天氣和氣候中數(shù)據(jù)同化的數(shù)學(xué)理論與算法指南

2022年度國家自然科學(xué)基金專項項目“天氣和氣候中數(shù)據(jù)同化的數(shù)學(xué)理論與算法”指南隨著氣象衛(wèi)星等遙感觀測水平的不斷提高，數(shù)據(jù)同化方法在天氣預(yù)報和氣候預(yù)測領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。通過融合數(shù)值模型與觀測資料，數(shù)據(jù)同化可反演無法直接測量的關(guān)鍵變量和未知參數(shù)，從而顯著提高了天氣預(yù)報和氣候預(yù)測的能力。觀測數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)性以及地球系統(tǒng)多圈層耦合建模給天氣、氣候中的數(shù)據(jù)同化帶來諸多困難與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)同化方法已不能滿足需求，亟待從基礎(chǔ)理論、新型算法層面實現(xiàn)新突破和給出新的指引。為此，應(yīng)集中研究數(shù)據(jù)同化方法的多誤差分析理論，建立觀測資料的敏感性、不確定性量化理論，構(gòu)造基于粒子型或混合型的新型濾波算法，發(fā)展數(shù)據(jù)分析與人工智能融合的研究模式，面向我國氣象衛(wèi)星等觀測系統(tǒng)以及高性能計算平臺，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的天氣、氣候數(shù)據(jù)同化新原理和新技術(shù)。國家自然科學(xué)基金委員會基礎(chǔ)科學(xué)板塊現(xiàn)啟動“天氣和氣候中數(shù)據(jù)同化的數(shù)學(xué)理論與算法”專項項目，將圍繞天氣、氣候中的數(shù)據(jù)同化方法開展基礎(chǔ)理論研究，推動相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科交叉。一、科學(xué)目標(biāo)本專項項目旨在圍繞天氣、氣候中的數(shù)據(jù)同化方法，聚焦并發(fā)展相關(guān)的數(shù)學(xué)理論及其計算方法。擬突破數(shù)據(jù)同化方法線性化或觀測量假設(shè)的局限，建立同化濾波方法的非線性漸近性分析以及數(shù)據(jù)敏感性分析理論框架；面向中小尺度、快變?yōu)暮π蕴鞖夂驮朴曜兞客?，發(fā)展針對特征反演的新型高效同化算法；聚焦超大規(guī)模的反演計算問題，研究適合E級超級計算機的高可擴展數(shù)值計算方法，提高數(shù)據(jù)同化的計算效率和可擴展性；提升多尺度、多場景下的可預(yù)報能力。二、擬資助研究方向和研究內(nèi)容（一）數(shù)據(jù)同化方法的漸近性與敏感性分析及新型濾波方法（申請代碼1選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部A04-A06下屬代碼）圍繞時序觀測數(shù)據(jù)反演的數(shù)據(jù)同化方法，發(fā)展正則化收斂性分析研究新手段，建立濾波方法的漸近性、敏感性分析理論；面向我國自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，提出相關(guān)科學(xué)問題及其新型同化方法，例如建立衛(wèi)星參數(shù)在軌辨識、修正的反演理論，局部尺度模式的新型觀測方式及其預(yù)報等。（二）數(shù)據(jù)同化中模式誤差分析與觀測信息補足（申請代碼1選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部A04-A06下屬代碼）研究變分同化模式誤差的產(chǎn)生以及對模式誤差進行時時修訂的新型同化算法，探索集合同化或混合同化模式誤差的表達及影響；針對無法直接觀測的物理變量，研究是否可以通過衛(wèi)星等可觀測的數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，提高在局部可觀測情況下全球天氣預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性等。