林巖鑾 俞永強(qiáng) 陳春剛 劉利 薛巍

1 清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系, 北京 100084

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LASG), 北京 100029

3 西安交通大學(xué)力學(xué)系, 西安 710049

4 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系, 北京 100084

1 引言

學(xué)科申請(qǐng)代碼調(diào)整是國家自然科學(xué)基金委員會(huì)（簡稱自然科學(xué)基金委）“優(yōu)化學(xué)科布局”改革任務(wù)的重要組成部分和切入點(diǎn)（李靜海, 2018, 2020）。代碼修訂工作的指導(dǎo)原則是“提高申請(qǐng)代碼的包容性和覆蓋面，通過廣覆蓋的申請(qǐng)代碼結(jié)構(gòu)盡量涵蓋更多的研究方向。鼓勵(lì)設(shè)置跨科學(xué)部申請(qǐng)代碼，加強(qiáng)對(duì)跨學(xué)科、大交叉研究的支持”（國家自然科學(xué)基金委員會(huì), 2019）。2019 年，自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部地球科學(xué)五處（大氣科學(xué)學(xué)科，簡稱“大氣學(xué)科”）完成了“二級(jí)申請(qǐng)代碼”調(diào)整，明確了“分支學(xué)科”“支撐技術(shù)”和“發(fā)展領(lǐng)域”三個(gè)板塊的新布局（劉哲等, 2020）。調(diào)整后內(nèi)容的體系性和結(jié)構(gòu)性均有了顯著改善，且有助于大氣科學(xué)從傳統(tǒng)的“氣象學(xué)”“大氣物理”等較獨(dú)立分支向地球系統(tǒng)科學(xué)的大氣分量的新格局轉(zhuǎn)變（劉哲等, 2020; 國家自然科學(xué)基金委員會(huì), 2022）。

地球系統(tǒng)模式是在物理氣候系統(tǒng)模式的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步考慮碳氮循環(huán)過程，以整個(gè)表層地球作為一個(gè)整體，包括生物地球化學(xué)過程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模型在內(nèi)的完整的模式系統(tǒng)（Randall et al., 2018）。它以傳統(tǒng)的氣候系統(tǒng)模式為基礎(chǔ)，以更好的研究整個(gè)地球系統(tǒng)不同分量之間的物質(zhì)和能量交換為目標(biāo)，最終形成一個(gè)完整的模式系統(tǒng)，助力全球變化研究和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。發(fā)展地球系統(tǒng)模式是研究氣候變化和可持續(xù)發(fā)展的主要研究工具，國際地球系統(tǒng)模式的發(fā)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(jì)劃（CMIP6, Eyring et al., 2016）中，地球系統(tǒng)模式包含了氣候系統(tǒng)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(guān)的分量模式，如大氣、陸面、海洋和海冰、氣溶膠、碳氮循環(huán)、動(dòng)態(tài)植被、大氣化學(xué)和陸地冰等，而把固體地球相關(guān)過程，如火山和地幔運(yùn)動(dòng)等作為外強(qiáng)迫。當(dāng)前地球系統(tǒng)模式的發(fā)展方向既體現(xiàn)在分量模式的方案改進(jìn)、精度提升，也表現(xiàn)在進(jìn)一步耦合驅(qū)動(dòng)全球環(huán)境變化、對(duì)人類福祉有重要影響的自然和人為要素，找到可持續(xù)發(fā)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(tǒng)模式通過地球系統(tǒng)中的動(dòng)力、物理、化學(xué)和生物過程建立起來的數(shù)學(xué)方程組（包括動(dòng)力學(xué)方程組和參數(shù)化方案）來確定其各個(gè)部分（大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈）的性狀及其相互關(guān)系，由此構(gòu)成求解這些方程組且相互耦合的大型計(jì)算軟件（王斌等, 2008; 王會(huì)軍等, 2014; Zhou et al., 2020）。地球系統(tǒng)模式能夠再現(xiàn)地球系統(tǒng)過去的歷史演變，預(yù)測(cè)和預(yù)估其未來的變化趨勢(shì)。只有通過地球系統(tǒng)模式，我們才能確定人類活動(dòng)對(duì)全球環(huán)境變化的影響，提出人類減緩和適應(yīng)全球變化的策略（徐冠華等, 2013），從而有效地保護(hù)人類的生存家園。地球系統(tǒng)模式的發(fā)展也是國際國內(nèi)未來發(fā)展的重點(diǎn)。美國國家科學(xué)院發(fā)布《推動(dòng)氣候模擬的國家戰(zhàn)略》，提出四個(gè)主要組成部分以及五個(gè)支撐要素（Committee on a National Strategy for Advancing Climate Modeling et al., 2012;周天軍等譯, 2014）?！稓庀蟾哔|(zhì)量發(fā)展綱要（2022～2035 年）》也要求加強(qiáng)地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心能力建設(shè)、加強(qiáng)地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)核心技術(shù)攻關(guān)、發(fā)展自主可控的地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式。

