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“未来10年中国学科发展战略”丛书是国家自然科学基金委员会和中国科学院学部历时两年多联合开展研究的重要成果，凝聚着600多位院士、专家的智慧和心血，对广大科技工作者洞悉学科发展规律、了解前沿领域和重点方向及开展科技创新等有重要的参考价值，对促进我国学科均衡、协调、可持续发展必将发挥积极作用。 《未来10年中国学科发展战略.地球科学》全面总结了近年来地球科学的研究现状和研究动态，客观分析了学科发展态势.从学科的发展规律和研究特点出发，前瞻性地思考了学科的整体布局，提出了地球科学的重要科学问题、前沿方向及我国发展该学科领域的政策措施等。
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目录总序（路甬祥陈宜瑜）/i前言/v摘要/ixAbstract/xxvii第一章大气科学/001第一节战略地位/001第二节发展规律与发展态势/002一、基本定义与内涵/002二、发展规律和研究特点/003第三节发展现状/005一、天气学和大气动力学/005二、大气物理学/007三、大气化学/008四、气候系统动力学与气候变化/009第四节学科发展布局/011一、战略目标/011二、战略布局/011三、学科发展布局、交叉学科重点发展方向/013第五节未来5~10年的优先发展领域与交叉研究领域/013一、优先领域发展目标/013二、优先领域重点方向/014三、重大交叉研究领域/019第六节国际合作与交流/020一、亚洲季风/020二、台风/021三、气溶胶、云、降水相互作用/021第七节保障学科发展的政策措施/022一、持续稳定的经费支持/022二、加强团队建设/022三、发展综合观测技术和方法/022四、鼓励交叉研究/022参考文献/022第二章地理学第一节战略地位/025一、地理学在科学和知识体系中的地位/025二、地理学在满足国民经济和社会发展上的作用/026三、地理学对实施《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》的支撑作用/027第二节发展规律与发展态势/028一、地理学的学科特点/028二、地理学的国际发展态势/029三、地理学的发展规律/033第三节我国地理学发展现状/034一、地理学科研方向的突破/035二、地理学对社会和科学的贡献/041三、地理学存在的主要问题/045第四节学科发展布局/046一、总体思路/046二、战略目标/048三、学科发展/049第五节未来5~10年的优先发展领域与交叉研究领域/059一、优先领域与重点方向/059二、重大交叉研究领域/071第六节国际合作与竞争/076一、国际合作交流中的科学立场与国家利益立场/076二、地理学国际合作与竞争的主要领域/077第七节保障学科发展的政策措施/078一、政策与社会保障/078二、投入保障/078三、教育保障/079四、组织保障/079参考文献/080第三章地质学/084第一节战略地位/084第二节发展规律与发展态势/085一、地质学学科特点/085二、地质学国际发展动态与趋势/087第三节发展现状/091一、我国地质学在国际上的地位/091二、国内外差距/092第四节学科发展布局/092一、指导思想/092二、布局原则/093三、发展目标/093四、分学科发展布局和重点发展方向/094第五节未来5~10年的优先发展领域与交叉研究领域/100一、优选原则/100二、地质学优先发展领域/101三、地质学交叉研究领域/104第六节国际合作与交流/108第七节保障措施/110参考文献/111第四章地球物理学/113第一节战略地位/113第二节发展规律与发展态势/116第三节发展现状/120第四节学科发展布局/132一、总体发展战略布局/132二、未来5~15年地球物理学科的重点发展方向/132三、交叉学科发展布局与发展方向/133第五节未来5~10年的优先发展领域与交叉研究领域/133一、先发展领域/133二、重大交叉研究领域/135第六节国际合作与交流/136第七节保障措施/137参考文献/139第五章地球化学/140第一节战略地位/140第二节发展规律与发展态势/144一、微量元素地球化学/145二、稳定同位素地球化学/146三、放射性同位素地球化学/147四、有机地球化学/148五、地球化学/149六、地球化学/149七、地球化学/150八、表生地球化学/151九、生物地球化学/152十、实验地球化学/153十一、地球化学/154十二、化学地球学/155第三节发展现状/156一、量元素地球化学/158二、稳定位素地球化学/163三、射性位素地球化学/165四、有地球化学/167五、地球化学/170六、地球