣遙感和大氣探測(cè)”和“D0515 大氣觀測(cè)原理方法及數(shù)據(jù)分析”）歸并為一個(gè)新代碼D0509，名為“大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法”，歸類為“技術(shù)支撐”類（劉哲等, 2020）。

按照自然科學(xué)基金委的統(tǒng)一要求，新的D0509 二級(jí)代碼優(yōu)化調(diào)整工作主要考慮內(nèi)涵、外延以及服務(wù)國(guó)家需求三大要點(diǎn)，具體包括：（1）導(dǎo)向清晰，即完整涵蓋“大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法”資助范圍，體現(xiàn)對(duì)應(yīng)的分支學(xué)科/技術(shù)支撐/發(fā)展領(lǐng)域的內(nèi)涵與外延；（2）數(shù)量適宜，原則上，每個(gè)“二級(jí)申請(qǐng)代碼”下設(shè)不超過6 個(gè)“研究方向”，每個(gè)“研究方向”下設(shè)不超過20 個(gè)“關(guān)鍵詞”；（3）便于智能指派：可基于“研究對(duì)象”“關(guān)鍵科學(xué)問題”“研究手段”及“其他相關(guān)內(nèi)容”等因素，設(shè)置“研究方向”和“關(guān)鍵詞”，以便智能指派系統(tǒng)精準(zhǔn)匹配函評(píng)專家；（4）結(jié)構(gòu)清晰，邏輯自洽。

在以上政策導(dǎo)向下，自然科學(xué)基金委大氣學(xué)科提前布局了戰(zhàn)略研究項(xiàng)目組, 并成立了科學(xué)顧問組，邀請(qǐng)戰(zhàn)略專家領(lǐng)銜戰(zhàn)略研究并擔(dān)任科學(xué)顧問，主要任務(wù)是把握學(xué)術(shù)方向并形成代表科學(xué)界的政策建議（劉哲等, 2020），并在此基礎(chǔ)上，成立了二級(jí)代碼調(diào)整秘書組；由秘書組組織了D0509 代碼調(diào)整召集人工作組，后者召開會(huì)議，成立由數(shù)十名專家組成的代碼調(diào)整工作組，同時(shí)兼顧不同領(lǐng)域和不同單位的代表性。代碼調(diào)整工作組經(jīng)過廣泛征求意見、集中討論、多次修改，形成了D0509 代碼初步方案，并提交顧問組專家審閱，做了進(jìn)一步的調(diào)整。2019 年12 月，工作組形成了2020 版D0509 二級(jí)代碼。2020 年自然科學(xué)基金申請(qǐng)和評(píng)審結(jié)束后，自然科學(xué)基金委及時(shí)將新代碼的相關(guān)使用情況通知給相關(guān)代碼調(diào)整工作組，特別是對(duì)未使用過的代碼進(jìn)行了討論、調(diào)整，在此基礎(chǔ)上形成了2021 版D0509 二級(jí)代碼。2021 年自然科學(xué)基金申請(qǐng)和評(píng)審結(jié)束后，工作組再次根據(jù)代碼使用情況，對(duì)代碼進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，形成了2022 版D0509 二級(jí)代碼。

由于新版大氣科學(xué)二級(jí)代碼的研究方向和關(guān)鍵詞高度凝練，若僅閱讀代碼本身，不容易準(zhǔn)確把握其設(shè)計(jì)理念，有可能造成一定的理解偏差，導(dǎo)致申請(qǐng)人和函評(píng)專家未能選擇適合自己的關(guān)鍵詞。本文作者作為D0509 二級(jí)代碼優(yōu)化工作的召集人，深度參與了代碼編寫工作，并對(duì)代碼研究方向和關(guān)鍵詞的選擇進(jìn)行了多次深入研討。鑒于此，本文試圖從作者個(gè)人的視角，解讀D0509 研究方向和關(guān)鍵詞的設(shè)計(jì)理念，為學(xué)界同仁準(zhǔn)確理解D0509 的資助導(dǎo)向、正確的選擇二級(jí)代碼、研究方向及其關(guān)鍵詞提供一定的參考。

2 “大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法”的重要性

大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法是大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，其發(fā)展推動(dòng)和引領(lǐng)了大氣科學(xué)的發(fā)展（呂達(dá)仁等, 2003; 王體健等, 2019）。例如，人類對(duì)熱帶對(duì)流云內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的理解，從熱塔模型到中尺度對(duì)流系統(tǒng)的深刻認(rèn)識(shí)，再到熱帶、全球尺度風(fēng)暴的全面認(rèn)識(shí)，是緊緊伴隨著大氣探測(cè)平臺(tái)（地基—艦船—飛機(jī)—各類軌道衛(wèi)星）、儀器（傳統(tǒng)儀器—可見光、紅外、微波被動(dòng)遙感儀器—各類主動(dòng)遙感儀器等）、反演技術(shù)的發(fā)展而不斷豐富起來的（Houze, 2003）。

