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NSF发布2015—2020年地球科学

发布时间:2016-09-09 00:00
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  21世纪的地球科学已经发展成为真正的跨学科科学研究领域,为了更深入地理解地球及其内部的相互作用,要求地球科学必须了解其真正的研究需求与前沿。2015年3月美国国家科学基金会(NSF)地球科学部咨询委员会(AC/GEO)正式发布了《动态地球:地球科学部研究需求与前沿2015—2020》(Dynamic Earth: GEO Imperatives & Frontiers 2015-2020)报告。该报告从美国科学基金会(NSF)地球科学部(GEO)的研究需求和动态地球新的研究前沿领域角度,为NSF的地球科学研究资助方向提供了近期计划,以支持美国大气科学、固体地球科学、地球空间科学、海洋科学和极地科学研究。中科院兰州文献情报中心情报人员对美国地球科学研究需求与研究前沿领域的这一动向及其对我国的启示进行了分析,以供参阅。 

  一、地球科学研究需求 

  该报告提出2015—2020年GEO主要支持的4个专题领域:①基础研究;②科研团体资源和基础设施;③数据和网络基础设施;④教育与多样化。各专题领域的具体研究需求如下: 

  (1)基础研究。包括:①加强和支持基础研究(核心项目);②风险与灾害;③水循环。 

  (2)科研团体资源和基础设施。包括:①最先进的设施;②海洋观测计划;③两极地区的物流与业务;④下一代日-地系统科研模型。 

  (3)数据和网络基础设施。包括:①科研团体推动的用于促进数据发展的基础设施/具有模型支撑的科研和教育;②利用计算能力和计算设施;③观测系统和传感器阵列基础设施;④支持研究和教育的分布式仪器和设施。 

  (4)教育与多样化。包括:①提高地球科学本科生培养和招生;②储备地球科学人力资源能力;③扩大参与;④公众科学和面向科研团体的科学;⑤以研究和教育为目的科研团体资源。 

  二、新的研究前沿领域 

  GEO的首要任务是支持基础研究,因此研究前沿是GEO日益关注的领域。为了推进地学研究的新方向,该报告还确定了地球科学研究的4个新兴前沿领域以支持未来地球科学研究。这些新兴前沿研究领域将促进研究人员间跨学科跨部门的合作研究日益增长。 

  (一)跨陆地/海洋界面的地球系统过程 

  传统的跨学科研究在陆地和海洋过程的科学认识方面取得了重大进展。GEO致力于探索跨越陆地-海洋界面的地球系统过程,以便更好地了解海-陆相互作用对人类、沿海资源和陆地资源的影响。GEO预计针对以下领域进行特别的基础研究支持:①海洋生态系统对气候变化的响应和可变性以及人为经济活动,如,排放、捕捞压力、不可再生资源的开采;②地表水与地下水的相互作用、海底地下水排放和海水入侵沿海地下蓄水层对沿海水资源管理、渔业和水生生态系统的影响;③活动大陆边缘的板块边界地球动力学以及导致断层系统内能量释放的应力,地形重置和陆-海界面高能触发事件;地貌蚀变改变风和环流模型、沉积物和大气水分搬运,以及海洋和陆地资源的再生;④区分区域和全球海平面变化,以更好地了解和预测海平面变化与主要冰盖的融化和损失;⑤大气相互作用和对陆地-海洋-水圈界面的影响。 

  (二)高纬度海洋-大气--生态系统的相互作用和过程 

  政府间正在形成跨机构的合作伙伴关系,这将增强在北极和北大西洋,以及在南大洋的研究机会。其中包括NSF和NASA与欧洲“地平线2020”计划间的跨大西洋合作研究计划。GEO趋向于加强能整合观测、分析、建模以及管理和决策的研究,以支撑在海洋环流、气候、生物地球化学、食物网动态与群落结构和生态系统领域健康与多样性领域的海洋-大气-冰-生态系统研究。提高认识和预测能力的领域包括:①从北极以海冰方式输出进入到北大西洋和北冰洋洋面水中的淡水的变化,格陵兰冰盖的融化,以及定期发布淡水的水文循环;②非线性气候系统中反馈作为大气响应并驱动海洋变化,特别在南大洋;③生态系统的生产力和生物多样性的变化(如CO2封存的影响),作为生产力参与气候调节,是维持自然生态系统和人类所需资源的一个主要来源;④二氧化碳和热量交换,碳循环的碳源和碳汇;⑤气候变化、海洋酸化、群落和生态系统的变化;⑥多尺度气溶胶、云、辐射和降水的过程模型。 

