东亚古环境科学数据库

赵宏丽，李新周，谭婷丹，晏利斌，李红兵

东亚古环境科学数据库

赵宏丽，李新周，谭婷丹，晏利斌，李红兵

中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

东亚古环境科学数据库依托于中国科学院地球环境研究所，是在原有古气候与古环境专题数据库基础上建立起来的国家地球系统科学数据共享平台的重要分支，在多个国家大型项目的支撑下，立足于中国大陆古环境研究领域，辐射东亚，通过集成、整合、引进等方式汇集国内外古环境研究领域科技数据资源，并进行规范化加工处理，分类存储，形成一个可提供快速共享服务的网络体系。数据库以黄土高原、青藏高原和内陆干旱区为重点，兼顾东亚其他地理单元，通过对现有古气候、古环境及相关实时观测资料的搜集、整理、数字化、集成、模拟以及二次挖掘，以正在进行的相关国家科研项目为基础，建成以中国大陆为中心的东亚区域的多源原始环境数据，古环境记录数字标本与代用指标，古气候与环境数值模拟结果等古环境科学数据集成与共享平台。

东亚；古环境；科学数据库；数字化；二次挖掘

科学数据是经济发展和国家安全的重要战略资源，也是政府部门制定政策、进行科学决策的重要依据。科学数据的集成与共享是国家科技创新体系建设的重要内容，是提高我国整体科技水平，增加国家科技竞争能力的坚实基础。成立于1957年的世界数据中心（WDC）是国际科学联合会下设的科学数据组织（Frank et al，2007；王卷乐和孙九林，2009），WDC自2008年起逐步过渡为WDS（world data system，https://www.icsu-wds.org）。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）（http://www.noaa.gov）隶属于美国商业部下属的科技部门，主要关注地球和海洋变化，提供对灾害天气的预警等（Robert et al，1994；NOAA Research Council，2005；安培浚等，2007；刘燕权等，2011）。另外，国际上还有许多知名的数据机构如世界气象组织（WMO）等国际组织（骆继宾，2000；World Meteorological Organization，2009；张文建，2010），美国航空航天局（NASA）主持的国家级分布式数据中心群（DAACs）（刘闯和王正兴，2002），全球变化数据和信息系统全球变化主目录（GCMD）（http://gcmd.gsfc.nasa.gov/ learn/index.html）等，在全球范围内推进科学数据的共享工作，为世界各类科学团体和个人提供数据共享服务（Jonathan，1995）。中国科学院于1982年提出了“科学数据库及其信息系统”建设项目，经过20多年的发展已经成为综合性的科学信息服务系统。2003年科学数据共享工程3个数据网（可持续发展科学数据共享网、地球系统科学数据共享网、医药卫生科学数据共享网）和6个数据中心（气象科学数据中心、测绘科学数据中心、林业科学数据中心、地震科学数据中心、水文水资源科学数据中心、农业科学数据中心）试点工作全面启动，标志着我国科学数据共享服务建设体系进入一个崭新的时代。

近十年来，随着计算机技术和互联网的快速发展，使得数据存储量、规模、种类飞速增长，大数据时代已经悄然来临（Bryant et al，2008；Frankel and Reid，2008；Adduci et al，2011；Wigan and Clarke，2013；郭华东等，2014）。随着近百年来全球气候变暖的加剧，未来气候与环境变化已成为当今地球系统科学研究的热点。地球自然环境演变过程中保存的黄土、湖积物、沙漠沉积、冰芯、海洋沉积、树木年轮，以及地层中的生物遗存和有关历史记录等，是过去气候和环境从季节到千年、万年时间分辨率不等的信息载体，从这些记录中可以提取陆地生态系统中植被、土壤、大气相互作用的信息，重建地球系统中生物、物理、化学过程相互作用过程。古环境的研究，在地理学和气象学上，对于了解气候变迁、现代气候的形成、自然地理环境的演变有重要作用。在地质学上，对于地层划分和对比、地壳演化研究以及矿产资源成因和探测都具有指导意义。为了预测气候与环境变化的趋势，需要了解过去地球环境变化的历程以及不同时间尺度上气候系统所经历的变化。由于气候器测纪录仅有100多年，难以揭示较长历史时期气候变化并进行趋势预测。因此，需要运用记录过去环境变化的古气候及古环境代用指标进行古环境变化的重建，通过对比分析百年、千年甚至百万年时间尺度上的古环境记录资料来认识区域及全球气候环境变化的规律和机制，揭示各种时间尺度气候变化的原因，理解现今气候和生存环境在自然演变过程中所处的阶段和位置，从而为其发展趋势预测研究提供背景资料。

