原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025年第10 期 《地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展過程與全球變化國際大科學(xué)計劃 》

地球系統(tǒng)科學(xué)是當今世界最具挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一。《科技導(dǎo)報》邀請南京大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士符淙斌，總結(jié)分析了近半個世紀以來，國際科學(xué)理事會（ICSU）主導(dǎo)實施的一系列全球變化國際大科學(xué)計劃，探討了在這些計劃的推動下，地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展過程及其對促進人類社會可持續(xù)發(fā)展的貢獻；指出了中國參與國際大科學(xué)計劃具有提升國際影響力等重要意義，并提出了開辟專門經(jīng)費渠道等具體建議。

被稱為“第二次哥白尼革命”的地球系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展過程。它已經(jīng)成為當今世界最富挑戰(zhàn)的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一，并成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的最重要科技支撐之一。國際科學(xué)理事會（ICSU）的主要任務(wù)是確定未來科學(xué)和社會發(fā)展中面臨的最重要的問題，鼓勵和促進全球科學(xué)家之間的交流與合作，并努力把最新的科學(xué)知識輸送到社會，服務(wù)于人類社會的可持續(xù)發(fā)展。從20世紀80年代以來，我們直接參與了ICSU主導(dǎo)的一系列與地球系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)的全球變化國際大科學(xué)計劃的提出與組織實施及相關(guān)科學(xué)研究工作。我們根據(jù)經(jīng)歷與體會，闡明國際大科學(xué)計劃在地球系統(tǒng)科學(xué)形成和發(fā)展中的重要作用。

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全球環(huán)境問題催生全球變化國際大科學(xué)計劃

20世紀70年代開始，全球氣候變化和環(huán)境問題日益加劇，引起了全社會的高度關(guān)注。1972年，聯(lián)合國首次在斯德哥爾摩（Stockholm）召開了人類環(huán)境大會，會議聚焦于真正國際層面上的環(huán)境問題，并且強調(diào)地球氣候變化對人類的重要影響。

以此為起點，ICSU會同世界氣象組織（WMO）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）等國際組織召開了氣候的物理基礎(chǔ)及其模擬的國際研討會。為時2個星期的會議完成了30多萬字的總結(jié)報告“The physical basis of climate and climate modeling”。這個報告最重要的意義是突破了把氣候僅僅看作大氣問題的傳統(tǒng)認識，第一次提出了“氣候系統(tǒng)”的概念。這是地球科學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的進展。

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世界氣候研究計劃

世界氣候研究計劃（WCRP）是地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展中的第1個全球變化國際大科學(xué)計劃。“物理氣候系統(tǒng)”包括5個物理組成部分，即大氣、海洋、冰雪圈、陸地表面和生物體。很顯然，物理氣候系統(tǒng)的概念尚未形成地球系統(tǒng)圈層的完整概念。同時，它主要集中于地球系統(tǒng)的物理過程，尚未涉及物理過程、

化學(xué)過程和生物過程的相互關(guān)聯(lián)。WCRP的主要目標是確定地球氣候在多大程度上可以預(yù)報，以及人類對地球氣候的影響程度。圍繞這個目標，WCRP確定了3項任務(wù)：

（1）建立時間尺度為1~2個月的天氣異常預(yù)報的物理基礎(chǔ)；

（2）預(yù)測最長為幾年的全球氣候變化；

（3）確定未來幾十年氣候變化的特點，評估地球氣候?qū)ψ匀换蛉祟惖挠绊懀绱髿舛趸紳舛仍黾拥挠绊憽?/p>

WCRP這個大科學(xué)計劃已經(jīng)運行45年了，至今仍在繼續(xù)，為地球氣候的預(yù)測發(fā)揮了重要作用。該計劃還不斷調(diào)整任務(wù)，與隨后實施的全球變化鄰域的大科學(xué)計劃合作，為地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展作出新的貢獻。

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國際地圈?生物圈計劃

國際地圈?生物圈計劃（IGBP）是ICSU組織實施的第2個全球變化領(lǐng)域的國際大科學(xué)計劃。

1984年，ICSU將實施這個大科學(xué)計劃的構(gòu)想提交第20屆大會審議。我們作為大會籌備組成員參與了在莫斯科召開的預(yù)備會，加深了對這個科學(xué)計劃以及ICSU在發(fā)起國際大科學(xué)計劃、推動世界科學(xué)發(fā)展中作用的認識。當年9月24—28日，ICSU第20屆大會在加拿大渥太華召開，全球一大批各學(xué)科的頂尖科學(xué)家出席會議。可以說，這次大會在地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展中是一次十分重要的里程碑式的事件。

