清华大学地球系统科学研究中心介绍

　　一、清华大学地学学科发展历史背景
　　全球变化及其影响已成为全人类广泛关注的焦点。世界各国政治家、科学家和社会公众都在为减缓全球变化带来的负面影响而努力。但对于复杂的地球系统，目前人们还没有完全了解它的运行机理，也还无法准确预测它的演变规律。全球变化研究正是在这种背景下，基于地球科学、生命科学、社会科学和计算科学等多学科交叉发展起来的，以准确预测全球环境变化及其对人类社会的发展带来的影响的新兴研究领域。
　　我国作为一个快速发展的大国，必须在全球变化研究方面处于世界前沿，大力开展全球变化研究刻不容缓。近来，国家已经将全球变化研究列为“十二五”期间重大研究计划，显示出我国政府对全球变化研究的高度重视。
　　清华大学以国家需求为己任，于2009年3月成立了地球系统科学研究中心（以下简称地学中心），其宗旨是推动地学学科的筹建并围绕全球变化问题组织多学科交叉研究。地球系统科学研究中心为清华大学实体院系，通过逐步发展到一定规模后，将在中心的基础上成立“地球科学系”和“地球科学学院”。
　　2010年1月，为进一步加强对全球变化热点问题研究，清华大学根据全球变化研究多学科交叉特点，充分整合校内科研力量，集中优势科研队伍，依托地球系统科学研究中心，联合计算机系、环境系、核能研究院等院系，成立了清华大学全球变化研究院。全球变化研究院将围绕全球变化问题开展系统科学研究、培养人才、推动地学学科发展。该院近期将重点围绕地球系统观测与模拟、全球变化的经济学问题开展科学研究和研究生培养工作。
　　清华大学全球变化研究院是依托地学中心，由多个院系发起并联合成立的虚体机构，其主要职能是整合校内科研力量，针对全球变化研究热点进行攻关，力争国家级科研项目并在全球变化研究方面做出突出贡献，促进清华地学学科跨越式发展。
　　清华大学历史上就有较强的地学学科，1929年学校就正式成立地理学系，首任系主任是翁文灏（1889～1971），他是著名地质学家、中国现代地质学的奠基人之一。1933年，地理学系更名为地学系，下设地理、地质、气象三个组；1946年，抗战结束后，西南联大结束，清华大学在北平复学，地学系恢复；1947年，原有的地学系气象组独立成气象学系；1950年，地学系地质组单独分出，成立地质系；1952年，院系调整，清华大学地学系调出，并到北京大学。
　　到1952年为止，清华大学地学、地质学、气象学系共培养毕业生200多人，其中许多人成为著名的学者、教授。据不完全统计，清华大学地学学科有41位毕业生先后当选为中国科学院地学学部院士。荣获2003年世界气象组织最高奖及2006年国家科学技术最高奖的杰出气象学家叶笃正教授就是其中的代表。
　　
　　二、宗旨特色与发展方向
　　2.1 建设宗旨
　　清华大学地学学科建设发展宗旨是：在与大气、陆地和海洋动态过程相关的物理、化学、生物学和社会经济领域探索新知，为维护地球生态环境的安全与可持续性做出贡献，在世界地球科学领域处于领先地位。
　　2.2 发展任务
　　在地球系统及系统间交互作用、地球资源与环境、以及地球系统变化的过程方面，增长认识，传播新知;
　　建立从局部到全球尺度对人类引起的以及自然的环境变化的预测能力，和对环境变化做出响应的能力;
　　在地球科学及可持续发展方面培养学生，教育大众;
　　集成、综合并应用科学知识解决诸如生态资源的可持续利用、自然灾害潜在威胁的辨识与防范、人类活动对环境造成的后果等社会问题。
　　2.3 学科发展思路与发展方向
　　学科发展思路：清华大学地球系统科学研究中心暨全球变化研究院将围绕全球环境变化及可持续发展问题，通过联合清华大学现有的自然科学和社会科学、工程科学与管理科学的优势，重点开展全面系统的地球科学研究，促进清华大学的学科发展。
　　学科近期发展方向：清华大学地球系统科学研究中心暨全球变化研究院将面对《我国全球变化研究急需加强的科学问题》（徐冠华等，2010），开展地球系统科学四个领域的研究：
　　地球系统过程，主要研究地球系统变化规律，以及人类活动与全球变化之间的相互作用关系。
　　地球系统模式，采用高性能计算机模拟地球系统的大空间尺度和时间过程，推动地球科学定量化发展。
　　地球系统观测，为地球系统科学研究提供可靠准确的数据支持和技术手段。
　　全球变化经济学，全球变化经济学以自然科学与经济学相结合的新概念、新理论及新方法研究全球变化问题，以多学科交叉的思路和综合评估方法对全球变化决策提供技术与经济依据。
　　这四个需要加强的研究领域包含多个研究方向，近期将主要围绕全球气候变化科学相关问题，开展下列交叉科学研究：
　　地球系统观测
　　大气－气溶胶相互作用
　　气候变率与变化
　　生态系统
　　土地变化科学
　　人类对全球环境变化的贡献与响应
　　全球碳循环
