访中国科学院遥感应用研究所毕思文研究员

地球系统科学——21世纪地球科学前沿与可持续发展战略科学基础

2003年3月，中国科学院院长路甬祥在中国科学院2003年度工作会议上讲到“实施科技创新跨越战略，必须对世界科学技术的整体发展态势有科学的判断和宏观的把握。”报告中再次强调加强地球系统科学研究。2002年10月，国务院总理温家宝在中国地质学会80周年纪念大会上讲话时也强调，必须实现“传统地质工作向以‘地球系统科学’为核心内容的现代地质工作”的转变。

地球系统科学具体内涵如何？它的应用前景怎样？作为这一领域知名的青年科学家、中国科学院遥感应用研究所研究员毕思文接受了记者的采访。

记者：地球系统科学提出的背景是什么？有何研究意义？

毕思文：地球是人类赖以生存和发展的物质源泉和环境，因此人类总是把自己的命运与地球的演变和太阳等行星对地球环境的影响紧密地联系在一起。但是，在几个世代的时间里，人类社会的经济活动和技术活动却对全球变化产生了明显的影响。因此，怎样对待可持续发展是全世界共同关心的重大问题，也是人类生存与自然的基本矛盾，更是地球科学面临的挑战。当前，人类正面临着一系列前所未有的重大而紧迫的全球环境问题，人口爆炸、土地荒漠化、资源短缺、环境污染加剧、“温室效应”与全球变暖、臭氧屏蔽的破坏、森林锐减和物种加速灭绝、淡水资源短缺等成为人们的热门话题。从科学角度看，这些紧迫的环境问题实质上是地球各圈层组成的统一系统，即地球系统各圈层相互作用产生的。可以预见，21世纪将是人类明智地管理和维护地球的新纪元。

政治多极化、经济全球化是20世纪80年代以来，特别是21世纪的一个重要特征。随着科学技术创新发展和人类社会的进步，大科学时代的到来，全球化趋势将是自然科学和社会科学在21世纪的重要发展方向。为此，在研究构建地球系统科学理论时，把地球系统的全球化作为一个基础内容。主要有：社会活动全球化、经济全球化、金融全球化、生产全球化、教育全球化、军事战争全球化和管理全球化等。

记者：地球系统科学与传统地球科学有何区别？

毕思文：地球系统科学是传统地球科学发展的必然。地球已有46亿年的演化历史。从科学探索的开始，人类就寻求有关地球更多的知识。人类对地球的开发、利用、探索研究活动由来已久。地质学、地理学、气象学、海洋学和生态学都有悠久的历史。然而，迄今对地球的研究多是针对地球的某一组成部分分门别类地进行的，形成了各种专门学科，以及带有各自门类特色的传统研究方法和知识体系。在10余年前，科学家才普遍认识到必须把地球作为一个由相互作用着的各个组元或子系统——主要是地核、地幔、土壤-岩石圈、大气圈、水圈和生物圈（包括人类社会）组成的统一系统，即地球系统来研究。只有如此才能真正深化对地球的研究，也只有如此才能回答人类所面临的一系列地球系统行为的紧迫环境问题。这样一种眼界和观念的转变，标志着从传统地球科学观念向地球系统科学的转变。这种转变的实现有双重背景。一是地球科学各分支深入发展的必然；二是近40余年来空间对地观测技术和信息科学技术的突飞猛进开阔了人类的眼界，大大提高了人类认识地球的能力，这是向地球系统科学观念转变的另一重要背景。

综上所述，我们既可看到地球科学从传统地球科学脱胎的印迹，又可以体察到21世纪初期的今天正处于地球科学发生飞跃和突破的前夕。而地球系统科学将正是这个突破口。当然，地球系统科学并不能代替传统地球科学各学科自身的发展；相反，要求它们能更深入精确地研究和提供地球系统各组元自身的规律性知识。然而，从研究对象、研究方法、要解决的问题诸方面看，地球系统科学与传统地球科学相比具有许多全新的特色和更高的层次，是20世纪末和21世纪最受人们重视的新兴科学之一。

