地球科学“十一五”发展战略 - 图文

地球科学“十一五”发展战略

（2005年12月15日）

1. 前言

探索地球形成与演化规律，利用地球资源，减轻自然灾害，优化环境质量，促进人与自然的和谐发展是当代地球科学的主要任务。地球是一个复杂的巨系统，对其产生、形成和演化规律的探索存在很大的不确定性。一方面，一些重大科学发现往往缘于科学家本人的好奇心及对科学奥秘的孜孜不倦的追求，创新的思维和一些偶然因素。因此，重大科学发现不能一概通过规划和预测产生。另一方面，地球科学的发展有其内在规律，从某种意义上讲也是可以进行规划和预测的。但地球科学战略规划的重点不是确定具体的研究题目，而是要凝练出“源头”科学问题，明确重大战略研究方向，提出重要的保证措施，包括营造良好的科研环境，建立有效的管理机制，制定人才培养计划等。对一些有丰厚科学积累、可望取得突破的研究方向和研究领域，可以通过有计划、有目的地开展多学科联合研究，鼓励有创新思维的科学家，通过脚踏实地的工作和不懈努力，最终取得突破。这种突破性的进展往往出现在多学科交叉领域或在一些综合性的重大疑难科学问题上。此外，自由探索是实现地球科学重大突破的前期铺垫，是凝炼重大战略方向的基础。反过来，重大战略研究方向又会提出新的探索方向，形成新的生长点，新的生长点经过突破后，会形成更高层次上的重大战略研究方向。

依据上述认识和发达国家的经验，地球科学基础研究的发展战略包括两个方面：一是自由探索，它既是凝炼重大科学问题的基础，也是规划地球科学发展的关键。拟将主要经费（约占总经费65%）按学科分类，通过量大、面广的自由申请项目给予稳定支持，推动各学科领域的创新性研究、学科的纵深发展和新兴学科的布局。二是优先发展领域和重要方向，它是地球科学基础研究的战略性选择。对于那些已经有了基本认识，能够根据科学规律和经验做出规划，并预示着有重要科学价值和将有重要突破的科学问题，进行前瞻性部署，设立优先资助领域，通过指南宏观指导下的自由申请给予支持（约占总经费的20%），来推动和加快相关领域的发展，逐渐形成若干在世界上具有重要影响的主流方向和科学学派，带动地球科学的整体发展，推动人类社会经济的进步。 1.1地球科学的内涵

地球科学是人类认识地球的一门基础科学。它以地球系统及其组成部分为研究对象，探究发生在其中的各种现象、过程及过程之间相互作用机理、变化及其因果关系等，以提高对地球的认识水平，并利用获取的知识为解决人类生存与可持续发展中的资源供给、环境保护、减轻灾害等重大问题提供科学依据与技术支撑。人类对地球奥秘的探索精神，社会经济发展对资源利用、以及生活质量的提高对环境保护和自然灾害防治的日益增长的巨大需求，始终是地球科学发展的驱动力。

1.2 指导思想与基本思路

制定地球科学“十一五”发展战略的指导思想是：坚持以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，全面落实科学发展观，准确把握战略定位，支持基础研究，坚持自由探索，发挥导向作用；坚持“尊重科学，发扬民主，提倡竞争，促进合作，激励创新，引领未来”的战略方针，尊重科学发展规律，重视科学的长远价值，把握好点和面的辩证关系，在提高整体水平的同时，力争在若干领域与发达国家并驾齐驱；以《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》为指导，坚持稳定支持和超前部署相结合，坚持科学推动和需求牵引相结合，以科学问题为导向，鼓励学科交叉，努力推进地球科学理论创新。

地球科学“十一五”发展战略的基本思路是：在研究地球科学发展的趋势和特点、我国地球科学研究的现状、分析发展机遇的基础上，明确地球科学学科发展战略，凝练引领未来发展的优先研究领域和重要研究方向。 2．地球科学的发展态势与特点

2.1 地球科学的发展态势与机遇

2.1.1当代地球科学发展处于重大战略转变时期

回顾地球科学的发展历程，不难发现，地球科学经历了两个重要的发展阶段。20世纪初地球科学是一门定性描述地球现象的科学。第一个发展阶段，大约从20世纪30年代开始，由于数、理、化等基础科学的发展以及声、光、电探测技术在地球科学中的应用，使得长期注重定性的、宏观整体的地球科学走向更加关注定量的分支学科的发展，并诞生了一批冠以数学、物理、化学名称的分支学科，如地球物理、地质力学、地球化学、大气物理学、数值天气预报、大气化学、物理海洋学、海洋化学等，做出了一批具有里程碑意义的工作，如：1915年提出大陆漂移假说，1920年创立米兰柯维奇冰期间冰期旋回理论，1948年开始进行数值天气预报，1957年国际地球物理年和空间时代的开始，1960年首次获得地球的卫星影象图，板块构造理论得到公认，1971年确认地月系统年龄为45亿年，1977年在海底扩张中心发现厌养生物， 70年代发现“臭氧洞”，并确认催化循环可导致平流层臭氧破坏等等。其中，板块构造理论被认为是20世纪最伟大的科学成就之一，其意义可以与量子力学相提并论。

第二个发展阶段，大约从20世纪80年代开始，由于全球性环境问题的挑战，人类对地观测能力（全球立体观测网络的建立）、地球深部探测能力和海洋观测能力的提高，计算机技术的发展及其对全球海量信息的处理和传递能力的提高，以及系统科学、非线性科学、复杂性科学的创建和发展，导致了一门以全球环境变化、特别是以人类诱发的全球变化为研究对象，描述和理解地球系统整体行为、相互作用的物理、化学和生物过程的集成研究方法—-地球系统科学，催生了一批引领地球科学向着更高层次、定量的整体地球科学（即现代地球科学）方向发展的重大国际科学计划，如国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、全球变化的人文因素（IHDP）、生物多样性计划（DIVERSITAS）等等。地球作为“整体”、“系统”的概念得

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到极大的增强，现代地球科学的各分支学科以前所未有的速度向前推进，各分支学科的交叉与

国际地圈生物圈计划Ⅱ(IGBPⅡ) 由国际地科联理事会(ICSU)发起的“国际地圈生物圈计划：全球变化研究”(IGBP)从2003年开始进入第二个10年研究阶段，其研究的重点为全球生物地球化学。在第一个10年研究阶段，IGBP有11个核心项目。这11个核心项目是：全球变化与陆地生态系统(GCTE)、水循环的生物圈方面(BAHC)、全球大洋通量联合研究(JGOFS)、海岸带陆海相互作用(LOICZ)、过去全球变化研究(PAGES)、国际全球大气化学(IGAC)、全球海洋生态系统动力学(GLOBEC)、土地利用与土地覆盖变化(LUCC)、全球分析解释与建模(GAIM)、IGBP的数据与信息系统（IGBP-DIS）和全球变化的分析研究和培训系统(START)。 为了迎接更加综合的“地球系统科学”的挑战，IGBPⅡ的计划结构由原来的11个核心项目发展为由6个核心项目和2个集成研究项目组成的新的框架结构。IGBPⅡ的6个核心项目集中在研究地球系统的3个组成部分——海洋、陆地和大气以及它们之间的界面。6个核心项目是IGACⅡ，GLP(全球陆地项目)，由GLOBEC & IMBER(综合海洋生物地球化学与生态系统研究)合作实施的海洋项目，LOICZⅡ，ILEAPS(综合陆地生态系统与大气过程研究) ,SOLAS(表层海洋－低层大气研究)。IGBPⅡ的2个集成研究项目——过去全球变化研究（PAGES）和地球系统的分析解释与建模（AIMES）集中于研究整个地球系统从过去到未来的变化。不同项目之间的合作研究将成为IGBPⅡ的主要特征。 为强化对全球变化的综合研究，由ICSU发起的“全球环境变化”(GEC) 计划的4大研究计划——国际地圈生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)、全球环境变化的国际人文因素计划(IHDP)、生物多样性计划(DIVERSITAR)——联合成立了“地球系统科学合作伙伴”(ESSP)，并推动了全球可持续性的4大联合研究计划: “全球碳计划”(GCP)、“全球环境变化与食物系统”(GECAFS)、“全球水系统计划”(GWSP)和“全球环境变化与人类健康”(GECHH)。联合研究计划的目的是建立与社会直接相关的全球变化研究议程，特别是与人类可持续发展密切相关的4个根本性的问题：碳/能、食物、水和健康，理解这些系统中人类驱动的变化对地球系统功能的影响。因此，联合计划直接阐述全球变化与全球可持续性问题之间的双向相互作用。 “全球碳计划”(GCP)研究的3个科学主题是：①格局与变率；②过程与相互作用；③碳循环的管理。 “全球环境变化与食物系统”(GECAFS) 研究的3个科学主题是：①脆弱性与影响:全球环境变化对食物供应的影响；②适应性--全球环境变化与加强食物供应的选择；③反馈——变化的食物系统的环境与社会经济后果。 “全球水系统计划”(GWSP)的3个主要科学主题是：①由于变化的人类活动(如水利用、水管理、土地利用等)和环境因素(如气候的变率和变化)导致的全球水系统全球范围变化的幅度有多大；②人类活动影响全球水系统的主要机理是什么？③全球水系统对全球变化的弹性如何？全球水系统的适应性如何，水管理系统和生态系统应对水问题的能力如何(特别是当水问题与诸如生物多样性损失或经济贫困的进一步挑战一起出现时)？ “全球环境变化与人类健康”(GECHH)，处于早期发展阶段，其目的是更好的理解全球变化(包括气候变化、土地和海洋利用变化、全球生物多样性损失和变化、全球社会经济变化)与人类健康的多维和复杂联系。 融合已成为必然。

在过去的10年，对地球系统的研究取得了重大的突破。其中最为重要的成果之一，就是我们认识到地球系统的变化幅度已经超越了至少过去50万年的自然变率范围。目前，全球环境

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系统正在同时发生的这些变化的本质、变化的幅度和速率，在我们人类的历史上，甚至可能对整个地球的历史来说，都是前所未有的。目前正在发生的这些变化，实际上是人与自然之间关系的变化。它们虽然发生的时间不长，但是其影响却很深远。而且，有很多变化正在加速进行中。这些变化对全球环境产生级联效应，目前还难以被认识，且通常无法预测，很多时候会突然发生。如果这种状况持续下去，我们的地球最终将会变为一个不适合人类和其他生命生存的星球。

近年来，地球科学研究揭示了20年前几乎没有预测出的、影响深远的一系列发现：地球内部缓慢的作用与海洋和大气系统的较快运动之间存在着令人惊奇的耦合关系。例如，大洋盆地外形的微细变化深深地影响着大洋的环流；构造作用的波动会影响二氧化碳循环发生混乱；火山爆发的频度和地震机制与地幔流体的动力学相关联；海洋和地幔间的流体循环肯定影响着火山活动的特性，甚至可能是板块构造活动的媒介。因此，搞不清这些复杂的相互作用，对全球性的各种现象就不可能准确地预测。近年来，由于人们已揭示和掌握了厄尔尼诺与异常气候之间关系等各种现象之间的部分相互作用，使人们对厄尔尼诺现象的预测获得了成功。

鉴于这种情况，美国国家研究理事会（National Research Council，1998）在总结20世纪后30年地球科学的进展时，强调“我们对地球单一层圈的了解比较深入，但对不同层圈的相互作用了解较少，特别是将地球作为一个系统的整体行为知之甚少”。 “地球系统的过程”(Earth system process)、“地球系统的联系”(Earth system linkage)、“地球系统的演化”(Earth system Evolution)，成为21世纪初地球科学重要的发展前沿。对于过程研究主要集中在两个时间尺度上：一个是十至百年的时间尺度，另一个是几千年到几万年的时间尺度。前一个时间尺度主要研究人们赖以生存的地球系统中快速变化系统的变化规律及人类活动对地球环境的影响，提高人们对未来几十年到百年尺度地球环境变化的预报预测能力，为社会和环境协调发展提供科学依据。后一个时间尺度以研究地球系统的形成、演化为主攻目标。地球系统之间的相互作用，实际上是地球各系统之间的界面相互作用。因此，近年来，地球系统内部的各种界面过程日益成为地球科学研究的焦点或核心领域之一。

地球科学将从人-地关系的角度研究环境的变化及其对资源的效应，为人类社会与自然协调发展提出科学原理和方法。其中地球各层圈结构、组成和相互作用，以及人类作为地球营力的作用研究，保护生态与环境将成为地球科学各学科共同的前沿。地球系统整体研究成为地球科学解决全球环境和资源问题的科学基础，地球科学研究将进入一个进行科学预测和调控人类生存环境变化的时代。

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美国国家研究理事会 《地球科学基础研究的机遇》战略报告要点 美国国家研究理事会于2001年发表题为《地球科学基础研究的机遇》的战略报告，该报告提出了地球科学基础研究的6个方面的机遇： （1）“临界带”（Critical Zone）的综合研究 ● 地球碳循环及其与全球气候变化的关系； ● 矿物风化、土壤形成、自然资源聚集及营养物质和有毒物质活化中微生物作用研 究；