目前国际古环境数据共享最具影响力的美国国家地球物理数据中心（NGDC）的古气候资料中心（http://www.ngdc.noaa.gov），其提供较为完整的全球古气候、古环境代用指标及其二次分析数据的共享服务，但是由于中国地理位置和研究区域的特殊性，该数据共享中心收集的中国及东亚区域古环境研究数据相对较少，且代用指标单一，分布十分不均匀。国内数据共享服务虽已有涉及古环境研究的单一学科或特定地区的数据资源，如中国气象科学数据共享网的树轮资料，中国西部环境与生态科学数据中心以及中国古生物学专业数据等，但由于学科、研究领域等的限制，目前我国古环境研究领域的科学数据还处于单一、分散的管理模式，并未建立专门针对古环境研究领域的综合数据共享服务，阻碍了我国地球系统和过去全球变化科学的发展，无法满足日益增强的地球科学综合集成研究的需要。同时，东亚地区地形复杂，气候多样，是地球各圈层相互作用最剧烈和显著地区，是研究地球系统科学的天然实验场。因此，建立东亚古环境科学数据集成与共享系统既是地球系统科学研究的需要，也是国家可持续发展迫切的战略需求。该系统通过整合离散的古环境数据，有助于促进过去气候环境变化的研究，了解地球系统发展历程，辨识地球上正在发生的各种变化，为未来的环境变化提供历史图景。

针对目前我国科学数据共享平台实际情况，结合国际古环境科学数据共享平台建设发展现状，为满足古环境古气候研究的重要需求，建立古环境科学数据集成与共享系统势在必行。古环境科学数据集成与共享系统的建立，能够提升我国古环境，乃至地球系统科学研究领域的科研实力，缩短与国际古气候、古环境研究领域相关科研机构差距，促进国内、国际数据共享交流，提高我国地球系统科学和过去全球变化研究的国际地位。

1 平台简介

1.1 简介

东亚古环境科学数据库（http://paleo-data.ieecas.cn）依托于中国科学院地球环境研究所，是在原有古气候与古环境专题数据库基础上建立起来的国家地球系统科学数据共享平台的重要分支，自2007年加入国家地球系统科学数据共享平台数据资源点以来，已初步建成包括陆地环境记录、海洋与湖泊记录、大气环境观测、古气候重建以及古气候模拟输出五大专题数据库，涵盖黄土、冰芯、湖泊、海洋、洞穴石笋、树轮等能反映过去气候和环境变化的物理、化学、生物学指标，如粒度、磁化率、同位素、有机质含量等，古气候重建的古温度、降水、植被、径流、风场等二次数据，海-气耦合模式、陆面过程模式等模式输出数据以及模式输出再分析所形成的增值数据，初步形成了古环境科学研究领域的综合数据库（图1）。

图1 东亚古环境科学数据库运行及管理体系Fig.1 Operation and management system of East Asian Paleoenvironment Science Database