　　地球系统模拟
　　为了开展上述多学科交叉研究，需要在清华大学原有学科基础上，增加地理学，大气科学，海洋科学等一级学科。经过前一阶段的准备，学校学位评定委员会已批准清华大学自行增列“大气科学”一级学科硕士学位授权点，授权点设在地球系统科学研究中心，这充分体现了学校对地学学科发展的重视与支持。地球系统科学研究中心将继续努力，在后面5年中争取成功增加地理学、海洋科学学科点。
　　
　　三、建设步骤
　　清华地学学科发展确立了“三步走”的规划：
　　第一步，先成立地球系统科学研究中心，围绕全球变化研究，筹建发展地学学科；
　　第二步，计划在2011年，人员队伍逐步落实，实力逐步增强后，成立地球系统科学系，并设立地理学、大气科学、海洋科学学科点；
　　第三步，人员队伍进一步扩大，计划在2012年成立地球科学学院，再增设地质学、地球物理等学科点，并开始招收本科生。同时，在2010年成立的全球变化研究院科学指导委员会的基础上成立地球科学学院的科学指导委员会。
　　
　　四、师资队伍
　　地学学科是我校新建学科，清华大学将它作为学校人才引进机制改革的试点。学校校务会2009年12月通过了《“地球系统科学研究中心”高层次骨干教师引进及管理办法》，这个管理办法，突出聘用制和岗位竞争制，充分依靠具有国际水平的科学指导委员会在学科发展、科学评价方面的指导作用，充分尊重科学指导委员会的决策建议；充分发挥科学家的首创精神，坚持真理面前人人平等，打破论资排辈现象；尽一切努力为科学家提供长期和稳定的支持，改善科学家的工作条件和生活待遇；进一步扩大开放和交流。
　　4.1 师资队伍建设规划
　　师资队伍建设可分为三个阶段：
　　阶段I（2010-2013）：此一阶段的目标是把地球系统科学研究中心发展成为一个由校内的研究发展为地球系统科学系。教职员工人数达到40人左右，其中：
　　1. 正教授（在国内外有影响的学科带头人（以及在地学某一学科方向上有重要成果，学术研究在国内领先的研究人员），人数为10余人。
　　2. 副教授（具有明显发展潜力的，年龄在45岁以下，有望在两三年内冲击杰出青年基金获得者的科研教学人员），人数为10余人。
　　3. 已取得博士学位，通过出国培养和进修等手段，能取得较大学术成果的、有进一步培养前途的年轻学者（含博士后），动态人数为10余人。
　　4. 高效的学术服务和管理队伍，人数3～5人。
　　力争在上述每个学科方向，至少聘请到1名正教授和2名副教授、多名熟练的工程技术人员，中心配备3－5名管理人员。要积极争取政府和社会的支持，建设新的教学场馆、购置新的实验设备。研究生人数在此阶段达到60人。
　　阶段II (2013-2016)：在此阶段成立“地球科学系”或“地球科学学院”，并开展地球系统科学的本科生教学，教师总数达到45-55人。筹措到足够资金进行学院建设。学院科研研究人员大量在顶尖学术期刊上发表文章。学院开发的全球气候变化及其结果的新模式可以参加IPCC模型对比报告。
　　阶段III (2016-2019)：在上述基础上再进行长远规划。
　　4.2 引进师资岗位设置
　　地球系统科学研究中心和全球变化研究院的建立将最终促成地球科学学院的成立。清华大学在环境科学和工程领域、水利科学和水资源管理等与地学密切相关的学科领域已经拥有优秀的教职员队伍。为了实现上述地球科学特别是全球变化相关的教学科研目标，在联合目前清华大学优势学科的基础上，还需要以下领域教职员工：
　　1. 大气科学
　　积云对流 Cumulus convection
　　边界层湍流 Boundary layer turbulence
　　大气模式动力框架 Dynamic framework for atmospheric models
　　大气气溶胶 Atmospheric aerosol
　　云的微物理过程 Cloud microphysics processes
　　大气辐射 Atmospheric radiation
　　平流层过程 Stratospheric process
　　2. 海洋科学
　　海洋模式动力框架 Dynamic framework for ocean models
　　近海动力学 Coastal ocean dynamics
　　海洋混合过程 Ocean mixing process
　　海洋生物地球化学 Ocean biogeochemistry
　　海冰 Sea ice
　　3. 地理学与生态学
　　陆面物理过程 Land surface physical processes
　　陆地生物地球化学 Terrestrial biogeochemistry
　　土地变化科学 Land change science
　　生态系统科学Ecosystem science
　　4. 计算地球科学
