地球系统科学（1983年NASA提出的概念）

研究简介

地球系统科学是从传统的地球科学脱胎而来的。人类的生活要从环境中获取食物、能源，故必然关心所居住的环境，对所立足的地球产生求知欲，于是逐渐形成了地球科学的各分支，如气象学、海洋学、地理学、地质学、生态学等。然而，它们是对地球的某一组成部分的分门别类的研究。随着研究的深入，形成了各自的研究方法、手段和目的。但是，由于地球的空间广域性，形成它的时间悠久性和组成其要素的复杂性，分门别类的研究尽管有的学科已达定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地认识地球，传统地学面临着挑战。用系统的、多要素相互联系、相互作用的观点去研究、认识地球，越来越为有识之士所倡导。于是，在20世纪80年代中期，特别以美国地球系统科学委员会（Earth System Science Committee）在1988年出版的《地球系统科学》一书为标志的“地球系统科学”思想和概念被明确提出。事实上，本世纪六七十年代在中国兴起的对自然地理各要素进行综合研究的思想，可以看作是（表层）地球系统科学的萌芽。只是后者涉及的范围、领域更广，时间更长，系统的方法和现代技术手段更加先进完善而已。

研究起源

地球系统科学是应人类面临的根本生存环境危机——全球变化的严峻挑战而兴起，在近年诸多高新技术在地学上的应用研究而促进其发展，它反映了现代人类对人－自然界关系的哲学理念。但是，概念尽管已提出，行动却尚有不少困难。首先就是面对这个复杂的开放的巨系统，如何能适时地、多周期地获取系统多参数的海量数据？同时，又如何对海量数据进行整合、集成以及选取合适的参数进行数学建模？模型又如何能适时地检验？如何对全世界成千上万的地学实验室、科研机构、大专院校的科学研究和获取的宝贵数据能进行共享、交换？这些问题均有待解决。地球系统科学又面临困境。幸运的是，地球系统科学由于现代工程技术科学的参与与支持，将出现一场新的技术革命。数字地球就是这场技术革命的集中体现，它有望给地球系统科学带来研究方法，手段的革命性变化。

地球系统科学是以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度，来研究地球系统的整体行为，使得人类能更好地认识自身赖以生存的环境，更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。地球系统科学在现代技术，尤其是空间技术和大型计算机发展后出现，致力于对地球的整体探索。它以地球科学许多分支学科的大跨度交叉渗透，与生命科学、化学、物理学、数学、信息科学以及社会科学的紧密结合为特征。其研究发展的特点为时空尺度大，综合性强，实用空间大，支持有效监测和预测，研究中大量采用高新技术，采集、存储、处理的数据量都极其巨大。

研究现状

地球系统科学的概念最早是由美国国家航空航天局（NASA）于1983年提出的。1980年代中期以来，地球科学发展迅猛，科学家明确提出地球物理过程与生物过程相互作用的观点，进而形成了地球系统的思想。1990年代，这一观点逐渐成为地学界共识，美国、英国、日本等国纷纷制定相关计划，更促使了这一学科蓬勃发展起来。美国已有22所大学将地球系统科学教育纳入课程之内，联合国的《21世纪议程》更将地球科学作为可持续发展战略的科学基础之一。

要解决地球系统科学的一些重大突出问题，将需要有跨过学科边界的有效的和持续的合作。基于这一思想，英国自然环境研究委员会（NERC）于2002年12月提出了一项地球系统科学研究计划——量化并理解地球系统（QUEST）计划，并于2004年7月发布了该计划的科学计划和实施计划。QUEST计划为期6年（2003-2009年），其主要目标是提高对地球系统中大尺度过程及其相互作用的定性和定量理解，特别关注大气、海洋、陆地中的生物、物理和化学过程之间的相互作用以及人类活动与它们之间的复杂关系。QUEST计划主要集中于三个研究主题：现今的碳循环及其与气候和大气化学之间的相互作用；大气成分在冰期-间冰期和更长时间尺度上的自然变化；全球环境变化对资源可持续利用的影响后果。

