地球自然系统概括起来可分为五大子系统（或圈层），它们是：大气系统、陆面系统、海洋系统、冰层系统、生物系统。在气候科学界，在大气科学界，科学家们普遍认为，地球气候系统就是由上述五大子系统（或圈层）所构成。按照科学大师钱学森所述，地球自然系统可统称为地球表层学。研究表明，在地学科学中存在着大量的包括随机性、模糊性和未确知性在内的不确定性因素及其信息。
近年来，密歇根大学地质科学系教授波拉克博士（H.N.Pollack）在其所著《不确定的科学与不确定的世界》一书中以大量的篇幅说明了科学和客观世界充满了不确定性。从而使得在大多数人眼里以“发现规律为己任”的科学，给人类展示的总是确定性事物的本质受到了质疑和严峻的挑战。
一般公众认为，科学之所以成为“科学”，就是因其揭示了某种“确定性”规律或事物的本质。最明显的例子是，牛顿“万有引力”学说诞生以来，不少科学界的权威和大师们都认为，世界万事万物的运动规律都是确定的。其实并不尽然。例如，我们可以提前数百万年精确预测行星的运动；在量子电动力学中我们可以做到理论值与实验值只在小数点后第9位或第10位才出现差别（如狄拉克数的理论值为1.00115965246，实验值为1.00115965221），用费曼的比喻，这种精度是相当惊人的，它等价于当我们测量洛杉矶到纽约的距离时，精确到了一根头发丝那么细的距离（《QED：光和物质的奇异理论》），等等。因此，人们要问，是否所有事物尽皆如此呢？波拉克在《不确定的科学与不确定的世界》一书中巧妙地回答了上述问题。不确定性总是伴随我们，它决不可能从我们的生活中完全消除，因为不确定性永远不会消失，对于未来的决定，无论其大小，总是在缺乏确定性的情况下做出的，预测长期的未来是一件危险的事情，很少能做出与现实非常接近的预言。
近几十年来科学界讨论热烈的非线性科学、浑沌理论等研究成果表明，假如世界是开放的，由确定性方程可以导致貌似随机的结果。这对于许多科学问题犹如当头一捧。19世纪末关于地球年龄的著名争论，一派是博物科学传统的地质学家、进化生物学家等，一派是数理科学传统的物理学家（以开尔文为代表）。起初开尔文振振有词，通过严格的数理推导和计算（他考虑了作为炽热球体的太阳的冷却速度），有力驳斥了博物学家直观的、常识性的、肤浅的信念：地球的历史一定相当相当长。当然，后来的结果大家都清楚了，出错的不是博物学家，而是开尔文本人，他的推理只是表面上严格，在他那个时代他与所有人一样都不知道核能，因而在计算中漏掉了最重要的方面。这是近现代科学史中，博物科学战胜数理科学少见的惊人实例。波拉克作为一名当代地质学家，在某种程度上也许比数理科学家更实际一些，因为地学科学家面对的全球性系统往往是一种复杂的巨系统，他们更能体会到世界的多样性和不确定性，更晓得人类构造的各种数理“模型”毕竟是一种描述客观世界的理想模型。应当说，人类对于世界的认识总是由定性到定量，而事物在质的方面的无涯无尽性远远超过事物在量的方面的无穷无尽性。可是当今世上有太多的学问家，特别沉迷于理想化的模型，而忘记了上述常识性规律。这就使得，一方面拔高了“科学”的功能，一方面扭曲了“科学”的面目，最终也传达了虚假的关于科学的信息。例如，气候变化问题本来是涉及人类今后生存的大问题，从而也成为举世瞩目的重大科学问题。对于气候问题的研究，理性和科学的态度占据了上风。但是，关于如何减少气候不确定性的研究至今仍未取得突破性进展。实际上，对几百到几千万年以来地球气候变化的翔实研究，也许是我们最终能较准确地预测未来气候所必经的途径。不确定性的例子太多太多，仅举一例足已 --- 洪水的不确定性。面对“未来５－１０年，长江流域将发生多少次、多大规模的洪水”这个问题，科学家们的回答是，这个问题面临的困难很多，现在给不出答案。根据全球增暖预估，到２０５０年，我国长江流域的温度将有可能上升２℃左右；而降水量的预测范围则比较大，在１０％－３０％之间。