2019 年的基金申請(qǐng)代碼調(diào)整，將舊版代碼中“數(shù)值模式與數(shù)值模擬”進(jìn)行了拆分，除了增加大氣數(shù)值模式發(fā)展作為支撐技術(shù)之一，獨(dú)立設(shè)置代碼（D0511），還增加了地球系統(tǒng)模式發(fā)展這一方向（D0512）。雖然兩者都是模式發(fā)展，在地球系統(tǒng)科學(xué)的整體框架下，卻有不同的內(nèi)涵，“大氣數(shù)值模式發(fā)展”面向大氣科學(xué)分量模式技術(shù)的研發(fā)，而“地球系統(tǒng)模式發(fā)展”更強(qiáng)調(diào)包括大氣在內(nèi)地球系統(tǒng)各分量模式的耦合（劉哲等, 2020）。這一調(diào)整強(qiáng)調(diào)了自然科學(xué)基金委“三深一系統(tǒng)”中地球系統(tǒng)模式的重要性，并突出了大氣科學(xué)在支撐地球系統(tǒng)科學(xué)和地球系統(tǒng)模式中的重要性和引領(lǐng)性。地球系統(tǒng)模式發(fā)展（D0512）重點(diǎn)針對(duì)地球系統(tǒng)模式發(fā)展相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)方法研究和模式開發(fā)，以促進(jìn)地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展。強(qiáng)調(diào)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模式技術(shù)研發(fā)而非模式（模擬）應(yīng)用，直面我國地球系統(tǒng)模式發(fā)展相對(duì)落后，研發(fā)人員分散等長期存在的問題，充分體現(xiàn)出學(xué)科對(duì)地球系統(tǒng)模式發(fā)展的高度重視，同時(shí)也希望為地球系統(tǒng)模式相關(guān)研究人員開辟一個(gè)相對(duì)集中的申請(qǐng)方向，助力我國地球系統(tǒng)模式的發(fā)展。

地球系統(tǒng)模式發(fā)展方向重點(diǎn)針對(duì)全球和區(qū)域地球系統(tǒng)模式發(fā)展相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)方法研究和模式開發(fā)，以促進(jìn)地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展。研究內(nèi)容主要包括：地球系統(tǒng)不同分量模式（大氣、海洋、陸面、海冰、冰蓋等）中的網(wǎng)格設(shè)計(jì)、動(dòng)力框架、動(dòng)力物理耦合技術(shù)；各分量模式中具體物理和生物地球化學(xué)過程的表達(dá)和參數(shù)化；不同分量模式之間的耦合和動(dòng)量、能量與物質(zhì)交換；多功能耦合器的發(fā)展、應(yīng)用以及耦合和耦合同化框架和技術(shù)的發(fā)展；綜合評(píng)估模型的發(fā)展及其與地球系統(tǒng)模式的雙向耦合；模式運(yùn)算效率提升及高性能計(jì)算支持和平臺(tái)開發(fā)等。

基金申請(qǐng)代碼直接面向基金項(xiàng)目的申請(qǐng)、評(píng)審和資助布局等管理工作，每個(gè)申請(qǐng)代碼下設(shè)“研究方向”及其“關(guān)鍵詞”，是申請(qǐng)人填寫申請(qǐng)書的重要內(nèi)容，也是智能輔助指派系統(tǒng)匹配專家的重要依據(jù)。本文將對(duì)地球系統(tǒng)模式發(fā)展（D0512）的研究方向和關(guān)鍵詞設(shè)置進(jìn)行解讀，以便申請(qǐng)人更好地定位適合的研究方向和關(guān)鍵詞，提升智能輔助系統(tǒng)的匹配精度。

