丁爱军 王炜罡 张霖 张强 车慧正 张庆竹
1 南京大学大气科学学院, 南京 210023
2 中国科学院化学研究所, 北京100190
3 北京大学物理学院大气与海洋科学系, 北京 100871
4 清华大学地球系统科学系, 北京 100084
5 中国气象科学研究院, 北京 100081
6 山东大学环境研究院, 青岛 266237
国家自然科学基金委员会（简称“自然科学基金委”）积极深化新时代科学基金改革，于2018年起开始实施多项改革措施，规范基金资助代码并优化学科布局（李静海, 2018, 2020）。地球科学部地球科学五处（大气科学学科）（简称“大气学科”）积极响应和落实自然科学基金委关于资助导向改革的有关精神，率先开展项目分类评审改革，助力优化学科资助布局，通过顶层战略设计、战略咨询研究并广泛研讨征求意见，构建了新版大气学科申请代码设置方案，确定了以“分支学科”“支撑技术”和“发展领域”三个板块共15 个二级申请代码为主要架构的学科代码体系，并于2020 年正式投入使用。最近几年，大气学科定期组织专家对各二级申请代码的下设研究方向和关键词进行梳理分析和不断优化，形成了当前“科学基金网络信息系统”中的最新版本（刘哲等, 2020; 国家自然科学基金委员会, 2022）。
基金申请代码、研究方向和关键词是基金评审体系和学科方向优化布局中的重要要素。一方面，在当前的自然科学基金委评审过程中更多借助人工智能技术手段，对项目申请书的关键词与专家预设的关键词进行匹配，因此关键词直接关系到评审专家的派送，同样的申请书某种程度上可能由于选择不同的基金申请代码、研究方向和关键词而出现截然不同的资助结果；
另一方面，研究方向和关键词的设置，某种程度上反映和体现了学科方向的发展动态和最新进展，对分支学科的发展可以起到一定的引导作用。因此，正确认识和理解基金申请代码、研究方向和关键词对于青年科学家成功申报基金项目以及准确把握学科动态趋势并有针对性开展科学研究均有帮助。正是基于此背景，本文针对国家自然科学基金委大气学科二级申请代码 D0506 大气化学的下设研究方向和关键词进行解读和分析。
大气化学是大气科学中一门相对年轻的分支学科，其中平流层化学始于上世纪30 年代，而对流层化学主要随着伦敦烟雾和洛杉矶光化学烟雾的发生奠基于上个世纪中叶（Wallington et al., 2019）。此后，随着酸雨、平流层臭氧空洞、雾霾污染等问题不断出现，大气化学作为大气科学的分支学科之一得以迅速发展（王会军等, 2004; 周秀骥等, 2005;IGAC, 2006）。根据国际全球大气化学计划IGAC的科学计划与实施战略（IGAC, 2006），大气化学的主要研究目标是“理解大气化学在地球系统中的作用并量化区域排放、沉降、长距离输送和化学转化对空气质量的影响”。随着气候变化问题认识的深入，大气科学不断认识到人类活动对气候系统的影响不仅仅是温室气体的排放，大气中活性大气成分（包括氧化性气体和气溶胶等）的变化带来的影响成为当前认识中的主要不确定性之一（IPCC,2021），因此，大气化学在整个大气科学和地球系统科学中的作用也愈加重要（符淙斌和Manton,2018; Wallington et al., 2019; Kreidenweis et al.,2019）。
基于以上背景，自然科学基金委大气学科在2020 年度代码调整中，考虑大气化学的发展及其自身相对独立的知识体系，将其作为单独的分支学科单列，成为支撑整个大气科学发展的8 个基础分支学科之一，这是历史上自然科学基金委学科代码中第一次将“大气化学”作为二级代码单独列出（刘哲等, 2020）。原先“大气化学与大气环境”为一个二级学科代码，存在着“分支学科”与“发展领域”混淆的情况。2020 版代码调整，将“大气环境”列入“发展领域”类的代码D0514 大气环境与健康气象（刘哲等, 2020）。这一调整赋予“大气化学”更加基础性和支撑性的分支学科内涵，并在下设研究方向和关键词中进一步体现。
根据大气化学所覆盖领域的主要科学问题和研究手段，将其分为六个研究方向：（1）反应性气体与气相化学；
（2）气溶胶物理化学及非均相过程；
（3）大气成分排放、输送与沉降；
（4）大气化学与大气物理相互作用；
（5）大气化学数值模拟与量化计算；
