21世纪的第3个10年：美国地质调查局想这么干！

2021.02.04 矿业界   

进入21世纪，美国地质调查局（USGS）积极应对地球系统面临的复杂性挑战，不断提升为资源管理者和决策者提供及时有效辅助决策信息的能力。2021年1月，USGS发布了新的十年科学战略（2020-2030），与上一轮十年战略（直面明日挑战——美国地质调查局十年科学战略（2007～2017）（《地质调查动态》2007年第23期））相比，新战略更加突出了地球系统科学理论在USGS的应用，具体体现在以下几个方面。

一是打破学科界限，进一步加强了学科间的整合。上一个十年战略以问题为导向，提出了生态系统、气候变化、能源矿产、自然灾害、环境健康、水资源等六大使命领域，新十年战略则按照地球系统科学理论的工作方法，淡化学科，突出在观测、模拟、评估、预测整个工作流程的学科融合。二是全面实施地球监测、分析和预测（EarthMAP），构建USGS版的数字地球。EarthMAP自2017年提出以来，经过多年努力，目标更加清晰，将实现不同的时空尺度上对地球系统未来状态的模拟和预测。三是地球系统科学可能成为USGS在21世纪的行动指南。本战略虽展望至2030年，但从其“21世纪的科学战略”的定位上可以看出本战略对USGS的指导可能更加长远，甚至可能贯穿整个21世纪。

当前，中国地质调查局正在推动指导理论由传统地质向地球系统科学理论的转变，中国地质调查局发展研究中心对战略进行了翻译，以期为推动我国地质调查工作转型有所借鉴。

一、地球系统的挑战

世界各地繁荣的社会依赖于地球系统的稳定运行。然而，在九个可以描述地球系统稳定性和复原力，且高度耦合的过程和系统中（即行星边界理论的九大要素），有四个被认为已经超过了全球范围的阈值：

  • 气候变化（指标：大气二氧化碳和大气层顶辐射力的增加）；
  • 生物圈完整性的变化（指标：生物多样性减少和物种灭绝）；
  • 生物地球化学流量（指标：磷和氮负荷）；
  • 土地系统变化（指标：所有陆地生物群落的变化量和模式，以及土地系统中通过能量、水和动量交换，直接调节气候的生物地球物理过程）。

    其他五个虽在全球范围内未达到阈值水平，但在局部区域构成了重大风险。要帮助社会应对这些风险并为潜在的变化做好准备，最重要的是对这些相互依存的过程和系统的复杂性，有一个更全面综合的认识，并有能力预测它们的行为，最终向决策者提供辅助决策信息。随着科学和社会对上述具有深刻挑战的认识的不断提高，这些学科一直在朝着将地球视为一个单一的、统一的系统，即地球系统科学（ESS）的方向发展。

二、USGS未来十年的努力方向

USGS具有独特的优势在未来十年内推动并领导地球系统工作。为此，USGS需要在以下三个方面进行跨学科整合和提升：
（1）数据的采集和管理；
（2）建模和预测能力；
（3）提供辅助决策信息。

同时，还将推进两项支撑体系能力建设：

（1）生物地球物理过程表征；
（2）科技创新。

01.观测：数据的采集与管理

为应对地球系统的挑战，USGS将创新性地接收所有相关数据，并将从中尽可能多地提取有意义的信息。未来十年，USGS将：

（1）积极采集并充分利用所有数据，同时进一步提升研究和开发的能力，提高数据的可用性；
（2）通过努力建立系统性框架把各种观测数据联系起来，建立一个更全面的观测数据采集模式；
（3）开发并实施强有力的数据收集、管理和传播的基础设施，实现快速、无缝地发现相关数据，满足高度结构化的数据需求。