2 研究方向及關(guān)鍵詞的總體框架

地球系統(tǒng)模式發(fā)展覆蓋面廣，不僅涉及多個(gè)學(xué)科及其交叉，還與計(jì)算科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展密不可分，地球系統(tǒng)模式發(fā)展的重點(diǎn)是針對(duì)地球系統(tǒng)模式發(fā)展相關(guān)的基礎(chǔ)方法研究和模式開發(fā)，不斷促進(jìn)多學(xué)科交叉和地球系統(tǒng)模式的發(fā)展，最終成為地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的主要工具和重要引領(lǐng)。同時(shí)，地球系統(tǒng)模式的發(fā)展還有較強(qiáng)的開放性，隨著我們對(duì)地球系統(tǒng)以及人類社會(huì)活動(dòng)的認(rèn)識(shí)不斷深化，地球系統(tǒng)模式的外延也將隨之?dāng)U展。目前設(shè)置的主要考慮如圖1所示。首先，物理氣候系統(tǒng)模式是地球系統(tǒng)模式的基礎(chǔ)，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(wǎng)格設(shè)計(jì)、動(dòng)力、物理建模計(jì)算等，包括不同分量模式的動(dòng)力框架、物理過程參數(shù)化和圈層相互作用三個(gè)方向。其次，考慮地球系統(tǒng)模式的兩個(gè)主要分量：生物地球化學(xué)模型、綜合評(píng)估模型及其它們與物理氣候系統(tǒng)模式的耦合和相互影響。生物地球化學(xué)模型發(fā)展主要包括陸面和海洋模式中具體生物地球化學(xué)過程的表達(dá)和參數(shù)化，以及它們與物理氣候系統(tǒng)模式分量模式之間的耦合及其它技術(shù)。綜合評(píng)估模型發(fā)展及耦合包括綜合評(píng)估模型發(fā)展、氣候變化影響和應(yīng)對(duì)模型、以及綜合評(píng)估模型與地球系統(tǒng)模式的雙向耦合?？紤]到地球系統(tǒng)模式中的多圈層相互作用，特別設(shè)立一個(gè)耦合和耦合同化技術(shù)方向，主要考慮多功能耦合器的發(fā)展、應(yīng)用以及耦合和耦合同化框架和技術(shù)的發(fā)展。最后是地球系統(tǒng)模式發(fā)展的高性能計(jì)算支持方向，主要包括并行優(yōu)化，模式開發(fā)管理以及測(cè)試和移植三個(gè)方面。

圖1 D0512“地球系統(tǒng)模式發(fā)展”五個(gè)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(nèi)容可以看到，五個(gè)方向前三個(gè)側(cè)重具體分量模式的發(fā)展，而后兩個(gè)側(cè)重對(duì)模式整體開發(fā)的技術(shù)支持，相互之間可相對(duì)清晰地進(jìn)行區(qū)分。五個(gè)方向基本涵蓋了地球系統(tǒng)模式發(fā)展過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。由于不同方向的差異較大，每個(gè)方向的關(guān)鍵詞區(qū)分的邏輯沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是根據(jù)每個(gè)方向的特點(diǎn)展開。表1 總結(jié)了D0512 二級(jí)代碼下的主要研究方向和關(guān)鍵詞，下面對(duì)每個(gè)方向的關(guān)鍵詞設(shè)置進(jìn)行具體說明。

表1 D0512 地球系統(tǒng)模式發(fā)展二級(jí)代碼主要研究方向與關(guān)鍵詞Table 1 The major research directions and keywords of the 2nd level code of D0512 "Earth System Model Development"

3 關(guān)鍵詞解讀與說明

3.1 物理氣候系統(tǒng)模式發(fā)展

物理氣候系統(tǒng)模式是地球系統(tǒng)模式的基礎(chǔ)，各個(gè)分量模式有一定的相似性，又有各自的特性。這一方向下設(shè)三個(gè)部分。

