1背景
近年來，人類的技術進步和生產活動擴大了經濟規模，消耗了資源，在驅動地球系統行為方面，可以媲美甚至超過自然過程的規模。目前，人類對地球系統的認識已經難以跟上地球自然系統的快速變化，人類對其影響的程度，系統對人類和生態系統的可持續性和恢復力的影響，以及應對這些挑戰的不同方式的有效性。世界迫切需要填補這些知識空白，因為今天做出的所有決定都將塑造地球生命支持系統的未來運作，並影響糧食和水安全、減緩和適應氣候變化和其他人為壓力、抵禦自然災害和災難的能力以及其他社會關切。在加強探索這些問題所需的科學基礎方面，國家科學基金會處於獨特的地位。在NSF的要求下，美國國家科學院、國家工程院和國家醫學院成立了特別委員會，以制定研究地球系統的穩健和全面方法的願景，並確定NSF的設備、基礎設施、協調機制、計算和勞動力發展，以支持這壹願景。該委員會認為，下壹代地球系統科學將探索影響地球現在和未來維持生命能力的自然和社會過程之間的相互作用。NSF在下壹代地球系統科學中的關鍵和獨特作用是創新、促進和培養發現地球如何運作的系統方法，並告知社會如何作為地球系統的壹部分運作，以促進社區、區域、國家和世界的福祉。下壹代地球系統科學與美國國家科學基金會的雙重使命是壹致的，即通過促進對地球系統的基本了解來“促進科學進步”，通過建立對解決與地球系統相關的社會問題至關重要的知識庫來“促進國民健康、繁榮和福祉”。
2下壹代地球系統科學計劃的六個關鍵特征
報告指出，NSF的下壹代地球系統科學計劃應創新、促進和培養該領域的綜合研究方法。
(1)在空間、時間和社會組織的尺度上，推動好奇心和現實需求驅動下的地球系統基礎研究。
基礎研究為理解地球系統如何運作及其在支持社會中的作用提供了基礎。好奇心和現實需求驅動的基礎研究是理解地球系統和整個系統內部復雜驅動因素、相互作用和反饋的關鍵。廣泛的跨學科方法對於處理發生在廣泛的空間和時間尺度上的非線性過程之間的關系是至關重要的。由使用激發的基礎研究對於指導和管理與地球系統相關的社會挑戰也非常重要。
(2)促進社會科學、自然科學、計算科學和工程的融合，為地球系統相關問題提供解決方案。
自然與社會的關系是社會和地球面臨的許多復雜問題的核心。在當前社會問題的背景下，需要壹門強有力的綜合科學來識別和理解自然、技術和社會系統之間的關系。融合研究從社會問題的角度構建研究問題，為綜合科學的發展提供了手段。
(3)確保地球系統科學的多樣性、包容性、公平性和公正性。
誰參與地球系統的定義和研究，會影響我們對這些系統的認識。將廣泛的觀點、價值觀和經驗納入研究的各個階段——包括那些在歷史上被排除在地球系統科學之外的觀點、價值觀和經驗——並確保壹種包容和健康的工作文化，將產生更多相關的研究問題、更多新的想法、更多的創造力和更多的能力。它還將有助於確保科學進步惠及社會所有部門。
(4)優先考慮與不同利益相關者的聯系和夥伴關系，以造福社會，解決社區、州、國家和國際範圍內與地球系統有關的問題。
利益攸關方在推進地球系統的科學知識以及利用這些見解制定政策和做出實際決定方面發揮著重要作用。例如，讓工程師、資源經理、非政府組織和當地利益相關者參與進來。在形成研究問題時，社區對於發展知識是非常重要的，研究問題可以在社區和更大的範圍內付諸實踐。利益相關者還可以與科學家合作，創造知識、做出科學發現和改進數據產品。政府機構和私營公司之間的夥伴關系擴大了知識、觀測和計算資源庫，這將有助於促進下壹代地球系統科學，並加快創新和解決方案的開發。
(5)協作觀察、計算和建模能力，以加速發現。
