地球系统科学简史及重大挑战
地球系统科学简史及重大挑战
气候变化正在以高温、干旱、洪水、野火和沙尘暴等极端天气的形式吸引人们的广泛关注。世界气象组织《2023年全球气候状况》报告确认2023年是有观测记录以来最暖的一年。世界经济论坛《2024全球风险报告》将气候变化作为首要值得关注的风险。地球作为一个多要素、非线性的开放复杂系统，要素间相互作用关系复杂，往往牵一发而动全身。理解并有效应对气候变化以及其带来的社会经济等一系列议题，对人类至关重要。
本文是2021年陈德亮教授围绕“地球系统科学的前世今生”的分享，系统梳理了地球系统科学研究的发展简史及其面临的重大挑战。文章深入浅出地介绍了地球系统模式的发展历程、复杂性研究的重要意义，以及未来需要重点关注的十大挑战。
地球系统模式发展的历史、现状和未来
地球系统模式的发展
地球系统科学的一个重要特点是整个系统不可能做实验，因此只能通过模拟和模式来开展研究。下图展示了IPCC（政府间气候变化专门委员会）关于地球系统模式发展的历史、现状和未来。从最初的简单大气-海洋-海冰模型，逐渐发展到包含气溶胶、动态植被、大气化学等更复杂的系统，再到如今将人类系统纳入考虑的地球生命系统模拟器。
地球系统科学与复杂性研究
将人类系统纳入地球系统科学后，研究的复杂性显著增加。这种复杂性体现在行为、关系和动态变化三个方面：
- 行为（Behaviours）：人的思考、思维、行为偏差等都增加了研究的复杂性。
- 关系（Relations）：人是社会性动物，会产生网络效应，涉及物质、信息、能量的交换，甚至包括价值观、宗教等非物质因素。
- 动态变化（Dynamics）：加入人类因素后，系统变得更加非线性，有时甚至变得不可预测。
地球系统科学的历史
地球系统科学的发展历程可以追溯到20世纪80年代的世界气候研究计划（WCRP）。随后，国际地圈生物圈计划（IGBP）、IPCC等组织相继成立，推动了地球系统科学研究的深入发展。2000年左右，随着对人类活动影响的认识加深，地球系统科学伙伴关系（ESSP）应运而生。2009年，陈德亮教授组织成立了地球系统展望（Earth System vision），提出了人类世（Anthropocene）这一重要概念。2010年，由多位诺贝尔奖得主参与的研究成果为Future Earth计划奠定了基础，提出了五大科学挑战：预测、观测、阈值、政府应对和社会组织技术创新。
未来的十大挑战
问题1：系统间的相互作用关系缺失问题
现有的气候模式存在尺度问题，例如全球气候模式的网格大小约为100公里，难以准确模拟冰川等小尺度变化。更重要的是，人类活动的影响尚未被充分纳入模型中，形成完整的反馈循环。
问题2：预测中的不确定性
预测不确定性主要来源于初始条件、情景条件和模型本身的不确定性。这些不确定性叠加起来可能超过一百年，因此如何量化和减少不确定性是一个重要研究方向。
问题3：如何将模拟和数据观测结合起来
传统的观点认为观测数据用于验证模型，但更创新的方法是通过涌现限制（Emergency constrain）将观测结果与模型结合，从而缩小预测范围。
问题4：聚焦区域尺度
全球变化研究需要细化到区域甚至局地尺度，才能更好地理解对社会和人类的影响。这需要将全球环流模型（GCM）降维到区域环流模型（RCM）。
问题5：强调风险，强调小概率大影响事件
小概率高影响事件（LLHI）虽然发生概率很小，但一旦发生影响巨大，例如郑州洪灾、美国龙卷风等，需要引起高度重视。
问题6：评估以自然方式为基础的解决方式和地球工程
通过自然方式或地球工程来解决气候变化问题，例如通过农业改变下垫面、修建城市形成城市气候等，这些方案的评估和应用是未来研究的重要方向。
问题7：级联（串联）型临界点（tipping point）
研究临界点之间的相互作用关系，例如北极变化如何影响热带雨林，热带雨林变化如何影响南极冰川等，是未来研究的重要方向。
问题8：气候变化和污染
气候变化与污染之间存在密切联系，例如大气污染、土壤污染、水污染等，需要在地球系统框架下进行综合研究。
问题9：生态系统和人类福祉
生态系统变化与人类福祉密切相关，包括自然调节作用和文化精神需求等方面，需要综合考虑。
问题10：从影响到原因——归因
从现象追溯原因的归因研究是未来的重要方向，特别是事件归因（Event attribution）方法的发展，能够帮助我们理解短期天气事件与全球变化之间的联系。
未来面临的挑战和需要讨论的问题
地球系统科学的未来发展需要重点关注以下几个方面：
- 将地球系统视为复杂系统，研究宏观世界和微观世界的相互作用关系。
- 研究“活的”（如植被动态）和“死的”（如固定植被）事物之间的相互作用。
- 将自然和人类文化结合起来开展研究，特别是如何模拟人类的价值观和精神状态。