美报告提出下一代地球系统科学研究愿景

2021年9月22日，美国国家科学院、国家工程院和国家医学院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）发布报告《国家科学基金会的下一代地球系统科学》（Next Generation Earth Systems Science at the National Science Foundation），建议美国国家科学基金会（NSF）应该创建下一代地球系统科学计划，来探索自然世界和社会之间复杂的相互作用，并增进人类对包括大气、水圈、岩石圈、冰冻圈、生物圈在内的复杂地球系统的理解。报告指出了下一代地球系统综合研究方法需要体现的6个关键特征，并对NSF打造下一代地球系统科学提出了6个方面的建议。本文对该报告的核心内容予以简要介绍。

1 背景

近年来，人类技术进步和生产活动扩大了经济规模并消耗了资源，在驱动地球系统行为方面已经可与自然过程的规模相媲美，甚至超过了自然过程的规模。人类目前对地球系统的理解一直难以跟上地球自然系统的快速变化、人类对其影响的程度、系统对人类和生态系统可持续性与恢复力的影响以及应对这些挑战的不同途径的有效性。填补这些知识空白对世界是当务之急，因为今天做出的所有决定将塑造地球生命支持系统的未来运作，并影响粮食和水安全、减缓和适应气候变化和其他人为压力、抵御自然灾害和灾害的能力以及其他社会关切。NSF在加强探索这些问题所需的科学基础方面处于独特的地位。应NSF要求，美国国家科学院、国家工程院和国家医学院成立了专门委员会，为研究地球系统的稳健、综合方法制定愿景，并确定NSF的设备、基础设施 、协调机制、计算和劳动力发展来支持这一愿景。委员会认为，下一代地球系统科学将探索影响地球现在和未来维持生命能力的自然和社会过程之间的相互作用。NSF在下一代地球系统科学中的关键和独特作用是：创新、推进和培育系统方法，以发现地球是如何运作的，并告知社会如何作为地球系统的一部分运作，以促进社区、地区、国家和世界的福祉。下一代地球系统科学与国家科学基金会的双重使命相一致，即通过促进对地球系统的基本理解来“促进科学进步”，并通过建立对解决地球系统相关社会问题至关重要的知识基础来“促进国家健康、繁荣和福祉”。

2 下一代地球系统科学计划的6个关键特征

报告指出，NSF下一代地球系统科学计划应创新、推进并培育该领域的综合研究方法。

（1）在空间、时间和社会组织尺度上推动好奇心和现实需求驱动的地球系统基础研究。

基础研究为理解地球系统如何运作及其在支持社会中的作用提供了基础。好奇心和现实需求驱动的基础研究都是认识地球系统内部和整个系统复杂驱动因素、相互作用和反馈的关键。广泛的跨学科方法对于处理发生在广泛的空间和时间尺度上的非线性过程之间的联系十分关键。受使用启发的基础研究对于指导管理与地球系统相关的社会挑战也至关重要。

（2）促进社会科学、自然科学、计算科学和工程学的融合，为与地球系统相关的问题提供解决方案。

自然—社会关系是社会和地球面临的许多复杂问题的核心。在当前社会问题的背景下，识别和理解自然、技术和社会系统内部及其之间的诸多关系需要一门强有力的综合科学。融合研究通过从社会问题的角度构建研究问题，为发展综合科学提供了一种手段。

（3）确保地球系统科学的多样性、包容性、公平性和公正性。

谁参与定义和研究地球系统会影响我们对这些系统的理解程度。将广泛的观点、价值观和经验纳入研究的所有阶段——包括那些在历史上被排除在地球系统科学之外的人——并确保包容性的健康工作文化将产生更相关的研究问题、更多的新想法、更多的创造力和更多的能力。它还将有助于确保科学进步给社会所有部门带来好处。

（4）优先考虑与不同利益攸关方的接触和伙伴关系，以造福社会并解决社区、州、国家和国际范围内与地球系统相关的问题。

利益攸关方在推进地球系统科学知识和利用这些见解制定政策和做出实际决策方面发挥着重要作用。例如，让工程师、资源管理者、非政府组织和当地的利益相关者参与进来。社区在形成研究问题方面对于发展知识至关重要，这些知识可以在社区和更大规模上付诸实践。利益攸关方还可以与科学家共同生产知识，产生科学发现并改进数据产品。政府机构和私营公司之间的伙伴关系扩大了知识、观测和计算资源库，这将有助于推进下一代地球系统科学，加快创新和解决方案的开发。