觀測、計算和建模的基礎設施必須與支持地球系統科學相結合。觀察和監測揭示了地球系統的變化。來自不同來源的數據被吸收到代表自然和社會系統過程及其在地球系統中的相互作用的模型中。計算為整合地球系統科學的復雜部分、支持數據收集和分析、生成預測和解釋模型結果提供了壹個框架。
(6)用技能和知識教育和支持雇員，以便有效地識別、開展和傳播關於地球系統的科學研究。
現有和未來的地球系統科學研究人員必須保持強大的學科知識和技能，同時發展跨學科的科學技能和實踐，這將有助於解決自然和人類系統的交叉問題。必要的技能和實踐包括系統思考、人的維度的整合和應用、復雜問題解決、計算和分析技能、空間和時間推理，必要的技能和實踐包括系統思考、人的維度的整合和應用、復雜問題解決、計算和分析技能、空間和時間推理、與不同受眾的溝通以及在不同團隊中以道德方式工作的能力。
對美國國家科學基金會創建下壹代地球系統科學計劃的3點建議
(1)NSF要創建可持續的下壹代地球系統科學計劃，既促進對地球系統的科學認識，又支持地球系統相關問題的解決。
壹個包含六個關鍵特征的綜合計劃需要保持和擴展NSF的當前實踐。目標是利用現有能力並創造新方法，更加重視由使用激發的融合研究，同時保持好奇號驅動的地球系統科學的優勢；加強社會、工程、計算和數據科學家的參與，將不同的觀點納入研究，並與利益相關方合作。
(2)NSF應消除趨同研究的障礙，包括促進與利益相關者的合作，建立跨學科團隊。
下壹代地球系統科學的融合研究需要壹種新的部門、科學家、研究團隊和利益相關者之間的互動模式。發展跨學科團隊和與利益相關者的關系的時間框架比典型的研究項目更長，可能需要維持多年。處理這些實際問題是趨同研究、團隊建設以及利益相關者有效和持續參與的關鍵。
(3)NSF應將多樣性、公平性、包容性和公正性融入下壹代地球系統科學的各個方面，包括研究重點的確定、研究活動的評價和勞動力的發展。
為了實現這壹目標，NSF需要在研究項目的所有階段采用和創新方法，包括如何建立包含合作生產知識和其他形式的參與式知識的項目。除了培養科學領導、管理和科學界多樣性的關鍵需要之外，NSF還可以鼓勵科學家考慮研究團隊的多樣性，並在設計、實施和推廣中解決其研究影響不同社會階層的研究項目。
(4)NSF應促進和支持合作、科學設備和信息基礎設施的建設以及研究基礎設施之間的數據共享活動，以形成下壹代地球系統科學的集成研究。
利用網絡基礎設施和觀測設施之間的協同作用，進行跨科學合作，並努力提高適應性和靈活性，以開發受使用啟發的研究需求。
(5)NSF應通過擴大資源(如硬件、軟件、數據分析和熟練勞動力)並確保其平等利用，確立其在計算革命中的領導地位。
隨著計算和觀測的快速變化，地球系統科學將需要取得進展。為了利用這場革命進行主動規劃，有必要使計算和數據科學家成為地球系統科學界的重要成員，並確保提供足夠的計算資源。
(6)NSF應促進和支持下壹代地球系統科學研究力量的發展，包括誌願從事聚變研究的本科生和研究生以及科學家和工程師。
具體機制包括資助現有和正在進行的項目，以促進必要技能的發展和評估。在本科和研究生培訓中，引入綜合研究、跨學科團隊和多元化觀點將促進必要勞動力的發展。地球系統科學人員中還應包括研究軟件工程師和系統工程師。
報告最後指出，幾十年來，NSF在地球系統科學領域發揮了重要作用。隨著這項研究越來越多地揭示人類驅動的地球系統變化對社會的影響，NSF有機會擴大和重新關註其努力，以實現更大的影響。基於加強跨重點學科的參與和合作的下壹代地球系統科學，將有助於提高對我們地球的基本認識，引導其未來造福社會的能力。
本文轉載請註明出處和作者:地球科學動態監測快報，第19期，2021，劉文豪編譯。