02.模拟、预测和可预测性

未来十年，USGS需要将不同的模型整合起来，快速发展下一代地球系统模拟和预测。主要措施包括：

（1）通过先进的模型表征和架构，将当前的理解和建模能力结合起来，并将跨学科的过程及其不确定性联系起来，以确定优势和弱点，同时，对相互依存关系有新的认识；
（2）通过假设驱动的新过程表征，并通过参与地球系统模型数据同化、校准和验证活动，将专业知识用于推进和优化地球系统模型中陆地物理、化学和生物过程的适当表征问题；
（3）进一步提升能力，将人类动态和人为影响，包括可能改变系统动态的行为和决策，纳入生物地球物理建模领域；
（4）推进对地球系统内可预测性局限性的认识，并优先开发对提高预测水平最重要的其他过程组成部分；
（5）开展观测系统模拟实验等模型敏感性研究，为我们的数据网络设计提供参考，从而提高建模技能；
（6）提升USGS的能力水平，从而支持地球系统模型领域的高计算、存储和网络需求，包括引进计算机科学家、软件工程师、应用数学家和统计研究人员等，以补充USGS的生物地球物理科学专门知识；
（7）推进高性能计算（HPC）和云计算的机会，提升在本地和云基础设施之间无缝穿越、对用户透明的能力；
（8）将USGS现有的，用于地球系统模型参数化和验证的数据和相关知识准备好；
（9）在全局范围内建立强大的开发测试平台基础设施，包括技术、方法、程序和政策，实现定期和系统地推进USGS地球系统模拟的能力；
（10）推进USGS的软件和应用开发任务，提高更多利用机器学习、代码和大数据协作的机会。

03.辅助决策信息

USGS愿景和使命的核心是按尺度、按时间段，以与决策者相关的形式提供信息来满足社会的需求。为了对利益相关者起到最大的作用和相关性，USGS必须尽可能具体、简明和简单地回答他们的问题，即提供辅助决策信息。及时提供辅助决策信息取决于数据和模拟的整合，这要求USGS开发更广泛的业务能力。未来十年，USGS将更加关注数据科学的各个方面，特别是在可视化、认知和决策工具的沟通方面。

04.生物地球物理过程表征

对地球和生物科学的表征、评估和综合，对USGS建立和综合更全面的地球系统认识十分重要。未来，USGS将：

（1）开展灾害风险和脆弱性评估，以及事件后的特征描述，支撑USGS提供辅助决策信息；
（2）充分利用美国水资源数据的利用，并将这些数据与模型有效地结合起来，填补观测数据的空白，对水资源可利用性进行更全面评估；
（3）更加注重整合观测系统和数据管理系统，建立创新的监测系统，以早期发现生物威胁，并改善评估和预测其程度和影响；
（4）对全球盆地的能源和矿产资源进行新的评估，利用新的传感和勘探技术扩大现有的评估范围，改进地表和地下填图，并评估未来的能源和矿产资源，从地热能和供热资源到采矿和其他废弃物的潜在矿产资源；
（5）扩大、加强和整合三维高程数据集、水文地理学和水文填图产品、地质填图和土地成像，为水文生态和生物地球化学模拟创造更多可能性，继续提供社会所需的技术和知识产品。

05.科技创新

USGS将充分利用现有的和新兴的技术，以实现科学战略。未来，USGS将：

（1）利用人工智能/机器学习、云计算，发挥在分析和综合观测和模型输出数据方面的作用；
（2）利用区块链概念，帮助设计更有效的监控网络和监控系统，提高预警准备时间，更高效地运营这些网络；
（3）利用量子计算，将为非线性过程建模、概率与不确定性建模打开新的大门；
（4）积极追求更常见的计算技术，包括高性能计算、云计算和高通量计算，满足地球系统模型和人工智能/机器学习对计算的需求。

三、USGS未来五大重点领域

实施USGS 21世纪科学战略，主要涉及以下五个重点领域：

01.地球监测、分析和预测（EarthMAP）


发展EarthMAP是USGS实施科学战略的重点。EarthMAP将使USGS能够以综合观测、情景规划和地球系统未来状态预测的形式提供辅助决策信息。未来，USGS将采取有条不紊的、结构化的方法来实施EarthMAP。到2030年，实现在区域和国家范围内对自然系统的未来状态进行综合观测和预测，包括水、生态系统、能源、矿产和灾害，主要与联邦、州、部落和学术伙伴合作开发和运营该能力。

02.科学重点

未来十年，USGS将利用丰富的地球和生物数据集、传感器技术的进步、改进的综合建模、机器学习和高性能计算（包括云计算），以实时和预测的方式，观测、理解和预测跨时空尺度的变化。