东亚古环境科学数据库建设的总体目标是建成一个内容丰富、网络化、数字化的东亚古环境科学数据共享网和包含各类古环境代用指标、相关现代器测资料、大陆环境科学钻探成果、古气候数值模拟输出等综合古环境科学数据中心，建立一套古环境数据采集、建设、维护、发布、共享和服务的良好机制，形成规范的古环境科学数据共享的运行模式和服务方式，完善工作程序、共享机制和服务机构，培养一批适应古环境科学数据建设和服务的高素质的信息资源管理和技术人才。

东亚古环境科学数据集成与共享系统主要服务于我国的科研、教育和社会经济建设，面向地球科学和环境科学等对古环境数据的迫切需求，通过古环境科学数据的搜集、整合、再分析以及二次挖掘，努力建设成为具有国际影响力的古环境科学数据集成与共享综合服务平台，力求为我国乃至世界科技事业发展做出原创性贡献。

1.2 作者（数据库工作人员）分工职责

赵宏丽：女，博士，工程师，研究方向为第四纪地质与环境，东亚古环境科学数据库专职人员，主要承担数据库日常服务，数据质量控制等工作；

李新周：男，博士，高级工程师，研究方向为高性能计算与气候模拟，负责数据库技术支撑等工作；

晏利斌：男，博士，助理研究员，研究方向为气候变化，负责数据库技术支撑等工作；

李红兵：男，学士，馆员，负责数据库文献查新与检索工作；

谭婷丹：女，硕士，项目聘用人员，负责数据库数据整理等工作。

1.3 数据引用数据说明

即在引用本数据库数据时请注明如下内容：

a.知识产权说明

使用数据集时，请在文章中引用数据来源参考文献。

b.数据标注参考规范

为尊重知识产权、保障数据贡献者和服务者的权益，请数据使用者在基于本数据所产生的研究成果（包括项目评估报告、验收报告，以及学术论文或毕业论文等）中标注数据来源，并按照[文献引用方式]标注需引用的参考文献，同时将可公开成果提交到“国家地球系统科学数据共享平台”。

数据来源参考以下规范：

（1）中文表达方式：

国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享平台-东亚古环境科学数据库；

（2）英文表达方式：

East Asian Paleoenvironmental Science Database, National Earth System Science Data Sharing Infrastructure, National Science & Technology Infrastructure of China.

致谢方式参考以下规范：

（1）中文致谢方式：“感谢国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享平台-东亚古环境科学数据库提供数据支撑。”

（2）英文致谢方式：

Acknowledgement for the data support from “East Asian Paleoenvironmental Science Database, National Earth System Science Data Sharing Infrastructure, National Science & Technology Infrastructure of China.”

法律责任：

本平台对其发布的或数据贡献者贡献的数据产品或服务及平台上发布的相关信息的全部内容拥有版权等知识产权，受法律保护。

数字化教学资源共享平台给学生提供了丰富的学习资源，可供不同高校之间的学生相互学习、相互交流与分享，能更大程度上促进学生的自主学习和协作学习。各高校要借力MOOC，开展广泛合作与交流，扬长避短，汇集各高校优质英语课程教学资源，构建MOOC网络平台、英语学科专题网站以及资源库等为媒介的高校英语数字化教学资源共享群，建设一站式跨库检索平台，以发挥各高校优质资源的辐射效应，实现校际之间资源高度共享，解决现存的“数字孤岛”[3]问题，提高学生的受益面，从而从整体上提升我国高校英语教学质量。

未经本平台书面许可，任何单位及个人不得以任何方式或理由对上述数据产品、服务、信息、材料的任何部分进行复制、修改、抄录、传播及销售。

凡侵犯本平台版权等知识产权的，本平台必依法追究其法律责任，特此郑重声明！

c.使用数据的联系人

姓名：数据加工组

Email: eapsd@ieecas.cn

Tel: 029-62336213

2 数据采集和处理方法

2.1 数据采集

黄土与第四纪地质国家重点实验室是东亚古环境科学数据库的主要支撑单位之一，因此目前所有实现在线共享数据中50%是与黄土-古土壤有关的元数据，如典型黄土剖面西峰、洛川、灵台、秦安等，所涉及的古环境代用指标包括粒度、磁化率、同位素、有机质含量以及反演或重建的古温度、降水、植被、径流、风场等。另外，数据库也搜集整理了大量与石笋、冰芯、湖泊、海洋、树轮等反映过去气候与环境变化的物理、化学、生物学指标，同时也上传共享了利用全球或区域气候模式模拟输出的可与地质记录对比的资料场（谭柳琴等，2013）。