在這次大會上，葉篤正和我們提出，全球變化研究優(yōu)先考慮的時間尺度應(yīng)該是幾十年到百年。這是因為：

（1）這個時間長度是直接關(guān)系到當今人類社會可持續(xù)發(fā)展，也是人們最關(guān)心、最容易得到支持的；

（2）時間長度不能太短，要允許地球系統(tǒng)各圈層之間有足夠的時間實現(xiàn)物理、化學(xué)和生物過程之間的相互作用，以及人類社會與它們之間的相互作用。

這個意見受到會議的高度關(guān)注，被寫進IGBP。這個觀點受到與會科學(xué)家，特別是生態(tài)學(xué)家的支持。其后也被后續(xù)的許多研究所證實。

1986年9月，在瑞士Bern召開ICSU的21屆大會上，通過了立即實施IGBP的決定，明確提出：IGBP的目標和任務(wù)是：描述和理解調(diào)節(jié)整個地球系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物交互過程，它為生命提供獨特環(huán)境，該系統(tǒng)中發(fā)生的變化，以及這些變化受人類行為影響的方式。

圍繞地球系統(tǒng)中物理過程與生物地球化學(xué)過程的相互作用這一核心科學(xué)問題，IGBP設(shè)計了8個核心計劃：國際全球大氣化學(xué)研究計劃（IGAC）、全球海洋通量聯(lián)合計劃（JGOFS）、過去全球變化研究計（PAGES）、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)（GCTE）、水分循環(huán)的生物學(xué)問題（BAHC）、海岸帶的海陸相互作用（LOICZ）、全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)（GLOBEC）和土地利用與土地覆蓋變化（LUCC）。同時，設(shè)計了3個支撐計劃，包括：全球分析、解釋與模（GAIM），全球變化分析、研究和培訓(xùn)系統(tǒng)（START）和IGBP數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)（IGBP?DIS）。這個核心計劃后來更名為AIMES（Analysis，Integration and Modeling of the Earth System），直到2007年。這個核心計劃承擔著地球系統(tǒng)科學(xué)問題集成研究的任務(wù)，同WCRP之間建立了很好的合作關(guān)系。

作為IGBP計劃啟動的主要參加國家，在參與IGBP計劃的國際組織和推動工作的同時，我們也積極推動國內(nèi)的工作。先后在國家攀登計劃、國家重點研發(fā)計劃以及國家基金委基礎(chǔ)研究重大項目等框架內(nèi)組織實施了一批全球變化領(lǐng)域的研究項目和國際合作計劃，取得了許多重要成果。

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生物多樣性計劃和國際全球環(huán)境變化人文因素計劃

生物多樣性計劃（Biological Diversity Program，DIVERSITAS）是在1991年由ICSU的環(huán)境問題科學(xué)委員會（SCOPE）、國際生物科學(xué)聯(lián)合會（IUBS）、國際微生物學(xué)會聯(lián)合會（IUMS），以及聯(lián)合國教育、科學(xué)及文化組織（UNESCO）的人和生物圈項目（UNESCO?MAB）共同發(fā)起的，其目的是聯(lián)合生物學(xué)、生態(tài)系和社會科學(xué)，開展與人類社會相關(guān)的研究，推動生物多樣性科學(xué)集成化發(fā)展，為更好認識全球環(huán)境變化影響下，生物多樣性減少問題提供科學(xué)基礎(chǔ)，并為制定生物多樣性保護的政策提供建議。

為了進一步推動、協(xié)調(diào)與全球環(huán)境變化和人類作用相關(guān)的自然科學(xué)和社會科學(xué)的交叉研究活動，1996年，ICSU與國際社會科學(xué)理事會（ISSC）共同發(fā)起實施國際全球環(huán)境變化人文因素計劃（IHDP），其主要任務(wù)是描述、分析和認識人類在全球環(huán)境變化中的作用，更好地規(guī)劃人類在地球系統(tǒng)中的活動，實現(xiàn)人和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。它設(shè)有6個核心科學(xué)計劃：全球環(huán)境變化與人類安全（GECHS）、全球環(huán)境變化的制度因素（IDGCEC）、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型（IT）、海陸帶?陸海相互作用（LOICZ，與IGBP聯(lián)合）、城市化與全球環(huán)境變化（UGEC），以及全球陸地計劃（GLP，與IGBP聯(lián)合）。

這2個計劃進一步加強了地球系統(tǒng)中人類圈和生物圈作用的研究。至此，完整的地球系統(tǒng)的圖像基本構(gòu)成。

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地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟（2001—2010年）

