科学通报 | 计算地球系统动力学的思考

近日, 中国科学院大学李忠海教授、王艳芬院士、石耀霖院士、张怀教授及其团队在《科学通报》发表了题为《计算地球系统动力学的思考》的综述文章, 总结了地球内部和表层系统的三个关键纽带，即以地球内部动力学过程控制的海陆分布格局为纽带的一级内-外联动机制，以地形地貌演化和地表过程为纽带的物理联动机制，以及以挥发分循环为纽带的物质交换联动机制。

文章系统阐明了上述三个关键纽带在地球内部和表层系统联动中的重要作用及机制, 指出了解决跨圈层联动的关键点在于突破内-外系统的时空尺度差异性, 并进一步提出了针对不同的联动纽带采用弱耦合或强耦合的方式进行跨圈层地球系统建模的思路, 为地球内部和表层系统之间的圈层耦合动力学研究提供了启示.

地球系统由内部系统和表层系统组成, 前者存在于地球内部圈层(地壳、地幔和地核), 在较大的时空尺度内控制着地球的一级演化模式; 后者存在于浅地表以及固体地球外部圈层, 包含与人类活动息息相关的大气圈、水圈、土壤圈、生物圈等, 在相对较小的时空尺度内控制着地表环境演化. 地球内部和表层系统的耦合演化共同维持了地球的宜居环境（图1）.

图1 地球内部系统和表层系统示意图.

地球内部和表层系统的联动机制是理解地球系统一体化演化的关键. 本文系统阐述了地球内-外系统联动的三个关键纽带及其作用机制: (1) 以地球内部动力学过程控制的海陆分布格局为纽带的一级内-外联动机制; (2) 以地形地貌演化和地表过程为纽带的物理联动机制; (3) 以挥发分循环为纽带的物质交换联动机制.

(1)海陆格局.深部动力学过程驱动的大洋和大陆板块运动塑造了随时空演化的海陆构造格局, 进而直接影响了大气和海洋环流、风化作用以及生态系统, 控制着地球表层系统的物质和能量传输. 这一纽带以地球深部影响表层的单向过程为主导（图2）.

图2 全球洋流模式简图.

(2) 地形地貌与地表过程.板块构造的深部动力学过程驱动地表隆升或沉降, 影响风化沉积等地表过程, 对地表气候产生影响. 而地形地貌和地表过程可以分别通过地表质量重新分布、沉积物俯冲等过程影响深部岩石圈变形及地震活动性. 这一纽带以深部和表层系统的双向反馈为特征（图3）.

图3 多圈层相互作用下的地形地貌-地表过程演化.

(3) 挥发分循环.地球内部的挥发分相当于固体地球系统的血液, 它们的赋存形式和迁移规律控制着地球内部的状态、物性和演化过程, 也深刻影响着地球表层水圈和大气圈等的物质组成和演化, 是宜居地球的重要调控纽带。地球内部的挥发分含量占绝对主导, 但循环周期较慢; 相反, 地球表层系统的挥发分含量相对很低, 但循环较快, 并直接控制宜居环境. 建立内-外耦合联动的多挥发分元素循环模型是理解挥发分在不同圈层之间的交互作用及地球宜居环境的关键（图4）.

图4 地球挥发分储库及循环通量. (a) 地球主要构造过程及其挥发分元素循环通量; (b) 地球内部各圈层挥发分元素储量

文章进一步指出了解决跨圈层联动的关键是突破深部和地表系统的时空尺度差异性. 海陆分布在较长的时间尺度（数亿年）和空间尺度（数千公里）上演变. 地形地貌和地表过程在中等尺度（年到数百万年, 公里）上演化, 将缓慢的地球内部动力学演变与快速的地表变化（天到数万年）连接起来. 在挥发性循环中, 深层挥发分储量在百万年的时间尺度上运行，而地表储量的反应要快许多（几天到几千年）.

为此, 文章提出了针对三个不同的联动纽带采用弱耦合或强耦合的方式进行跨圈层地球系统建模的思路. 在弱耦合方法中, 封装不同时间尺度的子系统进行相对独立的运算, 而后在各子系统之间采用通量数据传输的方式完成. 这种方法具有较高的运算效率并能描述圈层相互作用的主要特征. 相比之下, 强耦合方法中，内部和表层系统模式在方程求解端直接耦合和嵌套, 真正实现各子系统的实时耦合计算和动态反馈. 但是这种方法对运算效率提出了更高的要求, 需要大规模的并行计算, 尤其是在不同的子系统分配不同规模的资源进行运算, 以便实现其同步性和高效性（图5）.

图5 构建跨时空尺度的地球系统定量化模型: (a)弱耦合模式, 该模式的特点是内部和表层系统相对独立的运算, 二者之间通过运算结果(通量数据)进行衔接; (b)强耦合模式, 该模式是将内部和表层系统模式在方程求解端进行耦合和嵌套, 从而实现跨时空尺度的实时耦合计算.

文章最后针对这三个联动纽带的建模进行了探讨. 海陆格局纽带以深部控制浅表的单向作用为主, 可采用弱耦合方式建模, 即长时间尺度深部过程控制的海陆格局作为相对短时间尺度地表系统的边界条件, 各子系统相对独立地运算. 地形地貌与地表过程纽带包含了深部和浅部过程的双向反馈, 依赖从控制方程的基础端进行强耦合计算. 挥发分循环纽带涉及物理、化学、生物过程, 是跨圈层多相态耦合联动的难点, 现阶段地球内部和表层系统的挥发分循环联动主要是侧重二者之间的传输通量. 实现实时耦合联动还有待未来进一步的工作.

综上，地球内部和表层系统是紧密耦合的, 共同支撑了宜居地球的形成和演化. 本研究为地球内部和表层系统的耦合机制提供了系统性的视角, 为未来跨圈层、多尺度、多过程的地球系统建模提供了启示. 而地球内部和表层系统的时间尺度差异性是阻碍内-外系统联动建模的巨大阻力, 从弱耦合到强耦合、分步骤的推进有望实现最终的全耦合建模. 该研究方向是打通地球系统圈层耦合的关键途径, 值得深入研究.

文章信息

李忠海, 王艳芬, 石耀霖, 张怀, 皇甫鹏鹏, 崔峰源, 王杨, 付荟颖, 张恒睿, 邢洪鑫, 朱伟龄. 计算地球系统动力学的思考. 科学通报, 2026, 71(21): 5046-5065.

Zhong-Hai Li, Yanfen Wang, Yaolin Shi, et al. A visit to computational Earth system dynamics (in Chinese). Chinese Science Bulletin, 2026, 71(21): 5046-5065. DOI: 10.1360/CSB-2025-0436.

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