2.2 数据加工与处理

在数据加工与处理过程中，工作人员按照古环境数据库建设的特点以及共享服务的需要，将相对分散、格式复杂、来源多样的古环境数据有效地组织、分类，使得数据类型清晰、层次分明，方便用户查阅和使用，并且可以提高数据的使用效率（郭朝辉等，2007）。例如，本数据库中的数据集主要包括实体数据、数据文档以及原始参考文献及缩略图。在数据文档中可以清晰地了解关于数据集内容、数据来源、数据加工方法、数据质量描述、数据集应用成果以及数据引用格式。

3 数据样本描述

以本数据库中亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）为例（李新周和刘晓东，2012）：

数据文件名称：亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）。定义夏季印度低压中心（20°—80°E，10°—30°N）海平面气压区域平均值为夏季风。通过长期瞬变古气候数值模拟，分析轨道尺度上“日射强迫-季风响应”机制，探讨东亚区域气候变化对地球轨道参数引起太阳辐射变化的响应。由亚洲夏季风的长期演化序列可见，夏季风呈现与负岁差同步的2万年周期。岁差变化对北半球夏季太阳辐射强弱起主要作用。这些结论与以往的研究结果一致，佐证了CCSM3瞬变数值试验结果的可靠性。所有数据集遵循三位一体的原则，即数据实体、数据文档、缩略图缺一不可。例如：该样本数据集由3部分组成，其一为数据实体，其二为数据文档，其三为缩略图，分别为：1.亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）-数据实体.excel（表1），2.亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）-数据文档.doc（图2），3.亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）-缩略图（图3）.zip。

表1 亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）-数据实体（部分）Tab.1 Asian summer monsoon dataset (since 150 ka)-data entity (part)

图2 亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）-数据文档Fig 2 Asian summer monsoon dataset (since 150 ka)-data document

图3 亚洲夏季风指数数据集（过去15万年）-缩略图Fig.2 Asian summer monsoon dataset (since 150 ka)-thumbnail

4 数据质量控制和评估

本数据库总体遵循总平台制定的《组织管理办法（2007）》、《运行管理规范（2007）》、《数据共享服务规范（2007）》、《数据质量管理办法（2007）》、《元数据编写规范（2007）》、《数据备份规范（2007）》以及《数据文档规范（2007）》等。按照古环境数据库建设的特点以及共享服务需要，制定了专题数据库的分类框架以及数据制作、数据质量控制和数据管理的配套标准规范，遵照统一的标准规范进行专业数据的加工、整理、汇交及备份，保障所有共享数据质量的可靠性。逐步发展成以研究所领导为平台负责人，包含平台网站维护、数据标准规范、数据搜集与审查、数据资源整合、用户服务以及数据二次挖掘服务小组，从咨询、决策、管理、执行到用户反馈的组织结构。

平台负责人：是东亚古环境科学数据集成与共享系统的总负责人，负责平台的总体规划、小组责任分配以及专题数据库布局等顶层设计，同时负责与国家地球系统科学数据共享平台协调共建。

服务小组：负责平台搭建、维护与运行服务。主要任务包括：平台网站运行维护，提供7×24小时在线服务，网站连通率在95%以上，故障恢复时间在2小时以内；制定本平台数据搜集、整合、发布标准规范，做到元数据-数据体-数据文档的“一站式”服务效果；对于无法搜索到得在线数据，允许用户进行在线数据预订，3个工作日之内可在线查看数据预订结果；对于离线数据，提供离线数据服务窗口，通过用户申请，3个工作日之内做出响应；针对特殊用户提供数据二次挖掘服务。

