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(guó)家自然科學(xué)基金專項(xiàng)項(xiàng)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(cè)水平的不斷提高，數(shù)據(jù)同化方法在天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)融合數(shù)值模型與觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)同化可反演無(wú)法直接測(cè)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(bào)和氣候預(yù)測(cè)的能力。觀測(cè)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(lái)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(shí)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(cè)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(guó)氣象衛(wèi)星等觀測(cè)系統(tǒng)以及高性能計(jì)算平臺(tái)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天氣、氣候數(shù)據(jù)同化新原理和新技術(shù)。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)基礎(chǔ)科學(xué)板塊現(xiàn)啟動(dòng)“天氣和氣候中數(shù)據(jù)同化的數(shù)學(xué)理論與算法”專項(xiàng)項(xiàng)目，將圍繞天氣、氣候中的數(shù)據(jù)同化方法開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科交叉。一、科學(xué)目標(biāo)本專項(xiàng)項(xiàng)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(jì)算方法。擬突破數(shù)據(jù)同化方法線性化或觀測(cè)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(duì)特征反演的新型高效同化算法；聚焦超大規(guī)模的反演計(jì)算問(wèn)題，研究適合E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的高可擴(kuò)展數(shù)值計(jì)算方法，提高數(shù)據(jù)同化的計(jì)算效率和可擴(kuò)展性；提升多尺度、多場(chǎng)景下的可預(yù)報(bào)能力。二、擬資助研究方向和研究?jī)?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(qǐng)代碼1選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部A04-A06下屬代碼）圍繞時(shí)序觀測(cè)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(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，提出相關(guān)科學(xué)問(wèn)題及其新型同化方法，例如建立衛(wèi)星參數(shù)在軌辨識(shí)、修正的反演理論，局部尺度模式的新型觀測(cè)方式及其預(yù)報(bào)等。（二）數(shù)據(jù)同化中模式誤差分析與觀測(cè)信息補(bǔ)足（申請(qǐng)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(duì)模式誤差進(jìn)行時(shí)時(shí)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(dá)及影響；針對(duì)無(wú)法直接觀測(cè)的物理變量，研究是否可以通過(guò)衛(wèi)星等可觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，提高在局部可觀測(cè)情況下全球天氣預(yù)報(bào)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(qǐng)代碼1選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部A04-A06下屬代碼）針對(duì)數(shù)據(jù)同化高計(jì)算成本和復(fù)雜大氣參數(shù)反演的若干難點(diǎn)，構(gòu)造基于集合濾波和變分同化的高效計(jì)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(guò)模式空間的降維，實(shí)現(xiàn)混沌多項(xiàng)式與降階集合濾波的有效結(jié)合，建立最優(yōu)性分析；針對(duì)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(cè)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(bào)區(qū)域尺度的新型模式及融合人工智能的同化算法（申請(qǐng)代碼1選擇數(shù)學(xué)物理科學(xué)部A04-A06下屬代碼）針對(duì)具有代表性的天氣現(xiàn)象及地理特征，建立多個(gè)面向特殊場(chǎng)景、局部區(qū)域尺度的氣象預(yù)報(bào)新型模式，驗(yàn)證模型的有效性并估計(jì)模式誤差；發(fā)展人工智能算法，實(shí)現(xiàn)小尺度高頻觀測(cè)數(shù)據(jù)與大中尺度氣象預(yù)報(bào)信息的有效融合，提升局地高分辨率預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；通過(guò)數(shù)據(jù)同化與人工智能的結(jié)合，對(duì)接小尺度、精細(xì)化的預(yù)報(bào)需求，實(shí)現(xiàn)智能天氣會(huì)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(qǐng)代碼1選擇地球科學(xué)部D04、D05下屬代碼）針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的多尺度、多源觀測(cè)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(duì)于多尺度資料，通過(guò)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(duì)云雨區(qū)模式變量的強(qiáng)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(duì)臨近空間天氣跨尺度與跨層性，構(gòu)造同化過(guò)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(kāi)展耦合同化方法的研究，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。（六）面向E級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)同化方法（申請(qǐng)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(cè)時(shí)如何協(xié)同更新相關(guān)的空間點(diǎn)和變量，因此在同化中具有至關(guān)重要的作用。開(kāi)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(dá)，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(jìn)行比較，完善和發(fā)展集合卡爾曼濾波理論。