國(guó)務(wù)院頒布的《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022～2035 年）》指出，到2025 年，氣象關(guān)鍵核心技術(shù)要實(shí)現(xiàn)“自主可控”。近30 年來，中國(guó)自主研制的大氣探測(cè)設(shè)備在大氣科學(xué)發(fā)展和氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮了重要作用，以氣象雷達(dá)（Zhao et al., 2019）、成像光譜儀等為代表的遙感設(shè)備及技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)產(chǎn)業(yè)務(wù)衛(wèi)星系列（風(fēng)云、海洋、資源、高分等）形成了穩(wěn)定的業(yè)務(wù)觀測(cè)能力，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星信息定量提取和綜合應(yīng)用形成了良好的規(guī)模（許健民等, 2010; Zhang et al., 2019）。在一些方面，中國(guó)氣象衛(wèi)星的觀測(cè)能力已經(jīng)國(guó)際領(lǐng)先，如風(fēng)云3E“黎明星”的成功發(fā)射與運(yùn)行，使我國(guó)成為國(guó)際唯一同時(shí)具有上午、下午、黎明三軌觀測(cè)衛(wèi)星探測(cè)能力的國(guó)家（Zhang et al., 2022）。

同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在大氣探測(cè)的基本原理、技術(shù)方法、儀器研制等諸多方面仍存在一定差距。隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，氣象科技的“自主可控”成為國(guó)家迫切需求。具體到大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法領(lǐng)域，就是要打破對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴，研發(fā)具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大氣探測(cè)理論、反演方法和儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大氣科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)和過程參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量。

2.1 大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法的內(nèi)涵和外延

雖然在新的自然科學(xué)基金委大氣科學(xué)代碼分類中，“大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法”被歸入“技術(shù)支撐”類別，但不能將其簡(jiǎn)單地理解為對(duì)已有工程技術(shù)的應(yīng)用。大氣遙感充滿著未知的科學(xué)問題、有待解決的技術(shù)難題、有待拓展和完善的應(yīng)用領(lǐng)域，是一個(gè)由基礎(chǔ)研究、高技術(shù)和重大應(yīng)用密切結(jié)合的學(xué)科分支（呂達(dá)仁等, 2003）。

大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法主要包括與大氣中各種現(xiàn)象和參數(shù)測(cè)量相關(guān)的原理、技術(shù)、方法和儀器，旨在為大氣科學(xué)以及地球科學(xué)相關(guān)學(xué)科發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證和量化科學(xué)事實(shí)提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。研究方法主要包括原位探測(cè)和遙感等，研究對(duì)象包括大氣溫、壓、濕、風(fēng)和輻射等狀態(tài)參數(shù)；氣體和氣溶膠化學(xué)成分及其物理與光學(xué)屬性；云和降水的動(dòng)力、熱力和微物理特征以及相關(guān)的能量收支過程；與大氣過程密切相關(guān)的陸地表和海表的狀態(tài)參數(shù)和通量等。

在原理和方法層面，大氣遙感的原理基礎(chǔ)包括電磁場(chǎng)理論、分子和原子光譜理論、波與介質(zhì)相互作用理論等；描述傳感器所測(cè)信號(hào)與地—?dú)馕锢韰?shù)之間物理聯(lián)系的直接或間接模型構(gòu)成了遙感的應(yīng)用理論基礎(chǔ)（呂達(dá)仁等, 2003），也就是反演的理論基礎(chǔ)。輻射傳輸理論描述電磁波等與大氣中不同成分的相互作用原理和計(jì)算過程，結(jié)合氣體分子、氣溶膠、云粒子等的吸收、散射、發(fā)射等機(jī)理，成為定量大氣成分、氣溶膠和云探測(cè)的重要基礎(chǔ)（胡斯勒?qǐng)D等, 2020）。大氣中的各種降水粒子對(duì)雷達(dá)波的散射和吸收特征，以及描述雷達(dá)波在大氣中傳播的雷達(dá)方程，成為了氣象雷達(dá)定量探測(cè)云和降水的基礎(chǔ)。近年來，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)方法被逐漸應(yīng)用于大氣探測(cè)和遙感領(lǐng)域，成為大氣探測(cè)原理和方法基礎(chǔ)的重要一部分。

在技術(shù)與手段層面，根據(jù)是否與探測(cè)對(duì)象直接接觸，大氣探測(cè)和遙感可分為直接測(cè)量和遙感兩種類型。直接測(cè)量中又分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和野外測(cè)量?jī)纱箢?。大氣遙感技術(shù)有多種分類視角，根據(jù)所利用的電磁波的光譜段可分為紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感和微波遙感等；根據(jù)遙感信號(hào)的來源可分為主動(dòng)和被動(dòng)大氣遙感；根據(jù)遙感儀器所依托的平臺(tái)可分為地基、空基（飛機(jī)）和星載三大類等。

在探測(cè)對(duì)象層面，人類主要生活在地球表面。地表不僅僅是大氣流體運(yùn)動(dòng)的下邊界，而且與大氣有著直接的物質(zhì)和能量交換，因此地表狀態(tài)和大氣狀態(tài)參數(shù)是大氣探測(cè)的首要對(duì)象。其次，云和降水是全球水循環(huán)和能量平衡的核心過程，探測(cè)其時(shí)空變化是認(rèn)識(shí)天氣氣候變化的關(guān)鍵。近年來，以激光雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)等為代表的主動(dòng)遙感新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了大氣成分、氣溶膠、云和降水的精細(xì)結(jié)構(gòu)和宏、微觀物理特征的認(rèn)識(shí)，但其定量反演也一直是大氣遙感的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

