□ 张绍晴

日前，欧盟哥白尼气候变化服务中心发布报告显示，2023年全球气温创历史新高，平均气温比工业化前高出前所未有的1.48摄氏度。数百项科学研究也表明，地球气候危机正在导致更加极端且频发的恶劣天气气候事件，对人类日常生产生活造成严重威胁。

为了应对气候环境的变迁，科学家们一直期望通过地球系统模拟同化及可预报性研究，来提高人类对未来气候的预警能力。从观测分析和理论研究开始，现代地球科学已过渡到数值模拟仿真的研究形式。如今，每秒百亿亿次浮点运算高性能计算机可以通过多圈层高分辨率耦合模拟，在“数值孪生”理念下将庞大而复杂的地球系统 “搬进”实验室，在数值仿真平台上做数值实验。

多圈层耦合地球系统模型其实是一组复杂的计算机代码集，用于模拟地球上不同圈层间相互作用的过程，包括大气、海洋、陆地、冰雪，以及循环其间的生物地球化学过程等，从而预测未来海气温度变化、海平面上升、极地冰盖消融、碳循环等环境要素的演化及变异，并为制定相应的政策提供科学依据。

在地球科学领域，基于多圈层耦合地球系统模拟的观测同化，通常用于改进耦合地球系统模型对多圈层状态的模拟和预测，使其能更加准确地预测地球系统未来状态的变化。地球系统可预报性则是指基于人类对地球系统演变的机理认知，对其未来的变异进行预报预测的能力。具体来说，可预报性是努力回答这样一个问题：通过观测和模拟分析，人类对地球系统未来的状态和行为，能够多大程度上提前预知，包括提前的时间长度和预知的细节程度。

地球系统状态变化可预知的程度，取决于对系统内部规律的理解和建模能力。通过收集和分析观测数据，科学家们可以获得对地球系统当前状态的认知，同时通过建立数学和计算机模型，也可以模拟和预测地球系统未来的演变。通常而言，地球系统的预测涉及到多个时间尺度，如从短期天气预报到长期气候趋势预测。在短期天气预报中，由于大气和海洋等组分中相对较小尺度的运动及其相互作用，对初值的依赖性较大，预报精度通常比较高，而在长期气候趋势预测中，由于系统演变的复杂性和不确定性，预测的准确性会下降。

地球是一个极其复杂的系统，其变化受到多种因素相互作用的影响。这些因素包括自然力量（如太阳辐射、地球自转等），人类活动（如工业排放、土地利用变化等），以及地球系统内部的流体运动多尺度相互作用（如大气与海洋的相互作用等）。也正是由于这种复杂性，地球气候系统的演变往往具有非线性的特征，一定程度上会表现出随机性和不确定性。

基于结合高精度多圈层耦合模型的观测同化平台，不断深入研究地球系统可预报性，能够大幅提高人类对地球系统中各种复杂过程的理解和对未来状态的预估能力。它既是一个能整合观测分析和理论研究成果、推动学科发展的科研平台，也是一个做好环境安全保障为社会经济建设服务的基础应用平台。

随着科技创新的不断深入，目前地球系统模拟和同化也开始结合引入知识驱动的人工智能，向更高精度和更完备的多圈层相互作用、更精准的流体动力学和物理学模拟，以及更精确的环境演变预报预测方向迈进。

（作者系中国海洋大学教授）