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● 陆地－海洋界面的动力学； ● 构造作用与大气作用通过火山、降水、河流、冰川和侵蚀作用等相耦合； ● 地质记录的形成。 （2）地质生物学 ● 生物出现前的分子、生命起源和早期演化； ● 生物和环境对物种多样性的控制； ● 生物、群落和生态系统对环境扰动的反应； ● 生物、生态系统和环境之间的生物地球化学作用与循环； ● 自然和人为的环境变化对地球可居住性的影响。 （3）地球和行星物质研究 ● 生物成矿作用； ● 对火星、彗星和星际空间的地外样品的研究； ● 超高压（兆兆帕）研究； ● 岩石中非线性相互作用和界面现象 ● 超微相（nanophase）和界面； ● 量子和分子理论在矿物及其界面研究中的应用； ● 粒状介质研究。 （4）大陆研究 ● 活动变形的机制； ● 流体在化学、热力、磁力和力学过程中的作用； ● 下地壳的性质； ● 大陆岩石圈的深部结构。 （5）地球深部内层研究 ● 固态地幔对流的复杂时控流动型式； ● 地幔对流运转和相互作用及地球历史时期的地核发动机； ● 电磁场的产生； ● 内核的形成和演化及其在地核发动机中的作用。 （6）行星科学 ● 其他行星行为与地球内部的地质、地球物理作用 ● 太阳系早期演化的物理和化学记录 ● 地外样冯品中独特的化学信息和同位素信息

综合大洋钻探计划(IODP) IODP以地球系统科学思想为指导，计划打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化过程，为国际学术界构筑起21世纪地球系统科学研究的平台，同时为深海新资源的勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。综合大洋钻探计划是继深海钻探计划(DSDP，1968～1983)、大洋钻探计划(ODP，1985～2003)之后，于2003年10月开始实施的规模更大，科学目标更具挑战性的大洋钻探10年计划(2003～2013年)，该计划包括3大科学主题及相应的8个领域： (1)深部生物圈和洋底下的海洋。 优先研究领域：①各种地质背景中洋底下的海洋；②深部生物圈；③天然气水合物。 (2)环境的变化、过程和影响。 优先研究领域：①环境变化的内部驱动。②环境变化的外部驱动。③内外部驱动共同引起的环境变化。 (3)固体地球循环与地球动力学。 优先研究领域：①裂解大陆边缘、大洋大火成岩省(LIPs)与大洋岩石圈的形成。②大洋岩石圈向深部地幔的循环与地壳的形成。 2.1.2地球科学前沿研究以高新技术为先导

为适应地球科学的发展趋势，强调地球是一个复杂的系统，地球的演化与过程具有整体性，其所有的组成要素处在共同作用之中,需要采用高度交叉、整合的研究思路。在执行战略方面，要以高新技术为先导，促进多学科交叉与融合。例如，美国国家科学基金会的“地球探测计划”（Earthscope）是一个以高新技术为先导、多学科综合研究计划，其目的是增进对北美大陆岩石圈三维结构和地震灾害的了解。该计划部署了四种新型观测设备：（1）美国地震阵列（USArray），将显著提高美国及其毗邻地区下面大陆岩石圈和深部地幔的地震图像的分辨率。（2）圣安德烈斯断裂深部观测站（SAFOD），将直接从断裂带物质（岩石和流体）中取样，测定断裂带的各种性质，并监测深部蠕变和地震活动断裂。（3）板块边界观测站（PBO），将对沿太平洋-北美板块边界的变形所导致的三维应变场进行研究。（4）合成孔径干涉雷达（InSAR），将在广大的地理区域内进行空间上连续的周期性应变测量。InSAR图像是对PBO连续GPS点测量的一种补充。通过上述四种设备的观测，调查美国地下岩石圈和地幔结构和演化，并探讨可能对地质灾害的影响。这是一项典型的调查与科研相结合、多种方法联合攻关的科学研究计划。

综合大洋钻探计划(2003-2013年)以地球系统科学思想为指导，计划打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化过程（专栏）。该计划也是一项以技术为先导，观测与研究相结合的大科学计划。

高新技术与地球科学前沿融为一体，相互影响、相互促进，使当代许多高新技术在地球科学研究中具有更广阔的用武之地，引发更多的科学发现。在组织形式上，设立多学科参与的研究计划和研究中心，力图在更高层次上开展多学科交叉、整合研究。过去50年地球科学的发展

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史也表明，大型科学计划体现了不同时期地球科学发展的前沿和主流方向,引领着地球科学及相关科学的发展。如:由WCRP、IGBP、IHDP和DIVERSITAS四大计划组成的地球系统合作伙伴（ESSP）、国际岩石圈计划、美国的大陆动力学计划、欧洲探测计划、综合大洋钻探计划（IODP）、国际洋中脊计划（InterRidge）、国际大陆边缘计划（InterMargins）等。

2.2地球科学的特点

2.2.1 当代地球科学研究具有明显的大科学特征。地球科学作为基础科学，其研究对象是极其复杂的行星地球。基于理解地球系统的过去、现今和未来及其可居住性的研究带来的挑战超出了单一和传统学科的能力范围。地球科学的发展需要数学、物理、化学、天文学、生物学和技术科学的理论、方法和现代技术的支持。而地球科学的诸多研究又带动着其他基础科学的发展，比如缘于大气科学的非线性研究、为了认识地球深部的高温高压模拟实验研究、以及始于矿物超导特性的研究，都逐渐发展成为当今科学的前沿领域。基于现代科学技术的迅猛发展趋势，使地球科学研究具有明显的大科学特征。具体表现为：第一，地球科学涉猎的是复杂的、多时空尺度的基本地球过程及其相互作用。其时间尺度从几秒钟的地震活动到几十亿年的地球演化；空间尺度从矿物微区研究到全球环境变化。第二，基本地球过程的研究依赖于海量科学数据，地球科学是数据密集型的科学，因而更加重视应用现代观测、探测、实验和信息技术对基本科学数据的系统采集、积累与分析。第三，地球科学前沿研究与高新技术发展融为一体，重大科学问题的解决需要跨学科的持续、有效的联合研究，使一系列针对地球科学难题的大型研究计划应运而生。

2.2.2地球科学的研究前沿日益拓展，地球的整体观、系统观已成为共识。资源、生态与环境问题的综合性和复杂性，使地球科学研究必须立足于全球，从地球的整体观、系统观和多时空尺度上，认识发生在地球系统及各圈层中的物理、化学、生物过程及其相互作用。以全球环境变化为例，深入的研究使大家愈来愈认识到地球的大气圈、水圈（含冰雪圈）、生物圈、岩石圈、地幔和地核是一个密切联系而又相互作用的整体。通过了解地球系统的整体行为，了解地球系统过去、现在状态，以预测地球系统未来的变化趋势。地球科学的思维和方法论正在从局部观向整体观拓展，由线性思维走向复杂性思维，从注重分析转变为分析与综合集成相结合。

2.2.3学科交叉与综合集成和协同研究是地球科学取得突破的有效途径。实践证明，研究复杂的地球过程及其重大的资源、环境、灾害问题，并非单一学科和传统的概念与手段所能完成。在许多重要的交叉点上蕴含着更多的突破机会、新的生长点和解决途径，要求加强学科间的交叉、渗透和综合集成，同时，研究群体和基地的作用日益突出。近年来，国际科学界推出了科学计划间的“合作伙伴关系”（Partnership），“交叉项目”（Inter-Project）和“交叉计划”（Inter-Programme）等科学组织形式和活动，促进了地球科学的突破。地球科学的重大科学成就，无一不是学科交叉、综合集成和协同研究的结果。

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不同学科的交叉与融合，不是学科间的简单拼凑，而是针对重大的地球科学问题，发挥不同学科各自优势，通过对各学科的信息进行有效的综合、集成，建立地球系统作用与过程的模型，实现地球系统研究的重大突破。

2.2.4以高新技术手段，实现对地球系统进行观测和模拟。在地球系统科学与全球变化研究的方法论中，从原始数据采集到数据分析评价和解释判断，再到概念模型的建立和验证，每一环节都与现代高新技术尤其是空间信息技术的应用密不可分。以遥感、地理信息系统和全球卫星定位技术为代表的高技术在地球科学中的广泛应用，使地球科学研究进入了一个综合模型研究时代，不仅大大提高了地学研究取得第一性资料的质量、效率，而且促进一些新思想和新理论的诞生。

以地、空、天基相结合的多时空、多手段、全方位的立体观测平台已成为地球科学获取全球信息的主要途径，实现了对地球系统全方位的观测和探测；现代计算机技术和虚拟已成为地球系统过程演化和预测的重要手段；外场大型科学试验既是建立地球系统模型的基础，又是对模型进行验证的重要保证。

3．我国地球科学研究的现状

3.1进展与优势

地球科学在我国是一个发展最早的自然科学分支学科之一，也是最早引入中国的近现代科学之一。20世纪初，近代地理学、地质学和气象学首先在我国植根。

半个世纪以来，中国地球科学及各分支学科得到迅速发展，中国地球科学事业从小到大，形成了学科门类齐全和较为完备的教育体系和科研体系，拥有一支相当规模的科研队伍，不仅可以依靠自己的力量解决国家经济社会发展中所面临的有关地球科学特别是资源环境问题，为中华民族的独立自强和快速发展提供了宝贵的科学与技术支撑，取得了基于我国独特地域环境与自然现象的一系列理论成就，而且为世界地球科学的发展做出了重要贡献。

从北京人的发现到早期生命演化研究，从东亚大气环流的提出到气候动力学与预测研究，从陆相生油理论的建立到中国石油工业的崛起，从168个矿种的查明到矿产资源的大规模勘探，从地震波正、反演理论到地震灾害预测，从青藏高原研究到东海大陆科学钻探工程的实施，从一系列地学图件编制到数字地球框架的建立和地球空间信息技术的应用与发展，都是地球科学发展的突出成就。

近20年来，我国在地球科学前沿研究方面又取得了一系列具有重要国际影响的突破性进展。如：著名地质学家刘东生领导的黄土与第四纪研究，建立了黄土成因的“新风成说”，重建了成为迄今全球唯一完整的陆地沉积记录的整个第四纪时期（过去250万年以来）环境变化的记录，被2002年度“泰勒环境科学成就奖”评委会评价为“开启了中国风成黄土沉积的天书”；

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通过典型黄土剖面的研究提出了第四纪环境演化的“多旋回学说”，取代了国际上经典的四次冰期理论，从而为黄土沉积作为与深海沉积和极地冰心并列的全球环境变化的三大国际对比标准之一奠定了基础，因此而获得2002年度国际“泰勒环境科学成就奖”和2003年度“国家最高科学技术奖”。著名大气科学家叶笃正先生提出了被国际气象学界誉为长波理论的三个里程碑之一的“大气长波能量频散理论”；开创了青藏高原气象学研究，指出青藏高原在夏季是大气的一个巨大热源、在冬季是冷源，深入研究了夏季青藏高原热源及其对东亚大气环流的影响和对西风急流的分流作用；创立了东亚大气环流和季节突变理论以及大气运动的风场和气压场的适应尺度理论，积极参加国际地圈生物圈计划（IGBP）的建立和科学规划工作，积极组织并领导中国开展气候变化的研究，取得了一系列重要贡献，从而荣获第48届“世界气象组织奖”和2005年度“国家最高科学技术奖”。澄江动物群的发现与寒武纪生物大爆发研究在动物软体化石解剖生物学、功能形态学、系统分类学和进化生物学方面的研究达到了世界先进水平，被列入20世纪最令人惊奇的发现之一，获2003年度国家自然科学奖一等奖，标志着我国在地球早期生命演化领域的许多方面处在国际发展前沿。热河生物群和鸟类起源的研究为鸟类的恐龙起源学说提供了最新最重要的证据，在国际科学界产生了重要影响。这些都标志着我国地球科学研究在国家基础科学研究中占有十分重要的地位和影响。

与此同时，在许多大型国际科学计划中，我国科学家从最初的一般参与到逐步成为核心项目的首席科学家或负责人。如IGBP计划中的极地-赤道-极地过去全球变化断面研究项目（PEP-II/PAGES），全球变化与陆地生态系统样带研究（TRANSECT/GCTE），地球系统科学伙伴组织（ESSP）中的季风亚洲区域集成研究项目（MAIRS），大洋钻探计划（ODP）的184航次等均由我国科学家主持或担任首席科学家。在国际学术组织任职的科学家明显增多，特别是部分中青年科学家开始在国际科学组织中崭露头角，并担任重要职务。可见，我国地球科学的发展，已引起国际科学界的关注。

我国具有著称于世界的、独特的自然条件，开展地球科学研究的地域优势明显，环太平洋、中亚、特提斯三个造山带在中国境内汇聚，决定了中国大陆岩石圈结构的复杂性和在全球地质演化中的重要意义。中国的地史记录之完整和丰富，在世界上是少有的；从地球动力学过程来看，中国大陆各陆块一直处在运动和相互作用中，从诸多方面为研究当代地球动力学过程提供了实例，成为具有全球意义的得天独厚的野外研究实验室。漫长演化历史与复杂的动力学过程造就了地貌单元的多元性与全球代表性。我国拥有青藏高原、黄土高原、岩溶高原、高山峡谷区、丘陵区、广阔的陆架海、边缘海及横穿多地貌单元的河流。多样化的地质地貌类型、土壤类型和气候条件形成了多样化的生态系统，包括森林、草原、荒漠、湿地、海洋和海岸海岛自然生态系统，以及多种多样的农田生态系统。

我国位于地球环境变化速率最大的亚洲季风区，东临太平洋，发育着宽阔的陆架海和典型的边缘海，海-陆-气之间的物质、能量循环具有全球意义，已成为当前世界气候研究的一个关键地区。我国气候的南北分带与区域垂直分带在世界上具有典型性，青藏高原对我国以及东亚