化学/171七、地球化学/174八、表生地球化学/179九、生物地球化学/182十、验地球化学/186十一、地球化学/187十二、化学地球学/190第四节学科发展布局/197一、微量元素地球化学/197二、稳定位素地球化学/197三、放射性同位素地球化学/198四、有机地球化学/199五、地球化学/200六、地球化学/201七、地球化学/203八、表生地球化学/203九、生物地球化学/204十、实验地球化学/205十一、计算地球化学/206十二、化学地球学/207第五节未来5~10年的优先发展领域与交叉研究领域/207一、优先发展领域/207二、重要交叉领域/211第六节国际合作与交流/212第七节保障措施/216参考文献/217第六章地球系统科学/235第一节引言/235第二节发展规律与发展态势/236一、地球系统科学概念的提出/236二、地球系统科学的内涵/237三、地球系统科学研究发展动态/240第三节发展现状和研究特点/243一、地球系统科学理念不断更新，向着人类可实际利用的方向发展/243二、观测监测研究网络和科学钻探是地球系统科学研究的基本平台和手段/244三、评估、模拟与预测能力的发展为地球系统科学提供了重要支撑/245四、全球和区域大型合作计划成为地球系统科学研究的重要组织形式/245五、建立地球系统科学组织与教育机构成为一种新的趋势/246六、我国的研究现状/246第四节地球系统科学的定义、研究目标和科学意义/247一、地球系统科学的定义/247二、地球系统科学研究目标/248三、地球系统科学研究的科学意义/249第五节未来5~10年的优先发展领域与交叉研究领域/250一、地球系统历史/250二、生命演化和地球深部过程与地球系统/252三、生物圈的关键过程和生物多样性与地球系统/255四、我国区域水循环与地球系统/258五、冰冻圈演变过程、与其他圈层相互作用及其环境效应/261六、大气气溶胶和大气污染物与地球系统/265七、东亚区域环境系统的物理、化学、生物和地质过程与地球系统/268八、我国海平面和海陆过渡带变化的动力学及趋势预测/272九、全球变暧的自然和人为因素与温室气体的控制/276十、全球环境变化的人类适应与地球管理/278第六节保障措施和支撑体系/282一、观测数据获取/282二、地球科学钻探的系统开展/284三、代用资料数字化/286四、数据平台建立/289五、虚拟地球系统/290六、人才培养/291参考文献/292
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第一章大气科学 第一节战略地位 大气科学是一门多学科交叉的综合性、基础性、应用性学科，既涉及数学、物理和化学等基础学科，又与海洋科学、资源与环境科学、空间科学、生态科学、农业科学和社会科学等学科密不可分。大气科学一方面为这些基础学科的应用提供出口；另一方面，也为这些基础学科提出新的研究领域或方向，促进了它们的发展。此外，人类生活在大气圈中，人类的社会活动、生命财产和经济发展等都受到大气中各种现象的制约或威胁，准确的天气、气候和大气环境的监测和预报，对减少或减轻大气活动对人类社会的不良影响有着举足轻重的作用。因此，大气科学本身的特点及其与社会经济发展之间的紧密关系决定了大气科学研究的重要地位。 大气观测和数值模拟是大气科学研究的基础。大气观测技术水平和数值计的提，进气、气和空气分与的分和有很大的帮助，而大气科学的进一步发展对高性能观测仪器和高性能计算机提出了更高的要求，因此，大气科学的发展会直接带动相关高新技术的发展。 大气和海洋的关系极为密切，海、气相互作用是气候系统中*重要、*基本的物理过程，当前几乎所有的重大气候或气候变化项目都需要大气和海洋两个学科共同合作才能完成。 大气对地球环境生态系统有显著影响。例如，气候条件决定了生物的分布;高浓度污染物对大气环境和生态环境产生着巨大影响，是大气环境治理的主要对象，也是大气化学研究重要性的一个体现。近年来，全球变暧对生态系统的 也出。 天气、气候变化与人类健康、病毒传播等关系密切。例如，大气中的气溶胶不仅对人类健康造成威胁，还能传播真菌和病毒等。大量证据显示，气候变化对公共卫生安全造成的威胁日益增长。 当前，气候变化已经成为联合国和世界各国政府关注的焦点。大气科学的基础研究将为政府决策者应对气候变化、制定合理有效的方针政策提供有力的科学支撑。 《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》明确将环境问题，风能与太阳能等可再生能源开发利用，大气、水资源优化配置与综合开发利用，台风、暴雨、洪水等重大自然灾害研究等列为重点领域及其优先主题；将地球系统过程与资源、环境和灾害效应列为基础研究的科学前沿问题；将人类活动对地球系统的影响机制、全球变化与区域响应列为面向国家重大战略需求的基础研究。