（6）大气化学外场试验与实验室模拟。前面四个方向为具体的科学问题，后面两个是研究手段和方法。由于目前基金项目申请时系统里可以选择两个研究方向，该设置使申请人在相同二级申请代码下更方便地选择拟解决的科学问题和拟采用的主要研究手段。值得一提的是，这里的研究手段不同于“技术支撑”类代码（如D0509、D0510、D0511 等）所侧重的技术手段的研发，而更强调如何基于这些技术手段回答对应的科学问题。
具体而言，研究方向1 和2 是大气化学中最基础性的化学问题，主要以反应物质的相态进行区分：研究方向1 侧重于对流层和平流层的气相化学（主要为光化学）；
研究方向2 则包括了液相和非均相过程，涉及气—液—固分配及不同相态体系之间的转换，与气溶胶的物理过程（如吸湿增长、凝结、碰并等）密不可分。研究方向3 侧重于大气化学成分及其变化密切相关的宏观和微观物理过程，更多是理解传统的大气物理过程（或参数）对大气化学成分及其变化的影响。研究方向4 则是延伸至大气化学与大气物理的双向作用和相互影响，侧重于微观化学过程与宏观物理过程的结合与交叉，支撑大气化学成分与天气/气候相互作用等问题的认识。研究方向5 主要基于计算机模型模拟和量子化学计算，二者技术方法实现上有一定相近性，前者综合了微观与宏观过程的模拟，而后者更侧重于分子尺度基础性化学反应本身。研究方向6 主要包括以大气化学成分测量相关的外场试验和实验室模拟等研究手段，侧重于探测技术手段应用于基础性科学问题的认识和理解。上述六大方向的关系如图1 所示，其中研究方向4（“ACP interaction”）有机关联着经典的三大研究方向（研究方向1 至3），方向5 和6 则支撑着整个大气化学科学问题的研究。
图1 国家自然科学基金委大气科学学科二级代码D0506 大气化学主要研究方向及关键词（ACP 为Atmospheric Chemistry and Atmospheric Physics 的简称）Fig.1 Research directions and keywords under the secondary application codes of the atmospheric science discipline of the National Natural Science Foundation of China: D0506 Atmospheric Chemistry.ACP—Atmospheric Chemistry and Atmospheric Physics
针对上述六大研究方向，每个方向设置数量为20～30 个不等的关键词（如表1 所示）。具体每个研究方向的关键词设置和考虑介绍如下：
表1 D0506 大气化学二级代码主要研究方向与关键词Table 1 Research directions and keywords under the secondary application codes of the atmospheric science discipline:D0506 Atmospheric Chemistry
研究方向1：反应性气体与气相化学。主要研究反应性气体（包括反应速率较慢的温室气体）在大气中的气相化学反应（Wallington et al., 2019）。按照研究对象和科学问题分为两类关键词：其中研究对象包括了对流层化学和平流层化学中的主要反应性气体前体物（如“臭氧”“氮氧化物”“挥发性有机化合物/非甲烷碳氢化合物”“二氧化硫”和“氨气”等）和重要的反应性中间产物和氧化产物（如“反应性含氮化合物”“含硫化合物”“氧化产物”和“过氧化物”），也包括反映大气氧化能力的活性组分（如“自由基”“活性卤素”和可光解产生OH 自由基的“气态亚硝酸”等）以及分别在对流层和平流层化学中扮演重要角色的温室气体[如“甲烷”“卤代烃（氟氯碳化合物）”等]。科学问题类的关键词包括了气相化学相关的主要对象，包括大气化学区别于其它介质化学过程的主要特点之一的“光化学”过程，按照空间划分为“对流层化学”和“平流层化学”；
此外，由于大气中发生的反应多为氧化反应，设立了“大气氧化性”“氧化过程”“自氧化过程”以及“反应活性”等关键词，以及其氧化速率快慢决定的化学成分的“化学寿命”；
同时包括了体现大气化学反应速率等基础性问题的关键词（如“反应动力学”和“气相化学机理”等）。