德国联邦政府教育与研究部和德国科学基金会（DFG）共同策划制定了未来15年（2000-2015年）的超大型研究计划——地球工程学，并已于2000年3月就正式定稿和招标实施。地球工程学是把地球的整体作为研究对象，该计划将有助于从地史时期的发展过程研究中探索地球的未来状况。在这个计划中，进一步明确了地球科学的任务，即与其他科学进行学科间合作，在工业方面为解决紧迫的、与社会发展关系重大的问题和生态问题做出贡献。该计划的研究目标是认识这些过程及其相互变化关系，以及评估人类对于自然平衡和自然循环的影响。

气象学家叶笃正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。2001年1月，中国科学院院长路甬祥把对“地球系统整体行为的集成研究”列为21世纪科学家要面对的第九大挑战。2002年10月，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。自然科学基金委地学部也于2002年3月提出了21世纪初的地球科学战略重点，拟定了“以地球系统各圈层的相互作用为主线，从我国具有优势的前沿领域寻找主攻目标”的优先资助领域战略。

科学理论

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、生物圈和人类社会等组成部分构成的统一系统，是一门重点研究地球各组成部分之间相互作用的科学。研究目的是了解地球系统所涉及的过程，各组成部分之间的联系和相互作用，维持充足的自然资源供给，减轻地质灾害，调节全球环境变化并使危害降到最小，获取在全球尺度上对整个地球系统的科学理解。

地球系统科学的研究步骤由四部分构成：现象的观测和数据的积累；对观测数据进行分析和解释，从物理、化学和生物学的规律出发，建立有关地球过程的定量关系；在前两项的基础上建立概念模型和数学（数值）模型（和实验）；验证模型，并用它对未来的变化趋势进行统计预测和预报。

随机性是复杂地球系统的重要特征之一。若地球系统中一个系统的状态演化可用一个随时间变化的随机变量来描述，则称该系统为一随机过程。自组织是地球系统科学的一个重要概念，它是地球复杂系统演化时出现的一种现象。在地球系统实现空间、时间或功能的结构过程中，如果没有外界的特定干扰，仅是依靠地球系统内部的相互作用来达到的，便可以说地球系统是自组织的。地球系统科学从系统局部与整体的关系出发来研究地球系统，简单地球巨系统是研究的基础和起点，运用地球系统自组织理论来研究简单巨系统，使对这一类地球系统有个基本的认识。

地球系统科学研究的对象是从简单性和简单系统转向复杂性和复杂系统，要求在方法论上实现根本转变。概括地说，凡是不能用还原论方法处理的问题，或者需要用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题，复杂巨系统就是这类问题。因此，在面对复杂的地球系统问题时，总是设法把复杂性简化掉，即把复杂性当作简单性处理。当对象是典型的简单系统，或者属于不够典型的复杂性问题时，这样处理是可行的或近似可行的。这也是地球系统复杂性研究的主要理论基础。

数值计算

地球科学发展的一个趋势是：从对局部的个别学科的研究发展为对整个地球系统及其各部分相互关系影响的研究，从定性的研究发展为对地球动力学过程的定量化研究。先进的新技术使地球科学家获得了空前丰富的观测资料，而对这些资料的处理、分析和深入理解，离不开现代计算科学和技术。

在数值模拟技术方面，日本的地球模拟机（Earth Simulator）计划独树一帜。日本政府为此投入4亿美元研究经费，且有多个大学和研究所的人员长期参与了该项目。该计划已建成了利用并行计算技术模拟三维黏弹性非均匀各向异性介质中地震轮回三维动力学问题的技术平台（GEOFEM）,内含断层本构关系、断层相互作用、地震波在三维黏弹性各向异性介质中传播与破裂发展的动力学问题等，计算能力极强。该计划的实施可以完成强地面运动的模拟和预测，对防震减灾意义重大。

