浅谈固体地球科学与地球系统科学

地球科学在20世纪的诸多进展中,对后来科学发展具有深远影响的基本认识之一是地球演化的行为具有整体性,其不同的圈层确实通过多种途径相互作用,且人类活动已成为地球演化的重要营力之一。这些认识导致地球系统科学思想的产生和发展,并使不同圈层相互作用的过程和机理、人与环境的相互作用研究成为21世纪基础科学研究的前沿。地球系统科学强调地球不同圈层、不同单元相互作用的整体性和关联性,因而科学研究必须从"整体地球系统"的视野出发,但研究过程又必须从关键区域入手。我国是地球系统科学研究的关键地区之一,未来研究应立足地域优势和特色,攻克全球性重大科学问题,解决社会对地球科学的知识需求。     

环境地质学的发展与挑战

人类只有一个地球，奋起拯救地球和地球上包括人类自己在内的生物———对环境和环境保护意识的觉醒，是人类２０世纪对可持续发展的一个伟大贡献。其中，地质科学对人类可持续发展理念的形成功不可没。地质科学是研究地球系统的科学，历来与人类社会的生存和发展密切联系在一起。传统的地质科学注重研究地球的形成及其演化历史，在满足不断前进的社会经济发展对矿产资源需求的同时，自身也得到了发展。地质学家弄清楚了地球已经有４５亿年的历史；认识到地球是一个动态的、完整的系统。地质科学在研究地球演化历史时，总要研究生物的进化过…     

地球系统科学的发展与展望

简要回顾了地球系统科学从20世纪80年代作为人类迎接全球环境问题的挑战而提出的集成研究方法、到逐步成长为一门新兴学科的发展历程，系统阐述了地球系统科学的研究目标、研究对象、研究方法及所关注的科学问题。地球系统科学是一门连接地球科学、生命科学、计算机和对地观测技术以及其它相关科学的一门新兴的交叉学科。由于它所针对的特定的全球性环境问题，关系到社会的可持续发展和人类的切身利益，因此，它也是一门有极强生命力的科学。     

迎接地球科学的春天

在2001年3月九届全国人大四次会议上,朱镕基总理的报告和大会通过的“十五”国民经济建设规划纲要中将地球科学与基因、信息、纳米、生物学科一起,作为我国着重加强的重点科学领域。作为一个地学工作者,我深受教育和鼓舞,深感责任的重大,也意识到地学这门古老而又常青的学科又迎来了欣欣向荣的春天。 　　1　地球科学是解决资源、环境、灾害等问题的科学支柱 　　在刚刚进入21世纪之际,中国共产党和全国人民高瞻远瞩,突出地强调了地学的重要地位,这是有深刻时代背景的。20世纪70年代以来,能源、水资源、矿产资源、环境、灾害等问题日益突出,成为关系人类社会安全和能否持续发展的重大问题。而它们又都是地球各层圈相互作用以及人地相互作用的结果,都是地球科学研究的基本内容。面对全球性的资源和环境状况的日益紧张,人们已清醒地认识到,经济、社会要想实现可持续发展,就必须认真记取人类社会历史中的经验教训,尊重自然规律,爱护大自然,善待地球,保持良好生态环境,合理开发利用资源,实现人类与地球的谐合永续发展。地球科学是人类认识、利用、改造、保护我们目前惟一生存环境——地球的基础科学。地学无论在环境与资源的关系中,还是在资源、环境与社会、经济可持续发展的关系中,都起到重要的纽带作用。地学将架起人类通向可持续发展的“桥梁”。     

21世纪固体地球科学的发展趋势

20世纪地球科学以及相关领域的飞速发展，不仅使人类成功地解决了人类社会进步和经济发展所需的资源问题，同时也给整个人类提出了环境与可持续发展的问题。进入21世纪，作为解决上述问题的主要科学——地球科学正面临着前所未有的发展机遇和严峻挑战。围绕人类社会面临韵全球性危机和可持续发展地球观，地球科学领域将出现一系列崭新的前沿问题。这些前沿问题是本世纪固体地球科学有待研究的重大问题。     