记者：您从事地球系统科学研究十多年，现在回顾，这一学科在我国的发展情况怎样？

毕思文：我国在20世纪80年代末期开展了这方面的研究，虽然取得了一些进展，但速度不快。气象学家叶笃正院士等以地球系统科学为指南，从整体的角度出发，从1987年开始开展了中国的全球变化预研究；地理学家黄秉维院士等发表了《论地球系统科学与可持续发展战略科学基础研究》的文章，从1995年夏季到1996年春季进行了多次研讨，并于1996年3月在北京香山组织了一次讨论会，探讨中国陆地系统科学与区域可持续发展战略问题；遥感地理学家陈述彭院士发表了以区域持续发展为宏观调控的地球系统科学与地球信息科学的文章。2001年8月20～21日，由孙枢院士、陈颙院士和海外地学学者在香山以“活动构造、环境与自然灾害”为主题的第167次香山科学会议，会议对“活动构造与气候”、“新技术、新资料与地球系统的新运动”和“活动构造与自然灾害”三个中心议题进行了探讨。本人自1991年以来，从事地球系统科学理论探索研究，试图构建地球系统科学理论体系。到目前为止，发表论文90余篇，出版专著8部。讨论了地球系统科学与可持续发展研究的意义及其内涵，并将两者融为一体进行系统研究，初步构建了理论体系；同时，还提出地球系统科学的主体核心内容是地球的结构和构造，也称统一构造理论（地球系统构造学）；定量研究的切入点是地球系统力学；结合地球系统中的资源、环境和物质组成，提出了地球系统物质学，研究了地球系统的复杂性；面对“数字地球”概念的提出和挑战，构建了其理论体系框架，提出了地球系统数字学；根据政治多极化、经济全球化，用地球系统科学的研究思路，开展自然科学与社会科学的大跨度学科交叉研究，提出了系统政治学。在上述理论研究和论述的基础上，对人口、资源、环境、减灾、经济、社会与可持续发展的关系，可持续发展的指标体系及实施方法等进行了多方面探索。同时，还开展了地球系统科学应用示范研究。主要内容有：青藏高原大陆碰撞各圈层统一相互作用和山地系统动力学的提出。另外，还有一些学者发表了有关地球系统科学方面的论文和报道。

记者：地球系统科学的概念是什么？如何描述？

毕思文：地球系统科学的概念可按狭义和广义两种理解。广义概念是指地球系统科学跨越一系列自然科学与社会科学。地球系统科学是把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈和行星系统等组成部分构成的统一系统。地球系统科学是一门重点研究地球各组成部分之间相互作用的科学，以解释地球的动力学、地球的演化和全球变化。其目标是：了解整个地球系统的过去、现今及未来的行为。

记者：地球系统过程是什么意思？主要时间尺度有哪些？

毕思文：描述地球上所有过程和变化的动力学系统将是一个非常复杂的数学力学问题，它超出了我们目前的研究能力。因此，实践中常常对动力学模式进行修改，以便于检验某种时间尺度的过程或解决某些特定的问题。为了开拓地球系统动力学的某些前景，我们可以首先确认相关过程的特征时空尺度。比如，天气系统或板块构造学，并将其位置在以时空尺度为坐标的图上标示出来。这种图包括很多地球各学科研究过的现象：从湍流到地幔对流，从植物的季节性循环到地球生命的起源。但是，给出的过程或现象中没有一个已被充分认识，因为我们对其过程的相互作用还没有足够的了解。因此，传统地球科学的研究工作应该继续加强。以地球各学科为基础的地球系统科学通过对行星尺度的演化和变化取得广泛的全球观念而将各学科综合起来，对地球系统科学最基本的认识之一就是这种行星尺度的变化发生在一个相当宽的时间尺度内，并受所有时间尺度过程的驱动或改变。

