訪中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所畢思文研究員

地球系統(tǒng)科學(xué)——21世紀(jì)地球科學(xué)前沿與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略科學(xué)基礎(chǔ)

2003年3月，中國科學(xué)院院長路甬祥在中國科學(xué)院2003年度工作會議上講到“實施科技創(chuàng)新跨越戰(zhàn)略，必須對世界科學(xué)技術(shù)的整體發(fā)展態(tài)勢有科學(xué)的判斷和宏觀的把握�！眻蟾嬷性俅螐娬{(diào)加強地球系統(tǒng)科學(xué)研究。2002年10月，國務(wù)院總理溫家寶在中國地質(zhì)學(xué)會80周年紀(jì)念大會上講話時也強調(diào)，必須實現(xiàn)“傳統(tǒng)地質(zhì)工作向以‘地球系統(tǒng)科學(xué)’為核心內(nèi)容的現(xiàn)代地質(zhì)工作”的轉(zhuǎn)變。

地球系統(tǒng)科學(xué)具體內(nèi)涵如何？它的應(yīng)用前景怎樣？作為這一領(lǐng)域知名的青年科學(xué)家、中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所研究員畢思文接受了記者的采訪。

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)提出的背景是什么？有何研究意義？

畢思文：地球是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)源泉和環(huán)境，因此人類總是把自己的命運與地球的演變和太陽等行星對地球環(huán)境的影響緊密地聯(lián)系在一起。但是，在幾個世代的時間里，人類社會的經(jīng)濟活動和技術(shù)活動卻對全球變化產(chǎn)生了明顯的影響。因此，怎樣對待可持續(xù)發(fā)展是全世界共同關(guān)心的重大問題，也是人類生存與自然的基本矛盾，更是地球科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，人類正面臨著一系列前所未有的重大而緊迫的全球環(huán)境問題，人口爆炸、土地荒漠化、資源短缺、環(huán)境污染加劇、“溫室效應(yīng)”與全球變暖、臭氧屏蔽的破壞、森林銳減和物種加速滅絕、淡水資源短缺等成為人們的熱門話題。從科學(xué)角度看，這些緊迫的環(huán)境問題實質(zhì)上是地球各圈層組成的統(tǒng)一系統(tǒng)，即地球系統(tǒng)各圈層相互作用產(chǎn)生的�？梢灶A(yù)見，21世紀(jì)將是人類明智地管理和維護(hù)地球的新紀(jì)元。

政治多極化、經(jīng)濟全球化是20世紀(jì)80年代以來，特別是21世紀(jì)的一個重要特征。隨著科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和人類社會的進(jìn)步，大科學(xué)時代的到來，全球化趨勢將是自然科學(xué)和社會科學(xué)在21世紀(jì)的重要發(fā)展方向。為此，在研究構(gòu)建地球系統(tǒng)科學(xué)理論時，把地球系統(tǒng)的全球化作為一個基礎(chǔ)內(nèi)容。主要有：社會活動全球化、經(jīng)濟全球化、金融全球化、生產(chǎn)全球化、教育全球化、軍事戰(zhàn)爭全球化和管理全球化等。

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)與傳統(tǒng)地球科學(xué)有何區(qū)別？

畢思文：地球系統(tǒng)科學(xué)是傳統(tǒng)地球科學(xué)發(fā)展的必然。地球已有46億年的演化歷史。從科學(xué)探索的開始，人類就尋求有關(guān)地球更多的知識。人類對地球的開發(fā)、利用、探索研究活動由來已久。地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)和生態(tài)學(xué)都有悠久的歷史。然而，迄今對地球的研究多是針對地球的某一組成部分分門別類地進(jìn)行的，形成了各種專門學(xué)科，以及帶有各自門類特色的傳統(tǒng)研究方法和知識體系。在10余年前，科學(xué)家才普遍認(rèn)識到必須把地球作為一個由相互作用著的各個組元或子系統(tǒng)——主要是地核、地幔、土壤-巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈（包括人類社會）組成的統(tǒng)一系統(tǒng)，即地球系統(tǒng)來研究。只有如此才能真正深化對地球的研究，也只有如此才能回答人類所面臨的一系列地球系統(tǒng)行為的緊迫環(huán)境問題。這樣一種眼界和觀念的轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著從傳統(tǒng)地球科學(xué)觀念向地球系統(tǒng)科學(xué)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變的實現(xiàn)有雙重背景。一是地球科學(xué)各分支深入發(fā)展的必然；二是近40余年來空間對地觀測技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)開闊了人類的眼界，大大提高了人類認(rèn)識地球的能力，這是向地球系統(tǒng)科學(xué)觀念轉(zhuǎn)變的另一重要背景。