国际地球科学发展态势

从学科发展的角度综述了20世纪80年代以来地球科学研究在思维方式、研究对象的时空尺度、研究内容、研究形式、组织形式、信息交流、方法手段等方面所发生的深刻变化，指出地球科学已经进入地球系统科学时代和为人类社会经济可持续发展服务的时代。进入21世纪，地球科学研究的主要趋向、热点与重点问题是：①突出地球系统科学，关注全球变化与地球各圈层相互作用及其变化的研究，以及人类活动引发的重大环境变化研究；②突出地球演化的动力过程研究，关注地球内部深层过程与岩石圈动力学、气候系统动力学与气候预测、生态系统动力学与生态环境的保护和建设；③突出地球信息科学，关注数字地球、3S（GIS、DIS和GPS）一体化和地球科学定量化的研究趋势；④突出地球管理科学，关注减灾防灾、环境保护治理、资源合理开发利用以及碳循环、水资源、食物与纤维、能源战略等问题；⑤突出地球科学跨学科研究进展与创新，关注经济社会发展对地球科学的影响与需求，重视地球科学在自然科学内部与其他学科的交叉融合以及高新技术在地球科学中的应用。     

地球科学与社会：全球综述

如果人类要长期继续生存和繁荣，必需了解支持人类需求的地球和它的能力。地球科学的任务是认识地球，进行推断，从而达到规划人类社会的目的。推动地球活动的内因是其内部的对流作用，外因是太阳能，固体地球、水圈、大气圈与生物圈形成了全球循环系统。固体地球科学委员会注重的主要研究课题包括：１．地球内部动力学；２．岩石圈的形成和演化；３．大陆动力学；４．生物的多样性和灭绝；５．活动的行星：地质灾害；６．地质历史中的全球环境与变化；７．持续的能源与矿产资源；８．了解人类与地球的相互作用与运用这些知识于社会。人类社会是地球循环的一部分，它从地球中提取资源，把废料又送回地球内，它破坏地球的自然保护圈。对于全球的认识将可指导人类社会减少对地球的流体层与土壤这个保护圈的野蛮性破坏。因此，地球科学是社会的一个好的测试器。     

21世纪地球科学的发展展望与我国地球科学的发展对策

一、固体地球科学是系统性的科学 地球科学即固体地球科学是人类社会研究自身所居住的地球的一门科学。地球科学为人类社会的生存和发展、文明与进步作出了巨大的贡献,尤其是过去的1/4世纪中,各门科学的飞速发展、认识和突破更新以及研究手段和技     

技术支撑与地球系统科学

技术支撑与地球系统科学毕思文（中国地质科学院地质力学研究所,北京,１０００８１）仅在１０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、生物圈（包括人类社会）组成的统一系统,即...     

跨世纪的中国地球科学

１发展之中的地球科学地球科学是历史最为悠久的科学分支之一,也是最早引入中国的现代科学之一。作为一门已有数百年历史的科学分支,地球科学在今天的发展状况,是每一个关注地球科学进展的人都十分感兴趣的问题。从某种意义上说,对这个问题的认识,决定着我们如何把握...     

Tracking provenance of earth science data

Tremendous volumes of data have been captured, archived and analyzed. Sensors, algorithms and processing systems for transforming and analyzing the data are evolving over time. Web Portals and Services can create transient data sets on-demand. Data are transferred from organization to organization with additional transformations at every stage. Provenance in this context refers to the source of data and a record of the process that led to its current state. It encompasses the documentation of a variety of artifacts related to particular data. Provenance is important for understanding and using scientific datasets, and critical for independent confirmation of scientific results. Managing provenance throughout scientific data processing has gained interest lately and there are a variety of approaches. Large scale scientific datasets consisting of thousands to millions of individual data files and processes offer particular challenges. This paper uses the analogy of art history provenance to explore some of the concerns of applying provenance tracking to earth science data. It also illustrates some of the provenance issues with examples drawn from the Ozone Monitoring Instrument (OMI) Data Processing System (OMIDAPS) (Tilmes et al. 2004) run at NASA’s Goddard Space Flight Center by the first author.     