2001年7月，為了總結(jié)全球變化國際大科學(xué)計劃實施以來近19年的研究成果，ICSU在阿姆斯特丹召開了第1次全球變化科學(xué)大會，名稱為“變化地球的挑戰(zhàn)”。會議的主要目的是總結(jié)正在實施的4大計劃的主要研究成果，特別是科學(xué)界關(guān)于自然和人為引起的行星地球變化的最新認識，評估這些變化對人類社會和生活的影響，探索未來的發(fā)展前景，并且提出了涉及政策層面的一系列重大命題。

大會最后發(fā)布了具有重大影響的“全球變化阿姆斯特丹宣言”：要求各國政府、公立和私立的研究機構(gòu)及全世界人民共同努力，建立地球系統(tǒng)管理體系和戰(zhàn)略及相應(yīng)的全球環(huán)境科學(xué)的新系統(tǒng)。

作為實施宣言的一個主要部署是，在正在執(zhí)行的4大科學(xué)計劃的基礎(chǔ)上組建地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟（ESSP）。ESSP的主要目標是在繼續(xù)執(zhí)行原有4大計劃對地球系統(tǒng)運行的基本規(guī)律和機制研究外，實施為全球可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的由4大計劃支持的聯(lián)合計劃：全球碳計劃（GCP）、全球水系統(tǒng)計劃（GWSP）、全球環(huán)境變化與食物系統(tǒng)計劃（GECAFS）和全球環(huán)境變化與人類健康（GECHH）。同時，ESSP還聯(lián)合START共同提出了全球變化區(qū)域集成研究（IRS）計劃。

IRS不同于通常所謂全球變化的區(qū)域問題研究，具有6個特點：

（1）把區(qū)域作為一個整體（holistic entity）來研究，必須是跨學(xué)科邊界的研究，包括自然科學(xué)與社會科學(xué)的邊界；

（2）IRS要為定量認識區(qū)域與全球的關(guān)系，以及預(yù)測這些聯(lián)系的變化后果作貢獻；

（3）要運用觀測試驗，遙感監(jiān)測和數(shù)值模擬等研究手段進行集成研究；

（4）IRS要把過去、現(xiàn)在和未來變化結(jié)合起來；

（5）要為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐；

（6）IRS主要由本區(qū)域的科學(xué)家來推動，并開展全球合作，包括同ESSP各科學(xué)計劃的密切合作。

2002年，基于阿姆斯特丹會議的精神，在葉篤正的支持下，我們向中國科學(xué)院提出了由中國發(fā)起組織季風(fēng)亞洲區(qū)域集成研究（MAIRS）計劃的建議。2003年6月，獲ESSP正式批準。這是地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域第1個由中國科學(xué)家提出并組織實施的國際大科學(xué)計劃。

2006年11月，第2次ESSP全球大會上，我們代表MAIRS介紹了計劃的籌建情況和科學(xué)計劃的核心內(nèi)容，并召開了科學(xué)計劃發(fā)布會。最后，ESSP大會宣言稱：基于區(qū)域問題特殊性的認識，北京會議正式啟動MAIRS，以查明全球變化對該區(qū)域社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)的威脅。除了MAIRS外，亞馬孫河流域大尺度生物圈?大氣圈試驗（LBA）、地中海計劃（ProMed）和非洲季風(fēng)多學(xué)科研究計劃（AMMA）也可以歸屬于這一類計劃。

2004年，MAIRS在北京召開科學(xué)大會，總結(jié)了10余年來科學(xué)計劃取得的進展。2006年，經(jīng)未來地球計劃的評估，MAIRS正式成為該計劃的一個子計劃，簡稱MAIRS?FE。

需要特別指出，由全球變化各大計劃的主席和執(zhí)行主任組成的ESSP科學(xué)委員會，經(jīng)過反復(fù)認真的討論給出了關(guān)于地球系統(tǒng)和地球系統(tǒng)科學(xué)的新的定義。地球系統(tǒng)是由物理、化學(xué)、生物和社會分量、過程和相互作用構(gòu)成的統(tǒng)一體。這些分量、過程和相互作用決定了行星地球（包括生物和人類）的狀態(tài)和動力學(xué)。地球系統(tǒng)科學(xué)就是研究地球系統(tǒng)的科學(xué)，重點是觀測、認識和預(yù)測由陸地、大氣、水、冰、生物圈、社會、技術(shù)和經(jīng)濟的一系列相互作用過程導(dǎo)致的全球環(huán)境的變化。我們認為，這是迄今為止對地球系統(tǒng)和地球系統(tǒng)科學(xué)最確切的定義。

