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地球系統科學

(研究組成地球系統的這些子系統之間相互聯繫、相互作用中運轉的機制)

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地球系統指由大氣圈水圈、陸圈(岩石圈地幔地核)和生物圈(包括人類)組成的有機整體。地球系統科學就是研究組成地球系統的這些子系統之間相互聯繫、相互作用中運轉的機制,地球系統變化的規律和控制這些變化的機理,從而為全球環境變化預測建立科學基礎,併為地球系統的科學管理提供依據。地球系統科學研究的空間範圍從地心到地球外層空間,時間尺度從幾百年到幾百萬年。
中文名
地球系統科學
外文名
Earth system science
前    身
地球科學
性    質
學科
提出時間
1983年

地球系統科學簡介

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地球系統科學是從傳統的地球科學脱胎而來的。人類的生活要從環境中獲取食物能源,故必然關心所居住的環境,對所立足的地球產生求知慾,於是逐漸形成了地球科學的各分支,如氣象學海洋學地理學地質學生態學等。然而,它們是對地球的某一組成部分的分門別類的研究。隨着研究的深入,形成了各自的研究方法、手段和目的。但是,由於地球的空間廣域性,形成它的時間悠久性和組成其要素的複雜性,分門別類的研究儘管有的學科已達定量、半定量化的研究水平,但仍不能完整地認識地球,傳統地學面臨着挑戰。用系統的、多要素相互聯繫、相互作用的觀點去研究、認識地球,越來越為有識之士所倡導。於是,在20世紀80年代中期,特別以美國地球系統科學委員會(Earth System Science Committee)在1988年出版的《地球系統科學》一書為標誌的“地球系統科學”思想和概念被明確提出。事實上,上世紀六七十年代在中國興起的對自然地理各要素進行綜合研究的思想,可以看作是(表層)地球系統科學的萌芽。只是後者涉及的範圍、領域更廣,時間更長,系統的方法和現代技術手段更加先進完善而已。

地球系統科學起源

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地球系統科學是應人類面臨的根本生存環境危機——全球變化的嚴峻挑戰而興起,在近年諸多高新技術在地學上的應用研究而促進其發展,它反映了現代人類對人-自然界關係的哲學理念。但是,概念儘管已提出,行動卻尚有不少困難。首先就是面對這個複雜的開放的巨系統,如何能適時地、多週期地獲取系統多參數的海量數據。同時,又如何對海量數據進行整合、集成以及選取合適的參數進行數學建模。模型又如何能適時地檢驗。如何對全世界成千上萬的地學實驗室、科研機構、大專院校的科學研究和獲取的寶貴數據能進行共享、交換。這些問題均有待解決。地球系統科學又面臨困境。幸運的是,地球系統科學由於現代工程技術科學的參與與支持,將出現一場新的技術革命。數字地球就是這場技術革命的集中體現,它有望給地球系統科學帶來研究方法,手段的革命性變化。
地球系統科學是以全球性、統一性的整體觀、系統觀和多時空尺度,來研究地球系統的整體行為,使得人類能更好地認識自身賴以生存的環境,更有效地防止和控制可能突發的災害對人類所造成的損害。地球系統科學在現代技術,尤其是空間技術和大型計算機發展後出現,致力於對地球的整體探索。它以地球科學許多分支學科的大跨度交叉滲透,與生命科學化學物理學數學信息科學以及社會科學的緊密結合為特徵。其研究發展的特點為時空尺度大,綜合性強,實用空間大,支持有效監測和預測,研究中大量採用高新技術,採集、存儲、處理的數據量都極其巨大。