面对这样肯定的答案，解决一切尚难说清的问题就变得更加急迫。面对长江洪水，人们有多少问题需要解决？洪水预测：不确定性太多太多，洪水预测的不确定性是由一系列的“不确定”决定的。首先是观测资料的限制。全球观测资料存在两个问题，一是空间上密度不够，二是时间比较短。气候变化是一个长期的过程，而资料的匮乏使得模式的建立与检验都比较困难。再有，气候模式本身的精确度不够，而它的精确度又取决于很多方面。目前的计算机在研究全球问题时速度还不够；全球气候模式又很复杂，计算时必须进行简化，因此也会造成误差；现有模式更多地考虑二氧化碳增加对未来气候变化的影响，然而其它工业气体的排放也会造成相应的影响；大气中的水汽量在气候模式当中也很简化，但它无疑是影响气候变化的重要因素。降水量作为气候模式的输出结果，进入水文模式进行洪水预测。水文模式也同样存在计算能力以及资料等问题，再加上陆地空间变化非常大，地表状况复杂，以及降雨的许多偶然性，洪水预测的不确定性也就可想而知了。关于气候变化和洪水的研究何时才能成熟呢？这是一个长期的过程，研究资料的积累，研究水平的提高，都需要时间。资料问题已经成为科学家们面临的一个“公共性”问题。此外，由于长江流域各地区洪水原因存在差异，更增加了洪水预测的不确定性。上游来水：冰川、降水各不相同，上游来水量减少等因素影响，去年冬天长江部分河段出现了有水文记录以来的最低水位，长江沙市水位降至３０．０２米。这样的特枯水位一直持续到２月下旬，造成部分水道断航。然而，如果把这次“特枯”事件放到一个比较长的时间角度来看，也许会找出它的“必然性”。国家气候中心任国玉研究员对１９５０年以来我国的降水和温度变化情况进行了分析，结果表明，四川盆地及其西北一带降水量呈减少趋势，在总降水量减少的地区，暴雨日数也减少，而且温度也逐渐降低。降水量为什么减少，是年代际变化导致转干，还是由于西南季风减弱，科学家们显然还没有确切的答案。中国科学院寒旱所的何元庆研究员认为，“长江上游来水量减少是由于西南季风减弱”的提法很模糊，因为西南季风实际有两个分支，一支来自于印度洋的阿拉伯海，主要影响我国的青藏高原；一支则来自于孟加拉湾，主要影响我国西南地区。何元庆认为，长江上游降水有很大的不确定性。除了地形差别显著之外，大气环流形势十分复杂。除了西南季风的两个分支以外，东南季风也会影响到四川地区，冬季还会受到西风环流的一些影响。季风强度在上游有些地区有所减弱，有些地区反而增强，正是由于这种区域性差异，大气降水变化在长江上游很不均匀，有些地区增加，有些地区减少。与降水不同的是，随着气温的普遍上升，长江上游的很多冰川都呈现出退缩趋势，而且这种趋势还将继续。何元庆说，冰川融水是长江上游很重要的补给，冰川变化对整个长江流量有着重要的影响。梅雨：年年相遇的“陌生雨”每年６、７月间，梅子熟了的时候，长江中下游和淮河地区都会出现持续阴雨天气，这就是人们通常所说的“梅雨”。它只是东南季风影响我国的一种天气现象。不过，拥有优雅名字的梅雨，正是造成某些年份长江中下游洪水的元凶。“洪水不完全决定于降雨量，它还和雨带走向有关。”复旦大学的满志敏教授说，“如果主要的降雨区随洪峰下行，那么洪峰就会越来越大，造成严重的洪涝灾害。”１９５４年、１９９１年、１９９８年的大洪水都与梅雨有着密切的关系。正常情况下，梅雨期长约２０－３０天左右，６月中（下）旬开始，７月上（中）旬结束。而上述大洪水发生时，梅雨期都在两个月，甚至更长，延续的时间超过正常年份，常常达一个月以上。梅雨带活动异常是人们解释大洪水的重要证据，但是究竟怎样才算“异常”呢？至今并没有科学的界定。一般认为，“时间长”、“雨量大”、“在某一地区停留时间长”就被看作为梅雨带异常。显然，这样的解释并不能令人满意。