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的气候格局有着重要的控制作用，也是影响全球大气环流和气候演变的重要因素。

中国人口众多，是世界上最大的发展中国家。改革开放以来，经济快速发展，国家对基础科学研究的投入逐年增长，建设创新性国家的战略部署使基础科学的发展处于关键的战略机遇期。随着全面建设小康社会和工业化进程的推进，经济社会发展对能源和各种资源的需求日益快速增长，同时环境污染问题和资源瓶颈约束问题日益突出；随着经济总量的扩大和财富的积累，自然灾害频繁发生，造成的损失也越来越巨大。解决上述问题的紧迫性为地球科学的发展提出了严峻挑战，也提供了重要机遇。我国拥有一批活跃在国际学术界的科研队伍，部分领域已与国际同步，这些都是我国开展地球科学研究的学术资源优势。

3.2问题与差距

正确对待、客观分析我国地球科学研究存在的问题与差距有助于加快我国从地学大国向地学强国的转变。我们应在比较中寻找差距，在差距中明确发展战略，在战略中谋求发展。

中国是一个地学大国，主要表现在地球科学的学科门类比较齐全，高等教育体系比较完备，有一支相当规模的科研队伍，依靠自己的力量基本上可以解决国家经济建设和社会发展中所面临的资源环境问题。但中国目前还不是一个地学强国，主要表现在各学科的发展很不平衡，只有上述学科领域处于国际先进和领先水平；学术研究的思路创新不够，提出和开拓新的研究领域的能力不足；学术研究的理论创新不够，许多学术研究的国际影响力不大；真正活跃在国际学术舞台、具有国际影响的一流科学家不多，占据国际学术领导地位的学术大师更是缺乏。成为地学强国，就是要不但能够依靠自己的力量解决国家经济社会发展所面临的资源、环境、自然灾害等方面的重大和现实科学问题，而且要在研究思路创新、科学理论创新、技术方法创新等方面对国际地球科学的发展做出显著贡献，在国际地球科学的发展中占据显著的地位。中国成为地学强国，是国家的需要；中国成为地学强国，也是完全可能的。

3.2.1地球科学基础理论原创性研究不够，多数研究成果缺乏带动性，整体水平有待提高 我国具有独特的自然条件，这是地球科学理论创新研究的优势。从全球背景来看，越是体现中国区域特色的研究，越能取得具有国际影响的高水平成果。然而，这种独特的地学研究的自然区位优势目前并没有充分发挥出来。我国的地学研究仍然存在所谓“三多三少”的现象，即证明西方学者提出的假说和理论的研究多，提出我国自己的假说和理论少；单一学科封闭式研究多，真正意义上的多学科交叉与综合集成研究少；模仿性研究多，独创性的成果少。多数成果缺乏先导性，在国际上缺乏影响力。

3.2.2高新技术应用与开发不足，未能及时有效地吸纳相关基础科学的新成果 地球科学前沿研究必须以高新技术为依托，通过新方法和新技术的应用，不断产生新的数据和新的信息，进而形成新的地球科学理论。高新技术的迅猛发展及其在地球科学中的广泛应用，正在引起地球科学的革命，使地球科学的研究范围向“宏观更宏，微观更微”扩展，逐渐形成了地球科学“上天、入地、下海”的态势。现代地球科学前沿研究以高新技术为先导，以

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调查、探测和观测为基础。然而，我国地球科学前沿研究高新技术应用与开发不够，先进技术手段（包括硬件和软件）主要从国外引进，很大程度上受国外的牵制。对于全球性、区域性的研究，缺乏基于现代技术的、与国际接轨的长期观测站，严重地制约着我国地球科学的发展。现代科学飞速发展，基础科学如数学、物理、化学和生命科学等学科不断取得新的成就，为地球科学研究提供新的理论、思路和方法。然而，我国地球科学研究并未能及时、有效地吸收现代基础科学的最新成果，因而难以实现地球科学的跨越式发展。

3.2.3具有世界影响力的一流科学家匮乏，有影响力的地学机构较少，真正介入国际科学研究计划的科学家也较少

基础研究的成果是一个国家科学水平的象征。基础研究的国际竞争是永恒的主题，并且愈加激烈。过去10年，我国地球科学虽然取得了一批具有国际影响的研究成果，但总体影响力有限。

中科院资源环境科学信息中心对美国科学信息研究所（ISI）的基本科学指标（ESI）数据库2005年9月1日公布的数据的分析表明，1995年1月1日至2005年6月30日，在地球科学领域（Geosciences），全球SCI论文共224,805篇，共被引用1,684,579次，篇均被引7.49次，被引频次最高的一篇论文由美国科学家完成，发表在1996年的《Bulletin of the American Meteorological Society》上，共被引用3374次。中国学者发表的论文收录数为10404篇，居全球第9位（发文数量前15位的国家和地区依次为：美国、英格兰、法国、德国、俄罗斯、加拿大、日本、澳大利亚、中国、意大利、印度、荷兰、西班牙、瑞士、瑞典），总被引频次为42897次，居第12位（总被引频次前15位的国家和地区依次为：美国、英格兰、德国、法国、加拿大、澳大利亚、日本、意大利、荷兰、瑞士、俄罗斯、中国、瑞典、挪威、西班牙），而篇均被引频次为4.12次，居第72位。在环境/生态学领域（Environment / Ecology），全球SCI论文共197,587，共被引用1,506,351次，篇均被引频次为7.52次，被引频次最高的一篇论文由英美科学家合作完成，发表在2000年的《Nature》上，共被引用800次。中国学者发表的论文收录数为5603篇，居全球第11位（发文数量前15位的国家和地区依次为：美国、加拿大、英格兰、德国、澳大利亚、法国、日本、西班牙、瑞典、荷兰、中国、意大利、印度、芬兰、苏格兰），总被引频次为19648次，居第19位（被引频次前20位的国家和地区依次为：美国、英格兰、加拿大、德国、澳大利亚、法国、瑞典、荷兰、西班牙、日本、瑞士、丹麦、苏格兰、意大利、芬兰、挪威、新西兰、比利时、中国、巴西），篇均被引频次为3.51次，居第82位。

人才是基础研究的根本。美国科学信息研究所（ISI）2001年公布的研究结果表明，过去20年，国际地学领域（Geosciences）有重要影响的246名著名科学家主要分布在以美国为主的10个西方发达国家，其中美国占70%。环境/生态学领域（Environment / Ecology）有重要影响的246名著名科学家主要分布在以美国为主的19个国家，其中美国占67%。

上述分析还表明，1995年1月1日至2005年6月30日在地学领域（Geosciences）论文被

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引频次居前1%的研究机构共有336个。其中，在发文量（成果产出）最多的前40个机构中，美国占23个，澳大利亚、德国、法国、俄罗斯、加拿大、日本各2个，中国（中国科学院）、荷兰、瑞士、意大利、英国各1个。在环境/生态学领域（Environment / Ecology），论文被引频次居前1%的研究机构共有382个。其中，在发文量最多的40个机构中，美国有24个，加拿大5个，法国、瑞典各2个，中国（中国科学院）、英国、澳大利亚、俄罗斯、芬兰、墨西哥、西班牙各1个。在国际地学、环境/生态学领域中，美国是国际地学、环境/生态学领域拥有著名研究人员占绝对多数和拥有著名研究机构数量占绝对多数的国家。中国在拥有著名科学家的数量、著名科学机构的数量、著名机构的科学产出以及成果的影响方面，与美国等先进国家有明显的差距。发达国家仍然引导着科学潮流，是位居世界科学前沿的强国。

此外，中科院资源环境科学信息中心（2005）依据ISI“期刊引证报告”（JCR）的学科分类体系，选择了自然科学版与社会科学版中与地球科学相关的30个学科类目的868种期刊，检索ISI Web of Science科学引文索引数据库扩展版（SCIE）和社会科学引文索引数据库（SSCI），对地球科学做了更为全面的数据分析，结果表明，在2000～2004年的5年中，中国地学家在地球科学基础研究领域（地理科学、地质科学、海洋科学、大气科学、环境科学、空间物理学、地球化学、地球物理学等8个二级学科类目）共发表SCI论文13027篇，各学科论文数量从多到少依次为地质科学（33.12%）、地理科学（16.00%）、空间物理学（11.46%）、环境科学（10.01%）、地球物理学（9.10%）、大气科学（8.43%）、海洋科学（6.41%）、地球化学（5.47%）。与之相对应，中国目前具有国际学术交流能力和SCI论文发表能力的地学研究队伍在8000人左右，而其中绝大多数在国际学术合作和论文发表中并不具主导地位，而是只处于次要的合作地位。这与中国庞大的地学队伍形成鲜明对照，反映中国地学队伍的国际学术交流能力不高。

3.2.4能力建设严重不足，缺乏完善的观测系统与长期观测和数据积累

为了推动地球科学研究，国际科学界从能力建设的角度提出了发展全球立体观测系统的目标，以构建一个地球科学研究平台。该平台通常包括：观测站网与野外科学试验、大型仪器设备与实验室模拟实验，计算机仿真与科学数据共享。地球科学的创新有赖于地学各分支学科的数据观测与调查，以及对一些数据长期而有效的积累。由于技术手段落后，公益性地球科学工作经常性费用不足，严重影响到野外数据获取和观测平台建设，进而影响了地球科学创新。

大型实验设备与模拟平台系统性和配套性差，但重复引进现象严重，导致设备缺乏与设备闲置问题并存。地球科学数据共享还处于十分艰难的阶段，缺乏协调、统一的数据交存、共享与服务管理体制与机制。我国的地球科学数据信息往往掌握在个别单位或个人手中，难以有效、及时地交流、传播和广泛的低成本共享应用，数据共享的相应体制机制的缺乏阻碍了科学研究的发展。 4．学科发展战略

学科是人类知识体系的基本单元，在知识的生产、交流和传播等过程中发挥着重要作用。

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地球科学分支学科的发展是地球科学发展的核心与基础，地球科学的发展为分支学科的发展和新学科的形成不断创造新的机遇。

制约我国基础学科发展的原因错综复杂，除诸如投入、体制等因素外，还有一些深层次的因素。例如，以认识自然界基本规律为驱动力的现代科学体系建立较晚, 基础科学研究的传统不够深厚，底蕴不足；在政策上往往将科学与技术混同，在管理上评价体系不科学、不规范，急功近利、片面强调基础研究的物化功能；教育与科研脱节；“学而优则仕”的价值取向；缺乏科学争鸣和学术批评的氛围；长期形成的科研、教学学科分立建制，“自给自足”小农经济方式，形成了巨大惯力；这些都影响了基础学科发展良好环境的形成。科学是一种思维行为的产物。历史已经证明，科学的发展排斥宗教和权力的干预。正确的科学路线、正确的科技政策、正确的思维方法无疑是科学发展的重要原动力。20世纪50～60年代，在美国出现的“Declassification”，即反对等级制度、主张在科学面前人人平等，为地学革命创造了良好的科学氛围，使美国地球科学人才辈出、百花齐放的新局面。

地球科学总体战略

地球科学的分支学科包括地理学、地质学、地球化学、地球物理学与空间物理学、大气科学以及海洋科学等。鉴于环境科学的研究对象主要是人类活动与地球环境的相互作用，而国家自然科学基金委员会至今没有独立设立环境学部，因此，暂把环境科学列入地球科学的范畴。

我国地球科学的学科发展呈现出纵向深入和横向交叉两个发展趋势。学科交叉总体上处于成长阶段，表现出较为明显的学科融合与交叉之趋势。基于研究对象和研究方法划分的传统地学分支学科不断地分化出新的分支。通过跨学科研究、学科交叉研究，不断地开拓出新的研究领域，孕育出新的学科生长点和激动人心的创新成就。地球科学各分支学科在分别致力于不同圈层研究的同时，越来越关注地球系统整体行为及其各圈层相互作用研究；从区域尺度的研究，步入以全球视野研究诸多自然现象与难题；把微观机理的研究与宏观研究紧密结合，形成有机的整体。把大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈和生物圈、地幔和地核作为一个整体系统，考虑固体地球、流体与生物圈的关系，以及人文因素的影响，研究相互作用下物质的运动形式和能量交换，刻画、理解地球系统，是21世纪地球科学的主要任务。

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地球系统过程与资源、环境和灾害效应 （科学前沿问题之一） 主要研究方向：地球系统各圈层（大气圈、水圈、生物圈、地壳、地幔、地核）的相互作用，地球深部钻探，地球系统中的物理、化学、生物过程及其资源、环境与灾害效应，海陆相成藏理论，地基、海基、空基、天基地球观测与探测系统及地球模拟系统，地球系统科学理论等。 摘自《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》 “十一五”期间，地球科学应保持分支学科的全面协调发展和布局的相对稳定，以保证地球科学作为一个整体的可持续发展，为国家重大需求提供战略性、前瞻性的地学人才和知识储备。学科布局的相对稳定和发展变化是辩证的统一，在注重全面性、均衡性、完整性的同时，关注学科发展和布局中的变化，改进现有学科结构与世界科学技术发展趋势不相适应的部分。重视交叉学科和新兴学科，克服学科发展排他性、保守性和封闭性等负面因素，在分支学科设置、经费调控、合作机制、评价体系方面为学科交叉留出发展空间，建立促进学科交叉的机制。完善纵向分科管理与横向交叉管理互补协调的管理机制。强调吸收相关学科的理论和技术方法，不断拓展研究前沿。完善可信、高效的价值评议系统,营造良好的自由探索的环境。以我国具有的自然条件优势为突破口，强化区域集成研究，力争在地球各圈层相互作用、地球环境与生命过程、地球表层系统的影响和适应，以及中国地域特点和全球意义的资源、环境、灾害问题等领域取得突破，逐步将我国地学研究的区域优势转化为地学发展的学科优势。

