當(dāng)今世界正經(jīng)歷前所未有的環(huán)境與氣候挑戰(zhàn)。極端天氣事件頻發(fā)、海平面上升、生態(tài)系統(tǒng)退化以及全球變暖等問題，不僅威脅著自然界的平衡，更深刻影響著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。在這一背景下，地球系統(tǒng)科學(xué)的重要性日益凸顯——作為理解地球復(fù)雜運(yùn)行機(jī)制的綜合性學(xué)科體系，其可為應(yīng)對氣候變化、提升災(zāi)害預(yù)報預(yù)測能力、推動生態(tài)文明建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。而作為地球系統(tǒng)科學(xué)研究的核心工具，地球系統(tǒng)模式的創(chuàng)新發(fā)展，正在為人類揭開地球多圈層相互作用的奧秘，并為科學(xué)決策提供堅實(shí)的技術(shù)保障。

地球系統(tǒng)模式框架示意圖

地球系統(tǒng)模式是在21世紀(jì)初提出并發(fā)展起來的。它在氣候系統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮生態(tài)、環(huán)境和人類活動甚至固體地球、空間天氣等，模擬圈層之間的能量、動量和物質(zhì)交換，解析地球的能量過程、生態(tài)過程和新陳代謝過程，特別是碳、氮循環(huán)等生物地球化學(xué)耦合過程在氣候系統(tǒng)中的作用及人類活動對這些循環(huán)過程的影響及其氣候效應(yīng)。因此，如今的地球系統(tǒng)模式不僅要包含大氣、海洋、海冰和陸地表面這些物理過程耦合的氣候系統(tǒng)模式，還要包含對地球碳、氮等循環(huán)至關(guān)重要的大氣化學(xué)和氣溶膠模式，植被動力學(xué)模式，陸地碳氮循環(huán)模式，人為源和自然源排放模式和海洋生物地球化學(xué)模式的耦合，亦常簡稱為“全耦合地球系統(tǒng)模式”。

《地球系統(tǒng)模式發(fā)展戰(zhàn)略研究》的撰寫，旨在系統(tǒng)闡述地球系統(tǒng)模式的理論基礎(chǔ)、技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用實(shí)踐與未來趨勢，為相關(guān)領(lǐng)域的研究者、政策制定者以及廣大科學(xué)愛好者提供一份全面而深入的參考。地球系統(tǒng)模式的構(gòu)建與應(yīng)用涉及大氣科學(xué)、海洋學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)乃至社會經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個學(xué)科的交叉融合，其復(fù)雜性既體現(xiàn)了科學(xué)探索的深度，也展現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新的廣度。本書試圖通過理論與實(shí)踐結(jié)合的方式，梳理這一領(lǐng)域的核心問題，揭示其內(nèi)在邏輯，并展望其未來發(fā)展方向。

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《地球系統(tǒng)模式發(fā)展戰(zhàn)略研究》

端義宏 等 著

北京 : 科學(xué)出版社, 2025.12

ISBN 978-7-03-080870-7

地球系統(tǒng)本質(zhì)是一個由大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈構(gòu)成的動態(tài)耦合系統(tǒng)，其內(nèi)部各圈層通過能量、物質(zhì)和動量的交換緊密相連。從短時天氣事件到長期氣候演變，從局地生態(tài)變化到全球碳循環(huán)，地球系統(tǒng)的時空尺度跨越巨大，過程復(fù)雜且非線性特征顯著。傳統(tǒng)的氣候系統(tǒng)模式雖能模擬大氣、海洋、陸面等圈層的物理過程，但面對日益精細(xì)化的預(yù)測需求與多圈層耦合的挑戰(zhàn)仍存在不足，因此地球系統(tǒng)模式應(yīng)運(yùn)而生。它不僅擴(kuò)展了氣候系統(tǒng)模式的功能，更通過集成大氣化學(xué)、生物地球化學(xué)、人類活動等模塊，實(shí)現(xiàn)了對地球系統(tǒng)的全鏈條模擬。這一突破，使得地球系統(tǒng)模式能夠更精準(zhǔn)地預(yù)測極端天氣、評估氣候變化影響，并為碳中和路徑設(shè)計、災(zāi)害風(fēng)險管理等提供科學(xué)依據(jù)。

CAS-ESM2.0示意圖

中國科學(xué)院地球系統(tǒng)模式CAS-ESM2.0是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)模式，它由8個子系統(tǒng)模式組成。CASESM2.0實(shí)現(xiàn)了這8個子系統(tǒng)的全耦合模擬，能夠刻畫完整的陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程，為理解地球系統(tǒng)碳循環(huán)及其與氣候變化的緊密聯(lián)系提供了強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。