（1）通过实施新的和先进的观测系统，开发先进的水资源预测模型，开发常规的国家水供应量预测工作，监测和评估国家淡水供应的可用性和质量；
（2）提供自然灾害风险描述工具，并提供可用于使社区和景观更具复原力的实时态势感知；
（3）提供生态建模和预测，为管理者提供用于决策的情报；
（4）提供内政部信任物种的最先进物种管理方案、评估和分布图；
（5）探测和控制入侵物种和野生动物疾病，以预防其形成并可能影响人类健康和福祉；
（6）更准确地描述地球及其过程的特征，并提供三维数据、地图和模型，以提高科学洞察力，并在国家公共土地和资源的管理中实现新的应用；
（7）对资源的全生命周期进行综合的、跨学科的评估，进而评价全国和全球的能源和矿产资源；
（8）扩大国家对能源和矿产资源的地点、可用性与供应链风险的了解，这些能源和矿产资源是支持国家安全、基础设施与新技术发展所必需的。

03.技术重点

USGS将实现技术卓越，为科学家和许多依赖USGS知识和产品的用户提供21世纪的信息管理技术。

（1）利用云解决方案和尖端云工具与服务，提供按需、可扩展的计算基础设施，以支持复杂的科学建模，近实时访问非常大的数据集，以实现科学计算与分析的新范式；
（2）通过增加传感器的数量和复杂性来扩展传感器网络，以简化研究和分析数据的收集工作；
（3）提高传感器网络的带宽和效率，将采集到的数据转移到云端，加快科学分析的性能；
（4）通过软件定义网络和零信任架构实现数据网络的现代化，以支持21世纪的科学需求；
（5）利用改进的信息和数据管理来支持USGS的科学预测能力；
（6）扩大数据来源和收集方法，重点关注整个USGS的可访问数据；
（7）将新方法和更多样化的数据纳入预测科学；
（8）通过启用新的数据管理技术来加强集成建模；
（9）利用超融合基础设施充分实现EarthMAP愿景；
（10）发展现代化、高度可用的基础设施；
（11）利用最新的服务器和虚拟化技术；
（12）创建人工智能/机器学习和可视化工具，以便在收集源进行有效的数据分析，以识别模式并提供可执行的情报；
（13）利用可视化工具来传播我们的信息，以增强对EarthMAP所产生的辅助决策能力的理解。

04.合作重点

USGS将利用现有的关系，在联邦机构、其他政府机构、州地质调查所、部落政府、私营部门、学术界和非政府组织之间发展新的关系。

（1）改善与更广泛的地球观测团体的协调，积极收集现场和远程的相关地球观测数据，以扩大获得应对地球系统挑战所需的所有数据的机会；
（2）加强与联邦机构、学术界以及地球系统建模领域其他方面的伙伴关系，以加强科学性，扩大领导机会；
（3）促进联邦机构和学术界之间的技术合作，以更好地利用高性能计算和高通量计算资产，建立通用的社区开发试验台，共同开发新的传感器，并加速先进技术的实施；
（4）与利益相关者和决策者建立友好关系，他们依靠USGS的科学开展行动，以减轻河流和沿海洪水的影响，进行生态系统恢复，管理内陆淡水渔业，管理重要的矿产和能源资源，跟踪和减轻入侵物种和野生动物疾病，减轻海岸侵蚀，并做出一系列其他重要决定。

05.组织重点

未来，USGS将；

（1）确保为员工提供一个安全、可靠和包容的环境，员工的贡献得到认可，以支持我们的集体努力；
（2）确保一个欢迎和包容的环境，防止一切形式的歧视和骚扰
（3）为员工寻找发展新技能的机会；
（4）确保现有的员工队伍已经做好了实现愿景的准备，招聘和留住具有多元化和互补性专业技术能力的新团队成员，为青年科学家和其他具有多元化和跨学科背景的专业人才扩大进入USGS的途径；
（5）认真回顾历史，分析形势，确保定位准确，从而有效、成功地执行任务，并明确地列出局内各部门的作用和责任，并实施更长远的规划，通过需求管理对USGS的活动进行问责和追溯。

来源：《地质调查动态》2021年第1期

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