地球系統科學研究現狀

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地球系統科學的概念最早是由美國國家航空航天局(NASA)於1983年提出的。1980年代中期以來,地球科學發展迅猛,科學家明確提出地球物理過程與生物過程相互作用的觀點,進而形成了地球系統的思想。1990年代,這一觀點逐漸成為地學界共識,美國英國日本等國紛紛制定相關計劃,更促使了這一學科蓬勃發展起來。美國已有22所大學將地球系統科學教育納入課程之內,聯合國的《21世紀議程》更將地球科學作為可持續發展戰略的科學基礎之一。
要解決地球系統科學的一些重大突出問題,將需要有跨過學科邊界的有效的和持續的合作。基於這一思想,英國自然環境研究委員會(NERC)於2002年12月提出了一項地球系統科學研究計劃——量化並理解地球系統(QUEST)計劃,並於2004年7月發佈了該計劃的科學計劃和實施計劃。QUEST計劃為期6年(2003-2009年),其主要目標是提高對地球系統中大尺度過程及其相互作用的定性和定量理解,特別關注大氣海洋陸地中的生物、物理和化學過程之間的相互作用以及人類活動與它們之間的複雜關係。QUEST計劃主要集中於三個研究主題:現今的碳循環及其與氣候和大氣化學之間的相互作用;大氣成分在冰期-間冰期和更長時間尺度上的自然變化;全球環境變化對資源可持續利用的影響後果。
德國聯邦政府教育與研究部和德國科學基金會(DFG)共同策劃制定了未來15年(2000-2015年)的超大型研究計劃——地球工程學,並已於2000年3月就正式定稿和招標實施。地球工程學是把地球的整體作為研究對象,該計劃將有助於從地史時期的發展過程研究中探索地球的未來狀況。在這個計劃中,進一步明確了地球科學的任務,即與其他科學進行學科間合作,在工業方面為解決緊迫的、與社會發展關係重大的問題和生態問題做出貢獻。該計劃的研究目標是認識這些過程及其相互變化關係,以及評估人類對於自然平衡自然循環的影響。
氣象學家葉篤正等以地球系統科學為指南,從整體的角度出發,從1987年開始開展了中國的全球變化預研究。2001年1月,中國科學院院長路甬祥把對“地球系統整體行為的集成研究”列為21世紀科學家要面對的第九大挑戰。2002年10月,温家寶中國地質學會80週年紀念大會上講話時也強調,必須實現傳統地質工作向以“地球系統科學”為核心內容的現代地質工作的轉變。自然科學基金委地學部也於2002年3月提出了21世紀初的地球科學戰略重點,擬定了“以地球系統各圈層的相互作用為主線,從我國具有優勢的前沿領域尋找主攻目標”的優先資助領域戰略。

地球系統科學地球系統科學理論

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地球系統科學是把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類社會等組成部分構成的統一系統,是一門重點研究地球各組成部分之間相互作用的科學。研究目的是瞭解地球系統所涉及的過程,各組成部分之間的聯繫和相互作用,維持充足的自然資源供給,減輕地質災害,調節全球環境變化並使危害降到最小,獲取在全球尺度上對整個地球系統的科學理解。
地球系統科學的研究步驟由四部分構成:現象的觀測和數據的積累;對觀測數據進行分析和解釋,從物理、化學和生物學的規律出發,建立有關地球過程的定量關係;在前兩項的基礎上建立概念模型和數學(數值)模型(和實驗);驗證模型,並用它對未來的變化趨勢進行統計預測和預報。
隨機性是複雜地球系統的重要特徵之一。若地球系統中一個系統的狀態演化可用一個隨時間變化的隨機變量來描述,則稱該系統為一隨機過程。自組織是地球系統科學的一個重要概念,它是地球複雜系統演化時出現的一種現象。在地球系統實現空間、時間或功能的結構過程中,如果沒有外界的特定干擾,僅是依靠地球系統內部的相互作用來達到的,便可以説地球系統是自組織的。地球系統科學從系統局部與整體的關係出發來研究地球系統,簡單地球巨系統是研究的基礎和起點,運用地球系統自組織理論來研究簡單巨系統,使對這一類地球系統有個基本的認識。
地球系統科學研究的對象是從簡單性和簡單系統轉向複雜性和複雜系統,要求在方法論上實現根本轉變。概括地説,凡是不能用還原論方法處理的問題,或者需要用新的科學方法處理的問題,都是複雜性問題,複雜巨系統就是這類問題。因此,在面對複雜的地球系統問題時,總是設法把複雜性簡化掉,即把複雜性當作簡單性處理。當對象是典型的簡單系統,或者屬於不夠典型的複雜性問題時,這樣處理是可行的或近似可行的。這也是地球系統複雜性研究的主要理論基礎。

地球系統科學地球系統科學計算

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地球科學發展的一個趨勢是:從對局部的個別學科的研究發展為對整個地球系統及其各部分相互關係影響的研究,從定性的研究發展為對地球動力學過程的定量化研究。先進的新技術使地球科學家獲得了空前豐富的觀測資料,而對這些資料的處理、分析和深入理解,離不開現代計算科學和技術。
數值模擬技術方面,日本的地球模擬機(Earth Simulator)計劃獨樹一幟。日本政府為此投入4億美元研究經費,且有多個大學和研究所的人員長期參與了該項目。該計劃已建成了利用並行計算技術模擬三維黏彈性非均勻各向異性介質中地震輪迴三維動力學問題的技術平台(GEOFEM),內含斷層本構關係、斷層相互作用、地震波在三維黏彈性各向異性介質中傳播與破裂發展的動力學問題等,計算能力極強。該計劃的實施可以完成強地面運動的模擬和預測,對防震減災意義重大。
美國、澳大利亞數值模擬技術也發展很快。澳大利亞政府長期投巨資(近幾年已投入近千萬美元)資助昆士蘭大學以莫拉(P.Mora)教授為首的研究集體,研究開發了微觀模擬的格狀固體粒子模型地球(LSMearth),現在用該模型已能模擬摩擦、斷裂、斷層、波動、熱作用、水因素等多種與地震有關的現象,在國際上已產生了重要的影響。美國則在高科技方面投巨資研究地球科學,例如,NASA從2003年開始將執行一個固體地球研究虛擬觀測(SERVO)八年計劃,其海量數據的模擬也令人歎為觀止。
相對而言,我國在數值模擬領域內差距較大,而且長期低水平重複,但近年來,我國在與地學計算有關的數值計算技術和應用數值計算的地球科學前沿問題和計算技術硬件上取得了一些進展。例如,聯想深騰6800已經在世界超級計算機前500名中排名14,另外在軟件研究上也開發了並行有限元程序自動生成系統。但總的來説,國內現代計算技術在地球科學中的應用與世界先進水平還存在差距。