綜上，從方法論的角度，大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法涉及原理、技術(shù)方法、儀器硬件；從探測(cè)對(duì)象而言，可大致分為地表狀態(tài)、大氣狀態(tài)、大氣氣體成分、大氣氣溶膠、云和降水等。盡管眾多大氣觀測(cè)研究均可以歸納為方法論的一種，但不同對(duì)象所涉及的原理、技術(shù)、硬件可能差別很大。以“原理和方法”為例，研究大氣成分探測(cè)原理的學(xué)者，專業(yè)背景可能是實(shí)驗(yàn)室化學(xué)，而研究大氣云和降水探測(cè)原理的學(xué)者，專業(yè)背景可能是電磁波輻射傳輸。因此，僅從方法論的角度對(duì)大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法進(jìn)行分類可能是不夠的，難以保證同一分類下的研究者具有相近的知識(shí)背景，為此，需要進(jìn)一步區(qū)分探測(cè)對(duì)象，進(jìn)而提高相關(guān)分類的準(zhǔn)確性，這對(duì)精準(zhǔn)匹配項(xiàng)目評(píng)審專家尤為重要。

2.2 大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

自1949 年新中國(guó)成立以來，我國(guó)在大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法研究中取得了豐碩成果，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此作了詳細(xì)的闡述（趙柏林, 1995; 呂達(dá)仁等, 2003; 張大林, 2005; 郄秀書等, 2008; 邱金桓等,2008; 王體健等, 2019）。深入理解該學(xué)科方向的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)和前沿動(dòng)態(tài)，是準(zhǔn)確制定相應(yīng)二級(jí)代碼的前提與基礎(chǔ)。

一些新物理、化學(xué)原理與技術(shù)、新興材料和計(jì)算科學(xué)被應(yīng)用到了大氣探測(cè)和遙感儀器研發(fā)領(lǐng)域，如高光譜分辨率激光技術(shù)、紅外和微波成像、絕對(duì)低溫輻射定標(biāo)、納米技術(shù)、相控陣?yán)走_(dá)、超光譜成像探測(cè)等。而一些原理相對(duì)成熟的探測(cè)技術(shù)也伴隨著材料科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升得到進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，如小型傅里葉光譜技術(shù)、拉曼散射、中高層大氣探測(cè)技術(shù)、下投探空等。同時(shí)，觀測(cè)平臺(tái)從車載、船舶、無人機(jī)、飛機(jī)、飛艇，發(fā)展到火箭、衛(wèi)星、空間站，這極大地拓展了大氣觀測(cè)與探測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景和探測(cè)范圍。隨著探測(cè)平臺(tái)的拓展，大氣觀測(cè)逐步從城市向極地、沙漠、深空等極端環(huán)境發(fā)起挑戰(zhàn)，且已從人們生活的大氣邊界層向平流層和熱層延伸。大氣觀測(cè)與探測(cè)目前正在向高覆蓋、高分辨、高精度方向發(fā)展，并預(yù)期在未來實(shí)現(xiàn)對(duì)地球大氣的宏觀監(jiān)控和微觀探析。

大氣成分探測(cè)方法和技術(shù)手段在過去二十年也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，有力推動(dòng)了大氣污染機(jī)制研究等相關(guān)學(xué)科分支的發(fā)展（孫業(yè)樂, 2018; Zhou et al.,2020）。在國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”需求背景下，溫室氣體如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、水汽（H2O）和氧化亞氮（N2O）等，及其重要同位素如13C、17O 和15N 等的測(cè)量精度和時(shí)間分辨率均得到了大幅提升。與此同時(shí)，大氣中短壽命物種如大氣自由基和大氣氧化劑等測(cè)量方法和技術(shù)也在不斷發(fā)展，如化學(xué)電離質(zhì)譜（CIMS），激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（LIF）和差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）等，大幅提高了我們對(duì)大氣自由基化學(xué)的認(rèn)知。在實(shí)時(shí)在線測(cè)量技術(shù)和方法快速發(fā)展的同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)、便攜等優(yōu)勢(shì)，基于化學(xué)傳感器測(cè)量大氣成分和氣溶膠理化特性的技術(shù)與方法也在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展和應(yīng)用，但受限于標(biāo)定方法和測(cè)量穩(wěn)定性等影響，未來仍需進(jìn)一步發(fā)展數(shù)據(jù)質(zhì)控方法，并提高傳感器的耐用性。大氣污染和氣候變化監(jiān)測(cè)需求的日益增長(zhǎng)對(duì)于大尺度大氣成分的精細(xì)化探測(cè)提出了更高的要求。借助遙感手段，通過偏振、多角度等先進(jìn)探測(cè)技術(shù)，可提高氣溶膠光學(xué)性質(zhì)探測(cè)精度（Li et al., 2018a,2018b, 2019a），并實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠成分的初步識(shí)別。同時(shí)，基于國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星平臺(tái)的遙感監(jiān)測(cè)大氣污染氣體成分（如臭氧及其重要前體物NOx、VOC 等）的儀器、方法和應(yīng)用在過去五年也取得了許多重要進(jìn)展，有力支撐了環(huán)保和氣象業(yè)務(wù)部門工作（Xia et al., 2021; Liu et al., 2022）。此外，探測(cè)手段的豐富和探測(cè)精度的提高促進(jìn)大氣化學(xué)模式的快速發(fā)展，急需集合多源、多變量觀測(cè)以及數(shù)據(jù)同化方法建立高精度、高時(shí)空分辨率的氣溶膠和大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)集。