（三）集合濾波和變分同化的數(shù)學(xué)分析和高效算法（申請代碼1選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部A04-A06下屬代碼）針對數(shù)據(jù)同化高計算成本和復(fù)雜大氣參數(shù)反演的若干難點，構(gòu)造基于集合濾波和變分同化的高效計算方法，建立其具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)表征的理論分析框架。通過模式空間的降維，實現(xiàn)混沌多項式與降階集合濾波的有效結(jié)合，建立最優(yōu)性分析；針對具有劇變特征、大噪音的天氣現(xiàn)象，構(gòu)造復(fù)雜大氣參數(shù)的新型正則化反演算法；發(fā)展適用于多源氣象觀測資料變分同化的深度學(xué)習(xí)理論與方法，提高同化算法的泛化性和可解釋性。（四）氣象預(yù)報區(qū)域尺度的新型模式及融合人工智能的同化算法（申請代碼1選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部A04-A06下屬代碼）針對具有代表性的天氣現(xiàn)象及地理特征，建立多個面向特殊場景、局部區(qū)域尺度的氣象預(yù)報新型模式，驗證模型的有效性并估計模式誤差；發(fā)展人工智能算法，實現(xiàn)小尺度高頻觀測數(shù)據(jù)與大中尺度氣象預(yù)報信息的有效融合，提升局地高分辨率預(yù)報準(zhǔn)確率；通過數(shù)據(jù)同化與人工智能的結(jié)合，對接小尺度、精細(xì)化的預(yù)報需求，實現(xiàn)智能天氣會商功能。（五）面向多尺度、多源、多模式的新型變分同化方法（申請代碼1選擇地球科學(xué)部D04、D05下屬代碼）針對實際應(yīng)用中的多尺度、多源觀測數(shù)據(jù)或多模式系統(tǒng)模型，研發(fā)新型變分同化方法。對于多尺度資料，通過尺度質(zhì)量控制、背景誤差協(xié)方差尺度分離等方式提升數(shù)據(jù)信息的利用率；針對云雨區(qū)模式變量的強非高斯性，構(gòu)造控制變量高斯轉(zhuǎn)化方法及同化模型；針對臨近空間天氣跨尺度與跨層性，構(gòu)造同化過程中的多增量方法以提高迭代效率；建立描述例如大氣、海洋與海冰等系統(tǒng)的多模式耦合模型，開展耦合同化方法的研究，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。（六）面向E級計算機的數(shù)據(jù)同化方法（申請代碼1選擇地球科學(xué)部D04、D05下屬代碼）數(shù)據(jù)同化中背景誤差協(xié)方差矩陣描述誤差的空間相關(guān)性，決定了同化觀測時如何協(xié)同更新相關(guān)的空間點和變量，因此在同化中具有至關(guān)重要的作用。開展超大規(guī)模的背景誤差協(xié)方差矩陣的降維近似及其逆矩陣的稀疏表達，研究最優(yōu)的降維維數(shù)和稀疏度使得近似矩陣最大化保留原始矩陣的信息。研究集合卡爾曼濾波同化的同步同化收斂性，與順序同化進行比較，完善和發(fā)展集合卡爾曼濾波理論。三、資助計劃本專項項目資助期限為4年，申請書中的研究期限應(yīng)填寫“2023年1月1日－2026年12月31日”。計劃資助不超過5項，資助強度不超過250萬元/項。申請項目應(yīng)在理論上提出明確的創(chuàng)新點，在成果應(yīng)用方面提出可以核查的考核指標(biāo)。項目研究團隊須由包含數(shù)學(xué)、地學(xué)等不同領(lǐng)域的研究人員組成。四、申請要求及注意事項（一）申請條件1.具有承擔(dān)基礎(chǔ)研究課題的經(jīng)歷；2.具有高級專業(yè)技術(shù)職務(wù)（職稱）；在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學(xué)位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的人員不得作為申請人進行申請。（二）限項申請規(guī)定1.本專項項目申請時不計入申請和承擔(dān)項目總數(shù)范圍，從正式接收申請到國家自然科學(xué)基金委做出資助與否決定之前，以及獲資助后，計入申請和承擔(dān)項目總數(shù)范圍。2.申請人同年只能申請1項專項項目中的研究項目。3.