各学科通过分析学科发展态势、现状，结合多年的资助工作，提出其前沿领域和重要发展方向，分述如下：

地理学 地理学是研究地球表层系统的结构、功能、演化以及人地相互关系的科学。它

具有鲜明的区域性和综合性。当今地理学以探讨陆地表层自然和人文各要素相互作用特点、形成演化规律、空间分异特征为主要目的，建立了格局－过程－机制－效应的系统思维，具备现代物理、化学、生物分析技术和野外观测、空间遥感技术为支撑的数据采集系统；吸纳了自然科学、社会科学和复杂系统科学方法论。作为面向地球表层自然和人文要素为研究对象的地理学，正从单一过程研究进入到自然过程人文过程的综合集成研究，其研究尺度正向微观和宏观方向拓展。地理学已成为区域可持续发展愈来愈重要的科学支撑。

在“十一五”期间，应结合国际科学前沿和国家战略需求继续加强发展如下学科：自然地理学、人文地理学、土壤学和地理信息科学。地理学综合研究的主要领域是：土地利用/土地覆被变化过程及生态环境效应， 寒区现代地表过程对气候变化的响应，干旱化过程与北方人地关系演化，土壤侵蚀与水土保持，风成过程与风成环境，湖泊及流域，湿地生态过程与服务功能，

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土壤生物与土壤过程及其对土壤质量的影响，污染物的区域环境过程，城市化过程与区域发展， 资源环境的可持续性，灾害形成机制与综合风险管理，区域综合研究。地理信息科学主要围绕信息获取、分析整理和科学表达，在未来一段时间应着重开展如下几方面的研究:（a）信息获取：遥感机理研究(定量遥感信息模型,，遥感信息时空尺度效应与尺度转换，地球表层知识积累和遥感信息真实性检验)；（b）遥感定量化与智能化研究(遥感定量反演理论,遥感信息的智能处理理论和模型,多源遥感信息融合与混合遥感信息分解模型,遥感信息的模型同化理论与方法；(c)针对重要需求领域的遥感基础研究(作物生长因子遥感实时监测研究,植被生态系统遥感监测研究,大气成分遥感研究,土壤环境遥感监测模型研究,水质遥感模型研究,冰雪遥感模型研究,自然灾害遥感研究)；(d)数据、信息整理(应用基础理论, 前沿关键技术分析,信息表达)。土壤学结合当前土壤发展的前沿，确定如下主要方向为“十一五”研究重点：土壤发生过程与定量指标体系；土壤有机质－粘土矿物－微生物交互作用；土壤结构与物质迁移；土壤环境质量标准体系；土壤退化与修复机制；生物作用与氮、磷循环。

地质学 地质学是关于固体地球组成、结构及地球演化历史的知识体系。现代地质学不仅要阐明固体地球的组成物质、控制物质转换的机制以及由这些物质记录的地球演化历史，而且要揭示人类活动作为改变固体地球外层的营力及其改造地球表层的过程。

20世纪后半叶，地质学在经历了板块构造理论的革命之后，形成了一个全球化的研究理念。不同分支学科的地质学家们，在板块理论的框架中，开始认识到它们的研究密切地相互关联：构造运动、火山活动、地震发震、大陆飘移、生命演化乃至矿产资源的形成，都已紧密地联系在一起，并在整个地球演化历史上发生着相互作用。

21世纪初地质学面临的两个挑战是社会需求的变化和地球系统科学的发展。人类社会对社会可持续发展的需求，在全球环境变化、人类与自然协调发展等方面给地质学家们提出了许多前所未有的科学问题。而从整个地球科学领域来看，国际学术界也正在经历着一场质的变化：原本分头描述地球上各种现象的学科，以地球系统为主线，学科之间高度融合，成为揭示机理、服务预测的地球系统科学。地球科学一场新的革命性突破正在来临。如同在板块构造理论的建立过程中一样，地质学必将在这场地球科学的革命中扮演重要角色。

多学科交叉研究，是研究地球系统过程的重要手段，也是地质学家具有从事多学科研究的优良传统。早在许多其他领域理解多学科科学研究方式的概念之前，构造地质学和大地构造等领域的科学家已经综合了野外分析、岩石变形实验研究、流体—岩石相互作用、变质反应、连续与断裂力学、地球化学、地质年代学、同位素地球化学以及其他诸多分支学科和研究手段，横跨巨大的时空尺度，以广阔的思路探索和认识地球的岩石圈。

传统上，地质学主要研究固体地球各圈层，从而理解行星地球的结构与演化历史。地质学试图说明各种矿物、岩石、矿产资源、油气资源乃至生命本身形成的过程与控制的机制，也试图解读从45亿年前地球形成以来贮藏于岩石中的历史记录。近年来与大气科学、海洋科学的交叉合作使许多地质学家的研究兴趣拓展到了全球和区域气候变化、古大气成份演化、古海洋学

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等领域，并考虑人类活动作为地质营力的科学意义，但地质学研究工作仍是立足于固体地球圈层。

“将今论古”是地质学家们研究地球演化过程的重要思维方式。它是建立在均变论的基础上，通过对现代过程的观察和认识，来思考地质历史过程的研究方法。例如，构造地质学家基于对现代板块运动过程的观测而推测地质历史上大陆的演化过程；古生物学家对现代生物的观察为探索地球历史上生命演化的提供重要线索。随着地质学知识的积累以及地质数据资料获取手段的快速发展，针对现代社会提出的环境演变等科学问题，如何根据地质历史记录为现代过程研究提供启示，并为地球系统的未来发展提供预测，已成为地质学面临的新任务，也在改变着地质学家的科学思维方式。

近年来，地质学研究手段正在突飞猛进地发展，并已成为推动地质学发展的最重要力量。地球系统过程在空间上可以从微米到行星轨道尺度，在时间尺度上可以从毫秒到数十亿年。现代地质学家们不但对全球板块运动过程进行实时观测，而且能够在纳米尺度上研究地球物质的性质以探讨断层活动的原理；地质学家们不但研究大陆的拼合和裂解的演化历史，也能够研究地震瞬间岩石破裂和应力的释放过程，并且正试图在技术手段和研究方法上将两者统一起来。地质学研究的时空尺度的拓展和精确度的提高，为在地球系统的研究框架下与其他学科研究工作的相互衔接和验证奠定了基础。

未来5～10年重要发展方向是：地质微生物学（Geomicrobiology）,矿物表面性质及矿物与微生物相互作用,流变构造地质学,岩石圈深部过程与表层作用耦合的地质学描述,古生态和古环境演变的地质学记录,极端环境下生命过程及早期生物起源,沉积学,地质学信息处理和共享,人类活动与地质环境相互作用。

地球化学 地球化学主要研究地球乃至宇宙的化学组成和化学运动，应用现代物质科

学的理论和方法研究元素及其同位素在其中不同结构单元的分布、迁移和演化规律，揭示地质、地球过程乃至宇宙的演化规律。作为地球科学的支柱学科之一，地球化学不仅与兄弟学科一起共同肩负着解决地球科学基本理论问题——行星、地球、环境、生命、人类和元素的起源和演化的重大使命，而且也为人类社会寻找充足的资源、维持良好生存环境提供了重要的方法和技术。

地球化学在地球科学中的重要性和特色主要体现在： (1) 地球系统化学结构的非均衡性与地球内部能量分布的非均衡性一样，是地球内部物质运动的重要驱动力。 地球化学示踪体系是精确定量地球动力学研究的支柱，元素和同位素体系对自然演化过程和物质循环的示踪是地球化学研究的优势和特色；(2) 同位素定年技术是使地球科学研究向四维时空发展的重要支撑体系；(3) 地球化学研究手段中高新技术含量较高，其前沿研究已经与当代物质科学的最新实验分析技术同步发展；(4) 地球科学研究的空间尺度既在微观上深入，也在宏观上扩展，这为地球化学研究领域的开拓提供了机遇。地球化学以其学科特色立于现代地球科学发展的前沿。

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近二十年来地球化学的发展趋势表现为：(1) 研究方法和技术从静态的半定量描述转向动态的定量模拟，由岩矿样品的综合测定发展到单矿物颗粒内部的微区分析；(2) 研究范畴从三维空间向四维时空拓展，更加注重对时空演化规律的研究；(3) 对自然过程物质运动规律的研究的时间尺度双向拓宽，既注重对过去长时间尺度古老地质事件的研究，也关注短时间尺度地质作用的把握；既注重对过去地质事件的重建，更关注对未来的预测，强调了解过去不仅是全面认识现在而且是有效预测未来的“钥匙”；(4) 研究对象从地球单一层圈发展到不同层圈及其界面之间相互作用。地球化学一直处于学科交叉渗透的发展时代，形成一系列认识地球内部和外部各系统化学组成和演化规律的理论和方法，并不断衍生出新的分支学科。

地球化学中近期发展应力求做到：加强地球过程和内部结构的宏观研究与地球化学性质的高分辨高灵敏度研究的结合；推动板块构造演化与化学地球动力学研究的结合；促进环境变迁与现代环境研究的结合；以基础理论研究为主线、以潜在应用前景为着眼点，重视地球化学基础理论与应用前景的结合。

未来5～10年重要发展方向是：（1）表生地球化学过程与环境和生态演化的地球化学示踪；（2）持久性有毒污染物的环境地球化学过程；（3）深部生物圈的生物地球化学作用与过程；（4）重大环境和生物演化事件的沉积地球化学记录；（5）壳-幔相互作用、地球深部过程、盆地演化与大规模成矿作用；（6）不同变质条件下矿物多元同位素示踪体系与同位素定年技术；（7）大陆深俯冲、岩石圈地幔减薄、地幔柱事件和大火成岩省、青藏高原岩石圈演化的化学地球动力学及其环境和资源效应；（8）大规模烃源岩的发育机制和成藏化学动力学与地球化学限定的盆地模拟技术；（9）深穿透地球化学的迁移机理与分散模式；（10）稳定同位素分馏热力学与动力学的理论和实验研究；（11）太阳星云演化过程和月球探测相关重大科学问题的地球化学示踪；（12）高温高压和表生条件下界面化学和表面反应的实验和地球化学体系中物质性状的研究。

地球物理与空间物理学 地球物理学是在20世纪迅速发展起来的重要的前沿学科之一，对人类生存和发展具有举足轻重的作用。由于具有快速吸纳最新科学和技术进步的特点，地球物理与空间物理是地球科学最活跃的学科之一。地球物理学包括固体地球物理学、空间物理学、大地测量学等领域的研究，它是用物理学的原理、方法研究地球，从根本上讲它是一门观测科学，通过一些专门的科学仪器在地球的表面，在日地空间对物理场以及一些高能粒子等进行观测，以达到认识地球及其空间环境、为人类的可持续发展服务的目的。

由于地球物理与空间物理学科所涵盖的领域十分广泛，主要包括空间物理学（重点是日地系统空间天气因果链研究）、固体地球物理学（重点是深部地球探测）、应用地球物理学（重点是油气地球物理勘探）、大地测量学（重点是从跟踪研究到全面自主发展的理论和技术问题）、实验地球物理（重点是高温高压研究的进步带来的新机遇）和地球物理仪器、观测系统与数据共享等六方面。

“十一五”对于地球物理与空间物理学科来说是一个充满机遇与挑战的时期，在这期间国

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家对基础研究的投入将明显增大，如何来发挥好学科的整体优势，把地球物理与空间物理打造成地球科学最活跃的学科，为地球科学的发展做出更大贡献是摆在我们面前的重要任务。因此我们的指导思想是：打牢基础，培养人才，踏实工作，争做大事。这主要是指加强学科建设，在有可能产生重大成果的地方进行集中投入，期望以此来带动地球科学的发展。

目前我国的学科现状是拥有基本完备的理论体系；完整的队伍组成，包括国内研究型大学、科研院所、中国地震局、中国测绘局等业务部门以及石油勘探开发等企业的研究力量，虽然人数不是很多，但学科齐全，装备和手段精良；各分支学科发展不平衡，某些分支领域如空间天气和复杂地球物理勘探的研究水平居国际第一方阵。

“十一五”期间我们要重点抓两个探测：（1）日地空间的空间天气探测，通过对“双星计划”及CLUSTER探测数据的分析，产生新认识。通过“子午工程”和新的探测计划的实施进一步加强我们对空间天气过程的认识能力。以空间天气和空间探测为线索带动日地空间的各个层次内及其耦合、能量传输关系的研究，以实现空间天气预报为目的。（2）地球深部探测计划与深地球内部研究，通过大规模的流动地震台阵观测，辅以现有的固定地震台站以及GPS台网的资料，力争在典型地区实现对地球深部的精细结构及其过程的认识。以此来带动固体地球科学整体的发展。应用地球物理重点支持提高复杂地区油气勘探水平的研究，同时兼顾矿产资源勘探以及城市地球物理、国防地球物理等方面的研究。大地测量学是以发展大地测量理论和技术来带动学科的发展。