地球氣候系統(tǒng)的水循環(huán)及其能量平衡對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)、云霧物理、陸—?dú)庀嗷プ饔玫戎匾拇髿饪茖W(xué)研究領(lǐng)域具有重要意義。近年來，對(duì)水汽蒸散發(fā)、云、降水（黃美元等, 2003）及其相伴隨的長(zhǎng)、短波輻射平衡、潛熱釋放等過程關(guān)鍵參數(shù)的探測(cè)水平有了很大發(fā)展。除了利用傳統(tǒng)的地基通量觀測(cè)、雨量計(jì)觀測(cè)等手段對(duì)地表水汽通量、云、降水進(jìn)行精確的點(diǎn)測(cè)量之外，地基遙感（趙傳峰和楊以坤,2021）、氣象雷達(dá)（Zhao et al., 2019; Weber et al.,2021）和衛(wèi)星（Wang et al., 2019; Letu et al., 2020）遙感技術(shù)在該領(lǐng)域也取得了一系列進(jìn)展。其中，氣象雷達(dá)是基于云和降水粒子數(shù)量、大小、形狀、指向和介電性能的遙感觀測(cè)，通過雙偏振、雙波長(zhǎng)等雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，能獲取云和降水系統(tǒng)內(nèi)部三維立體空間的粒子相態(tài)、大小分布等微物理結(jié)構(gòu)特征，并提高定量降水估計(jì)精度（Huang et al., 2020）。目前國(guó)際上正在發(fā)展下一代的相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)技術(shù)，通過多波束快速掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)降水精細(xì)結(jié)構(gòu)演變特征觀測(cè)（Kollias et al., 2022）。

在降水的衛(wèi)星遙感領(lǐng)域，1997 年熱帶降水測(cè)量衛(wèi)星TRMM（Kummerow et al., 1998; Fu and Liu,2001; Li and Fu, 2005）攜帶人類第一顆星載測(cè)雨雷達(dá)升空，第一次為人類提供了南北緯37 度之間，全球性降水和潛熱（Tao et al., 2006）的三維結(jié)構(gòu)信息，并同時(shí)提供了降水云的雷達(dá)回波反射率因子、多通道微波亮溫、多通道可見光及紅外信號(hào)的聯(lián)合測(cè)量，為全球性融合降水資料的產(chǎn)生提供了重要基礎(chǔ)。2014 年全球降水測(cè)量衛(wèi)星GPM 攜帶了人類第一顆雙頻測(cè)雨雷達(dá)（Ku、Ka）升空，可以對(duì)南北緯65 度之間，降水粒子的更細(xì)致微物理特征、以及潛熱釋放率（Tao et al., 2006; Li et al., 2019b; 李銳等, 2021）等提供觀測(cè)信息。更重要的是GPM提出了全球降水測(cè)量“星群”的概念，即以一顆攜帶主、被動(dòng)微波探測(cè)儀器的主星為參考，一群攜帶多通道微波輻射計(jì)（被動(dòng)微波）的伴星組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球降水的連續(xù)探測(cè)（Skofronick-Jackson et al., 2017）。另外，中國(guó)第一顆、人類第三顆主動(dòng)測(cè)雨雷達(dá)衛(wèi)星風(fēng)云降水星（谷松巖等,2022）也即將升空，該星除了攜帶雙頻測(cè)雨雷達(dá)之外，還設(shè)計(jì)了通道更多的被動(dòng)微波輻射計(jì)、彌補(bǔ)了GPM 不具備可見光紅外探測(cè)能力的不足、創(chuàng)新性的增加了對(duì)降水云偏振特性的觀測(cè)，相信將對(duì)全球降水三維結(jié)構(gòu)探測(cè)帶來新的突破。

融合多平臺(tái)、多通道、多種技術(shù)裝備，在熱點(diǎn)區(qū)域開展大氣探測(cè)聯(lián)合試驗(yàn)可以最大程度發(fā)揮探測(cè)功能，在大區(qū)域增進(jìn)人類對(duì)復(fù)雜大氣現(xiàn)象的綜合理解并產(chǎn)生較大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。例如美國(guó)能源部和美國(guó)宇航局于2011 年4～5 月在俄克拉荷馬進(jìn)行了中緯度陸地對(duì)流云實(shí)驗(yàn)MC3E（Jensen et al., 2016），通過多元觀測(cè)的集成與分析，深刻揭示了對(duì)流云動(dòng)力學(xué)和微物理學(xué)特征，并為衛(wèi)星遙感降水算法的改進(jìn)提供了寶貴資料。中國(guó)淮河流域能量與水分循環(huán)試驗(yàn)和研究（丁一匯等, 2020）建立了一套覆蓋不同尺度（α、β、γ）、常規(guī)與加密觀測(cè)配合的地基大氣與水文觀測(cè)網(wǎng)，揭示了梅雨期大尺度環(huán)流和天氣尺度系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，揭示了不同類型梅雨鋒系統(tǒng)內(nèi)中小尺度系統(tǒng)發(fā)展演化的機(jī)理，同時(shí)促進(jìn)了陸面過程與水文過程的模式發(fā)展。又如，青藏高原熱動(dòng)力作用與地氣相互作用過程對(duì)我國(guó)的天氣和氣候具有極其重要的影響作用。經(jīng)過國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“青藏高原地—?dú)怦詈舷到y(tǒng)變化及其全球氣候效應(yīng)”（周秀驥等, 2022）、國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目“青藏高原地球系統(tǒng)”等的推動(dòng)，已在青藏高原建成了包含地基、空基、天基的多平臺(tái)、多時(shí)空、多要素觀測(cè)系統(tǒng)，取得了豐碩的成果。

