从地球系统科学出发建设WDC-D地球物理学科中心
王广福
(WDC-D地球物理学科中心）
地球科学是以观测为基础的科学。随着科学技术的进步，观测手段日渐增多，观测密度不断加大，特别是近年数字记录的广泛采用，导致地球科学数据的爆炸。80年代初，美国地质调查局拥有的数字形弍的数据量为1013 —1014字符，相当于一个近八百万卷藏书的图书馆。近年来，经济的高速发展和人口的过速增长，导致环境的急剧变化，从而引起人们对生存环境长期变化的关注，有关地球长期变化的历史资料和考古地球科学的价值正在被重新认识，并成为地球科学数据的重要来源。他们不仅是科学研究的需要，而且成为许多国家制定经济和社会发展战略的重要决策依据。因此，对于浩瀚的地球科学数据如何进行管理，业已成为各国政府和科学家共同关心的问题。
早在1958年成立的世界数据中心(WDC)，旨在为国际地球物理年(IGY)的科学数据建立数据档案，并为各国地球科学家提供服务。三十多年来，先后建立了若干地区中心，包括：美国(A)、原苏联(B)、欧洲(C1)、日本(C2)和中国(D)。实际表明，无论是WDC，还是下属的地区中心及其各学科中心，尽管都是自发的联合组织，由于他们之间广泛的数据交换关系，使其整体对全球性研究计划的支撑作用和地位日益加强。
WDC-D设的9个学科中心，由于各个学科中心的学科背景不同，基础工作和环境条件的差异，致使其发展很不平衡。因此，WDC-D的发展及其作用的发挥，不仅需要政府和社会各界的支持，而且需要加强各学科中心建设和协调发展。
如果把地球物理学理解为应用物理学的方法和技术观测并研究地球————广义的地球物理学，那么应该包括日地物理、行星际物理、固体地球物理、大气物理、海洋物理、空间物理等内容。这就不难理解，为什么国际地球物理年之后建立起来的世界数据中心，逐步发展成为地球科学数据中心的道理。从这个意义来说，WDC-D地球物理学科中心的建设与发展，对地球科学的发展具有举足轻重的作用。
1 地球物理学科中心的现状
WDC-D地球物理学科中心挂靠在中国科学院地球物理研究所。
中国科学院地球物理研究所是新中国成立后，中国科学院首批建立的研究所之一，其学科设置包括了固体地球物理、大气物理、空间物理与空间技术以及部分海洋物理等地球科学的各个分支。地球物理研究所为发展我国地球物理事业起了奠基和中坚作用。在经历了1966、1978年两次分所之后，现在的中国科学院地球物理研究所是以固体地球物理研究为主，包括四大研究中心：以深部构造和岩石圈研究为主的成象中心，包括地震波成象，电磁波成象和位场成象；以岩石物性和地球动力学研究为主的高温高压实验中心；以地球基本磁场和空间电磁环境研究为主的地磁台链；为地球物理基础和应用研究提供支持的地球物理数据中心。WDC-D地球物理学科中心的建设，虽然是以地球物理研究所为依托，但它又是面向全国、面向世界、面向地球物理学的各个分支学科。
事实上，无论是世界数据中心，还是各个地区中心、学科中心，其成立和发展过程，都充分体现了合作精神，这是由地球科学本身的特点（全球性、观测性、综合性) 及其服务的宗旨决定的。
目前，地球物理学科中心还处于初创阶段。在过去几年里，曾在佘山台地磁记录抢救、数据库建设、国际交往等方面做了不少工作，但地球物理学科中心基础建设工作还很薄弱。虽然收集到一些观测资料，并提供了交换目录，但这些资料还只局限于地球物理研究所范围，数量有限，而且大多数都是原始资料状态，需要开展大量的数据加工处理工作。因此，目前的数据交换和服务工作，与其他学科中心相比仍有很大差距。
建设和发展地球物理学科中心是发展我国地球科学事业的一件大事。我们应该广泛听取各方面意见，争取能让更多单位、科学家直接参与这项利国利民的公益事业。从这种意义上说，本身就是一个系统工程。实施这项计划，首先，应该有明确的目标，同时还要有切实可行的总体规划。而这两者的前提是正确的指导思想。
2 关于地球物理学科中心的一些思考