分量模式動(dòng)力求解主要側(cè)重不同分量模式中存在的一些共性問題，關(guān)鍵詞有5 個(gè)：動(dòng)力框架、平流方案、網(wǎng)格嵌套、水平網(wǎng)格、垂直坐標(biāo)。其中，動(dòng)力框架屬于總體關(guān)鍵詞術(shù)語，其它關(guān)鍵詞為動(dòng)力框架中不同的組成部分或表現(xiàn)形式。動(dòng)力框架主要包括模式網(wǎng)格和動(dòng)力方程的數(shù)值求解方法。這里設(shè)置了平流方案，主要考慮到地球系統(tǒng)模式中通常有大量的平流計(jì)算，例如大氣化學(xué)模式和海洋生物地球化學(xué)模式中都有大量的物質(zhì)輸送問題，需要高效守恒保形的平流算法。網(wǎng)格嵌套主要是考慮未來模式的發(fā)展趨勢(shì)需要變分辨率的考慮。最后兩個(gè)是常見的網(wǎng)格設(shè)計(jì)問題?；赪eb of Science（WOS）核心數(shù)據(jù)庫對(duì)上述5 個(gè)關(guān)鍵詞在近5 年（2018～2022 年）的出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)分析（圖2）來看，動(dòng)力框架和平流方案出現(xiàn)次數(shù)較高，網(wǎng)格嵌套的出現(xiàn)頻次最低（23 次）。

圖2 D0512“地球系統(tǒng)模式發(fā)展”方向關(guān)鍵詞且所有字段包含“地球系統(tǒng)模式”的在2018～2022 年WOS 核心數(shù)據(jù)庫中的頻次統(tǒng)計(jì)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(dòng)力框架之外，物理過程參數(shù)化也是各個(gè)分量模式發(fā)展的關(guān)鍵，這部分關(guān)鍵詞有7 個(gè)：大氣物理過程參數(shù)化，云降水參數(shù)化、海洋水平擴(kuò)散、海洋垂直混合、融池參數(shù)化、陸面過程參數(shù)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(shè)置了一個(gè)大氣物理過程參數(shù)化，但是這個(gè)顯然涵蓋面過寬，出現(xiàn)頻率反而較低（6 次，圖2）。后面幾個(gè)分別是不同分量模式中的關(guān)鍵物理過程參數(shù)化。考慮到冰蓋模型在其動(dòng)力和物理方面有其獨(dú)特的處理方式，單獨(dú)列為一個(gè)關(guān)鍵詞。從關(guān)鍵詞近5 年的出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)來看，冰蓋模型出現(xiàn)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(tǒng)中不同分量的相互作用，關(guān)鍵詞有5 個(gè)：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(tǒng)相互作用。除了傳統(tǒng)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(gè)是超前布置的日—地系統(tǒng)相互作用，但出現(xiàn)頻率較低（圖2）。此外海陸氣冰相互作用作為一個(gè)關(guān)鍵詞，可能和前面的幾個(gè)關(guān)鍵詞有一定的重疊關(guān)系。

3.2 生物地球化學(xué)模型發(fā)展

在物理氣候系統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上，增加生物地球化學(xué)模型是成為地球系統(tǒng)模式的關(guān)鍵。這部分主要包括陸地和海洋生物地球化學(xué)模型，以及耦合及其它技術(shù)三部分?？紤]到這一部分申請(qǐng)人的專業(yè)方向大都不是大氣科學(xué)，關(guān)鍵詞的設(shè)定相對(duì)寬泛一些，以吸引更多和地球系統(tǒng)模式發(fā)展相關(guān)的申請(qǐng)。

陸地生物地球化學(xué)模型通常作為陸面模式的一個(gè)有機(jī)組成部分來考慮，主要考慮和植被、土壤等相關(guān)的生物地球化學(xué)過程。陸地生物地球化學(xué)模型下設(shè)7 個(gè)關(guān)鍵詞：陸地碳循環(huán)、陸地氮循環(huán)、動(dòng)態(tài)植被、冠層動(dòng)力學(xué)、作物生長模型、生物適應(yīng)性、氣溶膠化學(xué)。陸地碳循環(huán)包括一系列和植被相關(guān)的過程，而碳循環(huán)本身又和氮循環(huán)緊密聯(lián)系在一起。動(dòng)態(tài)植被模型是聯(lián)系植被和天氣氣候變化的一大紐帶，而冠層動(dòng)力學(xué)更多考慮的是植被的動(dòng)力影響部分。作物生長模型從更為寬泛的意義上講是動(dòng)態(tài)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(yīng)性是動(dòng)態(tài)植被模型考慮植被如何適應(yīng)氣候變化的考量。氣溶膠化學(xué)主要指和生物地球化學(xué)過程相關(guān)的氣溶膠過程，涵蓋面較寬。從關(guān)鍵詞在近5 年的出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)來看，動(dòng)態(tài)植被出現(xiàn)頻率最高（20 次），作物模型和陸地碳循環(huán)次之（14 和13 次），陸地氮循環(huán)最低（2 次）。

