地球系统科学是一门既古老又年轻的学科。地球科学从人类探索居住空间开始，直到19世纪形成有气象学、海洋学、地质学等分支学科的体系。到20世纪30年代，专业分支越加精细，如气象、水文、地质、地貌、植物、土壤、环境、城市与人文地理等。随着定量化研究的深入，60年代人们发现细分的学科有紧密的联系，需要用综合的方式研究地学。到80年代中期地球系统科学作为传统地学的衍生学科应运而生(陈述彭，1998；黄秉维，1999)。

地球系统指相互作用的大气、海洋、陆地、生物(包括人类)、冰雪圈、固体地球，是一个复杂的、不断变化的系统。地球系统科学的研究内容围绕回答地球系统将怎样发展演化这一核心科学问题(Mackenzie，1998)。随着人口增长，预测地球系统变化的能力越来越重要，是人类实现可持续发展的重要保障。地球内部、陆表、生态、大气和海洋的物理、生物化学等自然过程以及与人类活动的相互作用和影响非常复杂，人们已经认识到以传统圈层(如大气、水、生物、冰冻圈等)划分的研究方式有很大的局限性。

地球科学家逐渐意识到地球作为一个高度复杂的非线性系统，各圈层尤其是人类活动等任何组成成份的变化，都会引起地球系统的变化(Crutzen，2002)。将地球系统作为一个整体复杂系统的研究方式对认识气候变化和其他全球环境问题至关重要。Crutzen(2002)就把我们今天生活的地质时期定义为“人类世(Anthropocene)”，因为人类正在重新塑造地球的物理、化学和生物特征。另一方面，地球系统的自然变化也会影响人类活动、水资源、食品安全、大气成分、生态系统、人类健康、甚至人类的迁徙。地球系统影响地球生物的各个方面，理解这些组成之间的联系、相互依赖和相互作用，需要一个系统的方法。

人类可持续发展面临的巨大科学挑战之一是认识人类赖以生存的、复杂变化的地球系统，认识地球系统变化对生物的影响，以及人类活动如何改变地球系统对生物的影响。当前最热门的地球系统科学问题是全球变化(IPCC，2013)，美国全球变化研究计划USGCRP(the U.S. Global Change Research Program)最初提出的全球变化是一个宽泛的概念，然而在过去的20年以及未来的10年中，地球系统科学领域研究内容主要围绕“气候及相关环境变化”，重点是认识地球上自然和人类系统在全球尺度的变化，包括大气和海洋环流、大气组成、能量循环、水循环、生物化学循环、土壤和海冰、生物多样性、海洋和陆地生态健康和资源、土地利用、城市化、经济发展等。美国国家研究委员会NRC(National Academies of Sciences，Engineering，Medicine)科学发展报告以及USGCRP变化的星球系列报告(Neeck，2015)中都指出全球变化研究提高了人们对控制地球系统的许多物理过程、人类活动对这些物理过程的影响，尤其是自然和人类活动相互作用所导致的气候、土地利用、生物多样性、海岸环境、水资源和全球水循环以及大气化学、极端天气变化等问题的认识。中国科学院文献情报中心与汤森路透旗下的知识产权与科技事业部在北京共同发布《2015研究前沿》报告也指出，地球科学领域最热门的10个研究前沿中有6个与气候变化有关。地球科学在传统研究重点基础上，在应对全球气候变化方面做出了非凡努力和卓越贡献。

地球系统由大气、海洋、冰雪、岩石和生命五大圈层所组成，是一个各子系统相互作用、耦合和不断演化的复杂巨系统。这个系统在所有时间尺度上发生着变化，包括从几分钟到数天的龙卷风和其他极端天气扰动，上百万年尺度上形成地球景观的构造和侵蚀现象，以及所有制约大气和海洋的生物地球化学过程等。而人类对地球系统的了解是非常有限的，如短时间的天气系统的变化、中等时间尺度的厄尔尼诺/拉尼娜波动以及较长时间尺度的冰期/间冰期旋回等，地球系统在诸多方面展示了复杂的变化性。