这些问题都是当前大气科学的基础前沿课题，因此，2011~2020年我国大气科学的基础研究在落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》确定的重点任务中具有重要地位。 中国地处东亚季风区，纵跨高、中、低三个纬度带，东临太平洋，南有印度洋，西有世界上*高的高原——青藏高原，下垫面复杂，气候多变，控制因子复杂，是世界上气象灾害活动*频繁、危害*严重的国家之一。1998年我国的特大洪涝灾害导致经济损失逾2600亿元，死亡人数超过3000人；2008年1月发生在中国南方的低温雨雪冰冻灾害造成1516.5亿元人民币的直接经济损失。因此，防灾减灾是国家的迫切需求。近年来，在全球气候变暧的背景下，特大洪涝、特大干旱、特大冰冻雨雪、超强台风、高温、局地强降水、雷电等极端天气、气候事件发生的频率和强度呈增加趋势，给国民经济造成了巨大损失。大气科学的基础研究将为国家防灾减灾提供科学基础。 总之，大气科学与地球科学中各个分支学科间都有密切关系，对促进邻近科学学科发展也有着重要作用；发展大气科学也是国民经济和社会发展的重大需求。如果按照著名物理学家艾尔文.温伯格的说法，“*具科学价值的领域是那些对邻近科学学科具有最大贡献、并将邻近科学照得*亮的领域”，并结合大气科学与社会经济发展之间的关系，那么大气科学在整个地球科学、环境生态研究中具有很高的战略地位。 第二节发展规律与发展态势 大气科学是研究大气的结构、组成、物理和化学过程、演变规律、动力学机制、大气圈与其他气候圈层相互作用及其建模预测的科学。它的一个重要目标是运用这些规律来提高预测天气、气候与污染现象和极端天气气候灾害事件的能力\为人类预防和减轻灾害的影响、合理利用气象和气候资源谋福祉。大气科学是地球科学的一个重要分支，研究对象主要是地球及太阳系中其他行星的大气圈；研究的时空范围很广，空间尺度从微米到全球，时间尺度则从数秒到上千年等；研究的手段有观测、理论分析、实验室模拟和数值模拟等。大气科学主要包括如下分支学科：天气学和大气动力学、大气物理学、大气化学、气候系统动力学和气候变化。 天气学和大气动力学主要研究各种天气现象发生和变化的规律、各种大气系统演变和相互作用的动力学问题，并由此建立数值天气模式，制作天气预警和预报。根据研究现象的空间尺度，大气动力学又分为大尺度、中尺度和小尺度大气动力学。 大气物理学是研究大气的物理现象、物理过程及其演变规律的学科，包括大气辐射学、气溶胶物理学、云和降水物理学、大气探测、大气遥感、大气电学、大气声学、大气光学、雷达气象学、大气边界层物理学、中层和高层大气物理学等。 大气化学主要研究大气中化学物质的来源、化学反应、演化、传输、沉降及其环境效应和对天气、气候的影响，并建立大气化学模型。 气候系统动力学和气候变化主要研究气候系统中从季节到年代和更长时间尺度的气候变率和变化、相关的物理和化学过程、圈层相互作用及动力学机理，建立气候模式，评估人类活动对气候的影响以及气候变化对人类和生态环境的影响，预测和预估未来的气候变化。 二、发展规律和研究特点 现代大气科学的发展始于17世纪，至今基本上经历了四个阶段：①17~18世纪是大气物理学的开端期，在这个时期人们发明了重要的气象观测仪器，建立了观测站，创立了信风和大气环流的初步理论；伴随着牛顿力学三大定律、微积分以及质量守恒连续性方程的提出，大气动力学基础初步形成。②19世纪是现代气象学的创立期，大气静力学方程、科里奥利力和热力学**定律相继被发现，为大气动力方程组的完备性奠定了基础。③20世纪初至20世纪50年代是现代大气科学的形成期，天气学、动力气象学（大气动力学（气候学、云和降水物理学等大气科学主要分支学科逐一发展形成，并成功实现数值天气预报。④20世纪60年代以来是当代大气科学蓬勃发展期，人们建立了全球观测系统，实现了数值天气预报业务化，涌现了众多新的分支学科，如气候变化、气候模式乃至地球系统模式、大气化学、大气物理学各分支学科、热带气象学、极地气象学、高原气象学以及各种应用气象学（如海洋气象学、水文气象学、军事气象学、农业气象学、生物气象学、航空气象学、医疗气象学、城市气象学和建筑气象学等）相继出现，全球范围的国际合作全面展开。 提高大气综合观测能力、研究新的观测手段、发展新的资料同化与融合方法、发展新的动力学理论、发现新的化学机理、使用巨型计算机和开展国际合作等是大气科学发展的支柱。近年来，大气科学研究更重视大气圈同水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈（包括人类活动）之间的相互影响和相互作用（特别是人类活动对气候变化的影响（多尺度运动过程的非线性相互作用，数值模式发展，气候变化的全球特征与区域差异，分支学科之间的交叉等。