大气科学 大气科学的主要任务是认识大气运动和大气中各种物理、化学、生物过程的基本规律及其与其它圈层相互作用的机理，发展新的探测和试验手段，为天气、气候和环境的监测、预报和调控提供理论和方法，揭示人类活动对天气气候的影响，以及天气气候与社会经济可持续发展的关系，为人类社会服务。

大气科学以地球大气圈层为主要研究对象。发生在大气圈层中的各类现象和过程的变化受地球系统各圈层和日地系统的主要部分，即大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈、生物圈以及太阳和人类活动等的影响，各圈层间的相互作用决定着地球大气系统的整体行为。因此，当代大气科学必须通过研究地球系统各圈层之间的相互作用、相互反馈以及人类活动与气候的相互影响，进而多角度、全方位地认识大气运动变化的本质，研究天气、气候系统演变规律及其预测预报，研究影响局部天气的调控技术和措施，研究人类活动对天气、气候、环境系统的影响以及气候、环境的变化对人类社会的影响等。大气科学已成为一门基于观测的实验性科学，高度数理化、定量化、实用化的综合性、前沿交叉科学。

21世纪国际大气科学的发展趋势是：（1）大气科学观测走向高精度、立体和多要素综合一体化，人类将从空前的视角来观测地球大气。（2）高影响天气的物理、动力学与可预报性理论研究得到更高的重视。（3）气候系统变化和气候与环境变化的适应性研究得到更高的重视。（4）天气、气候系统模式的发展成为大气科学和相关科学发展不可或缺的工具，在现有的包括海－

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陆－气过程相耦合的气候系统模式中，努力耦合生物地球化学过程、生态过程、化学过程以及电离层过程，研制更加完整的气候系统模式，将成为大气科学发展的重要方向。(5) 海量气候系统探测数据，促使资料处理、分析、同化应用技术和数据共享的程度得到空前的重视。(6) 人类活动造成天气、气候变化对社会经济及可持续发展的影响等研究得到更高的重视。(7) 大气科学研究更加重视学科交叉和融合。(8) 国际科学计划及其核心项目的提出使大气科学研究的国际合作更加广泛和深入，为我国大气科学的发展带来极大机遇和挑战。

为使我国大气科学研究在新世纪有更大的发展，结合国际大气科学的发展趋势和我国与国际的差距，充分考虑我国未来社会经济发展的重大需求，未来5～10年我国大气科学发展应坚持“有所为、有所不为”的原则，重点在天气、气候系统的物理动力学，气候系统中的大气化学过程，天气、气候系统数值模拟，天气气候系统观测新技术、新原理和新方法及资料同化等领域进行关键性的创新研究。主要包括以下一些重要方向：（1）气候系统变异和预测；（2）高影响天气的物理、动力过程与可预报性；（3）大气化学过程和大气环境；（4）大气边界层以及陆—气、海—气交换过程；（5）中高层大气与气候和环境变化；（6）天气、气候系统模式；（7）大气探测和遥感与资料同化；（8）云雾物理和化学过程与人工影响天气。

海洋科学 海洋科学是研究海洋中各种自然现象、过程及其变化规律的一门科学。其研究对象不仅包括巨大的海洋水体部分，也包括河口海岸带、海洋与大气界面、海水与沉积物界面及海底岩石圈等；依托海洋科学调查船、卫星和自动观测系统（如锚系浮标、海底观测站等）实施海洋观测所必须的快速、高效和先进的观测仪器和技术,也属海洋科学的研究范畴。

海洋科学是门综合性很强的学科。它由物理海洋学、海洋地质与地球物理学、海洋生物学、海洋化学、海洋环境科学、河口海岸学、海洋工程、海洋监测与调查技术、海洋遥感、海岸带综合管理等分支学科组成，各分支学科相互联系、相互影响，构成了一个完整的科学体系。海洋科学的研究内容不仅涉及地球科学所研究的气圈、水圈和岩石圈的科学问题，而且还涉及生物圈及其它有关的科学问题。此外，海洋与气候环境变化、生命起源、资源开发及国家安全等都有着密不可分的关系，形成了一系列重大的学科综合和交叉领域。

海洋环境是多种因素并存且互相影响的一个整体, 必须加以综合研究方能解决问题, 多学科交叉与综合研究是当今海洋科学研究发展的趋势；海洋科学在加强区域化研究的同时，已经向全球化和国际化方向发展，围绕着气候、资源、环境等重大问题形成了一系列有较大影响的国际海洋科学研究计划，与此相伴的是广泛的国际合作，促使海洋科学研究不断的深入和快速的发展。此外,海洋探测技术、室内分析技术和海洋信息处理技术的不断进步，使得获取现场观测资料的水平不断提高, 这已成为当今推动海洋科学发展的动力之一。

海洋占地球表面积的71%，自然界的很多现象仅在海洋中发生。海洋科学不但在地球系统科学的认识中占有极其重要的地位，而且在解决生态环境演变、资源开发利用及国家安全上也发挥着重要作用。由于历史的原因，我国的海洋科学起步较晚；加之投入不足，在客观上制约

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了我国地球系统科学在21世纪的发展。我国海洋科学未来的发展应紧紧围绕资源、环境和气候变化等重大问题，突出学科交叉与综合；研究的尺度从区域扩展到全球，实施“从近海向大洋拓展”的战略；应重视发展新一代海洋立体观测系统，并通过广泛的国际合作来实施全球性海洋观测。未来5～10年，我国海洋学重要发展方向是：大洋环流与气候变化；近海环流及其动力机制；海洋古全球变化与海陆对比研究；边缘海形成与演化及其资源环境效应；深海海底科学探测与研究；海洋生物地球化学循环；海洋生态系统与生物地球化学过程耦合；海洋生态动力学研究；表层海洋与低层大气物质通量与循环；河口海岸与陆海相互作用；中国近海海洋过程与生态环境变异；海洋生物技术与海洋生物多样性；有害赤潮海洋学与生态学研究；海底深部生物圈与深海极端环境的生命过程；海洋观测、分析的新技术和新方法研究；海洋灾害成灾机理及预测预报等。

环境科学

环境科学是以探寻人类活动对自身生存环境影响为目的，研究其中的人类系统、物理、化学和生物过程及其相互作用，寻求社会可持续发展的科学。主要包括环境地学、环境化学、环境生物学、环境物理学、环境医学、环境工程学、环境管理学等分支学科。 “十一五”期间，环境科学关注人类生存环境的演变、人类活动对生态环境的影响以及污染物运移规律及其治理，重点支持环境形成、演化及生态效应,水、土、气环境污染机理与调控，土地沙漠化、生物多样性保护及利用,重大自然灾害的机理及预测,重大工程活动与自然环境的相互作用及诱发灾害的机理和预测等研究。 5．优先发展领域和重要方向

遴选优先研究领域和重要方向的原则是：（1）对地球科学发展具有带动作用，具有良好基础，充分体现我国的优势与特色，有利于迅速提升我国地球科学的国际地位；（2）解决若干制约我国经济与社会可持续发展的重大难题中的关键科学问题，力争对社会和经济发展产生长远影响。

根据上述原则，地球科学部在充分吸纳有关战略研究成果以及科学处提出的前沿研究领域和重要方向的基础上，加强综合分析与归纳，认真分析国际科学前沿和国家社会经济发展战略需求中的科学问题，结合我国地球科学的优势和面临的挑战，紧紧把握科学发展机遇，提出地球科学未来5年的优先研究领域和重要方向的框架内容如下。 5.1 全球变化及其区域响应

5.1.1 背景与意义

20世纪70年代以来，伴随着“臭氧洞”、全球变暖和大范围、持续性旱涝灾害的频繁发生，人类社会经济发展与环境问题的矛盾日显突出，人类社会面临巨大的环境压力和挑战；另

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一方面，科学的进步，特别是计算机技术和空间科学的发展导致对地观测技术的飞速发展以及地球科学等分支学科的日益成熟，使得人类研究全球环境问题成为可能，以全球环境问题为对象的全球变化研究成为当代重要的科学前沿之一。

近20年来，国际上相继实施了世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）、生物多样性计划（DIVERSITAS）等全球变化研究计划，在理解地球系统的整体行为和运行特征等方面取得了重要进展。

以全球环境变化问题为研究对象的全球变化研究所倡导的学科交叉与综合集成研究代表了地球科学及相关学科的发展趋势，推动了地球科学各分支学科、地球科学与其他学科、以及自然科学与社会科学的的交叉、渗透与融合。它借用并强调的“系统”观、“整体”观 和“相互作用”的概念，对地球科学及相关学科从宏观层面认识世界产生了积极影响。诞生了地球系统、生命系统、无生命系统（又称生命支持系统）的概念，物理-化学-生物过程的相互作用、圈层相互作用、陆-海-气相互作用等概念，派生了全球变化科学、可持续发展科学等所谓“科学”的提法，影响和推动了学科发展。

5.1.2 关键科学问题

全球变化及其区域响应研究的关键科学问题是：几十年至百年尺度的全球变化事件的发生规律和特征；全球变化的成因、人类活动的诱发机制及主导全球变化的相互作用的物理、化学和生物学过程；全球变化早期信号的捕捉、监测与预警；全球变化过程的建模、模拟与预测；重大全球变化事件的影响及后果；全球变化减缓、规避与适应对策。

5.1.3 目标与重要研究方向

目标：通过对上述关键科学问题的研究，提高对全球变化规律的了解和未来变化趋向的认识，回答全球变化的成因、现在是如何运行的、未来会出现怎样的变化，为解决人类生存与可持续发展面临的资源供给、环境优化、减轻灾害等重大问题提供科学与技术支持。

重要研究方向：

（1）亚洲季风环境系统变化与适应

? 宏观环境格局的形成、演化与气候环境系统

? 亚洲季风气候环境系统中的海陆气相互作用、各种时间尺度变异的原因和物理机制 ? 区域气候环境系统变异的模拟和预测 ? 气候系统与环境系统的耦合过程

? 人类适应气候和环境系统变异的理论和方法 （2）东亚地区生态系统的碳氮格局与关键过程 ? 生态系统碳、氮收支的格局和变率

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? 生态系统界面过程与碳氮交换

? 生态系统碳氮收支的过程和圈层相互作用 ? 生态系统碳氮过程变化与人类活动干扰 ? 碳氮格局变化的区域效应 ? 碳管理与区域发展途径

（3）西太平洋、东印度洋与青藏高原“三角区”的陆海气相互作用 ? 西太平洋-东印度洋（暖池海域）在多时间尺度气候变异中的作用 ? 西太平洋边界流系统演化及其对东亚和我国气候变化的影响 ? 亚洲形变与气候环境演化的海陆对比 （4）过去全球变化研究 ? 环境记录重建的方法研究

? 多手段、高时空分辨率数据集的重建和数据库建设 ? 过去重大全球变化事件的发生和演化机理 （5）东亚环境变化对全球变化的影响与响应 ? 东亚地区环境的自然变化趋势

? 人类活动（土地利用、工业化、城市化过程）及其环境影响 ? 东亚地区对全球变化的响应和适应问题研究 5.2 地球环境与生命过程

5.2.1 背景与意义

地球环境的演变决定了生命的起源与演化过程，而生命过程又影响着地球表层环境以及大气圈、水圈及岩石圈的物质循环。二者之间存在着相互作用、相互制约的协同演变关系。系统地研究生物的起源、演化与环境制约、地球环境事件和现代地表环境与生物多样性的演化与发展、极端环境中的生命特征与适应机制等已成为国际上当代地球与生命科学研究的前沿领域。

随着人类工业化进程的加快,当代地球正面临一次新的重大转折。通过对地圈与生物圈的相互作用研究,了解过去、认识现代、预测未来，为人与自然协调发展和保护生物多样性的实施提供科学支撑。

生命科学已成为当代领头科学。包括地球科学在内的现代科学和生命科学的交叉融合已势在必行。生命科学为地球科学的迅猛发展提供了强大的推动力和先进的理论、方法和技术平台。这种交叉融合可望取得地球环境与生命的协同演化领域的新突破。

我国研究过去地球环境与生物演化的古生物学与地层学，十余年来取得了举世瞩目的成果。

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据不完全统计，从1995年至今，我国古生物学与地层学工作者仅在“Nature”和“Science”两种刊物上就发表了80余篇论文，成为我国基础学科的一个亮点。我国的地史、古生物记录完整，例如澄江生物群和热河生物群都是全球罕见的化石宝库。

一个具适度规模、学科齐全、以中青年为主且具有广泛国际合作基础的地球科学与生命科学研究队伍已逐渐形成，两者的交叉研究有的已进行了十几年，某些成果已在国际顶级刊物发表。合作各方的积极性很高，经过努力可望取得原创性成果。

我们依靠资源和人才优势，经过努力，可以继续保持地球环境与生命协同演化某些领域国际前沿的地位。当前急需通过学科交叉在本领域取得综合性和高层次成果，在国际上逐步取得主导地位。

5.2.2 关键科学问题

生命起源是当代重大科学难题，需要地球科学和生命科学联合攻关。我国早期生命记录得天独厚，在真核细胞、后生动物、脊椎动物等起源研究上已处于国际前沿。地史上重大全球变化多次导致了生物界的重大变革（绝灭、复苏、起源、辐射），构成地球环境与生命协同演化的历史，并且对了解当代、预测未来有重要启示作用。生命之树（Tree of Life）是当代生命科学的前沿研究计划，我国可以利用已有工作基础，结合化石记录的优势，选择若干关键方向，构建有中国特色的生命之树研究领域。该领域的关键科学问题是：1) 地球早期生命和环境的协同演化；2) 重大全球变化期环境效应与重要类群的起源、演化；3) “生命之树”关键支系的构建与环境制约。