傅承义曾明确指出[1]，地球物理学的基本任务是研究地球、认识地球。其目标是勘查地下资源，减轻自然灾害，改善人类生存环境。当今，资源匮乏、生态环境日益恶化、自然灾害频繁肆虐等一系列全球性问题困扰着人类社会，直接威胁到人类的生存和发展，对于发展中国家，这一问题尤为突出。8 0年代中期提出的国际地圈-生物圈计划 (IGBP,又称全球变化计划）就是为迎接这一挑战而实施的一项全球研究计划。显然，地球物理学的研究目标和IGBP的目标是一致的。
全球变化研究是以地球系统科学为指南。把地球作为一个整体，进行多种尺度、多学科综合研究。
从系统科学的观点出发，地球是个不断与外界进行能量和物质交换从而达到远离天体物理学、热力学平衡状态的开放复杂巨系统。太阳和地核是两个自然驱动器，人活动作为第三个促动因素。该系统由不同层次的子系统构成。岩石圈、水圈、气圈和生物圈是地球子系统，每个子系统及其相互之间的物理学、化学、生物学和地质学的联用，形成地球宏观上的结构与功能。地球物理学则是侧重于物理学过程的研究。
对于一个开放复杂巨系统，目前，还没有形成从微观到宏观、子系统相互作用的基本理论。实践表明，目前唯一能有效处理开放的复杂巨系统方法，就是钱学森等人提出的定性与定量相结合的综合集成法[2]。
综合集成方法的核心，一是全球尺度观测数据和资料的收集、整理；二是在此基础上，对影响地球系统变化的物理学、化学、生物学、地质学乃至社会过程进行研究，以建立地球系统若干概念模型和预测模型。
该方法通常是把科学理论、经验和知识以及专家判断力相结合，提出经验性假设，这些经验性假设不能用严谨的科学方法加以证明，往往是定性认识，但可用经验性数据和资料以及多参数模型进行确定性检验，而模型必须是建立在经验和对系统实际理解上，经过定量计算和反复对比加以确定。
在目前阶段，地球系统科学的研究，基本上还处在子系统研究阶段，即对地球的各个独立成分，如岩石圈、水圈、冰冻圈、大气层、磁层、生物圈等的研究。固体地球物理学则是以岩石圈为主要研究对象。全球变化计划则开始了从全球尺度来认识独立成分之间的相互作用，进而探讨全球变化。尽管IGBP十分重视观测数据，但是如何进行收集和管理尚不得而知。至于模型的建立，更尚距遥远。显然，在这种情况下，如何从地球系统科学出发，建立旨在服务于全球变化的地球物理学科中心，其计划细节还难于设想出来，但是，应该按照这一方向去思考问题。
2.1 从地球系统科学出发坚持广泛需要的原则
应该按照广泛需要的原则，即地球系统科学和全球变化计划的需要，组织地球物理学科中心数据，而不是为满足少数专业用户和某一任务。这些数据应该是对全球过程起重要作用、全球尺度、长期变化观测数据、历史资料的；在子系统之间相互作用起关键作用的、与物质与能量交换有关的数据。
地球系统科学把描述和认识行星尺度范围内（相当于地球半径）的变化作为主要任务。而这种变化又是发生在一个相当宽的时间尺度内。但最重要的时间尺度是数千年到数百万年和数十年至数百年。前者对于重建古环境，检验预测模式有重要意义，后者则直接服务于人类对生存环境的预测。在这两个方面，地球物理学都可发挥独到作用。比如，古地磁实测数据为板块构造学说的建立提供了有力支持。因此，地球物理学科中心的建设，既要注重现代地球物理场各种观测数据的采集和建库工作，更要注意历史资料和考古资料的收集和加工。
对于地球物理学科中心，应以固体地球物理数据为主，建立原始（一次）数据库、模型库、方法库、图库以及文献库，并建立数据文档，对于WDC-D支持的其他学科中心，地球物理学科中心应充分了解他们的结构、功能，建立目录库或二次数据库，并注意一开始就建立起良好的接口，待条件成熟时，即可进行联网。对于WDC-D并不支持的其他有关地球科学的分支学科，应按简单、易行、方便月户的原则，建立起索引数据库。三个层次的数据，在统一的数据管理系统支持下运行。
这样做的结果是，地球物理学科中心即可直接提供数据服务，又可提供广泛的咨询，既面向地球系统科学，又避开了数据过分集中带来的难于克服的矛盾，同时又可在数据库尚不能联网的情况下，开展地球系统科学的研究。
2.2 从地球物理综合研究需要出发，建设地球物理学科中心数据库
地球物理学是用物理学方法和技术观测并研究地球。这是一个反演过程。任何地球物理反演问题都是多解的，没有唯一的解答。对于反演结果正确性检验是地球物理研究中必须解决的一大难题。刘光鼎提出的地球物理综合研究的方法[3]，就是把重、磁、电、震、放射性、遥感等广义地球物理方法与地质资料相结合，进行联合反演或相互印证。这样做需要漫长的时间，需要积累大量的观测数据，经过数值模拟、实验模拟和实践检验，以求逼近真实情况。