研究方向2：气溶胶物理化学及非均相过程。主要研究大气气溶胶生消相关的微观化学和物理过程以及不同相态介质（如液相、固相表面等）的化学反应（Kreidenweis et al., 2019）。按照研究对象和科学问题分为两类关键词：其中研究对象既包括不同化学组分或来源的“气溶胶”，如“硫酸盐”“硝酸盐”“铵盐”“有机气溶胶”“碳质气溶胶”“矿质气溶胶”和“海盐”等（为避免重复，对于“黑碳”等组分，虽然在非均相过程中扮演重要角色，但更突出其辐射效应，因此将其列入方向4）；
研究对象还包括从空气质量角度定义的不同粒径的颗粒物（如“细颗粒物”“超细颗粒物”和“纳米颗粒物”等），以及与气溶胶新粒子生成密切相关的前体物或者中间产物（如“气态硫酸”“有机胺”“有机酸”和“分子簇”等）。科学问题部分则包括与气溶胶生成密切相关的主要化学反应，如“多相反应”“液相反应”“非均相反应”及“反应动力学”，也包括主要过程（如“新粒子生成”“气粒转化”和“热力学平衡”）以及相关过程涉及到的气溶胶的几种重要特性（如“吸湿性”“挥发性”“酸度”和“形貌”等）。
研究方向3：大气成分排放、输送与沉降。该方向重点研究影响大气化学成分变化的主要物理过程，包括排放、沉降与地气交换、大气中的多尺度输送和扩散过程等（Ding et al., 2017; 王体健等,2019）。按照研究对象和科学问题与过程分为两类关键词。关于研究对象，除研究方向1 和2 中所列的主要气体和气溶胶组分外，还包括追踪大气成分迁移过程的“示踪物”和“同位素”、化学反应速率较慢但与很多化学成分排放同源的“温室气体”、在大气中不同化学寿命的“短寿命物污染物”和“持久性污染物”，以及理解大气成分排放的主要数据和参数（如“源成分谱”和“排放因子”）、“人为源”“天然源”和“移动源”等不同类型的排放源（通常讨论的“固定源”因很少单独作为关键词则未列出）。科学问题与过程方面，针对排放及其溯源设立“生物质燃烧”“生物源排放”“排放清单”“源解析”“源反演”“排放源探测”和“源汇机制”等关键词；
针对多尺度传输设立“长距离输送”“跨界输送”和“传输通量”等关键词；
针对沉降与地气交换，设立“干湿沉降”“海气交换通量”和“地气交换通量”等关键词。
研究方向4：大气化学与大气物理相互作用。与研究方向3 重点理解各种物理过程对于大气化学成分变化的影响不同，该方向重点研究大气化学过程与大气物理过程的交互作用（Ding et al., 2017;Peng et al., 2021）。按照研究对象、关键特性以及科学问题与过程分为三类关键词：研究对象包括具有较强辐射特性的“黑碳”和“棕碳”等、反映气溶胶粒径分布这一重要物理性质的“粒径谱”，以及与大气理化过程相互作用密切相关的“大气边界层”、影响气溶胶辐射和微物理特性的“气溶胶光学厚度”和“云凝结核”。在关键特性方面，包括气溶胶的“吸湿性”“光学性质”和“混合状态”，也有反映气溶胶影响地表辐射特性的“冰雪反照率”和影响微物理特征的“冰核活性”，以及“辐射强迫”和“短生命期气候强迫”等。在科学问题和关键过程方面，主要包括“颗粒物老化”“凝结”“碰并”和“相变过程”等物理过程和“气溶胶动力学”，也包括“气溶胶—辐射相互作用”“气溶胶—云相互作用”和“双向反馈”，以及与之密切相关的“气溶胶—边界层相互作用”和“云凝结核活化”等。
研究方向5：大气化学数值模拟与量化计算。该方向与数值模式和数值计算为主要手段，帮助定量回答研究方向1 至4 的主要科学问题。作为研究手段与方法，该方向主要包括模式工具和关键技术两类关键词：其中模式工具部分有常用的“大气化学传输模式”（泛指三维欧拉空气质量模式）、用于研究化学机制的“箱模式”（又称为“盒子模式”）、用于估算排放源强的“排放模式”和用于源追踪“溯源模式”与“受体模式”；
也包括按照空间尺度划分的“街渠模式”“城市模式”“区域模式”和“全球模式”；
此外，还有专门用于研究大气化学与气候系统相互作用的“气候化学耦合模式”、用于模式同化技术的“伴随模式”以及区别于通常所用欧拉视角的“拉格朗日模式”（包括拉格朗日扩散模式和拉格朗日箱体化学模式）等。关键技术部分的关键词主要包括涉及大气化学动力学模拟的“大气化学反应机理”“化学机制参数化”等，涉及数值模拟和诊断分析的“动力—化学耦合模拟”“资料同化”“不确定性分析”和“过程分析”等；
也包括常用的“量子化学计算”及其“量子力学—分子力学组合方法（QM/MM）”等，以及当前常用的“机器学习”和“深度学习”等大数据相关的新技术。