海洋生物地球化學(xué)模型通常作為海洋模式的一個(gè)有機(jī)組成部分來考慮，主要考慮海洋中和碳循環(huán)有關(guān)的生物地球化學(xué)過程。目前這個(gè)方向下設(shè)8 個(gè)關(guān)鍵詞：海洋生物地球化學(xué)優(yōu)化、微生物碳泵、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、極地生物地球化學(xué)、海洋酸化與脫氧、有機(jī)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(guān)鍵過程進(jìn)行分類。從關(guān)鍵詞在近5 年（2018～2022 年）的出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)來看，除了有機(jī)物這一過為寬泛的關(guān)鍵詞外，大部分的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率都不高，可以考慮進(jìn)一步的優(yōu)化。

最后一部分是耦合及其它技術(shù)方向，目前包括生物地球化學(xué)耦合、全球磷循環(huán)、全球硫循環(huán)、參數(shù)優(yōu)化、模擬加速5 個(gè)關(guān)鍵詞。參數(shù)優(yōu)化、模擬加速可以考慮并入高性能計(jì)算支持方向。

3.3 綜合評(píng)估模型發(fā)展及耦合

地球系統(tǒng)模式發(fā)展的另外一個(gè)主要趨勢(shì)是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型的發(fā)展和耦合。這一部分通常稱為“綜合評(píng)估模型（IAM）”，指人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)的模型。由于人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)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(fù)碳技術(shù)發(fā)展等，都會(huì)對(duì)地球系統(tǒng)發(fā)生深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)地球系統(tǒng)或氣候變化也會(huì)影響人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，因此這一部分應(yīng)該成為地球系統(tǒng)模式的一個(gè)有機(jī)組成部分，但目前真正做到有機(jī)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(píng)估模型發(fā)展，包括人口模型、能源經(jīng)濟(jì)模型、經(jīng)濟(jì)增長模型、能源使用、碳排放、土地利用變化、減排成本曲線、農(nóng)業(yè)模型、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景預(yù)估9 個(gè)關(guān)鍵詞。從關(guān)鍵詞在近5 年的出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)來看，除了碳排放、土地利用變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景預(yù)估外，大部分的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率不高，一方面反映了綜合評(píng)估模型還未能有效耦合到地球系統(tǒng)模式中的現(xiàn)狀，也反映了部分關(guān)鍵詞需要進(jìn)一步的梳理和調(diào)整。

氣候變化影響和應(yīng)對(duì)方面包括兩個(gè)關(guān)鍵詞：氣候政策模型、地球工程模型。這一部分發(fā)展迅速，但目前的關(guān)鍵詞涵蓋面較窄，未來可以增加相應(yīng)的關(guān)鍵詞。最后的綜合評(píng)估模型耦合方面有兩個(gè)關(guān)鍵詞：人地系統(tǒng)雙向耦合、不確定性分析。人地系統(tǒng)雙向耦合是當(dāng)前國際上地球系統(tǒng)模式研發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，出現(xiàn)頻率不斷增加。

3.4 耦合和耦合同化技術(shù)

這一方向主要側(cè)重地球系統(tǒng)模式不同分量之間的耦合技術(shù)及耦合同化技術(shù)。耦合技術(shù)主要涉及支撐不同分量模式之間耦合的軟件技術(shù)，關(guān)鍵詞有9 個(gè)：耦合器、海氣耦合、陸氣耦合、?！?dú)怦詈稀⒑！笋詈?、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(guān)鍵詞術(shù)語，其它關(guān)鍵詞為耦合器中的關(guān)鍵技術(shù)或應(yīng)用場(chǎng)景。通量插值、三維耦合和耦合集成為耦合器中的關(guān)鍵技術(shù)。海氣耦合、陸氣耦合、?！?dú)怦詈?、海—浪耦合、浪—潮耦合為耦合器及其關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用和檢驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)耦合器及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向有重要的引領(lǐng)作用。其中?！笋詈峡赡芨臑槔恕黢詈细鼮楹侠??；赪OS 核心數(shù)據(jù)庫近5 年的出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)（圖2）來看，耦合器出現(xiàn)次數(shù)最高，?！?dú)怦詈像詈系某霈F(xiàn)頻次最低（14 次）。