　　地球系统模式耦合技术Coupling technologies for earth system models
　　地球系统数值模拟算法 Numerical methods of earth system modeling
　　地球系统模式评估 Assessment of earth system models
　　地球科学数据同化Data Assimilation for earth science applications
　　5. 综合交叉科学
　　碳科学 Carbon science
　　全球变化经济学 Global change economics
　　对地观测与地空间信息技术Earth observation and geospatial information technology
　　空间天气学 Astrometeorology
　　这些学科方向岗位设置都与中心的四个发展方向密切相关，且直接有助于地球系统建模方面的研究。
　　
　　五、教育教学
　　清华大学地学学科发展的长期目标是在地球科学主要学科方向招收本科生和研究生。初期将围绕全球变化研究招收研究生。
　　5.1 研究生教育
　　地球系统科学研究中心研究生培养的目标是培养能够在地球科学领域开展基础和应用研究的学者和教师，以及在国家政府部门和企业事业单位从事地球环境变化政策制定、执行的高层次专门人才。中心于2009年招收4名研究生，2010年招收11名研究生，研究生的数目会随着到岗教师数量的增加而相应增加。研究生发展规模初步定为每名教师5－6名研究生。
　　研究生培养计划将在2011年完成。
　　5.2 本科生教育
　　地球系统科学将做为清华大学地球科学教育的特色学科，支撑三个专业方向的本科生教育：地球观测技术、地球系统模拟、全球变化经济学。本科教育的主要目标是为本专业的大学生继续深造或在政府和工业部门就业打下基础，为其他专业的学生提供地球科学的基本教育。本科生培养将注重三项基本技能的训练：野外考察与观测、实验分析、复杂过程的计算机模拟。
　　详细的本科生教育计划预计在2012年出台。
　　
　　六、科学研究与实验室建设
　　地球系统科学研究中心和全球变化研究学院将寻求来自大学、政府和私人捐助者的支持，逐步发展一流的教学和科研设施，这些设施对于教师和学生是不可或缺的。初步的实验设施需求如下：
　　循环加速质谱仪实验室：需要碳循环加速质谱仪(CCAMS)，特别是把放射性碳作为全球碳循环的示踪元素时亟需这样的设备。该设备可以分析来源于天然水、土壤、沉积物以及大气中的C14。另外，还需要其他高分辨率光谱仪，用于辨别和量化从极地积雪和冰核中提取的大气样本和空气中的碳氢化合物和卤烃。
　　稳定性同位素比率质谱仪实验室：用于高精度测量大气中重要的微量气体中的同位素（包括甲烷、一氧化二氮、二氧化碳和一氧化碳）。也可以用于分析碳酸盐中碳和氧同位素。
　　生物地球化学分析实验室：包括一系列可用于海洋、湿地、水生和土壤生态系统研究的化学和生物观测仪器。电脑控制光线和温度变化培养生物样本的孵化器；荧光计和叶绿素荧光计用于观测叶绿素浓度；元素分析仪；总有机碳分析仪；离散养分分析仪；连续流动养分分析仪；色谱成像仪；CO2隔离低温萃取设备以及各种各样的其他仪器。
　　大气观测实验室和现场观测站：监测大气化学和物理性质。累积浊度仪；气动粒度仪(APS)；煤烟颗粒吸收光度计(PSAP)；黑炭仪；各种气体分析仪；云凝结核；追踪太阳光度仪；紫外分光仪和其他仪器。需要建立车载和现场观测站。
　　遥感实验室：地物光谱特性相关的仪器设备、观测实验室、移动式平台、无人驾驶航空器，例如遥感控制气球、航空器和各种各样精确定位的成像系统设备；数据处理和成像设备。
　　高性能地球模拟和计算实验室：可利用清华大学已建成的高性能计算设施，但需要建设地学中心自己的调试机房和可视化显示环境。
　　地理空间信息可视化及成像实验室：用于地球系统模式结果可视化的三维和二维投影系统。有效生成大幅地图的大型绘图设备。
　　基于全球信息观测和无线传感器网络的地文台：这是新一代的研究和教学设施，可用于收集、处理和集成各种全球观测数据。这些数据来自联网的各类观测台站、教室、会议、室内实验设备和其他数据获取设备。支持实时的现场数据采集，及时而准确地获取、保存、检索和分析来自全世界的现场观测数据、实验结果和计算机模拟结果。
　　实地生态系统监测：汽车、无人驾驶飞行器和无线传感器网络可以支持很多现场生态系统观测，包括天气、水文地理、水体颜色、空气组成、土壤特性和定位装置等。
　　实地考察和测量站点：包括各种用于实地考察的测量和绘图设备，所需仪器包括GPS、超声波、超声波和激光测距仪，激光雷达，海洋声纳，和其他绘图工具。其他实验室和仪器设备将视发展的需求逐步开发。