研究方向6：大气化学外场试验与实验室模拟。该方向主要通过利用各种先进的仪器（包括原位测量、遥感和采样分析）理解大气化学成分的时空变化特征和成因，并有针对性利用实验室内模拟揭示大气化学反应在其中的作用机制（Barker et al.,2017）。该方向主要包括相关研究所需要的研究装备和关键技术两类关键词：其中研究装备部分包括外场和实验室测量所需要的“光谱”“质谱”“色谱”和“电镜”等常用在线测量和实验室分析仪器，也包括开展实验室模拟的所需要的“流动管”“反应器”“烟雾箱”和“模拟舱”等；
在关键技术方面，按照测量方式分为“在线测量”与“离线测量”以及常用的“被动采样”“原位探测”与“遥感探测”，其中也包括遥感探测中常用的“卫星反演”和地气交换中常用的“通量测量”；
按照测量和模拟平台也分为“外场观测”“移动观测”“立体探测”和“实验室模拟”，以及与测量数据质控相关的“仪器比对”“数据质量控制”和“数据集成”等。
关键词是文献计量学的重要概念，基于关键词的统计分析可以帮助理解相关领域方向的研究动态和趋势。通过分析科睿唯安Web of Science 数据库2002～2021 年近20 年的收录文章的数据，本文对二级学科代码D0506 大气化学下设六个研究方向的关键词进行了统计，分别分析了每个关键词的词频以及近5 年（2016～2021 年）词频在20 年期内的占比，同时对比了国内和国外学者发表文章的关键词情况（图2）。
图2 基于 Web of Science 数据库检索的D0506 大气化学下设（a-f）研究方向1 至6 的关键词出现频率统计：最近20 年（2002～2021 年）的词频排序（左列）以及2016～2021 年近五年词频在20 年（2002～2021 年）中的国内外占比（右列）Fig.2 Frequency statistics of keywords under the “D0506 Atmospheric Chemistry” research directions based on “Web of Scienc” database retrieval:Ranking of word frequency in recent 20 years (2002-2021; left column); word frequency in recent 5 years (2016-2021) compared the proportion of recent 20 years (2002-2021) in China and foreign countries (right column)
统计分析表明，研究方向1 中使用频次位居前五的关键词有“臭氧”“二氧化硫”“氮氧化物”“氨气”等几种常见反应性气体和“自由基”这一驱动大气化学反应的关键氧化剂；
研究方向2 中使用频次较高的则有“气溶胶”“硫酸盐”“铵盐”“粒径谱”“细颗粒PM2.5”“硝酸盐”和“二次有机气溶胶”等；
研究方向3 的高频词包括“排放”“示踪物”“生物质燃烧”“温室气体”“同位素”和“源解析”等；
研究方向4 的高频词主要包括“黑碳”“凝结”“辐射强迫”“气溶胶光学厚度”和“大气边界层”等；
研究方向5 的高频词主要有“资料同化”“化学传输模式”“全球模式”“箱模式”“机器学习”和“区域模式”等；
而研究方向6 的高频词则有“激光雷达”“光谱”“卫星反演”“烟雾箱”和“遥感”等。
关键词的近5 年词频在近20 年中的占比可以从一定程度上反映近年研究方向和热点的变化。以研究方向1 为例，“平流层化学”“卤代烃”等关键词在国内外占比累加均少于25%（相当于5 年占20 年的平均百分比），说明自蒙特利尔协议签订后臭氧洞逐渐恢复，大气化学界对平流层化学的关注度显著减低；
同时可以看到“化学寿命”“气相化学机制”和“光化学”等关键词的占比也不足25%，说明基础性的化学机制方面的研究已相对成熟而关注较少。与此同时，可以看到因为大气氧化性增加的问题引起学界的广泛关注，“大气氧化能力”“氧化过程”和“自氧化”等关键词近年比例显著上升（接近甚至超过50%），其中“大气氧化能力”“氧化过程”和“气态亚硝酸HONO”等在中国学者发表文章中的词频尤为突出，反映了近年来我国因臭氧浓度上升对相关问题的关注和研究显著增加。