（5）协同观测、计算和建模能力，以加速发现。

观测、计算和建模基础设施必须共同支持地球系统科学的融合。观测和监测揭示了地球系统的变化。不同来源的数据被同化成代表自然和社会系统过程及其在地球系统中相互作用的模型。计算为整合地球系统科学的复杂部分、支持数据收集和分析、生成预测和解释模型结果提供了框架。

（6）教育和支持拥有技能和知识的员工，以有效地识别、开展和传播地球系统科学研究。

地球系统科学的现有和未来研究人员必须保持强大的学科知识和技能，同时发展跨学科的科学技能和实践，这将有助于解决自然和人类系统交叉的问题。必要的技能和实践包括系统思维、人类维度的整合和应用、复杂问题的解决、计算和分析技能、空间和时间推理、必要的技能和实践包括系统思考、人类维度的整合和应用、复杂问题的解决、计算和分析技能、空间和时间推理、与不同受众的沟通以及在不同团队中以合乎道德的方式工作的能力。

3 关于NSF创建下一代地球系统科学计划的建议

（1）NSF应该创建一个持续的下一代地球系统科学计划，既促进对地球系统的科学理解，又支持地球系统相关问题的解决。

具有6个关键特征的综合计划需要维持和扩大NSF目前的做法。目标是利用现有能力并创造新的方法，更加强调受使用启发的融合研究，同时保持好奇心驱动的地球系统科学的优势；加强社会、工程、计算和数据科学家的参与，并将不同的观点纳入研究并与利益攸关方合作。

（2）NSF应消除趋同研究的障碍，包括促进与利益攸关方的合作和建立跨学科团队。

下一代地球系统科学的融合研究需要跨部门、科学家之间、研究团队内部以及与利益相关合作伙伴之间的新的互动模式。跨学科团队以及与利益相关者的关系发展的时间框架比典型的研究项目要长，可能需要维持多年。处理这些现实问题是会聚研究、团队建设以及与利益相关者进行有效和持续参与的关键。

（3）NSF应该在下一代地球系统科学的所有方面整合多样性、公平、包容和正义，包括研究优先级的确定、研究活动的评估和劳动力的发展。

NSF实现这一目标需要在研究项目的所有阶段采用和创新的方法，包括研究如何构建包含共同生产知识和其他形式的参与性知识的项目。除了培养科学领导、管理和科学界的多样性的关键需求外，NSF 还可以激励科学家考虑研究团队的多样性，并在设计、实施和推广中解决他们的研究对社会不同阶层的影响 的研究项目。

（4）NSF应该促进和支持合作、科学设备与信息基础设施建设以及研究基础设施之间的数据共享活动，以形成下一代地球系统科学的融合研究。

利用网络基础设施和观测设施之间的协同作用、跨科学部门的合作以及随着受使用启发的研究需求的发展而努力提高适应性灵活性。

（5）NSF应该通过扩展资源（例如，硬件、软件、数据分析、熟练劳动力）并确保其平等利用，以确立在计算革命中的领导地位。

地球系统科学将需要随着计算和观测的快速变化而进步。要利用这场革命进行积极的规划，就需要让计算和数据科学家成为地球系统科学界的重要成员，并确保提供足够的计算资源。

（6）NSF应该促进和支持下一代地球系统科学研究力量的发展，包括志愿从事融合研究的本科生与研究生以及科学家与工程师。

具体机制包括资助已有和正在设立的项目，以促进必要技能的发展和评估。在本科和研究生培养中，引入融合研究、跨学科团队和多样化的观点将促进必要劳动力的发展。研究软件工程师和系统工程师也应该被纳入地球系统科学工作人员。

报告总结认为，几十年来，NSF在地球系统科学领域发挥重要作用。随着这项研究日益揭示人类驱动的地球系统变化对社会的影响，NSF有机会扩大和重新集中其努力，以实现更大的影响。下一代地球系统科学，基于加强跨关键学科的参与和合作，有助于提高对我们星球的基本了解和指导其未来造福社会的能力。

转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《地球科学动态监测快报》2021年第19期，刘文浩 编译。