其他限項申請要求按照《2022年度國家自然科學(xué)基金項目指南》“限項申請規(guī)定”執(zhí)行。（三）申請注意事項1.專項項目實行無紙化申請。申請書提交時間為2022年11月21日~11月27日16時。2.申請人注意事項（1）申請人在填報申請書前，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀本申請須知、本項目指南和《2022年度國家自然科學(xué)基金項目指南》的相關(guān)內(nèi)容，不符合項目指南和相關(guān)要求的申請項目不予受理。（2）本專項項目旨在緊密圍繞核心科學(xué)問題，集中國內(nèi)優(yōu)勢研究團隊進行研究，成為一個專項項目群。申請人應(yīng)根據(jù)本專項項目擬解決的具體科學(xué)問題和項目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項目名稱、科學(xué)目標(biāo)、研究內(nèi)容、關(guān)鍵科學(xué)問題、技術(shù)路線和相應(yīng)的研究經(jīng)費等。（3）申請人登錄科學(xué)基金網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)/（沒有系統(tǒng)賬號的申請人請向依托單位基金管理聯(lián)系人申請開戶），按照撰寫提綱及相關(guān)要求撰寫申請書。（4）申請書中的資助類別選擇“專項項目”，亞類說明選擇“研究項目”，附注說明選擇“科學(xué)部綜合研究項目”,申請代碼1應(yīng)當(dāng)按照擬資助研究方向后標(biāo)明的代碼要求選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部和地球科學(xué)部相應(yīng)的申請代碼。以上選擇不準(zhǔn)確或未選擇的項目申請將不予受理。（5）按照“專項項目-研究項目申請書撰寫提綱”撰寫申請書時，請在申請書正文開頭注明“天氣和氣候中數(shù)據(jù)同化的數(shù)學(xué)理論與算法”之研究方向：XXX（按照上述6個研究方向之一填寫）。申請書應(yīng)突出有限目標(biāo)和重點突破，明確對實現(xiàn)本專項項目總體科學(xué)目標(biāo)和解決核心科學(xué)問題的貢獻。如果申請人已經(jīng)承擔(dān)與本專項項目相關(guān)的其他科技計劃項目，應(yīng)當(dāng)在申請書正文的“研究基礎(chǔ)與工作條件”部分論述申請項目與其他相關(guān)項目的區(qū)別與聯(lián)系。（6）申請人應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照《國家自然科學(xué)基金資助項目資金管理辦法》等相關(guān)規(guī)定和《國家自然科學(xué)基金項目資金預(yù)算表編制說明》的具體要求，認(rèn)真如實編報項目預(yù)算。3.依托單位注意事項（1）依托單位應(yīng)對本單位申請人所提交申請材料的真實性、完整性和合規(guī)性進行審核；對申請人編制預(yù)算的目標(biāo)相關(guān)性、政策相符性和經(jīng)濟合理性進行審核。（2）依托單位應(yīng)在規(guī)定的項目申請截止日期前通過信息系統(tǒng)逐項確認(rèn)提交本單位電子申請書及附件材料，無需報送紙質(zhì)申請書。項目獲批準(zhǔn)后，將申請書的紙質(zhì)簽字蓋章頁裝訂在《資助項目計劃書》最后，一并提交。簽字蓋章的信息應(yīng)與電子申請書嚴(yán)格保持一致。（3）如依托單位在2022年度未上傳過《2022年度國家自然科學(xué)基金項目申請承諾書》（以下簡稱《承諾書》），應(yīng)從信息系統(tǒng)中下載《承諾書》，由法定代表人親筆簽名并加蓋依托單位公章后，將電子掃描件上傳至信息系統(tǒng)（本年度只需上傳一次）。依托單位完成上述承諾程序后方可提交申請。（4）依托單位在項目申請截止時間后24小時內(nèi)，通過信息系統(tǒng)在線提交本單位項目申請清單。清單提交后，國家自然科學(xué)基金委方可接收項目申請材料。4.本專項項目咨詢方式國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)學(xué)物理科學(xué)部聯(lián)系人：趙桂萍聯(lián)系電話家自然科學(xué)基金委員