地球系統(tǒng)模式的發(fā)展始終與技術(shù)進(jìn)步緊密相連。一方面，高性能計算的飛躍使得公里級分辨率的全球模擬成為可能，而多圈層耦合器的設(shè)計則解決了不同分量模式（如大氣、海洋、陸面）的協(xié)同運(yùn)行難題。另一方面，數(shù)據(jù)同化技術(shù)的進(jìn)步——尤其是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用——顯著提升了模式初始場的精度。同時，挑戰(zhàn)依然嚴(yán)峻：物理參數(shù)化的簡化、初始場誤差及外強(qiáng)迫的不確定性使得模式誤差長期存在；生物地球化學(xué)過程與人類活動的動態(tài)耦合仍處于探索階段；如何將機(jī)器學(xué)習(xí)高效應(yīng)用于模式參數(shù)優(yōu)化與預(yù)測訂正，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

模式?數(shù)據(jù)融合示意圖

針對天氣預(yù)報和氣候預(yù)測預(yù)估的地球系統(tǒng)模式研發(fā)近年來發(fā)展迅速。同時，新的、多樣化的觀測系統(tǒng)正在投入使用，這增加了數(shù)據(jù)的多樣性和數(shù)據(jù)量。為了提升預(yù)報預(yù)測水平，地球系統(tǒng)科學(xué)在觀測和模式這兩個方面需要更好地融合。觀測系統(tǒng)只能看到地球的一部分的時空區(qū)域（由圖中的黑白部分表示）。衛(wèi)星輻射是組合成一個反演或一個同化系統(tǒng)的觀測值。同化系統(tǒng)可用于訓(xùn)練模型，觀測可用于建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，作為傳統(tǒng)地球系統(tǒng)模式的一部分。利用模式進(jìn)行預(yù)測應(yīng)用。數(shù)值模式可以看作地球系統(tǒng)的數(shù)字“孿生”，填補(bǔ)了沒有被觀測覆蓋的時空區(qū)域。

本書共8 章，以第1 章緒論為基礎(chǔ)，全書逐步展開對地球系統(tǒng)模式各核心領(lǐng)域的探討。第 2～4 章深入解析大氣、海洋、陸面等分量模式的設(shè)計原理與耦合機(jī)制；第5 章聚焦數(shù)據(jù)同化技術(shù)的前沿進(jìn)展；第6 章探討模式不確定性的來源與評估方法；第7 章分析高性能計算與人工智能對模式發(fā)展的推動作用；第8 章則展望地球系統(tǒng)模式與人類社會可持續(xù)發(fā)展的深度融合。每章均輔以典型案例與技術(shù)路線圖，力求理論結(jié)合實(shí)踐。

本書由端義宏、劉哲、李建等領(lǐng)銜，匯集了來自中國氣象科學(xué)研究院、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院大氣物理研究所、清華大學(xué)、中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心等多家國家級科研機(jī)構(gòu)與高校的數(shù)十位一線科學(xué)家共同撰寫。作者團(tuán)隊(duì)長期深耕于地球系統(tǒng)模式的研發(fā)、應(yīng)用與評估一線，確保了本書內(nèi)容的權(quán)威性、前沿性與實(shí)踐指導(dǎo)價值。

我們希望本書不僅能為科研人員提供技術(shù)參考，也能激發(fā)更多青年學(xué)子投身地球系統(tǒng)科學(xué)的研究。面對氣候變化的全球性挑戰(zhàn)，地球系統(tǒng)模式既是科學(xué)探索的利器，也是人類與自然對話的橋梁。唯有通過不斷創(chuàng)新與協(xié)作，我們才能更深刻地理解地球系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，并為構(gòu)建人與自然和諧共生的未來做出貢獻(xiàn)。

本文摘編自《地球系統(tǒng)模式發(fā)展戰(zhàn)略研究》（端義宏等著. 北京 : 科學(xué)出版社, 2025.12）一書“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-080870-7

責(zé)任編輯：石 珺 李嘉佳

本書聚焦地球系統(tǒng)模式，深入探討其多方面關(guān)鍵內(nèi)容。主要介紹地球系統(tǒng)模式中的分量模式，涵蓋大氣、陸面、海洋等圈層；關(guān)注自然系統(tǒng)與人類活動的耦合，強(qiáng)調(diào)其對氣候變化研究和政策制定的意義。同時，介紹數(shù)據(jù)同化技術(shù)在提高模式預(yù)報效果中的應(yīng)用、模式自身存在的不確定性和評估方法、軟硬件支撐對地球系統(tǒng)模式發(fā)展的關(guān)鍵作用，包括耦合器及高性能計算技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用等。本書為深入了解地球系統(tǒng)模式提供全面且系統(tǒng)的知識體系，對相關(guān)領(lǐng)域研究和實(shí)踐具有重要參考價值。

本書可供地球系統(tǒng)模式相關(guān)研究的科研人員閱讀；也可供大氣科學(xué)、海洋學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的師生和研究人員閱讀參考。

（本文編輯：劉四旦）

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