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高质量发展重提安全科学之环境气候生态基础安全说意向生态讲确界临界跨界过界四界分异重演聊临界实质述评多样性与转换非线性当量

已有 218 次阅读 2021-8-6 09:39 |系统分类:观点评述

引子(言)   

       目前地球科学整体进入转型期,处在向综合集成方向转变的重要阶段,正从学科细分的现象描述提升到跨界思维、探索机理和跨维整合应用的系统科学和系统工程的新高度。地球系统科学是应解决全球性资源和环境问题的需求,在科学技术自身发展和社会需求的共同推动下而发展起来的新兴学科,其以地球空间为研究对象,重点揭示各圈层、各要素以及自然和人为现象之间的相互作用关系。问题是理论的起点和理论技术的核心,将全球变化研究和区域安全可持续发展问题有机联系,即构成地球系统科学体系。在此背景下,需从地理、地质、资源、生态、能源、气候和环境安全等学科交叉的层面,深化海洋系统的认知框架。

       一般地,由于网络拓扑结构、本构关系、相互作用方式和强度分布等多种机制产生的自组织稳定效应,海洋系统处于平衡状态。海洋在持续为人类提供正常服务功能的同时,由于系统集成、过程综合以及海-陆-气相互作用,系统要素具有空间格局的异质性和过程耦合的非线性。尤其在全球环境和气候变化的驱动下,海洋的连通性引起一系列的环境变化和气候异常,并成为主要的孕灾环境,其中,不同尺度的海洋过程严重影响海洋环境和气候因素的异质性,对生态位组成和功能多样性产生重要作用,并在很大程度上影响海洋气候演变、生物地球化学循环、生物演替、深部过程、深海资源分布,并最终引发生态等灾害和安全风险。

(海洋中尺度过程与区域海洋环境和气候安全,2020)

引理(念)

地球系统科学全息观  

       全息理念以系统分异为切入点,以系统耦合格局和过程为基础要点,明确分异结构-格局过程-功能服务的级联和传递转换关系,合理规划空间布局,通过分类区划和统筹协作的方式,构建安全的环境和气候以及生态位体系,从而为自然资源管理和风险治理提供保障。全息观以实现人、社会与自然和谐为目标,致力于新的世界观、认识论、方法论和价值论建构,是将整体论和还原论相结合的哲学世界观。       

       全息概念为特定层次维度上,系统本体分异确界(主要指能量精微分异、系统功能建构与链接以及组合构造的尺度规模)状态下的临界互作关系,胁迫融通维持和消长生息演化机制,系统(体系)扰动激发-响应-互馈形式(行为模式)及其能量信息感知、传递和转化过程,系统内生、循环和转换等演进方式以及自动智能控制信息(数、理、生、化)表达的综合。本质上,全息是有关动力学系统层次化分异和同一的科学,是高品质的信息智慧化表达,体现物质和能量的分异演化、信息和控制的科学与哲学统一。       

       地球系统科学全息观的思维逻辑可表述为:从系统分异及其维度、层次和连通的构造学角度,对系统外强迫以及系统内各圈层间和圈层内子系统的互作互馈过程、稳定性、物质和能量信息叠加、传递转换、自然和人为因素的因应关系(归因分析)、未来不确定性以及安全风险进行有机的整体的认知;尤其基于系统科学、信息论和控制论,针对系统过程尺度转化和层次演进,以目标-服务智能链网模式进行规模构造性特征观测,发展仿生重演和仿真动态的再现预演功能体系,从而更好地关注和认识人类赖以生存的环境,有效防范和管控环境和气候安全风险。

       地球系统科学全息观顺应系统科学融通发展的新趋势,是完成地球系统数字信息化新认识的整体观、系统观和时空观,更是实现地球系统完整认知的新技术革命的重要方向和思维体系。地球系统科学全息观的提出致力于不断发展学科内涵,与时俱进,为人类共建安全健康的地球和实现可持续发展作出重要贡献。

引导(向)

系统科学推进海洋生态保护工作,提升生态系统质量和稳定性。

坚定不移走生态优先、绿色发展之路。

立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局,落实高质量发展要求,加强生态系统整体保护、系统修复、综合治理,强化自然资源节约集约高效利用,促进人与自然和谐共生。

全面加强海洋生态预警监测工作,为系统科学开展生态保护修复,守住自然生态安全边界提供有力支撑。

(自然资源部办公厅关于建立健全海洋生态预警监测体系的通知 ,自然资办发[2021]52号)

引例(来)