美国、澳大利亚的数值模拟技术也发展很快。澳大利亚政府长期投巨资（近几年已投入近千万美元）资助昆士兰大学以莫拉（P.Mora）教授为首的研究集体，研究开发了微观模拟的格状固体粒子模型地球（LSMearth），现在用该模型已能模拟摩擦、断裂、断层、波动、热作用、水因素等多种与地震有关的现象，在国际上已产生了重要的影响。美国则在高科技方面投巨资研究地球科学，例如，NASA从2003年开始将执行一个固体地球研究虚拟观测（SERVO）八年计划，其海量数据的模拟也令人叹为观止。

相对而言，我国在数值模拟领域内差距较大，而且长期低水平重复，但近年来，我国在与地学计算有关的数值计算技术和应用数值计算的地球科学前沿问题和计算技术硬件上取得了一些进展。例如，联想深腾6800已经在世界超级计算机前500名中排名14，另外在软件研究上也开发了并行有限元程序自动生成系统。但总的来说，国内现代计算技术在地球科学中的应用与世界先进水平还存在差距。

信息获取

地球系统科学的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是3S技术及其集成。3S是遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）的统称。这里所说的集成，是指一种有机的结合，在线的连接、实时的处理和系统的整体性。

航空航天遥感技术

当代遥感技术已能全面覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感可包含可见光、近红外和短波红外区域。热红外遥感的波长可达到8～14毫米，微波遥感观测目标物电磁波的辐射和散射，分被动微波遥感和主动微波遥感，波长范围为1毫米～100厘米。

遥感的高分辨率特点体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面。长线阵CCD成像扫描仪可以达到1～2米的空间分辨率，成像光谱仪的光谱细分可以达到5～6纳米的水平。热红外辐射计的温度分辨率可从0.5开提高到0.3开乃至0.1开。

随着小卫星群计划的推行，可以用多颗小卫星实现每2～3天对地表重复一次采样，获得高分辨率成像光谱仪数据，多波段、多极化方式的雷达卫星，将能解决阴雨多雾情况下的全天候对地观测，通过卫星遥感与机载和车载遥感技术的有机结合，是实现多时相遥感数据获取的有力保证。

遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析过渡，从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。近年来，由于航空遥感具有的快速机动性和高分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面。

地理信息技术

随着数字地球这一概念的提出和人们对它的认识的不断加深，从二维向多维动态以及网络方向发展是地理信息系统发展的主要方向，也是地理信息系统理论发展和诸多领域如资源、环境、城市等的迫切需要。在技术发展方面，一个发展是基于客户端/服务器结构，即用户可在终端上调用服务器上的数据和程序；另一个发展是通过互联网络发展GIS，可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，包括图形和图像，而且可以进行各种地理空间分析，这种发展是通过现代通讯技术使GIS进一步与信息高速公路接轨。利用数据挖掘技术，可以从空间数据库中自动发现规律，用来支持遥感解译自动化和GIS空间分析的智能化。

GPS作为一种全新的现代定位方法，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器的定位。1990年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时(准实时)定位与导航，绝对和相对精度扩展到了米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。

地球系统科学的信息处理和表达

地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件及其变化和过程十分复杂且呈非线性特征，时间和空间的跨度变化大小不等，差别很大，只有利用高速计算机，才有能力来模拟一些不能观测到的现象。利用数据挖掘技术，将能够更好地认识和分析所观测到的海量数据，从中找出规律和知识。科学计算能突破实验和理论科学的限制，建模和模拟可以更加深入地探索所搜集到的有关地球的数据。地球系统科学研究的最新进展对其研究平台和环境提出了更高的要求，网格计算技术的发展及信息化科研环境概念的适时提出是地球系统科学研究解决方案的必然选择。

