下一代數(shù)字地球：地球系統(tǒng)模擬的戰(zhàn)略與科學(xué)

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從一周內(nèi)的天氣預(yù)報，到未來百年的氣候變化預(yù)估，背后都離不開一個核心工具——地球系統(tǒng)模式。它如同一個在超級計算機中運行的“數(shù)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(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，推演著這顆星球的過去、現(xiàn)在與未來。

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

《地球系統(tǒng)模式發(fā)展戰(zhàn)略研究》正是對這一系列核心問題的系統(tǒng)性回應(yīng)。本書不僅是一部關(guān)于“模式如何工作”的技術(shù)指南，更是一份著眼于未來的戰(zhàn)略前瞻。它由國內(nèi)該領(lǐng)域頂尖專家團隊共同撰寫，深入剖析了從分量模式耦合、數(shù)據(jù)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(tǒng)模式，為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員、決策者及學(xué)子提供了一份不可或缺的“發(fā)展路線圖”。

內(nèi)容簡介

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。

核心亮點

構(gòu)建“全鏈條”模擬的戰(zhàn)略視野

本書突破了單一技術(shù)視角，構(gòu)建了從基礎(chǔ)分量模式、多圈層耦合、到人類活動集成、最終服務(wù)于應(yīng)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(xiàn)了鮮明的戰(zhàn)略思維。

直面“不確定性”的科學(xué)勇氣

專章深入剖析地球系統(tǒng)模式不確定性的各類來源，并系統(tǒng)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(xué)方法論，是推動模式進步、提升預(yù)測可信度的關(guān)鍵，為學(xué)界與決策者提供了至關(guān)重要的風(fēng)險認知框架。

聚焦“技術(shù)融合”的創(chuàng)新前沿

敏銳捕捉到高性能計算與人工智能對地球系統(tǒng)科學(xué)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(yōu)化，以及機器學(xué)習(xí)在參數(shù)優(yōu)化、預(yù)報訂正和高效模擬中的應(yīng)用前景，指明了未來模式發(fā)展的核心技術(shù)突破口。

作者團隊

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構(gòu)與高校的數(shù)十位一線科學(xué)家共同撰寫。作者團隊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、前沿性與實踐指導(dǎo)價值。

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ISBN 978-7-03-080870-7

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

對于所有關(guān)心地球未來、并致力于用科學(xué)工具應(yīng)對挑戰(zhàn)的研究者、學(xué)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(shù)，嘗試為地球“把脈”，并共同模擬與創(chuàng)造一個更可持續(xù)的未來。

本文摘自《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，2025.10）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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