地球系统科学研究的主要时间尺度可以用几百万年至几十亿年、几千年至几十万年、几十年至几百年、几天至几个季度、几秒至几个小时五个不同的时段来定义。上述时段中的前两个具有较长的时间尺度，它们包括属于传统地球科学—地质学、地球物理学和地球化学等领域的那些现象；而在大气科学、生物学和海洋学的研究中，则侧重于后两个时段；中间时段包含几十年至几百年时间尺度的全球变化中直接出现的那些过程和效应。生物过程在所有时间尺度内发生，但是发生在中间时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要。为迎接这一挑战，地球系统科学首先应融合地质学、地理学、大气学和海洋学的知识以及地球生物系统的知识，以便认识乃至预报人类生存时间尺度内地球系统的演化。因此，这一方法应当阐明那些共同产生中等时间尺度的行星规模变化的现象和过程之间的相互作用。然后，将这种新知识纳入反映地球作为一个动力学系统运行的有关科学结构中去。最后，还必须用地质记录中的长时间尺度过程的证据对这一结构的适用性进行检验。

通过对列举的过程和现象已有知识的检验，我们就能够确认，其中哪些相互作用可能是最重要的，用清晰的模式使这种认识定量化，并安排能检验许多重要结论的观测和实验。列出的变化因素很多，但可通过将密切地相互作用着的过程和现象组合为子系统，并通过确认描述这些组合之间联系所需的最低信息量来建立他们之间结构关系。当然，地球系统中的进展要比范例复杂的多。然而，当我们开始认识地球是如何以全球系统的方式运行时，只有将它所发生的大事件汇集在一个动力学系统框架中时，我们才能更清楚地认识和预测未来的某些主要方面。

记者：地球系统科学的研究方法是什么？

毕思文：在地球系统科学的不同层次上以及地球系统科学的不同学科分支之间，地球系统科学的研究方法既有共同点，也有相异之处。下面拟对适用于地球系统科学不同层次和学科分支的研究方法作为结论的简述。但是，任何科学方法都有它的哲学基础，地球系统科学方法论的哲学依据，归根到底是唯物辩论法。主要有：还原论方法与整体论方法的结合，定性描述与定量描述的结合，局部描述与整体描述的结合，确定性描述与不确定性描述的结合，分析方法与综合方法的结合，静力学描述与动力学描述的结合，原型与模型、数学模型与计算机模型、理论方法与经验方法的结合，精确方法与近似方法的结合等等；这些结合是地球系统科学方法论之精髓所在。

记者：您构建的地球系统科学基础理论内容是什么？

毕思文：本人在地球系统科学提出的背景、地球系统科学特征与趋向和地球系统科学概念与研究方法的基础上，抽象出了地球系统科学理论基础。首先讨论以确定性模型描述的动态地球系统（亦称动力学系统），其中又分连续型与离散型两种。从地球系统建模的依据看，有两种数学模型，一种是根据基本科学原理建立的，一种是以唯象方法建立的。如何建立地球系统模型不仅需要地球系统科学知识，更需要研究对象系统所涉及的其他学科的知识，属于建模理论研究的课题。地球系统科学的讨论从已经有的系统模型开始。一个具体问题，能够按照哪一种模型描述，就采用相应的原理和方法去处理。主要内容有：地球系统的连续动态系统和离散动态系统；地球系统的随机性、自组织；地球系统的简单巨系统和复杂巨系统。

记者：地球系统科学子系统包括哪些内容？学科分支有哪些？

毕思文：地球系统科学子系统有：行星系统、地核和地幔系统、岩石圈系统、水圈系统、大气圈系统和生物圈系统。学科分支有地球系统场理论、地球系统构造学（统一构造理论）、地球系统力学、地球系统复杂性、地球系统物质学、地球系统观测学、数字地球（地球系统数字学）、地球系统行星学、地球系统陆地学、地球系统大气学、地球系统水文与海洋学、地球系统生物学、地球系统工程学、地球系统资源学、地球系统环境学、地球系统灾害学和地球系统科学与可持续发展。

记者：地球系统各圈层相互作用的动力学模型有哪些？

毕思文：地球系统科学强调各圈层相互作用，动力学模型主要有：

（1）多体地球系统动力学效应

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