5.2.3重要研究方向

(1) 地球早期生命和环境的协同演化 ? 生命起源及其环境背景

? 氧化大气圈的形成和真核生物的出现

? Rodinia超大陆的裂解、雪球事件与真核生物的辐射 ? 寒武纪生命大爆发及其环境过程

(2) 重大全球变化期环境效应与重要类群的起源、演化 ? 古生代海洋生物群的兴衰与环境演变 ? 陆地环境演变和陆地生命系统的形成

? 泛大陆Pangea的聚散与生物辐射、绝灭和复苏 ? 中生代全球变化与现代生态系统的形成和演化

? 新生代以来的气候变化的生态响应、人类演化与生物多样性危机 ? 重大全球变化期的高分辨率年代格架

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(3) “生命之树”关键支系的化石记录和分子标记与环境制约 ? 构建“生命之树”的方法与技术平台

? 早期生命关键类群生命之树的构建服役期环境制约 ? 重要脊椎动物类群的系统发育重建及其环境制约 ? 陆生植物的起源、系统发育及其环境制约 ? 人类起源及其环境背景

? 物种形成与支系分化速率及其环境制约的实证 （4）生物地球化学过程与地球表面环境演化 ? 地球演化史中生命元素的地球化学循环 ? 极端环境和地质突变期的生物地球化学过程 ? 地微生物及其生物地球化学过程的环境效应 5.3地球深部过程与大陆动力学

5.3.1背景与意义

地球是人类生活的唯一场所。研究地球深部过程与大陆动力学过程，是提高人类对地球形成与演化、地球内部运行规律认识程度的重要途径。

20世纪90年代以来，国际地学界一直非常注重大陆动力学领域的研究。国际岩石圈计划的重点从岩石圈的结构、构造和演化转向了过程和动力学，其中大陆岩石圈、深部作用过程和动力学成为国际岩石圈计划的主要研究领域。美国国家科学基金会、地质调查局和能源部联合提出并实施了为期30年（1990～2020）的“大陆动力学计划”，其目的是建立大陆不同尺度的动力学演化模型，为地震预报、资源预测及大尺度生态环境变化预测提供新的基础。由欧洲16个国家针对大陆成因与演化而共同开展的“欧洲探测”计划从1992年开始实施，延至21世纪初，其目的是增进对地球壳－幔构造演化和控制其随时间演化的动力学过程的理解。美国国家科学基金会地球科学部把大陆动力学作为长期资助的方向，并在近年来实施了“地球探测”（Earthscope）大型研究计划，试图较为系统和精确地描述北美大陆的结构与演化。

中国大陆地质构造复杂、演化历史漫长。它不是像北美或者欧洲大陆那样以一个巨型前寒武纪克拉通为主体形成的单一大陆，而是由一些小克拉通（或小陆块，准地台）和众多微陆块及其间的褶皱带（造山带）组合而成的复合大陆。古生代以来中国大陆构造的发展和演化记录了古亚洲洋、特提斯洋、太平洋三大全球性动力学体系之间的相互作用。中、新生代太平洋板块俯冲和印度板块碰撞导致的大陆边缘和内部复杂的动力学过程在中国大陆及邻区留下了明显

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的印记。西部陆-陆碰撞产生的世界屋脊青藏高原及其所伴生的陆壳抬升和增厚，东部的岩石圈减薄及典型的边缘海体系，横贯东西的中央山系以及大别－苏鲁超高压变质带，还有别具特色的众多盆地等等。华南地区是几大板块汇聚的地区，是中国大陆古生代以来地质事件发育和叠加复杂而完整的地区，是典型的特提斯构造域和太平洋构造域转换地区，是我国重要的多金属成矿区，是环太平洋重要的火山岩－花岗岩“火成岩省”，是研究大陆动力学天然的实验室。充分发挥这一地域优势，通过野外实验室的系统、精细研究，结合空间大地测量和深部地球物理探测以及对典型地区的科学钻探，充分开发和利用测年技术所提供的重要时间信息，建立更加符合中国大陆地质实际的物理与数学模型进行理论概括与定量化数值模拟，研究中国大陆的物质组成、结构、演化过程与动力学，并与世界其它大陆地质和大陆动力学研究成果进行比较研究，中国科学家完全有可能在大陆动力学这一国际关注的研究领域做出重要贡献。

5.3.2关键科学问题 该领域的关键科学问题是：

（1）大陆岩石圈结构与组成的非均一性和动力学； （2）中新生代大陆变形过程及其动力学； （3）大陆形成与演化机制。 5.3.3目标与重要研究方向

目标: 选择以青藏高原、大华北、华南为突破口，以重点科学问题研究为主线，以多学科相结合为主要研究方式，揭示地质历史时期中国大陆的形成与裂解，造山作用与高原隆升和盆地形成，以及大规模岩浆活动的机理，探测现今中国大陆壳－幔系统的物理和化学三维结构及其力学状态，探讨大陆物质增生和消减的规律，对比亚洲相邻地区和世界其它大陆，建立中国大地构造格局及其演化过程的新的理论框架。

重要研究方向:

（1）青藏高原深部过程与资源、环境和灾害效应

? 壳幔三维结构与现代变形过程：从深部构造到与地表构造变形 ? 印度-欧亚大陆碰撞过程及大陆动力学

? 深部过程与环境、气候等地球表层过程之间的耦合关系 ? 深部过程反演：壳幔物质相互作用和深部作用过程 ? 沉积盆地动力学：隆升过程的地质记录 ? 青藏高原及邻区综合：模型和模拟 （2）大华北新生代大陆动力学、气候演化和灾害

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? 板内深部地质过程、地震成因与地震灾害预测 ? 现今地壳变形、应变场及其地壳变形模型 ? 深部地幔结构、演化与火山活动的时空关系 ? 软流圈和岩石圈相互作用及岩石圈减薄机制 ? 大华北前寒纪地质演化特征

? 古生代华北地块构造格局及其南北造山带的盆山关系 （3）华南大陆岩石圈的深部过程-浅部响应-动力演化 ? 华南中－新生代岩浆活动与壳-幔相互作用 ? 古特提斯构造域与太平洋构造域的构造体制转换 ? 华南大陆岩石圈地幔过程与地壳演化 ? 华南幕式、带状构造－岩浆活动的动力学制约

? 华南地块的拼合、东古特提斯构造与中国中央造山带山系演化 （4）中国大陆边缘演化动力学

? 中国边缘海形成演化过程及动力学

? 太平洋构造域与古亚洲构造域、特提斯构造域叠加的时代及转换方式 ? 中国古的与现今的大陆边缘转换与演化动力学 ? 西太平洋板块与东亚大陆的相互作用 5.4 成矿成藏过程与机理研究

5.4.1 背景与意义

能源矿产资源是保障国家经济安全、确保国民经济发展、支撑GDP快速增长的重要物质基础。随着我国进入工业化快速发展时期，对能源、矿产资源的需求量急剧增加。而未来10～15年，我国大部分战略性和大宗矿产将面临严重短缺局面，已成为制约我国经济快速发展的重要瓶颈。《国务院关于加强地质工作的决定》提出，“集中力量加强矿产资源勘查，突出重点矿种和重点成矿区带勘查工作，增加资源地质储量”。因此，满足国家发展对矿产资源和能源的需求，保障国家的经济安全，是能源、矿产资源领域科技发展面临的根本任务，因此，深入研究能源矿产资源形成过程及成矿成藏机理，拓展新的找矿新空间，增强发现新矿床的能力，是缓解我国当前大宗矿产资源紧缺局面的一个重要途径。现代成矿（藏）作用研究基本上沿着“微观”和“宏观”方向不断深入和发展。在微观方面，精细描述单个矿床（藏）地质地球化学特征，从成矿物质的来源、迁移和沉淀条件探讨矿床形成的过程与演化。随着现代分析技术和计算机技术的发展，实现了流体成矿过程的定量模拟，使成矿（藏）作用研究迈向一个新的高度。在

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宏观层面上，自板块构造主导固体地球科学以来，科学家发现绝大多数矿床分布在造山带或大陆边缘，成功提出了一系列针对大陆边缘和板块边界地质环境的成矿模式，如岩浆弧环境的斑岩铜矿模式，大陆裂谷带的Cu-Ni、铬铁矿、金刚石等矿床的成矿模式，活动陆缘增生楔环境的脉状金矿成矿模式，陆陆碰撞环境流体与成矿模式。按照活动论的思路，科学家进一步研究区域岩石圈物质组成、结构，发现深部岩石圈控制着区域成矿规律。其中，岩石圈构造不连续面、超大陆旋回、地幔柱、地球深部过程、流体地质作用都成为现代成藏成矿理论新的生长点，并形成了一系列新的成矿理论。近年来，澳大利亚正在实施“玻璃地球计划（GlassEarth）”，力图使澳大利亚大陆1km内的地壳及控制它的地质过程“透明”，增强发现超大型矿床的能力。从20世纪80年代末到现在，加拿大实施了多期的“勘查科学与技术”计划，研制矿产勘查新方法新技术，并通过对多学科找矿信息的综合与集成，力求实现矿产勘查的突破。

我国具有世界上最丰富而典型的碰撞造山带和与碰撞有关的阿尔金、三江等走滑带，而且这些碰撞带或相关走滑带蕴涵国内外著名的矿床或成矿省，如秦岭斑岩钼矿带（世界第二）和陕甘川卡林型-类卡林型金矿田（世界第二），世界上独一无二的白云鄂博、柿竹园等超大型矿床，为我国学者开展富有特色的研究并取得新的成矿理论优势，提供了得天独厚的条件。充分利用这些地域优势，持续而系统地开展浅部地壳结构探测模拟、区域流体系统示踪、特色成矿系统及成矿地球动力学精细研究，可望在矿产资源领域取得的理论和勘查的重大突破。

我国地质条件复杂，多期构造活动和改造，致使多数盆地为叠合盆地，为陆相生油提供了十分有利的地质条件。开展板块构造与含油气盆地关系理论、大型叠合盆地油气地质理论、陆相层序地层学、古生界海相碳酸盐岩油气地质理论研究，不仅可以完善我国的陆相生油理论，而且可以扩大成熟盆地的剩余油气资源量，揭示大型叠合盆地成藏资源量，为我国油气资源提供新的思路。

5.4.2关键科学问题

矿床（藏）形成过程与机理研究的关键科学问题是: (1)中国特色成矿系统发育的原因和规律；（2）大型矿集区三维结构、流体作用与成矿作用；（3）大型超大型矿床发现理论与方法；（4）盆-山系统动力学与成藏作用。

5.4.3目标与重要研究方向

目标：通过对矿床、大型矿集区、区域成矿区（带）、全球和四个不同尺度的成矿作用研究,揭示大陆和海洋的地壳演化与成矿成藏作用规律，创建中国成矿成藏新理论，提高发现大型超大型矿床（油气藏）的能力。加强海底矿产资源形成理论研究，为海底资源勘查与开发提供科

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学支撑。

重要研究方向：

（1）中国紧缺与特色矿床形成机理与时空演化 ? 燕山期绿岩带型铜（金）矿床成矿机制 ? 复合盆地成矿物质的巨量堆积机理 ? 碰撞带铜多金属矿床的成矿机制 ? 陆内稀有稀散金属的富集成矿作用 ? 西南低温分散元素矿床形成与演化 （2）重要大型矿集区形成与演化 ? 大型矿集区精细结构与区域成矿模型 ? 大型矿集区区域流体系统示踪与成矿系统演化 ? 大型矿集成矿系统的形成、演化与地球动力学背景 （3）区域和全球尺度成矿系统对比与研究 ? 区域成矿作用过程对大陆地壳生长过程的示踪 ? 跨境重要成矿区带地质特征、成矿环境及其对比研究 ? 重要类型金属矿床的全球对比研究 （4）复杂矿（藏）发现的新理论

? 深穿透地球化学的迁移机理与分散模式 ? 地球化学省与大型矿集区耦合的关系 ? 大型矿床（藏）地球物理响应及其形成机制 ? 深部矿化信息提取与集成 （5）含油盆地动力学与成藏作用

? 中国西部大型叠合盆地优质海相烃源岩的形成条件及成藏动力学过程 ? 成熟盆地的剩余油气资源形成与分布 ? 油气运聚机理定量分析与成藏动力学研究 ? 强非均质储层地球物理预测与流体类型判识

? 盆地流体系统及油气在输导系统中运移的物理-化学动力过程及模拟。 5.5 陆地表层系统变化与人地相互作用机理

5.5.1.背景与意义

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陆地表层是人类居住和活动的主要场所，是保障人类生存和可持续发展的载体。陆地表层系统是大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈、生物圈（特别是人类）界面相互关联和干扰、多要素相互作用的、具有级联效应（Cascade）的复杂系统。