綜上所述，大氣探測(cè)經(jīng)歷了從地基到天基、從宏觀到微觀，從人工到智能、從單一到協(xié)同的發(fā)展脈絡(luò)。從大氣科學(xué)發(fā)展對(duì)大氣探測(cè)的需求來看，還有大量的科學(xué)問題亟需解決，需要從原理、技術(shù)、方法、儀器等多方面結(jié)合具體的觀測(cè)對(duì)象進(jìn)一步提高。

3 D0509 申請(qǐng)代碼解讀

3.1 目前D0509 申請(qǐng)代碼的研究方向解讀

如2.1 節(jié)所述，在新的大氣科學(xué)學(xué)科申請(qǐng)代碼分類中，D0509 屬于“支撐技術(shù)”板塊。然而，由于大氣科學(xué)所涵蓋的時(shí)間、空間尺度廣，大氣現(xiàn)象與人類所能感知的信息之間只有相對(duì)有限的聯(lián)系，如何發(fā)現(xiàn)、測(cè)量、描述大氣現(xiàn)象和參數(shù)不僅是一個(gè)“技術(shù)應(yīng)用”問題，還是一個(gè)具備自身知識(shí)體系、研究方法、應(yīng)用對(duì)象的獨(dú)立學(xué)科。因此，研究方向的設(shè)立，首先應(yīng)該把大氣探測(cè)與遙感的主要學(xué)科分支單列出來，鼓勵(lì)對(duì)本領(lǐng)域基礎(chǔ)性原理、關(guān)鍵技術(shù)、重要儀器的創(chuàng)新性研究，其次是考慮如何利用這些手段對(duì)重要的大氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)第2 節(jié)的分析，新版D0509 的研究方向從學(xué)科基礎(chǔ)層面和具體應(yīng)用層面設(shè)計(jì)了6 個(gè)研究方向，如圖1 所示。在學(xué)科基礎(chǔ)層面，設(shè)計(jì)有“大氣觀測(cè)基本原理和反演方法”“大氣探測(cè)與遙感技術(shù)和手段”和“大氣觀測(cè)儀器研發(fā)和定標(biāo)”三大研究方向，為該學(xué)科的基本原理、實(shí)用技術(shù)、和硬件儀器奠定學(xué)科基礎(chǔ)。

圖1 “D0509 大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法”的6 個(gè)研究方向之間的邏輯關(guān)系及與其他二級(jí)代碼的關(guān)系Fig.1 Relationship between the six research directions in D0509 “Atmospheric Observation, Remote Sensing and Detection Technology and Methods” and the relationship with other secondary application codes

概括而言，D0509 所包含的所有研究都可以歸為以上三類其一，但是，實(shí)際上，大氣科學(xué)的觀測(cè)往往又是根據(jù)所觀測(cè)的對(duì)象進(jìn)行分類的，而且針對(duì)某一特定對(duì)象所研發(fā)的觀測(cè)方法可以同時(shí)涵蓋“原理”“技術(shù)”和“儀器”，如果僅僅包括上述三個(gè)研究方向，很可能導(dǎo)致某個(gè)研究特定研究對(duì)象的申請(qǐng)書難以對(duì)應(yīng)到合適的評(píng)審專家。所以，目前的D0509 還設(shè)計(jì)了另外一個(gè)“維度”，以觀測(cè)對(duì)象劃分研究方向，包括“大氣和地表狀態(tài)參數(shù)觀測(cè)”“大氣成分與氣溶膠觀測(cè)”和“云和降水觀測(cè)”。

以上兩個(gè)分類維度的設(shè)計(jì)類似直角坐標(biāo)系的X和Y坐標(biāo)，而相應(yīng)的關(guān)鍵詞如同坐標(biāo)值。一旦申請(qǐng)人分別選定了X、Y兩個(gè)坐標(biāo)上的關(guān)鍵詞，而評(píng)審專家也準(zhǔn)確地選擇了自己所擅長(zhǎng)評(píng)審的研究方向和關(guān)鍵詞，就可以較為精準(zhǔn)地將項(xiàng)目申請(qǐng)人和相應(yīng)的評(píng)審人聯(lián)系在一起。