支撑条件：东亚古环境科学数据集成与共享系统依托单位——中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室拥有一批先进的分析测试仪器和样品采集与观测系统。如3 MV加速器质谱计（AMS）、放射性碳AMS制靶系统、10Be-AMS制靶系统、超导磁力仪、TL/OSL释光测量系统、稳定同位素质谱仪（MAT-252、MAT-251、δPlus）、元素分析仪、ICP-MS、X荧光光谱仪、X射线衍射仪、激光粒度仪、碳气溶胶分析仪、气溶胶野外采集系统、离子色谱、树轮测量系统、计算机工作站等。形成了比较齐全的地质年代学测试序列和古环境代用指标测试系统。

现有高速科技网，拥有星盈GT8000超级刀片机群、曙光TC5000超级刀片机群和IBM UNIX服务器各一台，累计理论浮点运算峰值近10万亿次/秒，累计存储500 TB，且具有独立高性能计算机机房60平方米，这将保障东亚古环境科学数据集成与共享系统的数据存储、在线访问、用户订制以及数据二次挖掘等服务功能的顺利实施。东亚古环境科学数据集成与共享系统网站运行与维护有专人负责，保障7×24小时在线服务。

5 数据价值

作为地球系统科学数据共享平台重要数据库的东亚古环境科学数据集成与共享系统，是我国唯一的一个以古环境数据集成与共享为单元，涵盖不同时间尺度（十年、百年、万年甚至百万年），不同特色研究区域（如黄土高原、青藏高原、西部干旱区、东部季风区等），不同学科门类（土壤学、矿物学、地球化学、生物学、气候学、水文学、地理学等），集地球系统五大圈层数据决策服务与专业分析于一体的综合性古环境数据中心，是黄土与第四纪地质国家重点实验室数据信息对外交流与合作的重要窗口。目前拥有的特色数据资源包括：

（1）构造尺度（几十到百万年）、轨道尺度（万年）、千年—百年时间尺度的冰芯、湖泊沉积等以及较短尺度的石笋、树轮高分辨率数据；

（2）干旱区、季风区、季风干旱过渡区等不同地理单元（罗布泊、黄土高原、青海湖、江汉平原、云南鹤庆盆地等）的高质量岩芯资料；

（3）粒度、灰度、同位素比值、孢粉、介形类等不同类型环境记录的物理、化学、生物等代用指标；

（4）涉及矿物学、地球化学、生物学、水文学、气候学、环境学等多学科古环境数据。如粘土矿物、磁性矿物、元素组成、盐类指标、有机分子单体的同位素组成、花粉、摇蚊、孢粉、植物残体、炭屑、硅藻、地表径流重建数据等；

（5）以地球系统科学为主要对象的不同圈层的地质环境记录和数值模拟数据。如风尘通量、铝通量、珊瑚荧光光谱、海洋同位素、海表温度，重建的古温度、古降水、古风场以及古气候模拟输出资料等。

东亚古环境涉及岩石圈、生物圈、大气圈等五大圈层，涵盖黄土、冰芯、湖泊、海洋、洞穴石笋、树轮等古气候和古环境记录。不同区域不同时间点，这些记录有一定的差异，通过各种数据的对比研究，从宏观上来把握这些量的变化情况，并利用多种基础数据的分类存储、管理、维护与更新，为其他科研项目的分析和管理模块提供数据共享与支持，可以促进学科之间的交叉研究，更好地了解过去东亚环境的变迁，以更好地预测将来环境的演变。

