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对地球系统科学的几点认识

发信人: plainheart (Tommy), 信区: GeoSpace
标  题: 对地球系统科学的几点认识
发信站: BBS 未名空间站 (Sun Mar 26 15:56:23 2006), 转信

人口增长与经济发展使世界面临环境和资源问题的巨大压力,如何建设一个富裕、健康、
安全而可持续发展的社会,不仅引起各国政府的密切关注,也是当代自然科学和社会科学
交叉的热点,更是地球科学的前沿科学问题。近20年来,国内外地球科学领域众多科学家
广泛投入了由国际地圈生物圈计划(IGBP)、生物多样性计划(DIVERSITAS)、世界气候
研究计划(WCRP)及国际人文因素计划(IHDP)等大型研究计划组成的全球变化研究,深
入的研究工作使大家愈来愈认识到地球上的大气、水、生物、岩石、地幔和地核等各个组
成部份是一个具有密切联系而相互作用着的整体,不了解地球的整体行为难以全面深入理
解局部变化,由此提出了整体地球系统(Integrated Earth System)的概念。

一、什么是地球系统科学

普遍认为,地球系统是由近地空间大气圈、水圈、冰雪圈、固体地圈(岩石、地幔和地核
)和生物圈等自然层圈紧密关联的整体,太阳系等天体对地球系统具有明显的能量、物质
、动量和信息的交换作用,它们形成了地球系统的自然驱动力。现有资料分析表明,在外
部驱动力作用下,地球系统沿着自然规律所确定的轨道不停地向前发展,其变化是非各态
历经的,状态是永不重复的。地球系统的演变就称之为全球变化(Global Change)。其
状态演变的相空间轨道称之为全球轨道(Global Trajectory)。长期以来,人类主要是
被动适应地球系统的变化而生存,她对全球轨道的影响十分微弱而缓慢。近百年来,随着
科学技术和生产力的迅速发展,人类活动对全球轨道的影响已经十分显著,并不断加速和
扩大,形成了推动地球系统变化不容忽视的人为驱动力。
因此,地球系统科学是研究地球系统整体的结构、特征、功能和行为的科学,是全球变化
的基础理论。其科学目标在于阐明自然和人为驱动力

与地球系统变化相互作用的规律和机制;揭露地球系统整体演变的规律和机制;建立地球
系统变化趋势的预测理论和方法,以及地球系统变化的调控理论和方法,实现这个目标对
指导人类社会可持续发展具有重大科学意义和应用价值。显然,现有地球科学各个分支学
科都是地球系统科学的重要基础,地球系统科学将在融合并集成各个分支学科的基础上,
采用复杂系统科学理论和方法以及现代高新技术手段,创建新的地球系统科学体系。

二、地球系统科学研究的必要性

经过一百多年的发展,大气科学、海洋科学、地质科学、地理科学、地球物理学、空间科
学等地球科学分支学科已经形成了各自完整的独立学科体系。但是,随着研究的日益深入
,各分支学科都愈来愈认识到学科之间交叉的重要性和必要性。长期的大气过程及气候变
化已经不完全由大气本身运动所决定,太阳活动、海洋状态、冰雪覆盖、生态变化,人类
活动以及地质构造活动都是影响不同时空尺度气候变化的决定性因子,青藏高原隆起对东
亚季风的形成与变化就是决定性的。反之,气候变迁对全球环境以致全球冰雪分布、海洋
环流等变化,从而引起生物的生灭和海洋分布与地质构造的变动都可能是重要的影响因子
。因此,大气科学家们正在向海洋科学、生态科学、水文科学拓展,而地理学家、地质学
家、海洋学家及生态学家等也在日益与大气科学相结合,分支学科的紧密交叉已成为当代
地球科学发展的重要特色。但是,这种交叉和结合都还只限于根据本学科发展需求出发来
进行的。事实上,地球系统各层圈本来就是有机结合的整体,任一层圈过程都在不同程度
上与其它层圈不同时空尺度过程存在着相互影响和制约,任一层圈的结构、功能和行为都
是地球系统在局部的反映,层圈行为的耦合产生了系统的新行为,这是一次质的飞跃,它
完全不同于各个层圈的行为的叠加,系统整体不等于部份之代数和。因此,必须从复杂系
统的科学理论出发,在综合分析的高度上,研究地球系统在驱动力作用下演变的整体行为
的新规律和新机制。

三、地球系统科学研究内容:

地球科学各分支学科的研究成果显然是地球系统科学发展的丰富养科和基础,但地球系统
科学研究有与各分支学科不同的独立内容,它们基本上可分为以下方面:
(1)外驱动力和地球系统的相互作用
天体以及人类活动都是地球系统变化的重要外驱动力,它们在不同时空尺度上影响地球系
统的整体结构,功能和行为,研究这种影响的力学、物理、化学与生物过程是揭露地球系
统变化规律与机制的重要内容。
(2)层圈界面动力学
地球系统各层圈的非线性耦合作用是地球系统变化的重要特征,这种相互作用主要表现在
各层圈界面上能量、动量、物质的相互交换,而这种交换决定于界面两侧介质物理、化学
与生物的特性,具有不同时空尺度的结构。它们在空间上具有不同尺度的非均匀结构,在
时间上是具有不同尺度的非平稳过程。因此,确定以空间、时间和各层圈状态为自变量的
界面通量函数,建立统一的界面通量动力学模式是地球系统科学研究的重要内容。
(3)地球系统演化规律与机制
地球系统是一个复杂的巨系统,它的演变过程具有自组织、突变、混沌等一切非线性动力
学的特征。发展同化、融合和集成的方法,综合分析用不同实验方法在不同的时空尺度内
获取的有关古生物、古人类、古地质、古地磁、古环境、古海洋、古气候以及天文等方面
的海量资料,建立复杂系统的理论和分析研究方法,以揭露地球系统形成与演变的整体特
征、规律和机制。近几百年来,人类社会与经济活动对地球系统各层圈变化的影响日益加
剧,必须从地球系统的角度来研究人类驱动力的整体影响。
(4)地球系统动力学模式
地球系统动力学模式是深入揭露系统变化规律和机制并预测其变化趋势的重要手段,也是
地球系统科学走向定量化的重要标志。可以从两个方面来发展建立地球系统动力学模式,
一方面是在各层圈动力学方程和层圈界面动力学方程基础上,集成为地球系统动力学模式
。另一方面是用非线性统计方法,在综合地球系统历史演变的海量的时空分布资料基础上
,构建地球系统统计动力学模式。
(5)地球系统未来变化趋势的预测
未来变化趋势预测是地球系统科学研究的重要应用目标,也是地球系统科学的基础科学问
题。地球系统是个开放的非线性复杂巨系统,其变化是非平稳过程,确定性过程与随机过
程互相转化,对这类系统的可预测性和预测方法仍是未解决的前沿科学理论问题。针对不
同时空尺度地球系统过程的确定性和随机性,应用地球系统随机动力学模式建立新的预测
理论和预测方法是研究的主要内容。
(6)地球系统变化的调控
地球系统变化过程的能量是十分巨大的,除了天体对地球的作用能量可与之比较外,人类
活动的能量仍是个小量。但一个非线性的复杂巨系统经常处于不稳定状态,其演变过程也
往往是一个由稳定到不稳定不断转换的过程。人类活动作为小扰动在地球系统处于不稳定
状态时就可能调控其发展过程,南极区臭氧洞、温室效应以及人工增雨等都是已成事实的
典型例子。这充分表明,研究分析地球系统变化对扰动的敏感性,发展建立地球系统调控
理论和方法,可以设计与地球系统变化协调的人类社会与经济活动,建立地球管理系统,
以保障社会快速、健康和安全地可持续发展。

四、地球系统科学研究的重要支撑

地球系统科学研究必须要具有以下几个方面的支撑条件。
(1)地球系统集成数据库
地球科学已经积累了大量的地球系统各层圈定量的历史演变资料,这些资料具有不同的时
空尺度分布,获取的方法和手段各有差异,并具有不同的测量精度。只有对这些资料进行
统一规范下的同化,融合和集成,才能用于地球系统科学研究。因此,建立地球系统集成
数据库是进行地球系统科学研究所必须的。
(2)地球系统探测网和综合科学试验
以大自然为实验室进行科学观测实验,系统地、不间断地提供统一规范的观测实验资料,
是地球科学研究的基础支撑。地球系统科学所要求的不仅是地球系统各层圈分别观测的资
料,而是地球系统观测的综合资料。当前国际统一设计的全球气候观测系统(GCOS)、全
球海洋观测系统(GOOS)、全球陆地观测系统(GTOS)、正在发展的通量观测网(
FLUXNET)、以及美国、欧州共同体和日本等国家发展的地球环境卫星系列都是服务于地
球系统科学的发展要求。未来以地球环境卫星探测为主体,结合地面观测的地球系统探测
网和专题组织的综合科学试验将是地球系统数字化的技术支撑,也是地球系统科学研究发
展的重要基础。
(3)地球系统数值模拟实验室
地球系统是一个多维空间系统,代表其状态演变过程是海量时空分布资料以及多维非线性
动力方程,采用巨型高速计算机技术进行非线性统计分析和数值模拟是唯一有效的方法和
途径。日本建立的地球模拟器(Earth Simulator)就是进行地球系统数值模拟的并行计
算机系统,其浮点运算速度高达每秒40万亿次,已可以运行水平空间分辨率达10公里的全
球气候系统模式的数值模拟试验。地球系统数值模拟实验室通过与地球系统集成数据库和
地球系统观测网提供的资料相结合,将是地球系统科学研究发展巨大的支撑。

五、突出区域特色、紧密结合全球

根据中国地球科学的现实条件和社会经济发展的迫切需求,中国地球系统科学研究近期应
在紧密结合全球系统背景的条件下,突出中国区域地球系统研究的特点。中国地区自然环
境具有鲜明的特色,过去在古生物、古人类、古环境、东亚大陆动力学、东亚气候等方面
的研究都已经取得突出的成果。集中我国优秀的科研力量,从地球系统科学的高度,应用
复杂系统的科学理论与方法集成升华这些成果,将有利于尽快推动我国地球系统科学进入
世界前沿。


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原文刊于《地球科学进展》2004,19(4):513-515.
作者简介:周秀骥(1932-),男,中国科学院院士,研究员,主要从事大气科学研究.E-
mail:[email protected]

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版主:学术科学分区地球与空间科学版。



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