当前陆地表层系统正经历着前所未有的变化。国际全球变化研究计划的最新研究结果表明，人类居住的地球正在发生的变化，其幅度和速率已超过了过去50万年自然变率的范围。且就其动因而言，这些变化与 “人口爆炸”所带来的物质需求的空前增长和人类活动密切相关，是叠加在自然变化趋势上的人地相互作用的结果。工业革命以来，人类通过多种方式影响着地表环境，并以多维的、复杂的途径与地球系统产生级联效应，影响到地球的每一个角落。20世纪80年代以来，人类活动的强度和广度急剧增长，使地球系统演化进入了“人类世”（Anthropocene）的新纪元，地球正处在一种前所未有的运行状态,其未来情景可能出人意料。

与全球变化的总趋势一样，过去百年，我国的地表环境也发生了重大变化，年均气温上升了0.5℃，出现了18个暖冬，动植物物候期提前，西部冰川全面退缩，东北地区和青藏高原冻土层明显减薄，近海海面以0.1～0.25cm/a速率上升。与此同时，我国经济快速发展，人口激增，我国的地表景观格局和天然水文过程受到了严重扰动，环境污染日益严重。资源环境问题已经从社会经济发展的前提条件上升为制约国家安全的关键因素。

我国陆地表层系统科学研究是在20世纪80年代著名科学家钱学森先生提出的“陆地表层科学”的基础上，由著名地理学家黄秉维先生倡导发展起来的，它试图揭示陆地表层系统中关键要素和重要界面过程、多要素相互扰动机制和地表格局的演化规律、人地相互作用过程和机理，建立全球变化情景下人与环境相互适应和资源可持续利用模式。陆地表层系统科学以区域为操作平台，使用“自上而下”与“自下而上” 的集成研究方法，关注地表现象不同时空尺度上转换内涵，探索解决人类共同面临的全球性（区域性）的人地矛盾、城乡矛盾、区域矛盾、经济增长与社会公平矛盾。

陆地表层系统演化与人地相互作用机理研究，在认识层面上具有三个鲜明的特点：一是其科学问题的复杂性和涉及学科的多样性；二是科学实验的难以重复性；三是人类活动干扰的持续性和不确定性。因此该领域的研究对于主要要素和界面演化及其间相互影响规律的把握，对于人地相互作用机理的理解，对于历史和现代的、空间和地面的数据采集和分析，以及定量理化分析、物理和数值模拟等有很高的要求。

5.5.2. 关键科学问题

陆地表层系统演化与人地相互作用机理研究的关键科学问题是：关键要素和界面变化过及其相互作用机制，地球表层系统结构和功能演化规律，人与环境相互作用过程和机理，全球变化情景下地理风险情景评估与区域资源可持续利用模式。

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5.5.3. 重要研究方向

（1）陆地表层系统关键要素和重要界面过程的变化规律 ? 制约土壤演化的物理、化学和生物学过程 ? 10/100年尺度土地、气候、水文、生态变化过程 ? 典型地理单元和生态系统变化过程 ? 陆地表层的生物地球化学过程 ? 人文经济要素的空间分异与调控 ? 城市化过程研究

? 陆地表层过程数据分析与综合集成

（2）陆地表层系统自然要素、过程的相互作用机制 ? 土壤与生物过程的相互作用

? 生物地球化学过程与地表环境的相互作用 ? 气候变化与食物供应、人类健康 ? 生态与工程、地质活动互馈机理和效应 ? 水土气污染机理及其相互作用 ? 环境质量与人类健康 ? 多要素相互作用尺度转换分析 ? 陆地表层系统模拟

（3）陆地表层自然和人文地理系统结构和格局演化特征 ? 10/100年尺度上土地利用格局变化（城镇化和农业用地） ? 100年/1000年尺度上敏感区域环境变化研究 ? 我国生态系统功能和格局变化 ? 我国资源与环境、食物与健康区域特点 ? 中国陆地表层系统自然和人文综合区划研究 （4）人地相互作用过程与机理 ? 历史时期人与环境相互作用规律 ? 历史时期极端环境事件及其影响研究 ? 土壤质量、健康与生态安全 ? 人类活动与区域生态系统的相互作用

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? 人类活动与生物地球化学过程的相互作用 ? 人类活动对地表过程影响的定量评估 ? 不同地域人类适应环境变化模式比较研究 ? 全球变化区域适应实证及对策 ? 区域可持续发展模式

（5）地表环境变化的综合风险管理与区域可持续发展 ? 蠕变性环境“阈值”检测、识别及综合风险管理 ? 重大灾害（滑坡、泥石流等）形成机制及其影响 ? 典型地区的生态保育和资源可持续利用 ? 资源可持续性利用发展模式

? 城市化对陆地表层过程的影响与地区社会经济协调发展 5.6 水循环与水资源

5.6.1背景与意义

水循环是联系地球系统的大气圈、岩石圈、生物圈的纽带，是全球变化研究中的核心问题。水循环受自然变化和人类活动的影响，同时它又决定着水资源形成，影响着生态系统与环境的演变。水资源是基础性自然资源，也是与粮食、石油资源并列的三大战略资源之一。

国际科学发展表明，水循环与水资源问题是人类共同面临的挑战。国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、国际水文学计划（IHP）以及地球系统科学合作伙伴（ESSP）都将水循环与水资源问题作为其重要的研究内容，相继实施了全球能量与水循环试验（GEWEX），水循环的生物圈方面（BAHC）项目，IHP第六阶段（2003-2007）和第七阶段（2008-2013）的研究方向，以及全球水系统研究项目（GWSP），从不同角度研究水问题的方方面面。其核心内容是水在自然和社会循环的监测、反馈、适应性机理与尺度问题。变化环境下的水循环规律研究，是当今国际地理科学、资源科学、环境科学、社会科学交叉研究的学科前沿问题，也是全球及区域可持续发展的重大理论与实践问题。然而，正如国际科学联合会（ICSU）出版的《未来科学展望与分析报告》 所指出的那样：未来的水压力将成倍增加。水的复杂性包括了从全球水循环到本地的水资源利用。因此，加强对水循环过程的了解，满足“生活、生产和生态”对水的巨大需求，是未来重大挑战性问题之一。

当前，我国面临一系列突出的水问题的挑战。北方持续干旱，地下水严重超采，水污染发展，缺水形势加剧，其中，华北水资源供需矛盾最为尖锐；南方洪涝灾害频繁出现，长江流域

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水灾和河流健康的开发与保护是国家关注的重点；西北内陆地区水土资源过量开发，出现了生态型缺水，荒漠化扩展；2001年全国废污水排放总量达626亿吨，Ⅳ类以上污染河长占38.6%，大部份地区供水安全得不到保证。

以水资源紧张、水污染严重、洪涝灾害为特征的水危机，已成为制约我国可持续发展的关键因素。水资源节约型社会建设的科技支撑和水安全保障是国家重大战略需求问题。

从科学的角度看，地区缺水矛盾及其相关的生态环境问题，是自然和人文因素共同作用的结果。其中，水循环过程是纽带和载体，人类活动是重要干扰源和驱动因子。虽然我们对水循环的路径已有较成熟的定性认识，但是对自然和人文双重因素驱动下水循环变化的定量规律还远未搞清。因此，研究自然和人类活动双重作用下的区域水循环过程，揭示我国水资源变化的成因机制，定量刻画人类活动对水资源系统的影响具有重大的科学价值和现实意义。

5.6.2关键科学问题

水循环与水资源科学研究中的关键科学问题是：变化环境下的流域水循环规律和水与气候、生态、环境、社会的相互作用机理。前者包括：自然水系统的变化，即“大气水-地表水-土壤水-地下水”的时空变化与循环过程，区域水资源形成与转化关系；人类活动对水循环的影响，即人类活动对山区、平原和城市地区水资源变化的影响量级和成因，各类水资源的衰减和可再生性维持机理；社会水循环的驱动机理， 即区域社会经济发展、社会经济结构转型过程中水资源的需求规律，社会水循环的“供-用-耗-排”变化与控制因素，生活、生产与生态用水变化的驱动机理。后者包括：不同尺度地表水与地下水、大气与陆地、淡水与咸水、全球变化与流域系统、质与量、水体和生态系统的水资源变化的过程与格局演化的规律。

5.6.3 重要研究方向

1) 大陆尺度水循环规律与水资源形成转化机制

? 水循环多尺度综合观测与对比实验 ? 水系统中水资源的形成与转化关系 ? 中国大陆水系统和水循环时空变化格局 ? 大陆水循环的主要控制因素及其演化趋势 2) 区域水系统与生态系统和气侯的相互作用

? 陆地生态系统变化及不同覆被的区域耗水规律 ? 流域生态平衡与生态需水规律 ? 水系统及其分量与生态系统的耦合关系

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? 河流系统退化的机理及与水循环的相关关系研究 ? 气候变化对水循环的影响

3) 区域水循环及水资源综合集成系统与模型

? 分布式单元水循环动力学机制与过程模拟 ? 自然与社会水循环相互作用与综合模拟系统 ? 综合集成模型参数估计 ? 模型验证与不确定性研究 4) 水循环变化与水资源可持续利用

? 地表水、地下水和大气水资源的合理开发利用 ? 人类活动（跨流域调水）对区域水循环影响及生态效应 ? 不同区域水循环变化与水资源可持续利用 ? 区域生态保护与水资源之间的平衡模式 ? 水资源安全与水循环的调控机理

5.7海洋资源、环境与生态系统

5.7.1背景与意义

海洋中蕴藏着极为丰富的资源，开发和利用海洋已成为拓展人类生存空间和争夺经济制高点的希望所在。边缘海和大洋海域拥有丰富的生物资源和矿产资源，如油气资源、天然气水合物、大洋多金属结核结壳和热液硫化物等战略性资源，既是各国竞相争夺的新型资源基地，也是国际地学界竞相角逐的前沿领域。我国管辖的海域含有大量含油气盆地，是海洋能源、矿产资源的天然实验室。海洋环境是地球环境的重要组成部分，海洋环境也是全球生命支持系统的重要组成部分，它同时在全球水循环、气候变化中起着重要作用。

水深超过2000米的深海，约占海洋总面积的90.3%，是海洋的主体部分。目前，仍有95%深海大洋处于研究空白和待开发状态，深海是地球上尚待开发的最后疆域。

近年来的新发现大大地改变了以往人类对深海功能和作用的理解：深海海底以下数千米深部仍然有大量微生物生存，这种“深部生物圈”估计占全球生物量的1/10至1/2；大洋中脊和其它海区（如冲绳海槽），又发现有深海热液喷出，形成金属矿床，滋养独特的热液“黑暗生物链”；陆坡海底下面发现的天然气水合物，既是新世纪潜在的能源，又是全球环境演变和海底不稳定性的重要因素；海底下面还发现有巨大的水流系统，联系着地球的深部与表层；深海不仅可为社会可持续发展提供丰富的潜在资源，而且其变化对全球气候变化有着直接的影响，正确

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预测全球气候和环境变化都离不开对深海的认识。

海洋生态系统研究是认识海洋生物资源变化规律的重要科学基础，研究海洋生态系统变化及其在全球变化中的作用已成为当前的学科热点和前沿领域。

近海、大洋和极区是研究海洋环境和生态系统的重要区域。中国近海具有宽广的陆架，同时受黑潮和大江大河的双重影响，形成了鲜明的区域特点，是研究海洋环境和生态系统的理想区域之一。同时，我国近海由于受人类活动影响，海洋生态环境持续恶化，海洋灾害频发，海洋环境保护和海洋资源的可持续利用成为当前关注的重大科学问题。

20世纪80年代以来，社会发展和科技进步为海洋环境和生态系统的研究提供了新的机遇，产生了一系列全球性的国际科学研究计划，推动了海洋科学的发展。如：世界大洋环流试验（WOCE），实现了全球尺度的水文学调查；热带海洋全球大气试验计划（TOGA）验证了厄尔尼诺的可预报性；全球海洋观测系统计划（GOOS）促进了气候研究所需的全球海洋观测系统的形成；IGBP及相关项目的实施，使我们对海气之间的碳交换、对影响海洋碳迁移转化的物理泵和生物泵（有机碳泵和碳酸钙泵）及其相互作用有了较深刻认识。IGBP第二阶段，在原有的基础上，提出了将综合海洋生物地球化学与生态系统（IMBER）作为该领域的新的发展方向。深海钻探计划（DSDP）和其后的大洋钻探计划（ODP）在获得的高分辨率沉积记录中发现了气候突变，发现了深海热液系统及其由古菌与细菌组成的“深部生物圈”，以及地球深部与表层相互联系的渠道。这些大型研究计划几乎涵盖了海洋科学研究的主要方面，分别从全球大洋观测、外场科学实验和数值模拟等方面入手，互补互益，促进了海洋环境研究及与其它领域的交叉与综合。

在全球气候变暖的今天，海洋作为全球气候变化的巨大调节器已得到广泛公认；人类环保意识的提高和对海洋资源的迫切需求，呼唤人们加强对海洋生态环境与生物资源的研究。现在，人们已经认识到海洋是揭开地球生命秘密的谜底，是地球深部与表层能量和物质交换的通道。

5.7.2关键科学问题

我国海洋资源、环境与生态系统研究中的关键科学问题是：海底大规模成矿成藏理论，生态系统与生物资源的关键过程，海洋环境变化对我国气候的影响和作用，海洋富营养化机制及控制途径，近海环境对我国和东亚气候的影响和制约，海洋环境与生态系统、气候的相互作用。

5.7.3目标与重要研究方向

目标：紧紧围绕该领域的国际前沿和与国家重大需求密切相关的科学问题，立足近海、面向深海大洋和极地海域，以海洋资源的演变规律、海洋环境与生态系统的相互作用及其在气候变化中的作用为重点，力争在近海海洋过程与生态系统变异、深海大洋与极地的环境演变等方