綜上所述，我們既可看到地球科學(xué)從傳統(tǒng)地球科學(xué)脫胎的印跡，又可以體察到21世紀(jì)初期的今天正處于地球科學(xué)發(fā)生飛躍和突破的前夕。而地球系統(tǒng)科學(xué)將正是這個突破口。當(dāng)然，地球系統(tǒng)科學(xué)并不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)地球科學(xué)各學(xué)科自身的發(fā)展；相反，要求它們能更深入精確地研究和提供地球系統(tǒng)各組元自身的規(guī)律性知識。然而，從研究對象、研究方法、要解決的問題諸方面看，地球系統(tǒng)科學(xué)與傳統(tǒng)地球科學(xué)相比具有許多全新的特色和更高的層次，是20世紀(jì)末和21世紀(jì)最受人們重視的新興科學(xué)之一。

記者：您從事地球系統(tǒng)科學(xué)研究十多年，現(xiàn)在回顧，這一學(xué)科在我國的發(fā)展情況怎樣？

畢思文：我國在20世紀(jì)80年代末期開展了這方面的研究，雖然取得了一些進(jìn)展，但速度不快。氣象學(xué)家葉篤正院士等以地球系統(tǒng)科學(xué)為指南，從整體的角度出發(fā)，從1987年開始開展了中國的全球變化預(yù)研究；地理學(xué)家黃秉維院士等發(fā)表了《論地球系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略科學(xué)基礎(chǔ)研究》的文章，從1995年夏季到1996年春季進(jìn)行了多次研討，并于1996年3月在北京香山組織了一次討論會，探討中國陸地系統(tǒng)科學(xué)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題；遙感地理學(xué)家陳述彭院士發(fā)表了以區(qū)域持續(xù)發(fā)展為宏觀調(diào)控的地球系統(tǒng)科學(xué)與地球信息科學(xué)的文章。2001年8月20～21日，由孫樞院士、陳颙院士和海外地學(xué)學(xué)者在香山以“活動構(gòu)造、環(huán)境與自然災(zāi)害”為主題的第167次香山科學(xué)會議，會議對“活動構(gòu)造與氣候”、“新技術(shù)、新資料與地球系統(tǒng)的新運動”和“活動構(gòu)造與自然災(zāi)害”三個中心議題進(jìn)行了探討。本人自1991年以來，從事地球系統(tǒng)科學(xué)理論探索研究，試圖構(gòu)建地球系統(tǒng)科學(xué)理論體系。到目前為止，發(fā)表論文90余篇，出版專著8部。討論了地球系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究的意義及其內(nèi)涵，并將兩者融為一體進(jìn)行系統(tǒng)研究，初步構(gòu)建了理論體系；同時，還提出地球系統(tǒng)科學(xué)的主體核心內(nèi)容是地球的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，也稱統(tǒng)一構(gòu)造理論（地球系統(tǒng)構(gòu)造學(xué)）；定量研究的切入點是地球系統(tǒng)力學(xué)；結(jié)合地球系統(tǒng)中的資源、環(huán)境和物質(zhì)組成，提出了地球系統(tǒng)物質(zhì)學(xué)，研究了地球系統(tǒng)的復(fù)雜性；面對“數(shù)字地球”概念的提出和挑戰(zhàn)，構(gòu)建了其理論體系框架，提出了地球系統(tǒng)數(shù)字學(xué)；根據(jù)政治多極化、經(jīng)濟全球化，用地球系統(tǒng)科學(xué)的研究思路，開展自然科學(xué)與社會科學(xué)的大跨度學(xué)科交叉研究，提出了系統(tǒng)政治學(xué)。在上述理論研究和論述的基礎(chǔ)上，對人口、資源、環(huán)境、減災(zāi)、經(jīng)濟、社會與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)體系及實施方法等進(jìn)行了多方面探索。同時，還開展了地球系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)用示范研究。主要內(nèi)容有：青藏高原大陸碰撞各圈層統(tǒng)一相互作用和山地系統(tǒng)動力學(xué)的提出。另外，還有一些學(xué)者發(fā)表了有關(guān)地球系統(tǒng)科學(xué)方面的論文和報道。

