汇聚多所国家级机构与高校的50位一线科研力量：地球系统模式发展战略研究
科学出版社
当今世界正经历前所未有的环境与气候挑战。极端天气事件频发、海平面上升、生态系统退化以及全球变暖等问题，不仅威胁着自然界的平衡，更深刻影响着人类社会的可持续发展。在这一背景下，地球系统科学的重要性日益凸显——作为理解地球复杂运行机制的综合性学科体系，其可为应对气候变化、提升灾害预报预测能力、推动生态文明建设提供关键支撑。而作为地球系统科学研究的核心工具，地球系统模式的创新发展，正在为人类揭开地球多圈层相互作用的奥秘，并为科学决策提供坚实的技术保障。
地球系统模式是在21世纪初提出并发展起来的。它在气候系统模式的基础上，进一步考虑生态、环境和人类活动甚至固体地球、空间天气等，模拟圈层之间的能量、动量和物质交换，解析地球的能量过程、生态过程和新陈代谢过程，特别是碳、氮循环等生物地球化学耦合过程在气候系统中的作用及人类活动对这些循环过程的影响及其气候效应。因此，如今的地球系统模式不仅要包含大气、海洋、海冰和陆地表面这些物理过程耦合的气候系统模式，还要包含对地球碳、氮等循环至关重要的大气化学和气溶胶模式，植被动力学模式，陆地碳氮循环模式，人为源和自然源排放模式和海洋生物地球化学模式的耦合，亦常简称为“全耦合地球系统模式”。
《地球系统模式发展战略研究》的撰写，旨在系统阐述地球系统模式的理论基础、技术发展、应用实践与未来趋势，为相关领域的研究者、政策制定者以及广大科学爱好者提供一份全面而深入的参考。地球系统模式的构建与应用涉及大气科学、海洋学、地理学、生态学、水文学、数学、计算机科学乃至社会经济学等多个学科的交叉融合，其复杂性既体现了科学探索的深度，也展现了技术创新的广度。本书试图通过理论与实践结合的方式，梳理这一领域的核心问题，揭示其内在逻辑，并展望其未来发展方向。
地球系统本质是一个由大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈构成的动态耦合系统，其内部各圈层通过能量、物质和动量的交换紧密相连。从短时天气事件到长期气候演变，从局地生态变化到全球碳循环，地球系统的时空尺度跨越巨大，过程复杂且非线性特征显著。传统的气候系统模式虽能模拟大气、海洋、陆面等圈层的物理过程，但面对日益精细化的预测需求与多圈层耦合的挑战仍存在不足，因此地球系统模式应运而生。它不仅扩展了气候系统模式的功能，更通过集成大气化学、生物地球化学、人类活动等模块，实现了对地球系统的全链条模拟。这一突破，使得地球系统模式能够更精准地预测极端天气、评估气候变化影响，并为碳中和路径设计、灾害风险管理等提供科学依据。
中国科学院地球系统模式CAS-ESM2.0是我国具有自主知识产权的地球系统模式，它由8个子系统模式组成。CASESM2.0实现了这8个子系统的全耦合模拟，能够刻画完整的陆地和海洋生态系统碳循环过程，为理解地球系统碳循环及其与气候变化的紧密联系提供了强有力的科学支撑。
地球系统模式的发展始终与技术进步紧密相连。一方面，高性能计算的飞跃使得公里级分辨率的全球模拟成为可能，而多圈层耦合器的设计则解决了不同分量模式（如大气、海洋、陆面）的协同运行难题。另一方面，数据同化技术的进步——尤其是卫星遥感数据的广泛应用——显著提升了模式初始场的精度。同时，挑战依然严峻：物理参数化的简化、初始场误差及外强迫的不确定性使得模式误差长期存在；生物地球化学过程与人类活动的动态耦合仍处于探索阶段；如何将机器学习高效应用于模式参数优化与预测订正，是当前研究的热点与难点。
针对天气预报和气候预测预估的地球系统模式研发近年来发展迅速。同时，新的、多样化的观测系统正在投入使用，这增加了数据的多样性和数据量。为了提升预报预测水平，地球系统科学在观测和模式这两个方面需要更好地融合。观测系统只能看到地球的一部分的时空区域（由图中的黑白部分表示）。卫星辐射是组合成一个反演或一个同化系统的观测值。同化系统可用于训练模型，观测可用于建立经验模型，作为传统地球系统模式的一部分。利用模式进行预测应用。数值模式可以看作地球系统的数字“孪生”，填补了没有被观测覆盖的时空区域。
本书共8 章，以第1 章绪论为基础，全书逐步展开对地球系统模式各核心领域的探讨。第 2～4 章深入解析大气、海洋、陆面等分量模式的设计原理与耦合机制；第5 章聚焦数据同化技术的前沿进展；第6 章探讨模式不确定性的来源与评估方法；第7 章分析高性能计算与人工智能对模式发展的推动作用；第8 章则展望地球系统模式与人类社会可持续发展的深度融合。每章均辅以典型案例与技术路线图，力求理论结合实践。
本书由端义宏、刘哲、李建等领衔，汇集了来自中国气象科学研究院、国家自然科学基金委员会、中国科学院大气物理研究所、清华大学、中国气象局地球系统数值预报中心等多家国家级科研机构与高校的数十位一线科学家共同撰写。作者团队长期深耕于地球系统模式的研发、应用与评估一线，确保了本书内容的权威性、前沿性与实践指导价值。
我们希望本书不仅能为科研人员提供技术参考，也能激发更多青年学子投身地球系统科学的研究。面对气候变化的全球性挑战，地球系统模式既是科学探索的利器，也是人类与自然对话的桥梁。唯有通过不断创新与协作，我们才能更深刻地理解地球系统的运行规律，并为构建人与自然和谐共生的未来做出贡献。
本文摘编自《地球系统模式发展战略研究》（端义宏等著. 北京 : 科学出版社, 2025.12）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
本书聚焦地球系统模式，深入探讨其多方面关键内容。主要介绍地球系统模式中的分量模式，涵盖大气、陆面、海洋等圈层；关注自然系统与人类活动的耦合，强调其对气候变化研究和政策制定的意义。同时，介绍数据同化技术在提高模式预报效果中的应用、模式自身存在的不确定性和评估方法、软硬件支撑对地球系统模式发展的关键作用，包括耦合器及高性能计算技术、机器学习方法的应用等。本书为深入了解地球系统模式提供全面且系统的知识体系，对相关领域研究和实践具有重要参考价值。
本书可供地球系统模式相关研究的科研人员阅读；也可供大气科学、海洋学、地理学、生态学等相关学科的师生和研究人员阅读参考。
