訪中國科學院遙感應用研究所畢思文研究員

地球系統科學——21世紀地球科學前沿與可持續發展戰略科學基礎

2003年3月，中國科學院院長路甬祥在中國科學院2003年度工作會議上講到“實施科技創新跨越戰略，必須對世界科學技術的整體發展態勢有科學的判斷和宏觀的把握。”報告中再次強調加強地球系統科學研究。2002年10月，國務院總理溫家寶在中國地質學會80周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。

地球系統科學具體內涵如何？它的應用前景怎樣？作為這一領域知名的青年科學家、中國科學院遙感應用研究所研究員畢思文接受了記者的采訪。

記者：地球系統科學提出的背景是什么？有何研究意義？

畢思文：地球是人類賴以生存和發展的物質源泉和環境，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境的影響緊密地聯系在一起。但是，在幾個世代的時間里，人類社會的經濟活動和技術活動卻對全球變化產生了明顯的影響。因此，怎樣對待可持續發展是全世界共同關心的重大問題，也是人類生存與自然的基本矛盾，更是地球科學面臨的挑戰。當前，人類正面臨著一系列前所未有的重大而緊迫的全球環境問題，人口爆炸、土地荒漠化、資源短缺、環境污染加劇、“溫室效應”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。從科學角度看，這些緊迫的環境問題實質上是地球各圈層組成的統一系統，即地球系統各圈層相互作用產生的。可以預見，21世紀將是人類明智地管理和維護地球的新紀元。

政治多極化、經濟全球化是20世紀80年代以來，特別是21世紀的一個重要特征。隨著科學技術創新發展和人類社會的進步，大科學時代的到來，全球化趨勢將是自然科學和社會科學在21世紀的重要發展方向。為此，在研究構建地球系統科學理論時，把地球系統的全球化作為一個基礎內容。主要有：社會活動全球化、經濟全球化、金融全球化、生產全球化、教育全球化、軍事戰爭全球化和管理全球化等。

記者：地球系統科學與傳統地球科學有何區別？

畢思文：地球系統科學是傳統地球科學發展的必然。地球已有46億年的演化歷史。從科學探索的開始，人類就尋求有關地球更多的知識。人類對地球的開發、利用、探索研究活動由來已久。地質學、地理學、氣象學、海洋學和生態學都有悠久的歷史。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行的，形成了各種專門學科，以及帶有各自門類特色的傳統研究方法和知識體系。在10余年前，科學家才普遍認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——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）組成的統一系統，即地球系統來研究。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行為的緊迫環境問題。這樣一種眼界和觀念的轉變，標志著從傳統地球科學觀念向地球系統科學的轉變。這種轉變的實現有雙重背景。一是地球科學各分支深入發展的必然；二是近40余年來空間對地觀測技術和信息科學技術的突飛猛進開闊了人類的眼界，大大提高了人類認識地球的能力，這是向地球系統科學觀念轉變的另一重要背景。

綜上所述，我們既可看到地球科學從傳統地球科學脫胎的印跡，又可以體察到21世紀初期的今天正處于地球科學發生飛躍和突破的前夕。而地球系統科學將正是這個突破口。當然，地球系統科學并不能代替傳統地球科學各學科自身的發展；相反，要求它們能更深入精確地研究和提供地球系統各組元自身的規律性知識。然而，從研究對象、研究方法、要解決的問題諸方面看，地球系統科學與傳統地球科學相比具有許多全新的特色和更高的層次，是20世紀末和21世紀最受人們重視的新興科學之一。

記者：您從事地球系統科學研究十多年，現在回顧，這一學科在我國的發展情況怎樣？

畢思文：我國在20世紀80年代末期開展了這方面的研究，雖然取得了一些進展，但速度不快。氣象學家葉篤正院士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；地理學家黃秉維院士等發表了《論地球系統科學與可持續發展戰略科學基礎研究》的文章，從1995年夏季到1996年春季進行了多次研討，并于1996年3月在北京香山組織了一次討論會，探討中國陸地系統科學與區域可持續發展戰略問題；遙感地理學家陳述彭院士發表了以區域持續發展為宏觀調控的地球系統科學與地球信息科學的文章。2001年8月20～21日，由孫樞院士、陳颙院士和海外地學學者在香山以“活動構造、環境與自然災害”為主題的第167次香山科學會議，會議對“活動構造與氣候”、“新技術、新資料與地球系統的新運動”和“活動構造與自然災害”三個中心議題進行了探討。本人自1991年以來，從事地球系統科學理論探索研究，試圖構建地球系統科學理論體系。到目前為止，發表論文90余篇，出版專著8部。討論了地球系統科學與可持續發展研究的意義及其內涵，并將兩者融為一體進行系統研究，初步構建了理論體系；同時，還提出地球系統科學的主體核心內容是地球的結構和構造，也稱統一構造理論（地球系統構造學）；定量研究的切入點是地球系統力學；結合地球系統中的資源、環境和物質組成，提出了地球系統物質學，研究了地球系統的復雜性；面對“數字地球”概念的提出和挑戰，構建了其理論體系框架，提出了地球系統數字學；根據政治多極化、經濟全球化，用地球系統科學的研究思路，開展自然科學與社會科學的大跨度學科交叉研究，提出了系統政治學。在上述理論研究和論述的基礎上，對人口、資源、環境、減災、經濟、社會與可持續發展的關系，可持續發展的指標體系及實施方法等進行了多方面探索。同時，還開展了地球系統科學應用示范研究。主要內容有：青藏高原大陸碰撞各圈層統一相互作用和山地系統動力學的提出。另外，還有一些學者發表了有關地球系統科學方面的論文和報道。