对全球变化的研究表明，人类活动的影响导致了全球气温升高。随着经济与社会的快速发展，人类的可持续发展受到地球系统变化的影响和制约，同时人类活动在未来还将继续对全球环境产生深远影响。加强对地球系统科学的认识，建立并改进地球系统模式，提高对地球系统变化的预报和预测水平，尤其是对极端天气、气候和其他自然灾害的预报能力，是空间地球系统/全球变化研究的核心。

美国NASA的地球科学战略计划ESE(Exploring Our Home Planet—Earth Science Enterprise Strategic Plan)中指出，当今人类面临的最大挑战就是准确量化来自自然和人类的地球系统变化驱动力，由此来研究、发现气候和生态系统的变化趋势，并识别其变化模式。地球天气和气候系统的自然驱动力主要是太阳辐射、地球辐射收支以及大气和海洋的运动，而人为驱动力因素的加入，改变了大气组分，从而引起辐射反射性和吸收性气体浓度上升，导致了平流层臭氧破坏和温室效应增强。另外，根据测量结果记录，大气CO₂浓度近年来每年增加1%，导致全球大气中CO₂总计增加了30%。在气候研究中，发现火山喷发的微粒及其释放的气体对大气影响也很大，地壳运动引起的显著地壳变化和地形变化也会对陆地表面产生重要影响。

研究地球系统科学的最终目的是积累基础知识，从而建立模型来预测未来变化，评估这些变化可能带来的风险。当前我们尤为感兴趣的是10—100年时间尺度上的气候变化，例如：大气的化学性质和成分变化，生物地球化学循环和初级生产力的变化等。预测未来地球系统变化的第一步是能够实际模拟当前状态和短期的全球环境变化。也就是说，未来变化的可预测性取决于是否真实地反演、再现当前或过去地球环境变化的真实状况。地学研究者已经模拟并描述了地球系统的主要循环过程，包括水循环、能量循环以及生物化学循环等，但如何将模型和地球观测系统各组分结合起来，提高模拟精度，仍然是未来10—20年的一个科学研究主题。

由于地球系统较大的自然可变性，将地球系统的响应与作用于系统的多种驱动因素联系起来是个难题，系统内外的反馈使这一问题更加复杂。在全球尺度上，地球系统特征的很小变化，例如平均地表温度或海平面压力的微小变化，可能会导致区域性天气、生产力模式、水资源利用和其他环境属性的显著变化。例如，厄尔尼诺暖流会阻断区域海洋生产力状态和更为广阔的气候状态，厄尔尼诺的出现多与太平洋的台风有关。地球系统科学如何提高对全球变化的适应过程是地球科学的核心问题，关系到人类社会的可持续发展。通过发展地球系统模式，研究地球系统五大圈层之间相互作用，尤其是对云和气溶胶、地表水文、生态结构和功能、极端天气和水文事件、人类健康等方面的变化的研究，为提高对全球变化的适应过程提供科学指导和决策服务。

地球系统科学以及全球变化问题的研究和应用与日俱增，对地球系统开展地面和卫星观测发挥至关重要的作用。在实现卫星观测之前，支持天气预报和研究的全球观测系统主要由地基观测系统、海洋船只报告、气球系统(如无线电探空仪)和飞机报告构成。这些系统仍然是整个全球观测系统的重要基础组成部分，并应用在数值天气预报NWP(Numerical Weather Prediction)模式中。从20世纪下半叶开始，卫星观测给大气科学领域带来了巨大突破，环地球轨道卫星观测促进了地球大气物理和化学过程以及圈层间相互作用的认识。卫星独特的全球覆盖和日尺度的观测改变了地球科学的研究方法，它强调所能探测到的多时空尺度上的动力过程，在全球范围应对能源和环境挑战具有重要作用，揭开了地球系统多学科交叉的新纪元。