地球物理学科中心建设应按照地球物理综合研究的原则，特别应注重地质资料和岩石物性资料的积累。
2.3 地球物理学科中心应该具有研究功能
无论是综合集成方法还是地球物理综合研究方法。都是要在大量观测数据的基础上，建立各种数学物理模型，同时，该模型又要经受实际观测结果的检验。不要说地球科学数据，即使是地球物理观测数据，我们也不可能全部收集起来建立数据库。因此，我们需要研究地球系统科学对数据的需求，对数据必须进行筛选、分类、建库。方便用户使用的数据库结构设计也是重要内容之一。最重要的是，地球物理学科中心挂靠在中国科学院地球物理研究所，有很好的学科背景，掌握最充分的观测资料，有条件在微观与宏观规律之间的关系、子系统之相互作用、数学物理模型建立等方面开展研究工作。地球物理学科中心应积极参与和组织，起到开放实验的作用，把地球物理学科中心办成不仅是提供数据服务的管理部门或服务实体，而是应该成为地球系统科学的研究中心。
此外，数据中心建设中有许多技术问题亦待研究解决，如数据库结构、数据管理、数据通讯等。
3 建议
地球科学数据是国家的资源，加强对地球科学数据的管理，使其全社会共享，是国家利益所在，也是广大科技工作者的企盼。然而，现在的状况是，观测资料往往是部门所有，没有共享的法规和政策，严重妨碍了这些资料的充分利用，这是国家的损失。显然，打破部门乃至个人所有，需要国家采取有力措施，从法律、行政上保证。同时，我们应该积极促进资料共享的早日实施。
地球物理学是专业性质很强的学科，应用范围很广，但没有自身的行业系统。这方面工作多分散在不同地区和部门。在目前情况下，任何一个单位或部门，都很难把地球物理数据统一管理起来。这是地球物理学科中心建设遇到的最大困难。
我们建议成立全国性质的地球物理数据协调组织，作为WDC-D地球物理学科中心的后盾，促使全国更多的单位、部门能参与并支持地球物理学中心建设。该组织的主要职责是汇集有关地球物理的数据、资料，协商数据共享的原则和措施，制订数据规范、标准，建立协作网络，推进咨询和服务工作。具体工作由地球物理学科中心负责实施。
建立这一组织的条件业已具备。中国地球物理学会成立于1947年，是有优良传统的群众性质学术团体，得到中国科学院、地质矿产部、中国石油天然气总公司和国家地震局四大部委的支持。他在组织队伍和协调关系方面能发挥重要作用。此外，与地球物理学有关的国际组织，如国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)、IGBP、WDC等相继在中国成立了中国国家委员会，他们在协调国内外关系方面起举足轻重的作用。由上述组织推进地球物理数据全国协调组织的成立是顺理成章的。
4 展望
地球物理学有丰富的内涵和外延。WDC-D地球物理学科中心与其他8个中心几乎都有交叉。地球物理学的研究内容和研究方法更接近地球科学体系。地球物理学是地球科学的先导性学科。在地球系统中，能量和物质交换主要表现为物理过程。迄今为止，只有用地球物理方法才能给出固体地球精确定量的三维结构，进而认识其演化历史。导致地球科学一次革命的板块构造学说（现以发展为全球构造学说）的崛起，应归功于地球物理学的许多重要发现。因此，在地球系统科学研究中，地球物理学可以发挥更大作用。从这个意义上说，该中心有广阔的发展前途。
我们也应看到，随地球物理学发展而分野、生长起来的气象学、地震学、大气物理学、空间科学等，在形成各自的学科体系的同时，在共创地球系统科学、解决当代人类所面临的重大科学问题的过程中，又相互交叉、渗透与综合。这样，各学科中心间的分工合作，协调发展，有利于WDC-D整体功能的发挥，地球物理学科中心的发展便在其中。
参考文献
[1] 地球物理研究所四十年编委会，中国科学院地球物理研究所的回顾与展望，地震出版社，1990。
[2] 钱学森，一个科学新领域，自然杂志，1，1990。
[3] 刘光鼎，浅层地球物理综合研究，地球物理学进展，7(4), 1992。