如果要给地球做一次精密的“全身检查”，你会怎么做？

过去，气象学家像“呼吸科医生”，专注于大气的风云变幻；海洋学家像“心血管专家”，探查洋流的冷暖；地质学家则专攻“骨科”，审视地表圈层岩石的结构及其环境演变。尽管各自领域成果斐然，但在应对如今频发的极端天气和复杂的气候挑战时，这种“分科而治”模式也暴露了一定的局限性——地球并非孤立“器官”的简单集合，而是一个牵一发而动全身的综合“生命体”。

在地球系统数值预报领域，一场静默而深刻的技术革命已然开启。科学家们正试图打破大气、海洋、陆地、海冰乃至生态化学之间的圈层壁垒，将纷繁复杂的观测数据实时融合进一个统一的数字模型中。这不仅能让天气预报更加精准，更开创了一个构建“数字孪生地球”的崭新未来。

给地球系统“画像”：资料同化的关键使命

要预报未来，首先要看清现在。

在数值天气预报领域，有一个通俗的说法：“失之毫厘，谬以千里”。这个“毫厘”，就是预报的初始状态。然而，我们无法在全球每一个角落布设观测站。卫星在太空俯瞰，气象雷达在地基扫描，浮标在海洋漂流，它们传回的是海量的、碎片化的观测数据。如何将这些局部的、间接的观测信息转化为计算机模式中每一个三维网格点上的温度、湿度、风压？这就需要资料同化。

“资料同化，本质上是一个最优化的过程。”中国气象局地球系统数值预报中心（以下简称“数值预报中心”）副总工程师韩威介绍。它就像拼图，模式给出的背景场是参考底图，而各类观测数据是散落的碎片，同化算法就是那只手，通过数学方法将二者结合，推算出最接近真实地球的“三维全景图”。

然而，传统的同化主要聚焦于大气圈层，但地球系统是一个复杂的耦合体，海洋储存的热量可能数月后影响台风路径，土壤湿度的变化则会改变局地的降水概率。

“过去受限于技术条件，我们往往先把最重要的大气模式发展起来，把其他圈层作为固定的边界条件。”韩威指出，但现在，这种“单打独斗”已经无法满足精密预报的需求，必须走向“集团军作战”——多圈层耦合。

不止于“握手”：同化与耦合的深层融合

什么是多圈层耦合？简单来说，就是“承认”自然界的真实面貌——大气中的水汽落入海洋，海洋蒸发的热量又加热大气，陆地生长的植被改变着地表反照率，地球系统各圈层相互作用、相互影响。

但在实际操作中，“多圈层耦合预报”与“多圈层耦合同化”有着本质的区别。

“耦合预报”是指在模式运行过程中，各个圈层实时交换信息，互相影响。而“耦合同化”则更进一步，它要求在确定初始状态的那一刻，就进行统筹考虑。

以往科学家先同化大气数据，修正大气的初始场，再单独修正海洋或陆地的数据，最后把它们拼在一起。韩威解释道：“如今，我们利用多圈层耦合同化技术，就是把大气、海洋、陆面、海冰、化学成分等所有的状态变量，都放入‘目标函数’中同步优化。”这意味着，当卫星遥感仪器的一束微波穿过云层、反射海面、抵达探测器时，它携带的信息包含了云滴、海温和水汽等。耦合同化不是剥离这些信息，而是联合反演，利用这一束微波的观测，同时修正大气、海洋和陆面的状态误差。这不再是简单的数据交换，而是深度的数学物理协同求解。

中国“破壁”：唤醒沉睡的数据

在探索多圈层耦合同化技术的道路上，中国科学家探索了一系列原创性的解决方案，破解了一些长期困扰业界的难题。

首先是“唤醒沉睡的数据”。韩威提到一个惊人的事实：目前气象业务中，大量的观测数据，特别是云雨区的数据，因为物理过程复杂、难以模拟而被当作“噪音”剔除。然而，云雨区恰恰是天气变化最剧烈、预报误差最大的区域。

为此，中国气象局地球系统数值预报中心研究团队实现了“全天候同化”的突破。通过创新性地引入了“超椭球模型”等数学方法，用少量参数精准描述了冰晶、雪花等非球形粒子的散射特性，从而能直接同化云雨区的卫星微波观测。这好比给预报系统戴上一副能“透视”云雨的眼镜，让原本被剔除的数据宝藏充分释放价值。此外，基于中国气象局全球同化预报系统（CMA-GFS），研究团队构建了适用于无雪陆地、雪面、海冰、海岸线四类复杂下垫面的同化框架，实现了微波大气探测通道的全谱段、全地表同化，并且实现业务化应用。

其次是“化学与天气的深度融合”。气溶胶不再仅仅是大气中的“漂浮物”，而是主动的影响者。中国气象局地球系统数值预报中心沈学顺院士团队与中国气象科学研究院张小曳院士团队研发的化学—天气强耦合四维变分同化（CMA-GFS-AERO 4D-Var）试验性示范系统，在全球业务化预报模式中首次实现了气象与黑碳气溶胶的强耦合四维变分同化，让黑碳等气溶胶的观测数据不仅能修正自身场，还能反过来修正风、温、压、湿等气象场，实现了真正的“双向互动”。

再者是计算范式的革新。面对海量的多圈层数据，传统基于CPU的模式开发思路已显疲态，以往模式中的大量复杂循环结构，以及分支判断，使得计算性能提升极具挑战。如今GPU算力革命带来机遇，结合硬件特性从顶层设计算法，将重构计算表达为卷积，同时利用符号函数、ReLU等函数代替分支判断，使非线性计算自然适配张量运算特性，可在GPU上实现计算效率的飞跃。更重要的是，这使得模型自动可微，为物理规律与人工智能的深度结合铺平了道路。可微动力框架与人工智能模型耦合后，只需一个简单的反向传播函数，即可实现完整预报流程的在线训练，并直接通过观测资料对模式进行调优。

整体思维的回归：迈向“数字孪生地球”

技术的进步，往往伴随着认知的跃迁。

多圈层耦合同化的背后，折射出的是一种从“还原论”向“整体论”回归的科学哲学。

“东方思维注重宏观和整体，这与多圈层耦合的理念有共通之处。”韩威认为，中国科学家在这一领域有机会作出更多原创性贡献。

2025年12月18日，中国气象局发布《地球系统预报发展战略（2025—2035年）》，创新性提出“双轮驱动、数智融合”的发展路径：一方面，继续深化基于物理规律的数值预报，精确模拟地球各圈层的演变过程；另一方面，充分利用人工智能的优势，让机器学习从海量气象数据中挖掘预报规律。未来，通过物理机理与数据驱动的“双引擎”，我们将不仅能预报天气，还能构建出一个高保真的“数字孪生地球”。它可以模拟不同碳排放情景下的气候影响，也能推演城市建设对极端天气的诱导作用。这将为防灾减灾、生态文明建设乃至全球经济社会的可持续发展提供最强大的决策“沙盘”。

从“分而治之”到“万物互联”，不仅是技术的迭代，更是人类与自然对话方式的升级——在数字世界里还原一个真实、完整、鲜活的生命地球。

（作者：黄琬婷 责任编辑：郭曼如）