在研究方向2 中，“细颗粒PM2.5”“挥发性”“吸湿性”“新粒子生成”“有机气溶胶”“纳米颗粒”和“多相化学”等关键词在近5 年中的词频超过了40%，其中特别是“细颗粒PM2.5”和“多相化学”等中国学者使用频次比例较高（超过了国内外学者的40%）；
“非均相反应”“分子团簇”“有机酸”“气粒转换”和“有机胺”等关键词中国学者的使用占比则更高。研究方向3 中“源反演”“短寿命污染物”“陆气交换”和“源解析”等关键词近5 年占比相对较高，其中“源解析”国内占比超过45%；
此外 “跨界输送”“源成分谱”等关键词国内学者的占比高于国外，反映了国内近年大气复合污染防治中的关注热点。在研究方向4 中，“气溶胶—辐射相互作用”“棕碳”“气溶胶—云相互作用”和“混合态”等是近5 年关注度显著增加的关键词，且中国学者的使用比例均超过40%。
在研究方向5 中，“机器学习”和“量子化学计算”是近五年增加最为突出的关键词，此外，“耦合气候—化学模式”和“源解析模式”词频也呈一定的增加趋势，中国学者的使用比例较高。值得注意的是，国内学者使用“量子化学计算”比例显著高于国外，但“机器学习”则反之，说明在大气科学中对人工智能等先进信息技术的应用仍有待加强。此外，从国内外词频使用比例也可以看到，“全球模式”“耦合气候—化学模式”“拉格朗日模式”、数值方法”和“并行计算”等关于模式发展的基础性的工作国内占比明显较低，一定程度上反映了相应支撑技术方向的发展滞后。在研究方向6 中，“移动测量”和“在线测量”使用频率近五年显著增加，其次为“质谱”“原位探测”等关键词。其中，“移动观测”国外学者使用较多，反映了在国内外大气化学试验平台选择的差异：国内多用位置固定的超级站开展点上的观测，而国际上更多依赖飞机、轮船等移动平台开展空间尺度上的立体观测。关于这一点，国内大气化学界已经逐渐意识到该问题，并开始尝试基于天空地一体化探测平台组织大型强化观测试验，以弥补相关方向不足。此外，值得注意的是“仪器比较”和“闭合试验”等基础性的工作国内学者开展的也相对较少。
本文主要对国家自然科学基金委大气科学大气化学二级申请代码大气科学（D0506）的下设研究方向和关键词进行解读，并基于文献计量学的方法对最近20 年内这些关键词在国际期刊论文中的使用情况进行了统计分析，进而结合当前国际和国内大气化学发展的现状和趋势开展了讨论。总体而言，大气学科积极落实新时代基金资助导向，在2020版基金代码设置方案中做了系统性的梳理和重构，对大气化学二级学科方向而言，历史上第一次作为大气科学分支学科之一有了独立的申请代码，并且和“大气环境和健康气象”这一发展领域代码有了明显的区分。这对于大气化学和大气环境相关领域方向进一步的发展具有里程碑意义。目前D0506大气化学代码下设的六个研究方向，充分考虑了大气化学中不同相态的大气成分、大气化学与大气物理的相互关系，并结合支撑相关基础性科学问题研究的主要手段和方法进行了统筹考虑。这些考虑便于项目申请人选择同一代码下的两个方向，有助于项目评审时在“大气化学”领域内精准匹配专家。申请人在项目申请过程中，应该充分理解研究方向和关键词设置的相关考虑并准确选择，以更好地实现项目的资助。事实上，在本轮代码改革后，大气化学方向函评均分和资助率均有显著提高（何建军等, 2021; 周圻, 2022）。
基于Web of Science 数据库对过去20 年关键词的文献计量学分析充分反映了关键词在学界的使用比例及最近几年的变化。结果表明，随着我国对大气复合污染防治的高度关注，包括国家自然科学基金重大研究计划在内的一系列国家级重大项目的实施，最近几年大气化学方向得以飞速发展，形成了很多新的热点。但同时我们也可以看到，新的信息技术的应用、具有立体探测能力的重大基础设施的运用，以化学反应机理、模式发展和仪器研发、质控比对等基础性的工作仍有待进一步加强，并作为今后基金资助中的优先方向。相关分析也表明，当前学科发展迅速、热点轮换快，基金信息系统所确定的关键词应该“与时俱进”，建议每隔两到三年更新一次，以更好地服务基金资助工作并推动学科更快发展。
致谢本文所采用的基础数据的分析整理得到了国家自然科学基金委地球科学部地球科学五处（大气科学学科）刘哲和何建军等的帮助，南京大学黄昕等参与文献计量学数据的统计分析。
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