三、資助計(jì)劃本專項(xiàng)項(xiàng)目資助期限為4年，申請(qǐng)書中的研究期限應(yīng)填寫“2023年1月1日－2026年12月31日”。計(jì)劃資助不超過(guò)5項(xiàng)，資助強(qiáng)度不超過(guò)250萬(wàn)元/項(xiàng)。申請(qǐng)項(xiàng)目應(yīng)在理論上提出明確的創(chuàng)新點(diǎn)，在成果應(yīng)用方面提出可以核查的考核指標(biāo)。項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)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(qǐng)要求及注意事項(xiàng)（一）申請(qǐng)條件1.具有承擔(dān)基礎(chǔ)研究課題的經(jīng)歷；2.具有高級(jí)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(wú)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(qǐng)人進(jìn)行申請(qǐng)。（二）限項(xiàng)申請(qǐng)規(guī)定1.本專項(xiàng)項(xiàng)目申請(qǐng)時(shí)不計(jì)入申請(qǐng)和承擔(dān)項(xiàng)目總數(shù)范圍，從正式接收申請(qǐng)到國(guó)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(jì)入申請(qǐng)和承擔(dān)項(xiàng)目總數(shù)范圍。2.申請(qǐng)人同年只能申請(qǐng)1項(xiàng)專項(xiàng)項(xiàng)目中的研究項(xiàng)目。3.其他限項(xiàng)申請(qǐng)要求按照《2022年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南》“限項(xiàng)申請(qǐng)規(guī)定”執(zhí)行。（三）申請(qǐng)注意事項(xiàng)1.專項(xiàng)項(xiàng)目實(shí)行無(wú)紙化申請(qǐng)。申請(qǐng)書提交時(shí)間為2022年11月21日~11月27日16時(shí)。2.申請(qǐng)人注意事項(xiàng)（1）申請(qǐng)人在填報(bào)申請(qǐng)書前，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀本申請(qǐng)須知、本項(xiàng)目指南和《2022年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南》的相關(guān)內(nèi)容，不符合項(xiàng)目指南和相關(guān)要求的申請(qǐng)項(xiàng)目不予受理。（2）本專項(xiàng)項(xiàng)目旨在緊密圍繞核心科學(xué)問(wèn)題，集中國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研究，成為一個(gè)專項(xiàng)項(xiàng)目群。申請(qǐng)人應(yīng)根據(jù)本專項(xiàng)項(xiàng)目擬解決的具體科學(xué)問(wèn)題和項(xiàng)目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項(xiàng)目名稱、科學(xué)目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、技術(shù)路線和相應(yīng)的研究經(jīng)費(fèi)等。（3）申請(qǐng)人登錄科學(xué)基金網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)/（沒(méi)有系統(tǒng)賬號(hào)的申請(qǐng)人請(qǐng)向依托單位基金管理聯(lián)系人申請(qǐng)開(kāi)戶），按照撰寫提綱及相關(guān)要求撰寫申請(qǐng)書。（4）申請(qǐng)書中的資助類別選擇“專項(xiàng)項(xiàng)目”，亞類說(shuō)明選擇“研究項(xiàng)目”，附注說(shuō)明選擇“科學(xué)部綜合研究項(xiàng)目”,申請(qǐng)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(qǐng)代碼。以上選擇不準(zhǔn)確或未選擇的項(xiàng)目申請(qǐng)將不予受理。（5）按照“專項(xiàng)項(xiàng)目-研究項(xiàng)目申請(qǐng)書撰寫提綱”撰寫申請(qǐng)書時(shí)，請(qǐng)?jiān)谏暾?qǐng)書正文開(kāi)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(gè)研究方向之一填寫）。申請(qǐng)書應(yīng)突出有限目標(biāo)和重點(diǎn)突破，明確對(duì)實(shí)現(xiàn)本專項(xiàng)項(xiàng)目總體科學(xué)目標(biāo)和解決核心科學(xué)問(wèn)題的貢獻(xiàn)。如果申請(qǐng)人已經(jīng)承擔(dān)與本專項(xiàng)項(xiàng)目相關(guān)的其他科技計(jì)劃項(xiàng)目，應(yīng)當(dāng)在申請(qǐng)書正文的“研究基礎(chǔ)與工作條件”部分論述申請(qǐng)項(xiàng)目與其他相關(guān)項(xiàng)目的區(qū)別與聯(lián)系。（6）申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照《國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目資金管理辦法》等相關(guān)規(guī)定和《國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資金預(yù)算表編制說(shuō)明》的具體要求，認(rèn)真如實(shí)編報(bào)項(xiàng)目預(yù)算。3.依托單位注意事項(xiàng)（1）依托單位應(yīng)對(duì)本單位申請(qǐng)人所提交申請(qǐng)材料的真實(shí)性、完整性和合規(guī)性進(jìn)行審核；對(duì)申請(qǐng)人編制預(yù)算的目標(biāo)相關(guān)性、政策相符性和經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行審核。（2）依托單位應(yīng)在規(guī)定的項(xiàng)目申請(qǐng)截止日期前通過(guò)信息系統(tǒng)逐項(xiàng)確認(rèn)提交本單位電子申請(qǐng)書及附件材料，無(wú)需報(bào)送紙質(zhì)申請(qǐng)書。項(xiàng)目獲批準(zhǔn)后，將申請(qǐng)書的紙質(zhì)簽字蓋章頁(yè)裝訂在《資助項(xiàng)目計(jì)劃書》最后，一并提交。簽字蓋章的信息應(yīng)與電子申請(qǐng)書嚴(yán)格保持一致。（3）如依托單位在2022年度未上傳過(guò)《2022年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目申請(qǐng)承諾書》（以下簡(jiǎn)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(qǐng)。（4）依托單位在項(xiàng)目申請(qǐng)截止時(shí)間后24小時(shí)內(nèi)，通過(guò)信息系統(tǒng)在線提交本單位項(xiàng)目申請(qǐng)清單。清單提交后，國(guó)家自然科學(xué)基金委方可接收項(xiàng)目申請(qǐng)材料。4.本專項(xiàng)項(xiàng)目咨詢方式國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)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