最早的卫星观测主要用于改进天气预报，20世纪六、七十年代，气象预报员利用卫星可见光和红外云图做短期预报。随着资料同化技术的发展，卫星数据在数值模式中的应用数据类型和数据量越来越多。由于卫星观测使得我们对大气的理解显著提高，观测数据大量应用于天气预报模式，这些使得天气预报准确度大为改善(Hollingsworth 等，2005，Bauer 等，2015)。

天气预报是地球系统科学和应用的成功范例，揭示了现有的观测和信息系统中包括的3个关键要素：(1)观测系统生产信息；(2)及时和连续的信息分析、模拟和预测；(3)根据信息分析和预测结果制定应对措施的决策过程。

20世纪80年代中期，美国首先提出并实施了对地观测系统EOS(Earth Observing System)计划，对陆地、海洋、大气层、冰以及生物间的相互作用进行系统化的综合观测。NASA于2000年公布了“地球科学事业战略计划”ESE，旨在观测、描述、了解和预测地球系统变化，以提高人类对天气、气候、灾害的预测和预报能力。欧洲空间局则以地球遥感卫星(ERS-1/2)以及环境卫星(Envisat)占据对地观测先进技术行列，以生存行星计划(The Living Planet Programme)促进地球科学进步。发展中国家如印度，也非常重视对地观测技术的发展，随着其资源和气象卫星的发射并稳定地提供数据，其对地观测技术发展和应用水平得到了相当高程度的认可。国际地球观测组织GEO(Group on Earth Observation)也发起了全球综合地球观测系统计划GEOSS(Global Earth Observation System of Systems)，在未来10—20年，各国空间地球科学任务的核心仍然围绕气候变化研究和监测。

中国在对地观测领域已拥有气象、海洋、环境和灾害监测卫星(系列)、高分(系列)以及中长期发展规划，已建成自主的陆地、大气、海洋先进对地观测系统。根据发展规划，到2020年中国空间地球观测与其他观测手段相结合，将形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力，为现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重大领域提供服务和决策支持，确保信息资源自主权，形成空间信息产业链。依托地球观测卫星委员会CEOS(Committee on Earth Observation Satellites)和世界气象组织WMO(World Meteorological Organi-zation)等国际合作的框架，对科学计划和任务进行优化，完善地球观测和模拟系统，包括发展新的观测手段、数据分析和模拟方法，是中国地球系统科学研究的一项长期和艰巨的挑战。

美国于2007年针对空间地球科学做了10年展望，包括所有计划的地球观测和任务、技术投资、以及科学层面的优先级别，都做了详细论述(Committee on earth science and applications from space：A community assessment and strategy for the future，space studis board，division on engineering and physical sciences，national research council，2007)。它成为指导科学和应用领域发展的指南，到2012年发布后续的中期评估(National Research Council，2012)时，这份报告对美国未来空间地球科学发展的指导意义仍然得到高度肯定。当前世界对地观测技术发展具有以下几个特点：

(1)充分利用空间探测技术的优势，监测和理解地球系统的变化。尤其是，可靠的气候模拟需要对已知存在不足的过程描述加以提高，包括：云、气溶胶、对流系统；生物圈—大气相互作用；耦合的海冰和海洋环流、冰川消融；冰盖动力学；海洋—大气、陆地—大气、冰—大气、边界层和自由对流层、对流层—平流层、冰—洋交接面上热量、动量、水和示踪物质的交换；地球气候系统内部的变化，如ENSO等。地球系统科学将全面地监测和认识地球系统的水、能量和生物化学循环过程，提高预报和预测地球系统各分量变化的水平，增强减灾防灾、资源管理和环境保护等方面能力。