耦合同化技術(shù)主要側(cè)重于在耦合模式框架下實(shí)現(xiàn)不同分量模式的數(shù)據(jù)同化，以改善耦合模式進(jìn)行預(yù)報(bào)/預(yù)測(cè)的初值和效果，關(guān)鍵詞有10 個(gè)：耦合同化框架、強(qiáng)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(xié)方差、分量協(xié)調(diào)性、偏差訂正、機(jī)器學(xué)習(xí)同化。耦合同化技術(shù)本質(zhì)是在數(shù)據(jù)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(qiáng)耦合同化和弱耦合同化，其中強(qiáng)耦合同化需要考慮跨圈層誤差協(xié)方差。耦合同化的效果受到分量協(xié)調(diào)性的影響，當(dāng)耦合預(yù)報(bào)/預(yù)測(cè)的誤差較大時(shí)，還需要對(duì)預(yù)報(bào)/預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行偏差訂正。耦合同化框架是便捷研發(fā)耦合同化系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，耦合同化加速技術(shù)則是確保耦合同化能應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)/預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)同化是數(shù)據(jù)同化發(fā)展的新方向?；赪OS 核心數(shù)據(jù)庫近5 年的出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)（圖2）來看，耦合同化方法出現(xiàn)次數(shù)最高（160 次），機(jī)器學(xué)習(xí)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(fù)性，將來可以考慮合并。

3.5 高性能計(jì)算支持

地球系統(tǒng)模式的發(fā)展離不開高性能計(jì)算的支持，作為一個(gè)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，從模式的開發(fā)測(cè)試，診斷分析到最后的評(píng)估改進(jìn)，以及模式的移植，輸入輸出的存儲(chǔ)以及顯示等方面都離不開高性能計(jì)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(fā)管理和模式移植三個(gè)方面進(jìn)行分類。

模式運(yùn)行性能提高主要是并行優(yōu)化，目前包括6 個(gè)關(guān)鍵詞：可擴(kuò)展并行算法、并行框架、異構(gòu)并行加速、并行機(jī)器學(xué)習(xí)方法、性能建模、自動(dòng)性能調(diào)優(yōu)。其中性能建模出現(xiàn)頻次最高（56 次），異構(gòu)并行加速較低（3 次）?？梢钥紤]將性能建模、自動(dòng)性能調(diào)優(yōu)放到模式開發(fā)管理方向。

模式開發(fā)管理方面設(shè)置5 個(gè)關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)管理、新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、輸入輸出中間件、模式運(yùn)行管理、參數(shù)自動(dòng)調(diào)優(yōu)。分別圍繞數(shù)據(jù)，輸入輸出和模式運(yùn)行管理，以及模式整體性能提升設(shè)置相應(yīng)的關(guān)鍵詞。

測(cè)試和移植方向共有4 個(gè)關(guān)鍵詞：模式軟件測(cè)試、模式代碼移植、模式一致性檢驗(yàn)、計(jì)算性能可移植性。這一部分主要針對(duì)模式開發(fā)過程中的各種測(cè)試。軟件測(cè)試和代碼移植出現(xiàn)頻次較高。整體看來，一些過于計(jì)算機(jī)專業(yè)的關(guān)鍵詞，如輸入輸出中間件、異構(gòu)并行加速、模式一致性檢驗(yàn)、計(jì)算性能可移植性出現(xiàn)頻次較低（圖2）。

圖2 的計(jì)量分析，利用WOS 核心數(shù)據(jù)庫中2018～2022 年已發(fā)表文獻(xiàn)中主題分別屬于五個(gè)方向的關(guān)鍵詞，且所有字段包含“地球系統(tǒng)模式”的關(guān)鍵詞展開。大部分關(guān)鍵詞均存在近5 年發(fā)表的對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)，總體來看各研究方向的關(guān)鍵詞設(shè)置相對(duì)合理。部分出現(xiàn)頻率較低的關(guān)鍵詞視后續(xù)發(fā)展動(dòng)態(tài)可考慮調(diào)整。