研究方向1——大氣觀測(cè)基本原理和反演方法：主要包括原位探測(cè)和遙感所依賴的具有共性的基本測(cè)量原理，如光譜學(xué)、電磁學(xué)、輻射傳輸、渦動(dòng)力學(xué)；以及在未知量遠(yuǎn)多于控制方程情形下所發(fā)展出的最優(yōu)化反演理論方法等。該方向下的研究成果對(duì)大氣觀測(cè)的學(xué)科發(fā)展有整體性、普惠性的推動(dòng)作用，可以說屬于D0509 的“基礎(chǔ)研究”。

研究方向2——大氣探測(cè)與遙感技術(shù)和手段：主要包括利用上一類研究成果，針對(duì)具體的觀測(cè)目標(biāo)和測(cè)量要求，研發(fā)和改進(jìn)具體的大氣觀測(cè)、探測(cè)和遙感的實(shí)用技術(shù)和手段。

研究方向3——大氣觀測(cè)儀器研發(fā)和定標(biāo)：一切理論和方法，要具體實(shí)踐到大氣探測(cè)上，不可缺少各類先進(jìn)的儀器。儀器的研發(fā)和定標(biāo)也成為了D0509 不可或缺的重要研究方向。該研究方向包括設(shè)計(jì)、研制和改良大氣觀測(cè)儀器，主要針對(duì)大型儀器的預(yù)研究和儀器定標(biāo)研究。

研究方向4——大氣和地表狀態(tài)參數(shù)觀測(cè)：主要針對(duì)大氣溫、壓、濕、風(fēng)、輻射等狀態(tài)參數(shù)，以及和大氣過程密切相關(guān)的陸地表、海表狀態(tài)參數(shù)的觀測(cè)研究。

研究方向5——大氣成分與氣溶膠觀測(cè)：主要針對(duì)大氣中不同氣相成分和氣溶膠的物理、化學(xué)和光學(xué)等特性，利用多原理、多方法、多技術(shù)或儀器進(jìn)行觀測(cè)和分析。

研究方向6——云和降水觀測(cè)：針對(duì)云和降水的動(dòng)力、熱力和微物理特征、以及相關(guān)的能量收支過程參數(shù)的觀測(cè)研究。

3.2 目前D0509 代碼各研究方向下的關(guān)鍵詞解讀

由于各個(gè)研究方向下的關(guān)鍵詞總數(shù)有一定的限制（20 個(gè)左右），同時(shí)關(guān)鍵詞是幫助申請(qǐng)書精準(zhǔn)匹配評(píng)閱專家的關(guān)鍵“輸入”，因此對(duì)關(guān)鍵詞的選擇必須兼顧“概括性”和“具體性”。申請(qǐng)人對(duì)兩大類研究方向都可以選取關(guān)鍵詞，通過取交集的方式有利于精準(zhǔn)匹配評(píng)審專家。此外，關(guān)鍵詞的選取，應(yīng)同時(shí)保留具有歸納和總結(jié)性質(zhì)的關(guān)鍵詞和較具體的研究重點(diǎn)、熱點(diǎn)關(guān)鍵詞，做到既“全覆蓋（歸納總結(jié)性）”，又“精準(zhǔn)匹配（具體）”。表1 展示了6 大研究方向及關(guān)鍵詞，下面對(duì)6 大研究方向所包含關(guān)鍵詞的分類做一簡(jiǎn)要說明。

研究方向1——大氣觀測(cè)基本原理和反演方法:

大氣與電磁波相互作用的一些關(guān)鍵原理是大氣遙感的基礎(chǔ)。如定量遙感大氣氣體成分依賴于原子和分子光譜、氣體選擇性吸收等系列理論；定量遙感氣溶膠、云和降水依賴于粒子光學(xué)特性計(jì)算理論和輻射傳輸理論。注重基礎(chǔ)理論研究才可能取得大氣探測(cè)與遙感原創(chuàng)性突破，因此，該研究方向下的第一大類關(guān)鍵詞是探測(cè)理論類關(guān)鍵詞，如氣體吸收、光譜學(xué)、激光光譜、光學(xué)特性計(jì)算、輻射傳輸理論、湍流理論和渦度相關(guān)理論等（參見表1）。

表1 “D0509 大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法”研究方向和關(guān)鍵詞Table 1 Research directions and keywords of D0509 "Atmospheric Observation, Remote Sensing, Detection Technology and Methods"

其次，對(duì)上述相互作用過程的反向求解，牽涉到一系列獨(dú)特的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)方法和理論，這構(gòu)成了該研究方向的第二類關(guān)鍵詞，即反演方法類關(guān)鍵詞，如物理反演、統(tǒng)計(jì)反演、貝葉斯、協(xié)同觀測(cè)與反演等；

另外，針對(duì)大氣探測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究構(gòu)成了第三類數(shù)據(jù)分析理論與方法類關(guān)鍵詞，如數(shù)據(jù)同化、數(shù)據(jù)再分析、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、質(zhì)量評(píng)估、數(shù)據(jù)融合等。

必須承認(rèn)，上述分類并不是嚴(yán)格的，例如第三類關(guān)鍵詞中的人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)方法也可以是歸屬為反演方法類。

研究方向2——大氣探測(cè)與遙感技術(shù)和手段：

直接測(cè)量類技術(shù)手段關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)、云室、煙霧箱、單顆粒、化學(xué)成分、同位素、光譜、質(zhì)譜、色譜、顯微分析、電鏡等。