6

未來地球的可持續(xù)發(fā)展研究計劃（2013—）

2008年，ICSU開始研制2012—2017年的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。2010年，ICSU明確提出：地球系統(tǒng)的研究已經(jīng)到達了一個轉(zhuǎn)折點。過去20多年，我們的重點是認識地球系統(tǒng)是如何運行的，以及人類對這個系統(tǒng)的影響。未來10年，全球科學(xué)界必須評估人類社會面對全球變化的挑戰(zhàn)，并且有效地應(yīng)對危險的變化和適應(yīng)那些不可避免的變化。

正是基于這樣的共識，ICSU組織ESSP及下屬各全球變化科學(xué)計劃，以及國際社會科學(xué)聯(lián)盟（ISCSSU）科學(xué)家起草了“未來地球的可持續(xù)發(fā)展研究”，簡稱“未來地球研究計劃”（圖1、圖2）。2011年，在羅馬召開的ICSU第30屆大會的主要任務(wù)之一就是討論并通過這個計劃的科學(xué)報告。2012年，在里約舉行的聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展大會上，該計劃被正式批準實施。迄今這個計劃已經(jīng)執(zhí)行10多年了。

圖1 未來地球計劃與可持續(xù)發(fā)展綜合信息圖

圖2 未來地球計劃實施的基本要素構(gòu)成

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中國參與國際大科學(xué)計劃重要意義及建議

從20世紀70年代末開始，ICSU聯(lián)合多個國際科學(xué)團體，組織實施一系列全球變化國際大科學(xué)計劃，已經(jīng)有半個世紀。ICSU通過組織國際大科學(xué)計劃，推動地球系統(tǒng)科學(xué)的形成與發(fā)展，這反映了ICSU“科學(xué)造福人類社會”的宗旨。

當今世界，制定和實施交叉科學(xué)的重大國際計劃已經(jīng)成為推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一項重要舉措，但是，這些重大科學(xué)計劃往往都由發(fā)達國家的科學(xué)家提出并主持，并通過設(shè)在這些國家的國際項目處（IPO）具體組織實施。近年來，中國科學(xué)家在提出并主持實施國際大科學(xué)計劃方面得到明顯的改善。但是，仍然不能適應(yīng)當今中國科學(xué)技術(shù)事業(yè)的發(fā)展和國際形勢的需要。領(lǐng)銜提出并組織實施國際大科學(xué)計劃將大大提升中國在國際科學(xué)舞臺上的地位，也是對中國科學(xué)家駕馭國際重大科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展方向能力的檢驗。有選擇地在某些優(yōu)勢領(lǐng)域提出并組織實施一批國際重大科學(xué)計劃，是促進中國科學(xué)技術(shù)事業(yè)發(fā)展的一項重大戰(zhàn)略措施。

最后，就中國領(lǐng)銜實施國際大科學(xué)計劃的工作提出5點具體建議：

（1）進一步發(fā)揮中國科學(xué)院和中國工程院作為國家科學(xué)技術(shù)方面最高咨詢機構(gòu)的作用，鼓勵和支持兩院院士中的戰(zhàn)略科學(xué)家，認真分析國際科學(xué)發(fā)展的動向和人類社會發(fā)展面臨的重大需求，凝練相關(guān)的重大科學(xué)問題，聯(lián)合相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外科學(xué)家，共同提出具有戰(zhàn)略意義的大科學(xué)計劃的框架設(shè)想，并組織可行性研究。

（2）國家科技發(fā)展的主管部門，如科技部和國家自然科學(xué)基金委員會等，開辟專門經(jīng)費渠道，支持國際大科學(xué)計劃的預(yù)研究。

（3）中國科協(xié)要通過國際科學(xué)理事會及相關(guān)的學(xué)術(shù)團體，為中國科學(xué)家領(lǐng)銜提出和實施國際大科學(xué)計劃提供暢通的國際合作渠道。

（4）一旦計劃被國際科學(xué)理事會批準，國家要為項目實施提供符合國際標準的服務(wù)，例如，在中國設(shè)立國際項目辦公室，聘用外籍科學(xué)家參與項目的管理工作，并提供相應(yīng)的運行經(jīng)費等。

（5）同國際科學(xué)理事會一起，爭取國際財團和各類基金組織及各國政府對項目研究經(jīng)費的支持。

本文作者：符淙斌

作者簡介：符淙斌，南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院教授，中國科學(xué)院院士，研究方向為氣候和全球變化。

文章來 源 ： 符淙斌. 地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展過程與全球變化國際大科學(xué)計劃[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(10): 15-22 .

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