地球系統科學信息獲取

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地球系統科學的核心是地球空間信息科學,地球空間信息科學的技術體系中最基礎和基本的技術核心是3S技術及其集成。3S遙感(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位系統(GPS)的統稱。這裏所説的集成,是指一種有機的結合,在線的連接、實時的處理和系統的整體性。
當代遙感技術已能全面覆蓋大氣窗口的所有部分。光學遙感可包含可見光、近紅外和短波紅外區域。熱紅外遙感的波長可達到8~14毫米,微波遙感觀測目標物電磁波輻射散射,分被動微波遙感和主動微波遙感波長範圍為1毫米~100釐米。
遙感的高分辨率特點體現在空間分辨率光譜分辨率温度分辨率三個方面。長線陣CCD成像掃描儀可以達到1~2米的空間分辨率,成像光譜儀的光譜細分可以達到5~6納米的水平。熱紅外輻射計的温度分辨率可從0.5開提高到0.3開乃至0.1開。
隨着小衞星羣計劃的推行,可以用多顆小衞星實現每2~3天對地表重複一次採樣,獲得高分辨率成像光譜儀數據,多波段、多極化方式的雷達衞星,將能解決陰雨多霧情況下的全天候對地觀測,通過衞星遙感與機載和車載遙感技術的有機結合,是實現多時相遙感數據獲取的有力保證。
遙感信息的應用分析已從單一遙感資料向多時相、多數據源的融合與分析過渡,從靜態分析向動態監測過渡,從對資源與環境的定性調查向計算機輔助的定量自動製圖過渡,從對各種現象的表面描述向軟件分析和計量探索過渡。近年來,由於航空遙感具有的快速機動性和高分辨率的顯著特點使之成為遙感發展的重要方面。

地球系統科學地理信息系統技術

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地球系統科學數字地球簡介

隨着數字地球這一概念的提出和人們對它的認識的不斷加深,從二維向多維動態以及網絡方向發展是地理信息系統發展的主要方向,也是地理信息系統理論發展和諸多領域如資源、環境、城市等的迫切需要。在技術發展方面,一個發展是基於客户端/服務器結構,即用户可在終端上調用服務器上的數據和程序;另一個發展是通過互聯網絡發展GIS,可以實現遠程尋找所需要的各種地理空間數據,包括圖形和圖像,而且可以進行各種地理空間分析,這種發展是通過現代通訊技術使GIS進一步與信息高速公路接軌。利用數據挖掘技術,可以從空間數據庫中自動發現規律,用來支持遙感解譯自動化和GIS空間分析的智能化。

