匯聚多所國家級機構與高校的50位一線科研力量：地球系統模式發展戰略研究

當今世界正經歷前所未有的環境與氣候挑戰。極端天氣事件頻發、海平面上升、生態系統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發展。在這一背景下，地球系統科學的重要性日益凸顯——作為理解地球復雜運行機制的綜合性學科體系，其可為應對氣候變化、提升災害預報預測能力、推動生態文明建設提供關鍵支撐。而作為地球系統科學研究的核心工具，地球系統模式的創新發展，正在為人類揭開地球多圈層相互作用的奧秘，并為科學決策提供堅實的技術保障。

地球系統模式框架示意圖

地球系統模式是在21世紀初提出并發展起來的。它在氣候系統模式的基礎上，進一步考慮生態、環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、動量和物質交換，解析地球的能量過程、生態過程和新陳代謝過程，特別是碳、氮循環等生物地球化學耦合過程在氣候系統中的作用及人類活動對這些循環過程的影響及其氣候效應。因此，如今的地球系統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模式，還要包含對地球碳、氮等循環至關重要的大氣化學和氣溶膠模式，植被動力學模式，陸地碳氮循環模式，人為源和自然源排放模式和海洋生物地球化學模式的耦合，亦常簡稱為“全耦合地球系統模式”。

《地球系統模式發展戰略研究》的撰寫，旨在系統闡述地球系統模式的理論基礎、技術發展、應用實踐與未來趨勢，為相關領域的研究者、政策制定者以及廣大科學愛好者提供一份全面而深入的參考。地球系統模式的構建與應用涉及大氣科學、海洋學、地理學、生態學、水文學、數學、計算機科學乃至社會經濟學等多個學科的交叉融合，其復雜性既體現了科學探索的深度，也展現了技術創新的廣度。本書試圖通過理論與實踐結合的方式，梳理這一領域的核心問題，揭示其內在邏輯，并展望其未來發展方向。

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《地球系統模式發展戰略研究》

端義宏 等 著

北京 : 科學出版社, 2025.12

ISBN 978-7-03-080870-7

地球系統本質是一個由大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈構成的動態耦合系統，其內部各圈層通過能量、物質和動量的交換緊密相連。從短時天氣事件到長期氣候演變，從局地生態變化到全球碳循環，地球系統的時空尺度跨越巨大，過程復雜且非線性特征顯著。傳統的氣候系統模式雖能模擬大氣、海洋、陸面等圈層的物理過程，但面對日益精細化的預測需求與多圈層耦合的挑戰仍存在不足，因此地球系統模式應運而生。它不僅擴展了氣候系統模式的功能，更通過集成大氣化學、生物地球化學、人類活動等模塊，實現了對地球系統的全鏈條模擬。這一突破，使得地球系統模式能夠更精準地預測極端天氣、評估氣候變化影響，并為碳中和路徑設計、災害風險管理等提供科學依據。

CAS-ESM2.0示意圖

中國科學院地球系統模式CAS-ESM2.0是我國具有自主知識產權的地球系統模式，它由8個子系統模式組成。CASESM2.0實現了這8個子系統的全耦合模擬，能夠刻畫完整的陸地和海洋生態系統碳循環過程，為理解地球系統碳循環及其與氣候變化的緊密聯系提供了強有力的科學支撐。

地球系統模式的發展始終與技術進步緊密相連。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計則解決了不同分量模式（如大氣、海洋、陸面）的協同運行難題。另一方面，數據同化技術的進步——尤其是衛星遙感數據的廣泛應用——顯著提升了模式初始場的精度。同時，挑戰依然嚴峻：物理參數化的簡化、初始場誤差及外強迫的不確定性使得模式誤差長期存在；生物地球化學過程與人類活動的動態耦合仍處于探索階段；如何將機器學習高效應用于模式參數優化與預測訂正，是當前研究的熱點與難點。

模式?數據融合示意圖

針對天氣預報和氣候預測預估的地球系統模式研發近年來發展迅速。同時，新的、多樣化的觀測系統正在投入使用，這增加了數據的多樣性和數據量。為了提升預報預測水平，地球系統科學在觀測和模式這兩個方面需要更好地融合。觀測系統只能看到地球的一部分的時空區域（由圖中的黑白部分表示）。衛星輻射是組合成一個反演或一個同化系統的觀測值。同化系統可用于訓練模型，觀測可用于建立經驗模型，作為傳統地球系統模式的一部分。利用模式進行預測應用。數值模式可以看作地球系統的數字“孿生”，填補了沒有被觀測覆蓋的時空區域。

本書共8 章，以第1 章緒論為基礎，全書逐步展開對地球系統模式各核心領域的探討。第 2～4 章深入解析大氣、海洋、陸面等分量模式的設計原理與耦合機制；第5 章聚焦數據同化技術的前沿進展；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展的推動作用；第8 章則展望地球系統模式與人類社會可持續發展的深度融合。每章均輔以典型案例與技術路線圖，力求理論結合實踐。

本書由端義宏、劉哲、李建等領銜，匯集了來自中國氣象科學研究院、國家自然科學基金委員會、中國科學院大氣物理研究所、清華大學、中國氣象局地球系統數值預報中心等多家國家級科研機構與高校的數十位一線科學家共同撰寫。作者團隊長期深耕于地球系統模式的研發、應用與評估一線，確保了本書內容的權威性、前沿性與實踐指導價值。

我們希望本書不僅能為科研人員提供技術參考，也能激發更多青年學子投身地球系統科學的研究。面對氣候變化的全球性挑戰，地球系統模式既是科學探索的利器，也是人類與自然對話的橋梁。唯有通過不斷創新與協作，我們才能更深刻地理解地球系統的運行規律，并為構建人與自然和諧共生的未來做出貢獻。

本文摘編自《地球系統模式發展戰略研究》（端義宏等著. 北京 : 科學出版社, 2025.12）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-080870-7

責任編輯：石 珺 李嘉佳

本書聚焦地球系統模式，深入探討其多方面關鍵內容。主要介紹地球系統模式中的分量模式，涵蓋大氣、陸面、海洋等圈層；關注自然系統與人類活動的耦合，強調其對氣候變化研究和政策制定的意義。同時，介紹數據同化技術在提高模式預報效果中的應用、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模式發展的關鍵作用，包括耦合器及高性能計算技術、機器學習方法的應用等。本書為深入了解地球系統模式提供全面且系統的知識體系，對相關領域研究和實踐具有重要參考價值。

本書可供地球系統模式相關研究的科研人員閱讀；也可供大氣科學、海洋學、地理學、生態學等相關學科的師生和研究人員閱讀參考。

（本文編輯：劉四旦）

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