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)的概念是什么？如何描述？

畢思文：地球系統(tǒng)科學(xué)的概念可按狹義和廣義兩種理解。廣義概念是指地球系統(tǒng)科學(xué)跨越一系列自然科學(xué)與社會科學(xué)。地球系統(tǒng)科學(xué)是把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈和行星系統(tǒng)等組成部分構(gòu)成的統(tǒng)一系統(tǒng)。地球系統(tǒng)科學(xué)是一門重點研究地球各組成部分之間相互作用的科學(xué)，以解釋地球的動力學(xué)、地球的演化和全球變化。其目標(biāo)是：了解整個地球系統(tǒng)的過去、現(xiàn)今及未來的行為。

記者：地球系統(tǒng)過程是什么意思？主要時間尺度有哪些？

畢思文：描述地球上所有過程和變化的動力學(xué)系統(tǒng)將是一個非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)力學(xué)問題，它超出了我們目前的研究能力。因此，實踐中常常對動力學(xué)模式進(jìn)行修改，以便于檢驗?zāi)撤N時間尺度的過程或解決某些特定的問題。為了開拓地球系統(tǒng)動力學(xué)的某些前景，我們可以首先確認(rèn)相關(guān)過程的特征時空尺度。比如，天氣系統(tǒng)或板塊構(gòu)造學(xué)，并將其位置在以時空尺度為坐標(biāo)的圖上標(biāo)示出來。這種圖包括很多地球各學(xué)科研究過的現(xiàn)象：從湍流到地幔對流，從植物的季節(jié)性循環(huán)到地球生命的起源。但是，給出的過程或現(xiàn)象中沒有一個已被充分認(rèn)識，因為我們對其過程的相互作用還沒有足夠的了解。因此，傳統(tǒng)地球科學(xué)的研究工作應(yīng)該繼續(xù)加強。以地球各學(xué)科為基礎(chǔ)的地球系統(tǒng)科學(xué)通過對行星尺度的演化和變化取得廣泛的全球觀念而將各學(xué)科綜合起來，對地球系統(tǒng)科學(xué)最基本的認(rèn)識之一就是這種行星尺度的變化發(fā)生在一個相當(dāng)寬的時間尺度內(nèi)，并受所有時間尺度過程的驅(qū)動或改變。

地球系統(tǒng)科學(xué)研究的主要時間尺度可以用幾百萬年至幾十億年、幾千年至幾十萬年、幾十年至幾百年、幾天至幾個季度、幾秒至幾個小時五個不同的時段來定義。上述時段中的前兩個具有較長的時間尺度，它們包括屬于傳統(tǒng)地球科學(xué)—地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和地球化學(xué)等領(lǐng)域的那些現(xiàn)象；而在大氣科學(xué)、生物學(xué)和海洋學(xué)的研究中，則側(cè)重于后兩個時段；中間時段包含幾十年至幾百年時間尺度的全球變化中直接出現(xiàn)的那些過程和效應(yīng)。生物過程在所有時間尺度內(nèi)發(fā)生，但是發(fā)生在中間時段的過程對于人類社會的利害關(guān)系和規(guī)劃尤為重要。為迎接這一挑戰(zhàn)，地球系統(tǒng)科學(xué)首先應(yīng)融合地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、大氣學(xué)和海洋學(xué)的知識以及地球生物系統(tǒng)的知識，以便認(rèn)識乃至預(yù)報人類生存時間尺度內(nèi)地球系統(tǒng)的演化。因此，這一方法應(yīng)當(dāng)闡明那些共同產(chǎn)生中等時間尺度的行星規(guī)模變化的現(xiàn)象和過程之間的相互作用。然后，將這種新知識納入反映地球作為一個動力學(xué)系統(tǒng)運行的有關(guān)科學(xué)結(jié)構(gòu)中去。最后，還必須用地質(zhì)記錄中的長時間尺度過程的證據(jù)對這一結(jié)構(gòu)的適用性進(jìn)行檢驗。

通過對列舉的過程和現(xiàn)象已有知識的檢驗，我們就能夠確認(rèn)，其中哪些相互作用可能是最重要的，用清晰的模式使這種認(rèn)識定量化，并安排能檢驗許多重要結(jié)論的觀測和實驗。列出的變化因素很多，但可通過將密切地相互作用著的過程和現(xiàn)象組合為子系統(tǒng)，并通過確認(rèn)描述這些組合之間聯(lián)系所需的最低信息量來建立他們之間結(jié)構(gòu)關(guān)系。當(dāng)然，地球系統(tǒng)中的進(jìn)展要比范例復(fù)雜的多。然而，當(dāng)我們開始認(rèn)識地球是如何以全球系統(tǒng)的方式運行時，只有將它所發(fā)生的大事件匯集在一個動力學(xué)系統(tǒng)框架中時，我們才能更清楚地認(rèn)識和預(yù)測未來的某些主要方面。