  (三)城市地球系统科学 

  土地利用的快速变化导致空气、水、土壤和陆面特性之间相互作用的复杂性,人类对其知之甚少。有需要进一步的研究以了解城市和气候之间的相互作用和反馈系统,如城市废热排放对区域环流模式和海洋系统的影响,城市反照率效应的影响和风暴潮对沿海城市的影响。 

  GEO支持广泛的研究领域,相关城市地球系统科学和其他,如“人类系统”问题(市郊扩张、绿地、休闲和旅游活动)。目前,NSF通过长期生态学研究网络项目(LTER)支持凤凰城、亚利桑那州和马里兰州的两项长期城市生态研究。此外,2014年,GEO等发起征集可持续发展研究网络(SRN)倡议支持研究人员、教育工作者、管理者、决策者和其他利益相关者的多学科团队进行合作研究,解决城市可持续发展的根本挑战。该网络将围绕相关问题,如沿海城市化、城市热岛、粮食系统、能源、生物多样性、基本生态系统服务、交通或管理来组织。 

  (四)早期地球 

  GEO想加速推进对早期地球的基本领域的调查与了解。并在2008年与美国国家科学院(NAS)发布了题为《地球的起源和演化——变化行星的研究问题》报告,确定了早期地球研究值得进一步探索的关键科学问题:①地核何时和为什么形成,以及地质发动机何时和为何起源?②为什么地球有板块构造,而其他行星没有?③保护大气和海洋的地磁圈是如何重要?④在板块构造之前,地球上可能发生了怎样的行星过程?⑤早期地球的海洋和大气如何形成,随后受到怎样的生物化学影响?⑥生命的起源是如何受到早期地球大气、海洋和构造的时间和性质制约?了解板块构造是何时和如何开始的以及出现板块构造后对海洋化学、气候和生命演化的影响。 

  三、对我国的启示 

  (1)加强地球科学战略研究,聚焦研究需求和前沿领域。NSF报告从基础研究、科研团体资源和基础设施、数据和网络基础设施、教育与多样化4个专题领域提出研究需求以及跨陆地/海洋界面的地球系统过程、高纬度海洋-大气-冰-生态系统的相互作用和过程、城市地球系统科学、早期地球4个前沿研究领域,作为美国NSF2015—2020年地球科学研究资助的重点方向。我国应结合我国的地域特点和需求,加强地球科学战略研究,提出有我国特色的战略研究方向与前沿领域,指导我国的地球科学研究。 

  (2)加强跨学科、跨机构合作研究,拓展研究领域和成果范围。NSF报告指出传统的跨学科研究在陆地和海洋过程的科学认识方面取得了重大进展,政府间正在形成跨机构的合作伙伴关系增强在北极、北大西洋和南大洋的研究机会。地球科学是一门非常复杂的科学,我国可以借鉴NSF的经验,制定相关措施鼓励和加强地球科学领域的跨学科、跨团队和跨机构合作,促进地球科学研究。 

  (3)加强数据、网络和研究基础设施建设,丰富研究手段和数据积累。分析检测仪器设施、数据和网络基础设施是现代地球科学研究不可或缺的基础平台和手段。建立和完善动态地球科学数据采集、处理和管理基础设施平台,建设地球科学基础数据集(库),基于地球科学大数据进行地球科学知识发现和创新研究。 

  (4)加强地球系统科学研究,促进地球科学研究的集成和创新。地球科学在解释和揭示行星地球演化规律、人地相互作用以及预测地球未来等问题时,越来越需要开展系统的、整体的、集成的地球科学研究,这促使了地球系统科学的诞生。NSF报告强调了地球系统,所提出的未来前沿研究领域主要是围绕地球系统开展研究。我国也应围绕这一前沿研究趋势,从地球系统研究角度规划地球科学研究项目计划。 

  (中国科学院兰州文献情报中心)