4 研究方向和關(guān)鍵詞選擇的注意事項(xiàng)與建議

基于近3 年（2020～2022 年）基金申請(qǐng)情況進(jìn)行五個(gè)方向關(guān)鍵詞的出現(xiàn)比例和使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，D0512“地球系統(tǒng)模式發(fā)展”代碼近3 年申請(qǐng)量還較少（何建軍等, 2021; 周圻, 2022）。相對(duì)較多的方向是陸面模式和過程方面的申請(qǐng)，主要原因是這一塊傳統(tǒng)上和大氣科學(xué)的聯(lián)系較為緊密。此外，針對(duì)D0512 各方向申請(qǐng)人自填關(guān)鍵詞（系統(tǒng)關(guān)鍵詞庫以外）情況匯總可知，申請(qǐng)人對(duì)這一專門針對(duì)地球系統(tǒng)模式發(fā)展的方向還有一定的認(rèn)識(shí)偏差，出現(xiàn)了不少偏研究或局限于區(qū)域性的一些關(guān)鍵詞，如海平面變化、東亞降水，青藏高原等。這些關(guān)鍵詞更多的是針對(duì)項(xiàng)目擬解決的特定科學(xué)問題和研究區(qū)域，而不是模式發(fā)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(qǐng)中，常見到與已有關(guān)鍵詞相似但又不一致的自填關(guān)鍵詞，這種情況可直接選擇已有關(guān)鍵詞，因此建議全面了解并精準(zhǔn)地選擇關(guān)鍵詞。由于受數(shù)目限制，每個(gè)研究方向的關(guān)鍵詞數(shù)量均在20 個(gè)左右。因此，關(guān)鍵詞不能囊括所有可能的研究領(lǐng)域。當(dāng)沒有精準(zhǔn)的關(guān)鍵詞匹配研究申請(qǐng)時(shí)，可選擇較研究申請(qǐng)關(guān)鍵詞上一級(jí)的關(guān)鍵詞。

地球系統(tǒng)模式作為一個(gè)典型的學(xué)科交叉方向，發(fā)展迅速，關(guān)鍵詞需反映科技前沿及學(xué)科交叉的特色。因此后續(xù)會(huì)根據(jù)各方向在研發(fā)進(jìn)展和具體申報(bào)情況進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，考慮新近蓬勃發(fā)展的相關(guān)領(lǐng)域，持續(xù)更新關(guān)鍵詞。比如高性能計(jì)算支持這一方向隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，無論是基金申請(qǐng)還是文獻(xiàn)計(jì)量分析中都可見到機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)調(diào)優(yōu)等關(guān)鍵詞的涌現(xiàn)。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(xué)發(fā)展的重要方向。另外，考慮到地球系統(tǒng)科學(xué)的外延性和開放性，適當(dāng)?shù)耐茝V和宣傳可以吸引更多的相關(guān)研究人員申請(qǐng)這一方向。因此，關(guān)鍵詞需要及時(shí)的更新或者擴(kuò)展，也建議專家及時(shí)更新個(gè)人信息中的關(guān)鍵詞。

5 總結(jié)

本文針對(duì)國家自然科學(xué)基金大氣科學(xué)學(xué)科二級(jí)申請(qǐng)代碼D0512 地球系統(tǒng)模式發(fā)展的五個(gè)方向，進(jìn)行了關(guān)鍵詞信息解讀?？傮w來看，五個(gè)方向的主要關(guān)鍵詞設(shè)置較為合理，但仍存在一定的改進(jìn)空間，少部分關(guān)鍵詞存在使用頻率偏低和其它二級(jí)申請(qǐng)代碼重復(fù)的問題，在后續(xù)工作中將繼續(xù)優(yōu)化和適當(dāng)調(diào)整。本文對(duì)關(guān)鍵詞信息的梳理，旨在把握當(dāng)前地球系統(tǒng)模式發(fā)展領(lǐng)域基金申請(qǐng)的整體現(xiàn)狀，明確下一步基金方向和關(guān)鍵詞設(shè)置的改進(jìn)思路。可以看到，隨著地球系統(tǒng)科學(xué)研究的發(fā)展，研究方向和關(guān)鍵詞的具體內(nèi)容需要及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，在專家群體的共同努力下不斷完善，從而不斷優(yōu)化以體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)和最新信息，不斷擴(kuò)大代碼的影響力，促進(jìn)地球系統(tǒng)模式的快速發(fā)展。

致謝衷心感謝D0512 地球系統(tǒng)模式發(fā)展專題顧問專家和工作組成員對(duì)本代碼關(guān)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(shí)細(xì)致的調(diào)研分析是D0512 關(guān)鍵詞編制的重要基礎(chǔ)和保障。感謝清華大學(xué)地學(xué)系周宇峰開展的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工作，為本文解讀提供了數(shù)據(jù)支撐。