地球系统科学的信息表达的方式主要有可视化和虚拟现实技术。可视化是实现数字地球与人交互的窗口和工具，没有可视化技术，计算机中的一堆数字是无任何意义的。信息表达的另一个显著技术特点是虚拟现实技术。建立了数字地球以后，用户戴上显示头盔，就可以看见地球从太空中出现，使用用户界面来放大数字图像；随着分辨率的不断提高，将能看见陆地，然后是城市、乡村，最后是私人住房、商店、树木及其他天然和人造景观；若对某个商品感兴趣时，可以进入商店内，欣赏商场内的衣服，并可根据虚拟体型试穿衣服。虚拟现实技术为人类观察自然、欣赏景观、了解实体提供了身临其境的感觉。实际上，人造虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术，近几年的数字摄影测量的发展，已经能够在计算机上建立可供测量的数字虚拟技术。当然，当前的技术是对同一实体拍摄照片，产生视差，从而构造立体模型。进一步的发展是对整个地球进行无缝拼接，任意漫游和放大，由三维数据通过人造视差的方法，构造虚拟立体模型。

数字应用

数字地球是地球系统科学的数字表达，将有利于从对自然现象的描述向定量化方向发展。数字地球是以地球系统为原型，以地球（理）坐标为参考系，以地球系统科学、信息科学和计算科学为理论基础，通过建立一系列不同层次的原型、数学模型、物理模型、力学模型、信息模型和计算机模型并集成。同时，以对地观测和网络高新技术为支撑，建立具有多分辨率、海量数据和多种数据的融合，并可用多媒体和模拟仿真虚拟技术进行多维的表达，具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化的技术系统。以了解整个地球系统所涉及的信息过程，特别关注地球系统各圈层之间信息的联系和相互作用的规律。主要研究内容包括：数字地球提出背景；数字地球研究方法；数字地球原型；地球系统场理论基础；数字地球物质模型；数字地球力学模型；数字地球数学模型；数字地球信息模型；数字地球信息获取技术与模拟；数字地球空间信息基础设施；数字地球技术方法；数字中国与数字工程等。

研究青藏高原的隆升对于环境和人类活动的影响，这是一个涵盖地球科学和生物学诸多分支学科的主题，不同学科可以从各自的学科出发，对这一主题进行论证。在国家实施西部大开发战略的过程中，一切长远的基础设施，如铁路、公路和水利工程、地下资源开发和农林牧业发展及城市建设，都要和生态、环境的保护改善协调进行。我国西部的大部分地区，特别是青藏高原气候寒冷干燥，生态环境脆弱，更要密切注意气候与环境变化的大趋势和人类活动增强对生态和资源的影响。利用地球系统科学研究方法，可以正确地评价这种趋势，预筹适应可持续发展的战略，避免可能出现的不利行为。可以肯定，青藏高原及邻区在21世纪将出现气候环境和灾害的大变化，可能会带来上述涉及内容以外的许多问题，如自然灾害的加重，疾病的流行等；也会带来好处，如作物生长期延长有利于农业的发展等。研究这些问题属于区域性的地球系统工程。因此，青藏高原及邻区是发展地球系统科学，探讨以山地系统为载体、各圈层相互作用最好的天然实验室。

可持续发展的社会需求是多方面、多层次的。地球系统科学作为规划与对策的科学基础应划分为两大层次，即满足可持续发展中面临的紧迫问题的任务研究和远期效应的基础研究。但二者又有许多内在联系，相互促进、不能截然分开。地球系统科学是可持续发展战略的科学基础，不仅要研究自然规律，而且还要为社会发展提出规划依据。实际应用中要加强地球系统工程规划和地球系统管理，争取早日真正解决人口、资源、环境、灾害等与人类可持续发展密切相关的问题，真正实现地球系统科学成为可持续发展战略的科学基础。

研究文献

毕思文.地球系统科学与可持续发展。北京：地质出版社，1998.

毕思文，许强。地球系统科学。北京：科学出版社，2002.

叶笃正。中国的全球变化预研究。北京：气象出版社，1992.

黄秉维,郑度,等.现代自然地理.北京：科学出版社，1999.

陈述彭,曾杉。地球系统科学与地球信息科学.地理研究,1996，15(2):1-10.

毕思文。数字地球（地球系统数字学）.北京：地质出版社，2001.