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)的研究方法是什么？

畢思文：在地球系統(tǒng)科學(xué)的不同層次上以及地球系統(tǒng)科學(xué)的不同學(xué)科分支之間，地球系統(tǒng)科學(xué)的研究方法既有共同點，也有相異之處。下面擬對適用于地球系統(tǒng)科學(xué)不同層次和學(xué)科分支的研究方法作為結(jié)論的簡述。但是，任何科學(xué)方法都有它的哲學(xué)基礎(chǔ)，地球系統(tǒng)科學(xué)方法論的哲學(xué)依據(jù)，歸根到底是唯物辯論法。主要有：還原論方法與整體論方法的結(jié)合，定性描述與定量描述的結(jié)合，局部描述與整體描述的結(jié)合，確定性描述與不確定性描述的結(jié)合，分析方法與綜合方法的結(jié)合，靜力學(xué)描述與動力學(xué)描述的結(jié)合，原型與模型、數(shù)學(xué)模型與計算機模型、理論方法與經(jīng)驗方法的結(jié)合，精確方法與近似方法的結(jié)合等等；這些結(jié)合是地球系統(tǒng)科學(xué)方法論之精髓所在。

記者：您構(gòu)建的地球系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)理論內(nèi)容是什么？

畢思文：本人在地球系統(tǒng)科學(xué)提出的背景、地球系統(tǒng)科學(xué)特征與趨向和地球系統(tǒng)科學(xué)概念與研究方法的基礎(chǔ)上，抽象出了地球系統(tǒng)科學(xué)理論基礎(chǔ)。首先討論以確定性模型描述的動態(tài)地球系統(tǒng)（亦稱動力學(xué)系統(tǒng)），其中又分連續(xù)型與離散型兩種。從地球系統(tǒng)建模的依據(jù)看，有兩種數(shù)學(xué)模型，一種是根據(jù)基本科學(xué)原理建立的，一種是以唯象方法建立的。如何建立地球系統(tǒng)模型不僅需要地球系統(tǒng)科學(xué)知識，更需要研究對象系統(tǒng)所涉及的其他學(xué)科的知識，屬于建模理論研究的課題。地球系統(tǒng)科學(xué)的討論從已經(jīng)有的系統(tǒng)模型開始。一個具體問題，能夠按照哪一種模型描述，就采用相應(yīng)的原理和方法去處理。主要內(nèi)容有：地球系統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)和離散動態(tài)系統(tǒng)；地球系統(tǒng)的隨機性、自組織；地球系統(tǒng)的簡單巨系統(tǒng)和復(fù)雜巨系統(tǒng)。

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)子系統(tǒng)包括哪些內(nèi)容？學(xué)科分支有哪些？

畢思文：地球系統(tǒng)科學(xué)子系統(tǒng)有：行星系統(tǒng)、地核和地幔系統(tǒng)、巖石圈系統(tǒng)、水圈系統(tǒng)、大氣圈系統(tǒng)和生物圈系統(tǒng)。學(xué)科分支有地球系統(tǒng)場理論、地球系統(tǒng)構(gòu)造學(xué)（統(tǒng)一構(gòu)造理論）、地球系統(tǒng)力學(xué)、地球系統(tǒng)復(fù)雜性、地球系統(tǒng)物質(zhì)學(xué)、地球系統(tǒng)觀測學(xué)、數(shù)字地球（地球系統(tǒng)數(shù)字學(xué)）、地球系統(tǒng)行星學(xué)、地球系統(tǒng)陸地學(xué)、地球系統(tǒng)大氣學(xué)、地球系統(tǒng)水文與海洋學(xué)、地球系統(tǒng)生物學(xué)、地球系統(tǒng)工程學(xué)、地球系統(tǒng)資源學(xué)、地球系統(tǒng)環(huán)境學(xué)、地球系統(tǒng)災(zāi)害學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展。

記者：地球系統(tǒng)各圈層相互作用的動力學(xué)模型有哪些？

畢思文：地球系統(tǒng)科學(xué)強調(diào)各圈層相互作用，動力學(xué)模型主要有：

（1）多體地球系統(tǒng)動力學(xué)效應(yīng)

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