满志敏认为，研究洪水的长期变化过程，必须弄清年内梅雨带的时空特征和梅雨带活动的长期变化。这些工作的开展要从恢复梅雨过程入手，然而观测资料序列太短，迫使我们必须从代用资料中提取相关信息。泥沙：洪水期间遗漏统计数量惊人在这次研讨会的文摘中有一篇题为《模拟１９９８年长江大洪水期间泥沙通量》的文章，模拟得出的结果令人吃惊：１９９８年长江上、中、下游的泥沙通量估算分别为９．３亿吨、４．５亿吨和７．２亿吨，分别是过去４０年来平均泥沙通量的１．９倍、１．２倍和１．８倍。２．５个月的洪峰期间，上游泥沙输出有８．５亿吨，约有４亿吨淤积在中游，是普通洪水年份的６．５倍；另外的４．５亿吨注入了大海，这一数字是普通洪水年份的３．８倍。洪峰期间，降雨量可以达到每秒７万～８万，甚至１０万立方米。在如此高能量高水位洪水面前，大坝能挡住多少泥沙呢？由于水文站在洪峰期间不可能精确地记录含沙量的数字，因此洪峰期间究竟有多少泥沙没有被统计，成了一个非常令人琢磨的问题。模拟的结果自然而然把一个尖锐的问题摆在人们眼前：洪峰期间的泥沙量我们漏算了多少？文章的作者是华东师范大学的陈中原教授，很显然，他的工作属于另一种思维方式，一种结合实测进行模拟的方式。陈中原说，洪峰期间大量的泥沙被大水冲刷下来，而人们往往忽略掉了。如果再按以前的逻辑，依靠水文站记录的数字来计算泥沙的通量，得出的往往是泥沙逐渐减少的结论；这与近年来上游地区大量的、强烈的人类活动事实不符。大坝可以挡住泥沙，但在洪水期间必然有相当部分给冲刷带入中下游、至河口区。否则近３０年来逐年下降的泥沙通量很难解释中游河床淤高、洞庭湖萎缩，以及洪涝灾害频发的现象。陈中原说，如果按照他们的方法把５０年来的泥沙通量再演算一遍的话，结果将是惊人的！泥沙通量的计算对于河口海岸、航道、海洋生态环境有着十分重要的影响；它还会涉及到环境工程设计当中的很多问题。如果还按常规的计算方法，河流环境工程的设计指标将遇到洪水期间水沙波动的挑战。越赤道气流：意想不到的洪水诱因 一般人很难想象，南半球的强冷空气竟会穿越赤道，成为我国长江流域洪水的诱因。然而，中国气象科学院李曾中研究员的研究表明，越赤道气流正是我国长江特大洪水的“罪魁”之一。我们可以把越赤道气流的影响进行“复原”：当南半球进入冬季时，南极爆发的强冷空气向低纬度移动，穿越赤道时，气团底部增温增湿，而高空仍然保持着冰冷状态，于是气团变得很不稳定。随着继续北上，气团变得越发不稳定。如果这时遇到其它的暖湿气流，就会产生特大暴雨等灾害性天气。早在上世纪３０年代，北京大学李宪之教授留学德国时就曾指出，北半球的冷空气可以穿越赤道，影响另一半球。１９８７年，李宪之教授在“降水问题”的专著中提出了“宏观系统”的概念，并指出冬半球冷空气的侵袭，是造成另一半球特大暴雨的重要原因。李曾中发展了李宪之教授的理论。近年来，他分析了越赤道气流与我国大陆地区的降水关系，发现东半球夏季越赤道气流总量的多寡与大陆地区有代表性的３３６个站６～８月平均降水量有着十分密切的相关。而５月越赤道气流的强弱又可作为当年夏季越赤道气流总量多寡的一个预测指标。因此５月越赤道气流的强弱可以看作我国夏季洪涝灾害的信号。李曾中通过与中国地震局的曾小苹研究员的合作研究发现，当某地出现大面积地磁场异常时，１～９个月后，该地区将会有特大暴雨、洪涝灾害发生。尽管其中的机理尚未完全清楚，但李曾中相信，利用地磁场异常资料，可以预测出未来洪涝灾害发生的地区；通过地磁学与气象学的交叉研究，长江流域的特大洪涝灾害是可以预测的。１９９８年，他们准确地预测出了以江西省贵溪为中心的最大暴雨中心。尽管这一理论出现得很早，但是并没有得到学术界得普遍认同。李曾中认为这是一种新的思路，理应得到更多的支持。
环境问题思辨
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