間接測(cè)量類技術(shù)手段關(guān)鍵詞：熒光光譜、太陽(yáng)光譜、光學(xué)遙感、紅外遙感、微波遙感、氣象雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)（如水汽測(cè)量）、激光雷達(dá)、拉曼光譜、高光譜、超光譜等。

由于同樣的技術(shù)手段，運(yùn)用于不同平臺(tái)時(shí)，或產(chǎn)生全新的科學(xué)問題，因此又按平臺(tái)進(jìn)行分類，如空基遙感、地基遙感、衛(wèi)星遙感等。

研究方向3——大氣觀測(cè)儀器研發(fā)和定標(biāo)：

儀器類別和依托平臺(tái)分類關(guān)鍵詞：原位觀測(cè)儀器、遙感儀器、探測(cè)儀器、偏振儀器、星載儀器、機(jī)載儀器等。

儀器校正與定標(biāo)類關(guān)鍵詞：定標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)量、輻射校正、幾何校正、實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、替代定標(biāo)、星上定標(biāo)、地基校正、大氣訂正等。

另外，該研究方向下專設(shè)了熱點(diǎn)儀器關(guān)鍵詞：如多頻雷達(dá)、氣象雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、云雷達(dá)、降水雷達(dá)、激光雷達(dá)、太赫茲等。嚴(yán)格意義上說，這里所列的關(guān)鍵詞可能有所重疊，例如相控陣?yán)走_(dá)也屬于氣象雷達(dá)的一種，但考慮到它較為先進(jìn)、發(fā)展迅速、應(yīng)用越來越廣泛，因此也單列出來。這雖然降低了關(guān)鍵詞的邏輯性，但提高了相關(guān)申請(qǐng)項(xiàng)目的匹配精準(zhǔn)性。類似情形在其他研究方向中也有所體現(xiàn)，不再一一贅述。

研究方向4——大氣和地表狀態(tài)參數(shù)觀測(cè)：

大氣狀態(tài)參數(shù)類關(guān)鍵詞：如溫、壓、濕、風(fēng)、湍流、垂直速度、大氣輻射、大氣折射率、大氣波導(dǎo)、重力波、垂直大氣組分、大氣邊界層、中高層大氣、云跡風(fēng)等。

地表狀態(tài)參數(shù)類關(guān)鍵詞：如地表輻射收支、蒸散發(fā)、碳通量、地氣通量、地表溫度、海表鹽度、植被、地表反照率、地表發(fā)射率、粗糙度、土壤濕度、積雪等。國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略提出后，對(duì)碳達(dá)峰、碳中和相關(guān)的觀測(cè)科學(xué)與技術(shù)研究增加，因此特別加入了這兩個(gè)關(guān)鍵詞。

研究方向5——大氣成分與氣溶膠觀測(cè)：

氣相成分類關(guān)鍵詞：如大氣成分、痕量氣體、溫室氣體、大氣自由基、大氣氧化劑、揮發(fā)性有機(jī)物、氮氧化物、臭氧、鹵素化合物、甲烷、氨氣、二氧化碳等。注意到這里的“大氣成分”屬于總攬性的關(guān)鍵詞，可供少數(shù)申請(qǐng)書無法找到準(zhǔn)確的關(guān)鍵詞時(shí)選用，類似情形在其他研究方向中也可能存在。所以給定方向下的關(guān)鍵詞列表本身是在“邏輯自洽”和“精準(zhǔn)匹配”之間的平衡所得結(jié)果。

氣溶膠粒子類關(guān)鍵詞：如氣溶膠、生物氣溶膠、海洋氣溶膠、黑碳、棕碳、重金屬、氣溶膠光學(xué)特性、吸濕性、揮發(fā)性、粒子譜分布。

研究方向6——云和降水觀測(cè)：

宏觀特性類關(guān)鍵詞：如云和降水、三維結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性、化學(xué)特性、輻射特性、雷電特性、垂直運(yùn)動(dòng)、云廓線等。

微觀特性類：如微物理特征、相態(tài)識(shí)別、潛熱、云滴譜、雨滴譜等。

研究熱點(diǎn)類：如云和降水識(shí)別、檢測(cè)和分類、雷達(dá)估測(cè)降水、雙偏振雷達(dá)、綜合性數(shù)據(jù)集、氣溶膠間接效應(yīng)等。

4 結(jié)語(yǔ)