6 数据使用方法和建议

本数据库上传数据主要包括实体数据、数据说明、原始参考文献及附图。具有元数据检索、数据检索、指标检索等功能。元数据检索：对元数据库进行导航式、按关键字、按研究区域检索等；数据检索：对数据库进行导航式、按关键字、按作者、按年份、复杂条件检索等；指标检索：提供导航式检索、按关键字检索等检索方式。为用户提供数据汇交，数据导航、数据搜索、数据在线访问与下载、数据在线预订，数据使用咨询，委托建库、软件工具共享等方面的服务。整合集成的数据资源全部经过规范化处理，增加了使用率。在数据集中详细介绍了数据的来源、获取方法等，方便用户引用。用户针对自己的需求，根据关键字等检索后，注册便可下载使用这些数据，同时用户可根据自己的需要进行自身信息管理（杨欣等，2008）。

7 结论

东亚古环境科学数据库依托于中国科学院地球环境研究所，是针对目前我国科学数据共享平台实际情况，结合国际古环境科学数据共享平台建设发展现状，为满足古环境古气候研究的重要需求而建立的。数据库立足于中国大陆古环境研究领域，辐射东亚，通过集成、整合、引进等方式汇集国内外古环境研究领域科技数据资源，并进行规范化加工处理，分类存储，形成一个可提供快速共享服务的网络体系；同时，以黄土高原、青藏高原和内陆干旱区为重点，兼顾东亚其他地理单元，通过对现有古气候、古环境及相关实时观测资料的搜集、整理、数字化、集成、模拟以及二次挖掘，以正在进行的相关国家科研项目为基础，建成以中国大陆为中心的东亚区域的多源原始环境数据，古环境记录数字标本与代用指标，古气候与环境数值模拟结果等古环境科学数据集成与共享平台。通过对样本数据集的描述，介绍了数据库中数据集的主要采集、加工和处理方法，数据的质量控制与评估，数据使用方法和建议等方面，强调所有数据集遵循三位一体的原则（数据实体、数据文档、缩略图），严格保证数据的准确性，并确保使用者可以更加便捷地查找与下载数据，从而达到古环境科学数据的共享。

致谢：感谢中国科学院地球环境研究所刘晓东研究员在东亚古环境科学数据库的建设和日常维护中给予的各种指导和帮助。本研究受到国家重点研发计划项目（2016YFA0601904）、国家自然科学基金项目（41690115，41472162）及国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享平台（http://www. geodata.cn）的联合支持。

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East Asian Paleoenvironmental Science Database

ZHAO Hongli, LI Xinzhou, TAN Tingdan, YAN Libin, LI Hongbing
State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China

East Asian Paleoenvironment Science Database (EAPSD), relying on the Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, is an important branch of national data sharing infrastructure of earth system science and which was established on the basis of original paleoclimate and paleoenvironment thematic database. Under the supporting of national mega projects, the EAPSD, which is based on the research field of paleoenvironment in mainland of China and covers East Asia. It has formed a network system through the integration, concordance, introduction and other ways to collect the domestic and foreign paleoenvironment resources. The EAPSD is on the base of the loess plateau, the Qinghai-Tibet Plateau, the arid inland area and other geographical unit in East Asia and focused on integrating, simulating, and excavating paleoenvironment data and reanalysis data. As a comprehensive and diverse integrated data center, the East Asian Paleoenvironment Science Database strives to make original contribution to academic exchange, sharing of scientifi c research achievements, as well as the development of science and technology in our country and the world.

East Asian; paleoenvironment; science database; numeralization; reanalysis data

赵宏丽，E-mail: zhaohl@ieecas.cn Corresponding Author: ZHAO Hongli, E-mail: zhaohl@ieecas.cn

赵宏丽，李新周，谭婷丹, 等. 2017. 东亚古环境科学数据库[J].地球环境学报, 8(3): 273 – 282.

: Zhao H L, Li X Z, Tan T D, et al. 2017. East Asian Paleoenvironmental Science Database [J]. Journal of Earth Environment, 8(3): 273 – 282.