下一代數字地球：地球系統模擬的戰略與科學

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從一周內的天氣預報，到未來百年的氣候變化預估，背后都離不開一個核心工具——地球系統模式。它如同一個在超級計算機中運行的“數字地球”，將大氣、海洋、陸面、冰凍圈乃至人類活動融為一體，通過復雜的數學方程，推演著這顆星球的過去、現在與未來。

然而，構建這樣一個能夠精準模擬地球復雜行為的“數字雙胞胎”，是當代科學面臨的最艱巨挑戰之一。它需要融合最前沿的氣候科學、高性能計算與人工智能技術，并不斷回答：如何讓模擬更逼近真實？如何量化預測中的不確定性？又如何將科學認知轉化為應對氣候危機的有效決策？

《地球系統模式發展戰略研究》正是對這一系列核心問題的系統性回應。本書不僅是一部關于“模式如何工作”的技術指南，更是一份著眼于未來的戰略前瞻。它由國內該領域頂尖專家團隊共同撰寫，深入剖析了從分量模式耦合、數據同化到不確定性評估的全鏈條，并前瞻性探討了人工智能與高性能計算將如何重塑下一代地球系統模式，為相關領域的科研人員、決策者及學子提供了一份不可或缺的“發展路線圖”。

內容簡介

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。

核心亮點

構建“全鏈條”模擬的戰略視野

本書突破了單一技術視角，構建了從基礎分量模式、多圈層耦合、到人類活動集成、最終服務于應用與決策的完整認知體系。它不僅回答“如何模擬”，更深入探討“為何這樣模擬”以及“如何模擬得更好”，體現了鮮明的戰略思維。

直面“不確定性”的科學勇氣

專章深入剖析地球系統模式不確定性的各類來源，并系統梳理其評估與減少途徑。這種對模式局限性的坦誠審視與科學方法論，是推動模式進步、提升預測可信度的關鍵，為學界與決策者提供了至關重要的風險認知框架。

聚焦“技術融合”的創新前沿

敏銳捕捉到高性能計算與人工智能對地球系統科學的革命性影響。本書詳細探討了面向E級計算（百億億次）的模式優化，以及機器學習在參數優化、預報訂正和高效模擬中的應用前景，指明了未來模式發展的核心技術突破口。

作者團隊

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。

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ISBN 978-7-03-080870-7

地球系統模式，是人類理解自身所處星球運行規律最宏大的科學工程之一。《地球系統模式發展戰略研究》一書，既是對過去成就的系統總結，更是面向未來挑戰的集體智慧結晶。在氣候變化的世紀考題面前，它為我們指明了強化科學工具、減少認知盲區、邁向精準決策的關鍵路徑。

對于所有關心地球未來、并致力于用科學工具應對挑戰的研究者、學生與政策實踐者而言，這本書提供了一個絕佳的窗口，讓我們得以窺見，人類如何運用最頂尖的智慧與技術，嘗試為地球“把脈”，并共同模擬與創造一個更可持續的未來。

本文摘自《地球系統模式發展戰略研究》（端義宏等著. 北京：科學出版社，2025.10）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

（本文編輯：王佳婧）

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