地球系統科學空間定位技術

GPS作為一種全新的現代定位方法,已逐漸在越來越多的領域取代了常規光學和電子儀器的定位。1990年代以來,GPS衞星定位和導航技術與現代通信技術相結合,在空間定位技術方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維座標的方法將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間,從靜態擴展到動態,從單點定位擴展到局部與廣域差分,從事後處理擴展到實時(準實時)定位與導航,絕對和相對精度擴展到了米級、釐米級乃至亞毫米級,從而大大拓寬它的應用範圍和在各行各業中的作用。
地球系統科學的信息處理和表達
地球是一個複雜的巨系統,地球上發生的許多事件及其變化和過程十分複雜且呈非線性特徵,時間和空間的跨度變化大小不等,差別很大,只有利用高速計算機,才有能力來模擬一些不能觀測到的現象。利用數據挖掘技術,將能夠更好地認識和分析所觀測到的海量數據,從中找出規律和知識。科學計算能突破實驗和理論科學的限制,建模和模擬可以更加深入地探索所蒐集到的有關地球的數據。地球系統科學研究的最新進展對其研究平台和環境提出了更高的要求,網格計算技術的發展及信息化科研環境概念的適時提出是地球系統科學研究解決方案的必然選擇。
地球系統科學的信息表達的方式主要有可視化和虛擬現實技術。可視化是實現數字地球與人交互的窗口和工具,沒有可視化技術,計算機中的一堆數字是無任何意義的。信息表達的另一個顯著技術特點是虛擬現實技術。建立了數字地球以後,用户戴上顯示頭盔,就可以看見地球從太空中出現,使用用户界面來放大數字圖像;隨着分辨率的不斷提高,將能看見陸地,然後是城市鄉村,最後是私人住房、商店、樹木及其他天然和人造景觀;若對某個商品感興趣時,可以進入商店內,欣賞商場內的衣服,並可根據虛擬體型試穿衣服。虛擬現實技術為人類觀察自然、欣賞景觀、瞭解實體提供了身臨其境的感覺。實際上,人造虛擬現實技術在攝影測量中早已是成熟的技術,近幾年的數字攝影測量的發展,已經能夠在計算機上建立可供測量的數字虛擬技術。當然,當前的技術是對同一實體拍攝照片,產生視差,從而構造立體模型。進一步的發展是對整個地球進行無縫拼接,任意漫遊和放大,由三維數據通過人造視差的方法,構造虛擬立體模型。

地球系統科學地球系統數字應用

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數字地球是地球系統科學的數字表達,將有利於從對自然現象的描述向定量化方向發展。數字地球是以地球系統為原型,以地球(理)座標為參考系,以地球系統科學、信息科學和計算科學為理論基礎,通過建立一系列不同層次的原型、數學模型物理模型力學模型信息模型和計算機模型並集成。同時,以對地觀測和網絡高新技術為支撐,建立具有多分辨率、海量數據和多種數據的融合,並可用多媒體和模擬仿真虛擬技術進行多維的表達,具有空間化、數字化、網絡化、智能化和可視化的技術系統。以瞭解整個地球系統所涉及的信息過程,特別關注地球系統各圈層之間信息的聯繫和相互作用的規律。主要研究內容包括:數字地球提出背景;數字地球研究方法;數字地球原型;地球系統場理論基礎;數字地球物質模型;數字地球力學模型;數字地球數學模型;數字地球信息模型;數字地球信息獲取技術與模擬;數字地球空間信息基礎設施;數字地球技術方法;數字中國與數字工程等。
研究青藏高原的隆升對於環境和人類活動的影響,這是一個涵蓋地球科學和生物學諸多分支學科的主題,不同學科可以從各自的學科出發,對這一主題進行論證。在國家實施西部大開發戰略的過程中,一切長遠的基礎設施,如鐵路公路和水利工程、地下資源開發和農林牧業發展及城市建設,都要和生態、環境的保護改善協調進行。我國西部的大部分地區,特別是青藏高原氣候寒冷乾燥,生態環境脆弱,更要密切注意氣候與環境變化的大趨勢和人類活動增強對生態和資源的影響。利用地球系統科學研究方法,可以正確地評價這種趨勢,預籌適應可持續發展的戰略,避免可能出現的不利行為。可以肯定,青藏高原及鄰區在21世紀將出現氣候環境和災害的大變化,可能會帶來上述涉及內容以外的許多問題,如自然災害的加重,疾病的流行等;也會帶來好處,如作物生長期延長有利於農業的發展等。研究這些問題屬於區域性的地球系統工程。因此,青藏高原及鄰區是發展地球系統科學,探討以山地系統為載體、各圈層相互作用最好的天然實驗室。
可持續發展的社會需求是多方面、多層次的。地球系統科學作為規劃與對策的科學基礎應劃分為兩大層次,即滿足可持續發展中面臨的緊迫問題的任務研究和遠期效應的基礎研究。但二者又有許多內在聯繫,相互促進、不能截然分開。地球系統科學是可持續發展戰略的科學基礎,不僅要研究自然規律,而且還要為社會發展提出規劃依據。實際應用中要加強地球系統工程規劃和地球系統管理,爭取早日真正解決人口、資源、環境、災害等與人類可持續發展密切相關的問題,真正實現地球系統科學成為可持續發展戰略的科學基礎。

地球系統科學文章

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[1] 畢思文.地球系統科學與可持續發展.北京地質出版社,1998.
[2] 畢思文,許強.地球系統科學.北京:科學出版社,2002.
[3] 葉篤正.中國的全球變化預研究.北京:氣象出版社,1992.
[4] 黃秉維,鄭度,等.現代自然地理.北京:科學出版社,1999.
[5] 陳述彭,曾杉.地球系統科學與地球信息科學.地理研究,1996,15(2):1-10.
[6] 畢思文.數字地球(地球系統數字學).北京:地質出版社,2001.