总体上说，大气科学的总体研究路线或发展途径基本是观测、分析、理论、模式、验证和应用相结合。 天气学研究的基本特点是根据实际观测资料，通过统计、诊断和动力分析，概括出天气系统或重要天气现象的天气学规律、天气过程或发展模式，以动力气象学为理论基础，运用天气图表及数值模式等工具来制作天气预报。天气学主要研究瞬时的大气现象及其短期变化过程，同时它也是一门地域性很强的学科，既要考虑大气整体行为，又要考虑地理、地形和海陆分布等区域或局地因素的重要影响。 大气动力学研究的特点是应用物理学原理和数学方法来研究大气运动的动力学和热力学过程及其与大气运动的关系，探索大气运动的基本规律，从理论上探讨大气环流、天气系统和其他大气运动演变规律的动力学过程及其形成机制，并为数值天气预报奠定理论基础。 大气物理学的研究规律是应用基本物理规律，对大气中观测到的物理现象和过程（云和降水、声、光、电、大气湍流和能量转换等）进行解释和定量描述，为数值天气预报和空气质量预报模式、气候系统模式以及专门应用提供物理过程模拟或较精确的参数化方案。 大气物理学研究的特点是，针对观测的大气现象和过程，运用物理学基本原理进行解释，建立、验证并应用数学-物理模式；重视大气物理学与其他学科领域的交叉，例如，将大气辐射学与大气化学微量成分结合估算温室气体的气候效应，在数值天气甚至气候模式中考虑小尺度动力和边界层过程（如湍流和对流交换等）的次网格效应，在气候变化中定量研究气溶胶、云、辐射相互作用的效应等。此外，大气物理学在大气科学领域属于更加基础性的研究，为天气、空气质量和气候业务预报与研究模式提供各种物理过程描述或参数化方案，对人工影响天气、雷电防护和某些应用方面有直接的指导作用。 早期大气化学的研究较多地关注大气环境，近年来大气化学与天气、气候研究交叉。这不仅有助于天气、气候研究的深入，也有助于更准确地描述与气象参数密切相关的化学物质的排放、化学反应、传输和沉降过程，已成为当前国际上研究的热点与前沿。 大气化学研究的特点是实验室机理、外场观测和数值模拟的结合，涉及环境化学、物理、气象、气候、数值模拟等多个研究领域。实验室机理分析研究光解反应、气态化学反应、非均相化学反应和水相化学反应，以了解化学物质形成和清除的机理。外场观测是了解大气成分的时间和空间分布的必要手段，包括地面、飞机和卫星观测等。大气成分的常规观测用于了解大气成分浓度的基本特征。地面观测提供较高时空分辨率的数据，飞机观测了解化学物质的垂直廓线，同时卫星观测给出化学物质在全球的分布特征并可望得到长期的监测数据。模式模拟综合实验室得到的大气化学机理，被用于解释观测数据、检验对各种化学反应机理的认识以及预测大气中化学物质的浓度。这三方面的研究相辅相成。例如，若外场观测到某种化学物质的浓度比以前了解的高，则此项观测会促进相关机理的研究和模式的改进。大气化学早期关注大气成分浓度，现在逐步实现了与天气、气候和生态系统研究的密切结合，研究制约大气环境演变的化学、物理和生物学过程及这些过程之间的相互作用机制。大气化学研究同时涉及大气环境和气候变化这两个大气可持续发展的重要领域，而且还在中长期影响评估和应对措施计划方面相互依赖。因此，大气化学研究既有很高的科学意义，也有很强的国家需求。 与天气学不同，气候学主要研究特征时间尺度较长的大气现象及其长期变化规律。气候学研究的特点是通过对长期观测的气候资料进行诊断分析和动力理论研究，特别是运用大型电子计算机和研发气候系统模式进行气候模拟，来揭示气候系统演变的规律和成因，并预测和预估未来气候变化。自20世纪70年代以来，在国际上关于环境、生态、粮食、水资源、沙漠化等的一系列重要会议上，气候问题都占有显著地位。当前，全球气候变化已经成为全人类共同关注的全球性重大问题，已成为全球政治的*要议题，并成为影响国际外交谈判和国家竞争力的重要因素。我国气候灾害众多，造成巨大的损失，因此，气候学与气候变化研究对国家防灾减灾意义重大，也将为我国可持续发展提供有力的科技支撑，并将为政策制定者制定应对气候变化的政策措施、履行气候变化国际公约提供科学基础。 第三节发展现状 一、天气学和大气动力学 虽然目前天气预报水平已经有了长足的进步，但是不断提高天气预报的准确率、扩展预报服务内容，仍是当代气象科技面临的一项紧迫而艰巨的任务（吴国雄等，2009a;端义宏，2009）。世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）和世界天气研究计划（World Weather Research Program，WWRP）于2003年建立了“全球观测系统研究与可预报性试验（THORPEX）”计划，为期10年，
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