2020 年，新版的D0509 二級(jí)代碼首次投入使用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2020 年代碼D0509 的項(xiàng)目申請(qǐng)數(shù)為222 項(xiàng)，占大氣學(xué)科總數(shù)的13.5%，居第二位（何建軍等, 2020）。該結(jié)果說明我國(guó)的大氣科學(xué)研究隊(duì)伍中，有大量人員聚焦于大氣觀測(cè)、遙感與探測(cè)研究方向，也反映出該學(xué)科方向在整個(gè)大氣學(xué)科中的重要性。同時(shí)，6 個(gè)研究方向均有研究人員選擇，說明研究方向設(shè)定是合適的。其中，大氣探測(cè)與遙感技術(shù)和手段研究方向收到了111 項(xiàng)申請(qǐng)，是大氣學(xué)科新版二級(jí)代碼所有研究方向（共78 個(gè)）中收到申請(qǐng)數(shù)量最多的。大氣和地表狀態(tài)參數(shù)觀測(cè)方向收到的申請(qǐng)書最少，僅8 項(xiàng)。一方面可能是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的大氣狀態(tài)參數(shù)探測(cè)方向相對(duì)成熟，另一方面可能是因?yàn)榈乇韰?shù)探測(cè)有部分研究人員從其他學(xué)科（如地理）申請(qǐng)。但隨著大氣與地表耦合作用研究的交叉融合，特別是地球系統(tǒng)科學(xué)的興起，相信這一研究方向的申請(qǐng)人會(huì)逐漸增多。另外，在大氣學(xué)科2020 年申請(qǐng)項(xiàng)目Top5 關(guān)鍵詞中，D0509 學(xué)科方向的“氣溶膠”和“臭氧”入選（基金委內(nèi)部交流材料）。

值得指出的是，作為支撐技術(shù)，D0509 與大氣科學(xué)學(xué)科的分支學(xué)科、發(fā)展領(lǐng)域的其他二級(jí)代碼存在確定的邊界。自然科學(xué)基金委明確指出“支撐技術(shù)類代碼服務(wù)于中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)研究，純技術(shù)應(yīng)用類研究不適合填報(bào)此類型代碼，而應(yīng)從“分支學(xué)科”或“發(fā)展領(lǐng)域”中選擇相應(yīng)的代碼?！保▌⒄艿? 2020）。也就是說，D0509 所針對(duì)的是如何發(fā)現(xiàn)和測(cè)量大氣科學(xué)事實(shí)與關(guān)鍵參數(shù)，而不是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的應(yīng)用。舉例而言，研發(fā)衛(wèi)星遙感原理和方法以揭示我國(guó)降水和潛熱的三維結(jié)構(gòu)，并利用所獲得結(jié)果驗(yàn)證、改進(jìn)相關(guān)的原理方法，屬于D0509的范疇；而直接利用所獲得結(jié)果研究某地區(qū)、某天氣和氣候過程中的降水三維結(jié)構(gòu)特征及演變則不屬于D0509 的范疇，而屬于大氣物理、天氣學(xué)或氣候?qū)W等范疇。此外，有些研究旨在提高大氣探測(cè)數(shù)據(jù)精度，因而對(duì)其作出分析、比較、評(píng)估研究，其成果對(duì)大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法的發(fā)展有重要推動(dòng)作用，事實(shí)上也屬于D0509 涵蓋的范疇。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，大氣科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域本身也是處于不斷變化、發(fā)展過程中。其研究方向、重要關(guān)鍵詞不可避免的會(huì)出現(xiàn)變化，因此D0509 二級(jí)代碼也會(huì)有一定的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在將來的D0509 二級(jí)代碼的修訂中，需要注意

（1）征求更廣泛的代碼意見：目前的代碼優(yōu)化調(diào)整，征求了大部分學(xué)者專家的意見，但仍有不足或者遺漏之處。為此，在后續(xù)的修改中，會(huì)進(jìn)一步吸納更廣泛、更深入的專家意見，并進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整和完善相關(guān)代碼，更好地服務(wù)于項(xiàng)目申請(qǐng)人。申請(qǐng)代碼是所有學(xué)術(shù)界專家共同的工具，每個(gè)研究者都有權(quán)利、有責(zé)任提出自己的見解，只要保持言論暢通，并且設(shè)置相應(yīng)的管理機(jī)制，高效吸納這些合理化建議，就能保持高質(zhì)量的代碼設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵詞匹配。

（2）更精準(zhǔn)的關(guān)鍵詞：在每個(gè)研究方向有限的關(guān)鍵詞中（約20 個(gè)），如何同時(shí)體現(xiàn)該方向自身的邏輯合理性和內(nèi)涵完整性，又反映該方向發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)是后續(xù)代碼調(diào)整考慮的重要因素。一方面，有些關(guān)鍵詞雖然重要，但已趨于成熟，相對(duì)新意較小，但也不能保證沒有新的突破出現(xiàn)；另一方面，有些關(guān)鍵詞雖然代表著發(fā)展前沿，但從事該研究的科研人員仍然較少。目前D0509 研究方向下的關(guān)鍵詞只是一定程度上體現(xiàn)了邏輯合理、內(nèi)涵完整和方向前沿。

限于作者本身水平，對(duì)二級(jí)代碼的解讀還存在很多局限、不足之處，懇請(qǐng)國(guó)內(nèi)外專家批評(píng)指正。

致謝“D0509 大氣觀測(cè)、遙感和探測(cè)技術(shù)與方法”二級(jí)申請(qǐng)代碼的制定是在國(guó)內(nèi)幾十位專家學(xué)者的共同努力下制定的，在此表示深深的謝意。本文的寫作得到了國(guó)家衛(wèi)星中心張鵬，大氣物理研究所段民征，空天信息創(chuàng)新研究院胡斯勒?qǐng)D，北京大學(xué)趙傳峰，安徽省氣象局黃勇，合肥物質(zhì)研究院劉東，北京大學(xué)李婧，武漢大學(xué)李四維，浙江大學(xué)畢磊，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙宏偉等的大力幫助，在此表示衷心的感謝！