       从生态弹性视角阐明大海洋生态系对气候变化的非线性响应模式,对理解气候变化引起的海洋生态系统变化具有重要意义。       

       以全球变暖为主要特征的气候变化可以引起海洋生态系统的结构及功能骤变,进而产生临界转换(critical transition)现象,大海洋生态系在全球变暖影响下的临界转换现象,对人类生活、发展产生重要影响。在遭受环境胁迫的同时,生态系统能够吸收胁迫压力从而维持结构及功能稳定,此谓之生态弹性(ecological resilience)。具有极高生物多样性及渔业生产力海区,受到全球变暖影响显著。为此,全球变暖引起的生态变化,即大海洋生态系的临界转换及生态弹性对全球变暖的响应,是该类区域气候、海洋及渔业科学等研究领域的核心、热点问题。大海洋生态系(Large Marine Ecosystem)作为基于生态系统管理策略的主要载体,是相关研究的重点关注对象。有研究通过聚焦大海洋生态系,构建综合弹性评估(Integrated Resilience Assessment)分析框架,判定临界转换现象的发生并探究生态弹性动态。结果显示海水升温驱动之下,大海洋生态系的变化模式存在折叠分岔(fold bifurcation)及迟滞(hysteresis)现象,并且在其状态接近临界点(tipping point)时生态弹性大幅下降。临界转换现象发生后,大海洋生态系结构重组,生态弹性进而恢复。同时,海洋剧烈升温及在温度临界点的波动均会导致临界转换现象的发生。(西北太平洋大海洋生态系的临界转换及生态弹性对全球变暖的响应,2021)

重大议题:生态过程多尺度变化机理与效应,致灾涡旋生成演变和影响的机理与预测,海洋系统洋际/层际协同作用。

引申(去)

      分异确界

      建立生态分类标准体系,基于自然地理格局和生态特征,划定生态分区,细分各生态分区内的小尺度生态类型,构建生态分类分区框架和精细化的区域生态图。

      临界跨界

      聚焦分区生态特征,健全以生物为核心,涵盖地形地貌、底质和水体环境的生态监测指标体系。完善生态趋势性格局,分析生态问题,评估受损程度。

      过界与安全

      针对生态受损问题和潜在风险,遴选关键物种、关键生境指标、关键威胁要素实施保护措施,实现“三清楚”,即对生态系统的分布格局清楚、对典型生态系统的现状与演变趋势清楚、对重大生态问题和风险清楚。掌握灾害及种类、规模、影响范围和危害,提高预警准确率。

引注(记)

       围绕影响海洋环境、生态、资源和气候等的关键海洋动力过程,构建多技术手段和多维度的全息化观测网络以及精准化和精细化能量信息的全息性描述研究体系。发展关键海洋动力过程的辨识和提取技术方法体系,归因阐释其多尺度发生和叠加的内生、互动和转化机制,监测、诊断和揭示其演变(变化变率)特征和互作关系的稳定性,分离量化并分析评估其对海洋环境、生态、资源和气候等演化的作用贡献和危害性,尤其是风险的生发、传递和尺度转换等生息机制,预测仿真其未来趋势和致灾风险,为我国的海洋环境安全保障、生态文明建设、海洋可持续发展和国家治理提供重要科技支撑。

引论(理)

       发展基于过程变量和通量的识别、提取、分离、聚类、量化和随机性模糊控制等技术,构建精准的全息滤波场或重构场。结合环境容量和生态承载力,确立合理化的阈值判据,发展安全风险评价标准和区划技术体系,提升安全评估、效能评价和调控的能力。

       能量决定系统的起源、演化和最终归宿,并在复杂系统归序和维持系统安全运转的过程中发挥重要作用。由于区域海洋物理过程的复杂性和多尺度性以及不同尺度之间相互作用的高度非线性,多尺度能量学一直以来是分析外部强迫以及海洋中不同尺度相互作用、内部稳定性和能量再分配的强有力的诊断工具。围绕海洋多尺度过程的复杂耦合转换机制和综合风险等级区划,加强基于规范尺度的物质流、能量流和信息流的分异特征和边界通量分析,发展有关物质流、能量流和信息流的分析方法和诊断技术体系。

引荐(体)

      观测体系是认知海洋的根本手段和系统工程,目前海洋观测体系正处在新技术变革的关键时期,海洋观测技术与现代信息技术、人工智能技术、物联网技术和智联网技术加速融合。海洋科学系统综合化的发展趋势不仅对观测的精度、范围和连续性提出要求,而且从大科学、大数据和大生态的角度对观测的系统性、关联性、差异性和空间布局优化组合等提出更高的构造性需求,以逐步实现对重点和关键海域的全息化(不限于可视性)表达,从而更好地维护国家海洋权益,提高海洋环境安全保障的智慧化水平。

引序(篇)      

       从提高科学性、学术性、实践性、社会性和智慧化的角度,不断丰富对复杂系统分异融合(普遍联系方式)在范式模型(确界-临界-跨界-过界的四界分异演化模型)、测度算法、语言语义、仿生仿真以及风险适应与安全保障效率等方面的全息认知。

引智(识)

        智库科学应具有科学研究的特征属性——可证伪性(falsifiability):通过不断证伪和反驳的过程改进要素条件(即时性、长效性、不确定性),最终形成客观实用的智库研究成果(结构与功能)。智库研究需要从科技理性出发,关注安全风险。智库科学的成果不仅应该建议能做什么,更要在科技理性的基础上建议什么不能做。由于多因性和共因性普遍存在,通常需要处理的是确立概率性因果关系。



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