(2)空间地球科学的核心是建立综合地球观测系统，提供长时间序列、高时空分辨率的对地观测能力，包括地基、空基和天基观测系统；各个大国有关空间机构联合业务用户部门都在实施各具特点的空间对地观测星座计划或战略。采用多种空间观测平台、多谱段(紫外、可见光、近红外、中红外、热红外直到微波)、多角度、主被动结合、静止和极轨卫星结合手段，以互相补充和交叉验证方式对地球整体进行多学科任务的观测。2015年初，NASA发射的深空气候观测台DSCOVR (The Deep Space Climate Observatory)向超越LEO观测系统迈出的坚实一步，DSCOVR在太阳和地球之间的第一个拉格朗日点(L1)轨道运行，主要任务是监测和预警可能影响地球的有害的太阳活动，如太阳风可能破坏地球上的电力和通讯系统，同时DSCOVR也被用于针对太阳、空间天气和地球本身的科学研究。

(3)空间地球观测正在趋向于获得更高时空分辨率的3维动态地球环境科学数据，实现空间观测与地球系统模式的有机结合，扩大地球变化模拟和预报预测信息的应用范围，增加空间地球科学的经济和社会效益。

(4)发展“地球科学试验卫星”计划，研制和试验空间地球科学探测新技术、新平台，包括有人机、无人机和商业卫星，小卫星和国际空间站等。

(5)在空间地球科学尤其是对地观测技术领域，形成了既竞争又合作的发展格局。国家之间的合作甚至全球的合作成为未来对地观测技术的发展趋势。

地球是个复杂的、变化的星球，认识地球环境及演化过程，认识人类活动如何影响地球系统，预测未来发展等是人类面对的最大挑战之一，也是社会健康有序发展的最重要保障。地球系统科学(全球变化)研究需要长期稳定、准确性较高的观测数据，卫星独特的全球覆盖和日尺度的观测是地球信息系统中非常特殊而且关键的组成。维持地球观测的可持续性，并提供质量可靠的长期观测数据，需要多个国家、与气象和气候相关的组织以及空间技术部门合作完成，需要从数据质量分析或模式预报研究等多方面合作论证，并改进观测数据的质量，构建高质量的全球变化研究数据库，为粮食安全、灾害预警、水资源合理利用、社会可持续发展等一系列国家重大需求提供关键支撑。

以地球系统的视野，抓住驱动地球系统的关键循环过程(如能量、水、生物化学循环)，是当前地球系统科学的发展趋势。以地球上的水循环为例：水循环是水在太阳辐射、地球引力和其它能量作用下周而复始循环转化的过程，是大气圈、岩石圈、土壤圈、生物圈之间及其内部物质与能量循环的中间纽带，是地球系统中最活跃的物质循环过程。它是地球系统各种物质与能量的传输转化过程、地球系统演化、气候和环境变化等地球系统科学中的核心基础科学问题。深刻认识变化环境下水循环及地表过程演变的科学规律是理解地球系统如何运转和演化、带动整个地球系统学科发展及全球变化研究的至关重要的前沿性龙头问题。

卫星遥感具备获取全球范围水循环关键参数，包括土壤水分、冻融状态、雪水当量、极地冰盖冰架、海面盐度和蒸发、大气水汽和降水等的独特优势，成为研究全球变化条件下水循环过程的关键手段。但是，现有的或近期规划的，针对水循环要素的地球观测卫星的测量能力还远不能满足水循环研究的需求，尤其是水循环要素的系统性综合观测能力严重不足，单个水循环要素准确反演所需求的环境参数同步测量能力十分欠缺，导致当前水循环研究的整体精确性受到综合化的可靠空间数据集的限制。

由于水循环(尤其在陆地水循环)过程和关键参数在空间分布上的异质性和时间上的变化性，水循环观测需要针对要素的时空异质性和应用需求满足时空分辨率的要求，进一步满足各关键要素协同观测的要求。高精度、高时空一致性水循环关键参数测量数据，以及与水循环模型的有机结合，将提升水循环科学规律的认识，提高有关过程模型的模拟预报能力。中国目前正在积极研制发展新型水循环卫星WCOM(Water Cycle Observation Mission)，并寄希望以此为核心传感器发起全球分布式水循环观测星座系统，进一步提高中国在国际水循环观测与研究方面的话语权与领先能力。