記者：地球系統科學的概念是什么？如何描述？

畢思文：地球系統科學的概念可按狹義和廣義兩種理解。廣義概念是指地球系統科學跨越一系列自然科學與社會科學。地球系統科學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、生物圈和行星系統等組成部分構成的統一系統。地球系統科學是一門重點研究地球各組成部分之間相互作用的科學，以解釋地球的動力學、地球的演化和全球變化。其目標是：了解整個地球系統的過去、現今及未來的行為。

記者：地球系統過程是什么意思？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系統將是一個非常復雜的數學力學問題，它超出了我們目前的研究能力。因此，實踐中常常對動力學模式進行修改，以便于檢驗某種時間尺度的過程或解決某些特定的問題。為了開拓地球系統動力學的某些前景，我們可以首先確認相關過程的特征時空尺度。比如，天氣系統或板塊構造學，并將其位置在以時空尺度為坐標的圖上標示出來。這種圖包括很多地球各學科研究過的現象：從湍流到地幔對流，從植物的季節性循環到地球生命的起源。但是，給出的過程或現象中沒有一個已被充分認識，因為我們對其過程的相互作用還沒有足夠的了解。因此，傳統地球科學的研究工作應該繼續加強。以地球各學科為基礎的地球系統科學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科綜合起來，對地球系統科學最基本的認識之一就是這種行星尺度的變化發生在一個相當寬的時間尺度內，并受所有時間尺度過程的驅動或改變。

地球系統科學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，它們包括屬于傳統地球科學—地質學、地球物理學和地球化學等領域的那些現象；而在大氣科學、生物學和海洋學的研究中，則側重于后兩個時段；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的那些過程和效應。生物過程在所有時間尺度內發生，但是發生在中間時段的過程對于人類社會的利害關系和規劃尤為重要。為迎接這一挑戰，地球系統科學首先應融合地質學、地理學、大氣學和海洋學的知識以及地球生物系統的知識，以便認識乃至預報人類生存時間尺度內地球系統的演化。因此，這一方法應當闡明那些共同產生中等時間尺度的行星規模變化的現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系統運行的有關科學結構中去。最后，還必須用地質記錄中的長時間尺度過程的證據對這一結構的適用性進行檢驗。

通過對列舉的過程和現象已有知識的檢驗，我們就能夠確認，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識定量化，并安排能檢驗許多重要結論的觀測和實驗。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象組合為子系統，并通過確認描述這些組合之間聯系所需的最低信息量來建立他們之間結構關系。當然，地球系統中的進展要比范例復雜的多。然而，當我們開始認識地球是如何以全球系統的方式運行時，只有將它所發生的大事件匯集在一個動力學系統框架中時，我們才能更清楚地認識和預測未來的某些主要方面。

記者：地球系統科學的研究方法是什么？

畢思文：在地球系統科學的不同層次上以及地球系統科學的不同學科分支之間，地球系統科學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科學不同層次和學科分支的研究方法作為結論的簡述。但是，任何科學方法都有它的哲學基礎，地球系統科學方法論的哲學依據，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合，定性描述與定量描述的結合，局部描述與整體描述的結合，確定性描述與不確定性描述的結合，分析方法與綜合方法的結合，靜力學描述與動力學描述的結合，原型與模型、數學模型與計算機模型、理論方法與經驗方法的結合，精確方法與近似方法的結合等等；這些結合是地球系統科學方法論之精髓所在。

記者：您構建的地球系統科學基礎理論內容是什么？

畢思文：本人在地球系統科學提出的背景、地球系統科學特征與趨向和地球系統科學概念與研究方法的基礎上，抽象出了地球系統科學理論基礎。首先討論以確定性模型描述的動態地球系統（亦稱動力學系統），其中又分連續型與離散型兩種。從地球系統建模的依據看，有兩種數學模型，一種是根據基本科學原理建立的，一種是以唯象方法建立的。如何建立地球系統模型不僅需要地球系統科學知識，更需要研究對象系統所涉及的其他學科的知識，屬于建模理論研究的課題。地球系統科學的討論從已經有的系統模型開始。一個具體問題，能夠按照哪一種模型描述，就采用相應的原理和方法去處理。主要內容有：地球系統的連續動態系統和離散動態系統；地球系統的隨機性、自組織；地球系統的簡單巨系統和復雜巨系統。

記者：地球系統科學子系統包括哪些內容？學科分支有哪些？

畢思文：地球系統科學子系統有：行星系統、地核和地幔系統、巖石圈系統、水圈系統、大氣圈系統和生物圈系統。學科分支有地球系統場理論、地球系統構造學（統一構造理論）、地球系統力學、地球系統復雜性、地球系統物質學、地球系統觀測學、數字地球（地球系統數字學）、地球系統行星學、地球系統陸地學、地球系統大氣學、地球系統水文與海洋學、地球系統生物學、地球系統工程學、地球系統資源學、地球系統環境學、地球系統災害學和地球系統科學與可持續發展。

記者：地球系統各圈層相互作用的動力學模型有哪些？

畢思文：地球系統科學強調各圈層相互作用，動力學模型主要有：

（1）多體地球系統動力學效應

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