最近兩周，中國氣象局接連召開了關乎「十四五」時期氣象高質量事業發展的兩個大會：全國氣象局長工作研討會和第八次全國氣象預報工作會。
前者明確「十四五」推動氣象事業高質量發展的五方面重點任務，後者提出推動精準預報能力提升的四方面要求。這其中，一個名詞多次出現——地球系統。
什麼是地球系統，中國氣象局又是如何部署的？
01
面向前沿的布局
全國氣象局長工作研討會的新聞報導，對於地球系統這樣描述：
會議明確了「十四五」推動氣象事業高質量發展的五方面重點任務：一要構建自立自強、開放協同的現代氣象科技創新體系。要加強地球系統模式等核心技術攻關，推進氣象基礎性科學研究……二要構建保障國家戰略、普惠共享的現代氣象服務體系。三要構建面向地球系統、智慧精準的現代氣象業務體系。增強以大氣圈基準氣候觀測為主的多圈層觀測能力，構建多圈層、多尺度一體化天氣氣候數值預報模型系統……
第八次全國氣象預報工作會議上，在「堅持科技創新，提高精準預報核心競爭力」要求中提出：
要構建智能數字氣象預報新業態，加快解決好氣象預報中「卡脖子」難題……著力構建面向地球系統、智慧精準的氣象預報業務體系……
在這次氣象預報工作會議的工作報告上，「地球系統」的名字也出現5次之多。
實際上，「地球系統」也並非這兩次會議上的新提法，中國氣象局早有布局。
在去年召開的全國氣象觀測工作會議上，即提出明確任務要求：「面向生態文明建設等國家戰略，優化完善地球系統多圈層綜合觀測能力」，以及「強化氣象觀測站網建設，拓展地球系統綜合觀測能力」。相關工作已進入落實階段。
在中國氣象局創新團隊核心攻關任務中，「地球系統模式研發」，也是氣候系統模式和次季節至季節氣候預測團隊的工作任務。
今年，包含完整的物理、化學、生態過程的地球系統模式BCC-ESM1版本已建成。模式參與了CMIP6國際耦合模式比較計劃，對氣溶膠、臭氧等的模擬性能達到國際同類模式的先進水平。
02
什麼是地球系統
地球系統科學並非新的詞彙，我國在20年前世紀之交的地球科學戰略部署中, 就明確將地球系統科學確定為基礎研究的總方向。它是探索地球圈層相互作用，整合地學各種學科，將地球作為一個完整系統來研究的學問。其肇始，源自全球氣候變化的研究。（綜合汪品先《我國的地球系統科學研究向何處去》《對地球系統科學的理解與誤解》）
地球系統各分量及其相互作用示意圖。（曾慶存等《地球系統動力學模式及模擬研究》）
地球系統科學與天氣氣候有什麼關聯，地球系統模式又是什麼呢？
目前，氣候系統的研究範疇，是大氣大溫、壓、溼，以及海洋、冰雪、陸面等。但不僅是大氣、海洋、陸面、海冰各圈層間能量和水通量交換過程會影響氣候預測結果，碳、氮循環等生物地球化學過程也會產生影響。
「當前國際氣候模式的發展，正在從只考慮大氣、海洋、陸面、海冰各圈層間能量和水通量交換過程的物理氣候系統模式，走向進一步考慮碳、氮循環等生物地球化學過程的地球系統模式。」氣候系統模式和次季節至季節氣候預測團隊負責人，國家氣候中心研究員吳統文說，地球系統模式從只包含生態系統對環境變化的被動響應，擴展到包含生態系統過程和人類活動對環境條件的反饋與影響。
地球系統模式概念圖。（王斌《地球系統模式發展展望》）
目前，在氣候系統模式中，對於對人類活動引起的變化，如氣溶膠的變化在模式中都以固定值作為參數，但隨著人類活動影響加大，這些數值也會對氣候預測產生更大影響。
發展地球氣候系統模式的目的，就是是通過研究大氣、陸地和海洋之間的能量 、動量和物質交換, 來了解地球能量過程 、生態過程和新陳代謝過程的運行規律, 並了解土地陸表覆蓋 、土地利用變化和溫室氣體排放通過這些過程所引起的氣候響應，進而為國家防災減災、應對氣候變化、制定經濟和社會可持續發展戰略規劃等提供更科學有力的依據和支撐。
03
要關注哪些問題
「未來地球」( Future Earth) 科學計劃認為，地球系統發展核心是科技層面的觀測系統、資料系統、地球系統模擬和理論發展四項能力建設任務。
首先要觀測地球系統變化，發現地球系統新知識，驅動地球系統模式。其次是收集地球系統、環境變化和社會經濟等方面的資料。第三，發展新一代地球系統模式和綜合評估模式。第四，提升物理、化學、生物等自然科學基礎研究能力。
美國國家科學院《推動氣候模擬的國家戰略》，提出四個主要組成部分以及五個支撐要素（周天軍等譯，2014）。
四個主要組成部分包括：
推動發展一個通用的國家級的軟體平臺，用於支撐一系列圍繞不同目的研製的、各種層級上的模式。
組織年度氣候模擬論壇，推動更為緊密、協調和更為連續的評估，以及模式研發和用戶間的關係。
培育統一的天氣-氣候模式，更好的利用天氣預報、資料同化和今後模擬之間的協同優勢。
開發培訓、委派和繼續教育「氣候釋用人員」，使其成為連接模式研究和各種用戶的雙向界面。
五個支撐要素是：
維持把國家最先進的計算機系統提供給氣候模擬使用。
繼續支持強大的國際氣候觀測系統，以全面描述長期的氣候趨勢和氣候變率。
發展培訓和獎勵體系，吸引最為優秀的計算機和氣候科學家，從事氣候模式發展工作。
加強國家和國際的信息技術平臺建設。
追求氣候科學和不確定性研究方面的進步。
同時，專家們還提出：
我國地處東亞地區, 特殊的地理位置造成我國氣候、 環境與生態系統的獨特性 。因此中國的地球系統動力學模式在遵循全球總體性的同時, 還要充分體現出東亞地區的獨特性，加強重點科學問題研究。
不要「另起爐灶」，而是「評估、改進、再評估、再改進」, 使模式發展具有更好的連續性和繼承性，基礎紮實；重視模式系統底層技術支撐平臺的發展；重視與業務部門的結合。
截至深度學習等人工智慧技術在模式識別和發現海量數據集中存在的非常複雜的非線性關係等方面的應用。
……
您還有哪些建議
歡迎在評論區留言
中國氣象報社 出品
審核：段昊書
作者：中國氣象報社全媒體記者 李一鵬 吳鵬
編輯：李一鵬