NSR社论：圈层动力跨维整合——地球科学的下一个“主旋律”

这一战略判断源于对地球科学发展历史和态势及社会迫切需求的深入分析。过去约一个世纪以来，地球科学的"主旋律"每隔20至30年就会发生一次大变革。20世纪初，冰期旋回理论、莫霍面的发现及大陆漂移假说等，为认识地球环境和内部动力过程开辟了新前沿。20世纪30至40年代，冰期旋回的天文解释取得显著进展，最终导致米兰科维奇理论的诞生，成为地球环境科学的基石。20世纪60至70年代，板块构造理论把地球固体圈层的运动规律研究推向高潮，成为上世纪自然科学的重大突破，极大地推动了矿产资源和灾害等领域的研究。1980年代兴起的全球变化研究旨在攻克地表流体圈层的运动规律，来试图解决人类面临的环境问题，获得了一批前所未有的科学新认识，并重塑了全球经济发展的理念。

然而，今天越来越多的科学家意识到，仅研究地球固体圈层不足以全面解决资源相关问题。许多矿产资源是构造和环境两个四维运动系统相互作用的结果。固体地球的某些关键过程本身也极可能受到气候和生命过程的塑造。同样，仅关注表层流体圈层也无法全面解决环境问题，因为固体地球过程通过控制海陆分布、地形以及深部-表层碳循环等，也显著调节着气候和环境变化。

尤其，人类活动已成为地球系统的重要营力。虽然地质尺度的气候-环境演变多数是缓慢的长尺度过程，而社会尺度的气候环境变化是相对快速的短尺度过程，但二者的整合对理解气候环境变化的机制至关重要，因为环境演变的最终结果源于不同尺度变率的叠加，不同的变率往往驱动因子、过程和机制不同。社会尺度的环境变化往往具有变率小，难识别的特点，只能用来揭示部分过程和机制；而地质尺度的过程由于尺度长，变率大，易于识别，可用来更好地研究一些规律，且许多是短尺度过程与机制的“放大镜”，有助于揭示控制短尺度动力过程的基本规律和机制。

更为重要的是，近期的研究提出环境演变具有显著的“跨尺度效应”（包括降尺度和升尺度），进一步突显了整合不同时间尺度过程以理解与人类相关的环境变化的必要性。换言之，如果我们不能对诸如新生代全球变冷、冰期-间冰期旋回、气候突变等一系列较长尺度的气候系统基本行为给出合理的解释，就意味着我们对整个气候系统的运作机制还缺乏全面深入的理解，也就不易对未来气候环境变化做出准确的预测。

在这种背景下，地球科学界开始强调地球内部运行、地表环境、生命和人类活动的关系。尽管具体研究的侧重点各异，但一个共同的科学目标已经显现：理解从地质尺度到人类尺度上，联系地球各个系统变化的物理、化学、生物和地质过程与机制。虽然美国航空航天局(NASA)在1980年代就提出“地球系统科学”的概念，全球变化研究亦被作为地球系统科学的范式研究，考虑了碳循环的气候系统模式即被称作“地球系统模式”，但许多学者认为，早期的“地球系统”概念主要指地球表层系统；而这种强调地球所有圈层动力关联的研究，才是真正意义的地球系统科学，是未来地球科学面临的新挑战。从这个意义上讲，圈层动力跨维整合是继板块构造和全球变化研究之后地球科学正在兴起的又一个“主旋律”，它极可能是解决气候-环境、资源和灾害问题的新突破口，也可能是地球科学下一个新理论的前景所在。

科学研究的发展并非线性累积的过程，而是通过范式变革来实现的。科学范式主要包括两重内涵，一是科学理念，二是科学方法学体系。就地球科学来讲，圈层动力整合首先需要科学理念的变革。由于过去的板块构造和全球变化研究已分别在地球固体和流体圈层的分时间尺度和分圈层过程整合方面取得了长足进展，打破时空尺度的、穿越固体-流体圈层的“跨维动力整合”就成为未来挑战中的挑战。要实现这种科学理念，地球科学也亟待方法学体系的变革，特别是从单一学科的研究真正转向多学科交叉研究，从定性研究转向定量化研究，从相对独立的数据观测和数值模拟研究转向以关键新数据获取和大数据支撑的“数据-模式驱动的科学方法学体系”的建立。这种转变当然包括人工智能在地球科学中的应用，它有助于推动研究范式变革，支撑地球科学发展，同时也可为推动人工智能本身的进步提供关键的应用场景。

从地球科学目前发展的现状来看，全球尺度的大气-海洋数值模型发展相对成熟。由于过程与机制的复杂性、观察技术和计算能力等限制，固体和深部地球的数值模型仍相对零散。通过发展全方位的新型探测技术及计算能力，在全球尺度上整合和构建深部与固体地球的数值模型，是地球科学一项十分紧迫的阶段性任务。板块驱动机制、冰期的起源、生命与环境的关系等科学难题的解决，都离不开此类大型数值模型的帮助。从更长远的角度看，我们可以预见，在“圈层动力跨维整合”的新时代，哪些国家能真正形成“数据-模式驱动的科学方法学体系”，率先构建出以新数据获取和大数据支撑的、全面耦合地球固体、流体、生命和人类圈层过程的先进数值模型系统，哪些国家就有望成为未来地球科学的引领者和下一个新理论的主要贡献者。为此，“数据-模式驱动的科学方法学体系”的建立，无疑是真正的科学制高点之一。

国家自然科学基金委员会地球科学部的"十五五"十大优先资助领域，正是为迎接地球科学这一新的"主旋律"而提出的。它们包括：（1）地球系统碳循环与水循环；（2）全球变化与自然—社会系统耦合；（3）地球和行星宜居性及生命起源；（4）人类和文明演化与环境；（5）跨圈层物质循环与资源环境；（6）海洋系统演化与跨圈层互馈；（7）新污染物循环与治理；（8）灾害多圈层动力过程与防控，（9）地球系统模式与人工智能技术；（10）面向圈层动力整合的地球观测新方法与新技术。优先领域1-4面向科学前沿，5-8更侧重于国家需求，9-10则聚焦于数据-模型驱动的科学方法学体系的建设。该框架还强调地球科学领域的跨学科人才培养。希望这些跨领域的研究将有助于培育全球地球科学领域的"新学派"，使中国成为该领域的引领者和下一个新理论的主要贡献者，同时满足中国和世界在资源、环境和灾害方面的紧迫知识需求。

Integrating Earth Dynamics Across Dimensions: The Next Main Theme of Earth science Open Access

Zhengtang Guo, Yupeng Yao, Zhe Liu

National Science Review, nwag226,