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面取得重要科学进展。

重要研究方向：

（1）海底大规模成矿成藏理论

? 中国东部及海域盆地动力学及大型油气系统形成的整体分析 ? 中国前新生代海相油气形成与富集机理 ? 天然气水合物形成机理及其资源环境效应 ? 现代海底热液系统与古今成矿作用对比 ? 卤水资源综合利用理论基础 （2）近海海洋过程与生态环境变异

? 陆架环流动力学过程及其对全球变化的响应 ? 物质输运与陆架边缘物质交换过程

? 陆海相互作用下的河口海岸过程及其环境效应

? 中国邻近海域营养盐水平、结构演变以及生态系统对其的响应 ? 生源要素在海气、海底、河海界面的交换机制

? 水体富营养化的机理和评价方法，赤潮形成机理与调控机制 （3）海洋生态系统与生物地球化学过程

? 陆架边缘海生源要素的转换对生态系统的影响

? 海洋中元素的生物地球化学循环与古海洋环境和生态系统的替代指标； ? 人文活动对近海生物地球化学循环的影响与纪录

? 海洋生物地球化学循环与食物网的相互作用及海洋生物资源变化规律 （4）海洋生态系统结构与功能

? 海洋生态系统中的关键生理、生态过程 ? 人类活动对海洋生态系统的影响 ? 海洋生物对海洋环境变异的响应 ? 生物过程与物理过程相互作用 （5）深海大洋环境与生态系统

? 大洋环流动力学及其变异机理 ? 深海环境变化与地球环境预测 ? 深海极端环境与深部生物圈

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? 全球海洋大气相互作用

? 海洋固态圈层动力条件变化对海洋环境的影响 （6）极区环境变化与海-陆-气-冰相互作用

? 南极冰盖断面的气候与环境变化

? 极地大气海洋过程及其与全球变化的关系 ? 北极海洋与海冰的快速变化机制及其气候效应 ? 极地生态环境和生物多样性

? 极地无冰区生态环境演变对气候变化的响应 ? 极区碳的生物地球化学循环对气候变化的响应与反馈

5.8天气与气侯系统变化机制

5.8.1背景与意义

天气与气侯系统变化直接导致气象灾害的发生，诱发其它灾害。统计表明，在各类自然灾害中，气象灾害是发生频率最高、影响面最大、经济财产损失最大的灾害。在我国，气象灾害占68%。随着社会经济的快速发展，由此造成的经济和生命财产损失正在进一步加大。平均每年因气象灾害造成的经济损失占国民经济总产值的3—6％。与气象条件有关的其他自然灾害，如水土流失、泥石流、滑坡、崩塌、地面沉降、森林和草原火灾、农林草原病虫害、荒漠化等所造成的损失更是难以估算。严重地影响了我国经济和各项事业的发展。

世界天气研究计划（WWRP）对“高影响天气（即灾害性天气）的动力学与可预报性理论”给予了高度重视，将其列为 “全球观测系统研究与可预报性试验计划（THORPEX）的重要内容。提出通过开展全球大气科学观测试验和可预报性等方面的联合研究，加速提高1-14天的预报准确率，并使其预报产品能够在世界经济和社会发展中产生更大的效益。世界气候研究计划（WCRP）和国际地圈生物圈计划（IGBP）则提出了与气候变化机理及预测相关的一系列问题。如：人类活动诱发的气候变化及其对人体健康和可持续发展的影响研究，天气、气候系统模式和地球系统模式的发展，海量数据的处理、分析、同化应用与数据共享研究，以及四维、高精度、立体和多要素综合一体化的大气科学观测等。可见，天气与气侯系统变化机理与预测理论研究既是社会发展的重大需求，又是国际科学发展的前沿。

5.8.2关键科学问题

天气与气侯系统变化机制研究中的关键科学问题是： 灾害性天气预报精度的进一步提高，预报时效的延伸，以及预报对象的拓展问题；气候系统变化研究和月、季度、年际、年代际尺度气候预测理论与预测试验；人类活动-气候变化-社会经济发展的相互作用；天气、气候系统模式的发展；海量探测数据的处理、分析和同化应用；天气、气候要素探测的新原理新方法和

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新技术研究；云雾的物理和化学过程与人工影响天气问题等。

5.8.3目标与重要研究方向

目标：该领域的总目标是认识由气候系统主导的灾害性天气和气侯的各种物理、化学和生物过程，它们的时空特征、变化规律、相互联系和物理机制，捕捉重大天气、气候事件的前期征兆，改进天气预报的精度，发展新一代气候模式、预报方法和气候预测理论。 “十一五”期间重点围绕气候系统过程、模式与预测理论，灾害性天气动力学与可预报性理论，大气化学、边界层物理与大气环境，中高层大气动力学过程和云雾物理等方面开展创新研究，力争在天气与气侯系统变化机制方面取得重要进展。

重要研究方向：

（1）气候系统过程、模式与预测理论

? 气候变化的可预测性

? 多时空尺度气候变化的物理过程及其相互作用机制

? 南北半球环流系统的季节变化及其与东亚气候年际异常的关系 ? 高分辨率耦合气候系统模式 （2）灾害性天气动力学与可预报性理论

? 暴雨、冰雹等、中小尺度天气灾害动力学 ? 云物理过程及其对暴雨的影响 ? 新一代暴雨数值模式

（3）大气化学、边界层物理与大气环境

? 气溶胶、云与气候变化间的反馈过程 ? 大气化学成分变化对气候变化的影响 ? 边界层通量观测新方法

? 边界层物理化学过程与植物生理过程的相互作用 ? 陆面过程的参数化 ? 区域大气环境模式 （4）中高层大气动力学过程

? 中层大气关键要素的分布与变化规律

? 中层大气动力、物理、化学和辐射过程及其相互作用 ? 平流层－对流层及中层－平流层交换过程 （5）云雾的物理和化学过程与人工影响天气

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? 云物理和化学过程及降水机制 ? 人工影响天气的有效方式和途径 ? 人工影响天气的效果检验

5.9日地空间环境与空间天气

5.9.1背景与意义

日地空间环境是人类生存发展的重要活动场所，空间天气的灾变常造成卫星失效、通信中断、导航系统失灵、飞行物跟踪识别困难，核电站变压器、电网烧毁等等，给人类活动带来巨大损失。

“十一五”期间，预计全球将有数百颗卫星上天，多批次载人航天。我国台湾－广州一线以南直至海南地区是电离层闪烁高发地区，常引起通信中断，GPS导航定位误差加大、甚至中断。航天安全、信息安全、国家安全以及巨大的商业利益前景等都对空间天气研究提出了紧迫的重大战略需求。

国际空间科学计划，如太阳探测计划（Solar probe），太阳动力学观测站（Solar Dynamics Observatory），地球空间电动力学联系探测（Geospace Eletrodynamics Connection），磁层星座计划（Magnetospheric Constellation），磁层多尺度探测（The magnetospheric Multiscale Mission）以及中层大气中的冰探测（Aeronomy of Ice in the Mesosphere）等所关注的前沿是：太阳磁场的产生、结构及其能量的转换和释放；探究电离层－热层－中层系统中的电动力学过程；探测研究磁尾及其与磁层整体变化间的关系；研究空间等离子体基本问题，如磁重联、粒子加速等；研究极区中层大气云与极区中层气象之间的联系，极区中层气候的长期变化及其与全球变化的关系等等，它们都是日地环境和空间天气研究的重要内容。

近年来，我国对空间物理的探测和研究给予了很高的重视，实施了一系列重大科学计划，如：“地球空间双星探测计划”成功实施，使双星－ClusterⅡ六点星座成为人类历史上第一个探测地球空间多时空尺度和多层次结构相互作用的多点立体观测体系；国家重大科学工程，《东半球空间环境地基综合监测子午链》--简称子午工程，已于2005年3月正式启动；空间环境的地基观测有了可喜的发展；“探月”工程已正式实施，“太阳空间望远镜计划”已进入实施前的关键阶段；新的空间探测计划--“空间风暴三星计划”、“夸父”空间天气探测计划和“太阳风等离子云射频成像计划”等正积极推动之中。

5.9.2关键科学问题

“日地空间环境与空间天气”研究中的关键科学问题是：认识日地空间环境；探索灾害性空间天气的发生机理、变化规律；空间天气灾害预报以及空间天气灾害的影响。作为“日地空间环境与空间天气”研究的第一步，拟围绕“空间天气因果链”进行研究。涉及的关键科学问

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题是：日冕物质抛射（CME）、触发机制、输出过程，源区物理过程；太阳表面结构和太阳风的三维、自洽结构，以及各种间断面对行星际扰动传播的影响；行星际扰动与磁层相互作用，磁层空间暴多时空尺度物理过程，以及磁层－电离层－中高层间大气耦合过程；空间等离子体磁重联物理过程、加热和带电粒子加速机制，以及等离子体波动和不稳定性的激发机制；空间灾变天气对信息、材料、微电子器件的损伤，以及对空间生命和人体健康影响的机理；日地系统各空间区域的预报指标、预报模式和方法；太阳多波段测量方法和技术，行星际扰动、磁层、电离层和中高层大气的成像和遥感技术，以及小卫星星座技术等。

5.9.3目标与重要研究方向

目标: 将日地系统不同空间区域的物理过程有机的联结起来，实施日地系统空间天气因果链研究。把日冕物质抛射、通过日冕和行星空间的传播、对地球空间系统的影响有机地联结起来，建立日地系统空间天气变化过程的因果链初级模式，特别是在地球空间天气多时空尺度连锁变化过程方面取得原创性成果。

重要研究方向 1) 空间天气驱动源

? CME和耀斑的触发机制和动力演化模型 ? 磁场、物质和能量的三维结构输出

? CME的日冕源区及其主要特性物理参数及其物理原因

? 高能粒子能量分布的新方法，加速区的位置和物理参数及有关加速机制 ? 若干重要等离子体理论问题 2）空间天气过程

? 太阳日冕物质抛射传输的基本过程 ? 太阳物质输传播模式和日球天气图 ? 影响地球空间天气过程的主要因素 ? 因果链模式和预报方法 3）空间天气对人类活动的影响

? 空间环境和天气条件对信息系统和电波传播 ? 空间材料和空间生命的影响 4）空间天气探测新概念和新方法

? 日冕物质抛射、太阳电磁辐射和高能粒子爆发成像和观测的新方法 ? 磁层、电离层和中高层大气成像和遥感探测技术

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5.10 地球系统模式与模拟

5.10.1. 背景与意义

过去20年全球变化研究取得了重大进展，初步揭示出地球系统是一个独特的自适应系统，具有临界阈值和突变的特征；地球系统各组分之间的相互作用与反馈非常复杂，且具有多时空尺度的变化特征；人类活动以多种方式影响着地球的环境，并以多维方式互相作用，全球变化不能简单地用因果关系来解释；人类引起的地球的变化远远超过了过去50万年自然变率的范围，地球正在以前所未有的状态运行；人类活动具有使地球系统从一种状态向另一种状态转变的潜力，将给地球环境和人类带来不可逆转的灾难性后果。

然而，人类对科学奥秘的追求使我们认识到，尽管上述进展反映了我们对地球系统动力学的最新认识，但仅靠这些认知还不能诠释地球系统的整体行为和运行机制，更不能准确预测人类可能在什么时候、以什么方式改变地球系统的运行状态，使之发生突变。因此，21世纪地球科学家面临的重大挑战是深化对地球系统整体行为和运行机制的认识。美国国家研究理事会,在总结20世纪后30年地球科学的进展时指出：“我们对地球单一层圈的了解比较深入，但对不同层圈的相互作用了解较少，特别是将地球作为一个系统的整体行为知之甚少”。

为了应对上述问题的挑战，我们必须加强对主导地球系统的整体行为和运行机制的地球系统过程，地球系统各圈层间的联系和全球与区域间的联系，地球系统的演化以及地球系统模式和模拟研究。从系统层次认识地球，提升地球科学研究能力。从定性描述到定量理解地球系统，最终实现对地球系统未来变化趋势的预测，从而达到人类与地球和谐相处之目的。

必须指出，地球系统模式和模拟研究具有特别重要的地位。这是因为在地球科学特别强调综合集成的大趋势中，发展地球系统模式和开展地球系统整体行为的模拟，既是综合集成研究的最有效方法和工具，又是国际地学强国的体现。在这方面日本和西方发达国家已先行了一步。日本已于21世纪初建立了地球模拟器，并在其上运行了AFES（地球模拟器大气环流模式）和OFES（地球模拟器海洋环流模式），得到了一些重要发现和新的结果。美国宇航局地球科学事业计划（ESE）战略规划中明确指出：2002年前的任务是描述地球系统的特征，2002年至2010年认识地球系统，2010年开始对地球系统变化进行预测。因此，地球系统模式和模拟是对地球系统未来变化趋势进行预测的基础和前提。

5.10.2 关键科学问题

地球系统模式与模拟的关键科学问题是：主导地球系统整体行为的特征变量和关键过程（复杂系统的非线性过程），地球系统模式的设计和发展，地球系统重要事件和过程的模拟，地球各层圈资料同化与集成，地球系统整体变化规律与预测。

5.10.3重要研究方向

（1） 地球系统关键过程的识别

? 描述地球系统整体行为的特征变量的厘定

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