A model for earth science data structures designed to promote generalization of earth science data processing systems

During the past 15 years earth science survey data compilation has gradually changed from a manual process to one almost entirely computer automated. Computer methods were at first an optional means for improvement of the speed and efficiency of certain phases of the work. They eventually became mandatory as in-flight digital acquisition devices were introduced and rates of data acquisition increased to the point where manual methods became totally inadequate. As a consequence of the phased replacement of manual systems with digital ones, and the pressing need to avoid interruptions to the work, the resulting software is highly specialized. Software systems are incompatible between different organizations compiling the same kind of data and even between systems for different kinds of data within one organization. The result is wastage of manpower in maintaining, learning to use, and improving the great variety of existing systems, and wastage of man and computer time in converting data to a form compatible with the peculiarities of each particular system. Comparative analysis of highly specialized compilation systems form several different earth science disciplines reveals that processes do exist at the fundamental level which are generally applicable to a range of disciplines. Hence a generalized compilation system capable of eradicating the problems inherent in multiple specialized systems is at least conceptually feasible. The most serious obstacle to its realization however, is the diversity of data content and structure among the various disciplines. To surmount this obstacle, a system with a great degree of physical and logical independence of data from software will be necessary. Existing methods of achieving such independence within data base management systems are found to be largely inapplicable to earth science survey compilation, the principle reasons being the very large quantities of data involved and significant differences between the data retrieval requirements of compilation systems and data base management systems. It is found that, although the data contents and structures vary greatly between the various compilation systems examined, a general abstract model can be constructed which adequately represents all of them and which incorporates the means for achievement of data independence. The logical data structures of current data base management systems are based variously on relational calculus, set theory, and graph theory. The compilation data structure model is based on simple algebra with the addition of some components of vector algebra. It is further found that simple algebraic manipulation of the model expressions faith-fully simulates the actual data manipulation processes which are applied by the various compilation systems. Furthermore, unlike the logical models of the data base management systems, the logical structure of the compilation data model also represents the actual physical structure exhibited by the data in its most common, sequential form.     

对地球系统科学的几点认识

人口增长与经济发展使世界面临环境和资源问题的巨大压力,如何建设一个富裕、健康、安全而可持续发展的社会,不仅引起各国政府的密切关注,也是当代自然科学和社会科学交叉的热点,更是地球科学的前沿科学问题。近20年来,国内外地球科学领域众多科学家广泛投入了由国际地圈生物圈计划     

On the misuse of regression in earth science

Simple least-squares regression analysis is applied to almost all empirical curve-fitting problems in earth science (and related fields). Its use, however, should be restricted to predictive situations. For comparisons with theory or among fitted lines, the related technique termed functional analysisshould be employed. To apply this method, the ratio of the random components of the variances of the variables must be estimated. Principles are illustrated with examples from geomorphometry, especially the stream frequency-drainage density relation.     

A mathematical framework for earth science data provenance tracing

This paper identifies three distinct data production paradigms for Earth science data, each having its own versioning structure:

虚拟现实技术及其在地球科学中的应用

虚拟现实技术以其具有的沉浸感、交互性、实时性、构想性等特点而越来越为广大地学工作者所关注。本文首先介绍了虚拟现实系统的组成,之后综述了近几年国内外地球科学部分领域应用虚拟现实技术的研究文献。与传统方法相比,虚拟现实技术在很大程度上提高了科学研究的效率,能提供更丰富的可视化和交互环境,使科学家能够操纵多达GB甚至TB级数据,以一种身临其境方式来对研究对象进行观察、分析和实时操作,而无需科研人员到达现场。通过虚拟现实系统,能将尽可能多学科的数据放到同一个环境下,增强科研人员研究问题的深度和广度,避免得出错误结论。同时能重塑不可再生资源,避免了在科学研究的同时对其造成的破坏,有助于科学知识在公众中的传播。与西方发达国家相比,我国的（沉浸式）虚拟现实技术在地学领域的应用还处在起步阶段,在拥有大量高精度LiDAR地形数据的活动构造等领域亟待引入该项技术,以一种全新的视野来重新审视地球科学研究,并推动该学科在未来的发展。     

Geography (or geographers) and earth system science

A response to Pitman’s recent arguments regarding a perceived invasion of geographers’ territory within the academic division of labour by earth system science. Geography is not the grand synthesiser, the only discipline which can explain the big picture, and arrogant claims that it is are counter-productive, both within and outwith the discipline. Geographers should just get on with what they are doing—well.     

数字地球及其对地震科学的影响

本文综述和探讨了数字地球概念的起源、内涵及其相关的关键技术,以及数字地球对地震科学发展的作用和影响。