2021年10月5日，气象学家真锅淑郎和气象学家克劳斯·哈塞尔曼因对“地球气候的物理建模、量化变化和可靠地预测全球变暖”的贡献，被授予诺贝尔物理学奖。全球变暖是一个不争的事实，也给人类社会带来了重大的影响和挑战，人类从来没有像现在这样对地球系统如此关切，我们都生活在同一个地球，地球系统的变化将决定人类命运最终走向何方。12月14日（周二）晚间的地球系统科学读书会第一期，我们邀请到了地球系统科学的倡导和践行者，气候学家陈德亮（Deliang Chen）教授来为大家介绍地球系统科学的发展历史和面临的主要挑战。
陈德亮教授是瑞典哥德堡大学 August Röhss 讲席教授，先后当选为瑞典皇家科学院院士，中国科学院外籍院士，发展中国家科学院院士。在区域气候与大气环流的关系、气候动力学及气候变化领域作出了突出贡献，参与和领导了多个国际计划和组织，是具有全球视野的战略科学家，在世界科学界有着重要影响和地位。
研究领域：地球系统科学，气候变化，区域气候变化，气候动力学
张钢锋 | 作者
刘培源 | 审校
邓一雪 | 编辑
地球系统是由大气圈、生物圈、冰冻圈、地层圈、海洋圈有机组成的一个复杂的非线性系统，各个组分之间相互影响并同时作用，决定了地球系统的静态与动态运行机制。在地球自然的演变过程中，地球系统也在不断发生变化，但是随着人类对自然的扰动强度和频率不断加大，人类活动对于地球系统的影响也越来越显著，其中以全球变暖为主要特征的气候系统尤为显著。
地球系统的复杂性决定了气候系统研究的复杂程度，其中包含大大小小很多的问题，比如大气的运动特征、气候变化的归因，大气污染等。研究大气的状况, 特别是人类活动对于气候所造成的影响，可以帮助我们深入理解人与环境的关系；研究地球系统如何运作，气候变化对于社会有何影响，可以帮助我们发展科技并且规划下一步的行动。我们基于地球系统科学研究，一方面可以通过制定政策达到减少释放温室气体，减缓气候变化造成的危险，另一方面可以提高人类社会对气候变化的适应性，这对于实现地球系统的可持续性发展具有重要意义。
地球表面被一层由氮气（约78%）、氧气（约21%）、氩气（约0.9%）、二氧化碳（0.04%）和其他痕量气体组成，称之为大气层或大气圈。地球大气层是随着地球的形成而逐步演变的，经过几十亿年的不断演化，才成为今天的状态。大气中发生的各种自然现象，即某瞬时内大气中各种气象要素（如气温、气压、湿度、风等）空间分布的综合表现，就是我们日常熟知的天气。受到太阳辐射，纬度、海拔、地形等不同因素的影响，短期大气也一直处于不稳定的运动状态，所以我们常看到天气变化莫测。气候也是大气的状态分布，但是与天气不同，它主要是指长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上，因此气候具有一定的稳定性。但气候的稳定性是相对而言的，随着太阳辐射的变化、地球轨道的变化等自然因素的影响，也会逐渐发生改变，但是自然因素引起的地球气候变化一般在较长的时间段内发生，而且存在明显的周期性。
自第一次工业革命以来，人类开始了大规模的使用化石燃料，导致大气中的温室气体如二氧化碳等浓度不断升高，远远超过自然的变化速率。与此同时，人们也逐渐发现，地球大气的温度也在逐渐变暖。为了全面科学评估全球的气候变化，以陈德亮为领衔作者的联合国政府间气候变化专门委员会在2021年发布了第六次气候变化评估报告（IPCC. Climate change 2021）[1]。其中显示，基于最新的观测数据，相对于 1850-1900 年，2001-2020 年这20年平均的全球地表温度升高了0.99 ℃，而 2011-2020 年10年平均的全球地表温度已经上升约 1.09 ℃，而上一次有如此高幅度的温升，还要追溯到12.5万年前。IPCC报告同时还指出从未来20年的平均温度变化来看，全球温升预计将达到或超过1.5℃。在区域尺度上，气候的变化也是显而易见的。比如青藏高原地区，作为核心的高山地区，青藏高原是地球上除南极、北极之外冰川分布最广泛的地区，也是亚洲十大主要河流的发源地，有“亚洲水塔”之称。陈德亮多年来深度参与青藏高原第三极研究，以他为主的科学家评估了过去五十多年青藏高原地区的气候环境变化[2]，发现过去50年青藏高原地区的增温速度是全球平均水平的一倍，而且高原降雨量也在不断增加，冰川融化加速，“亚洲水塔” 正在发生显著变化。
图1. 1850-2020 年间全球地表温度观测（黑色线条）、模拟的人类活动与自然因子共同强迫（浅褐色线条及阴影）以及仅有自然因子强迫（绿色线条和阴影）引起的变化[1]
在全球尺度上，IPCC报告[1]还评估了人类活动是否影响和如何影响气候变化，报告指出相较于1850-1900年平均，人类活动造成的2010-2019 年全球平均地表温升的可能范围为 0.8~1.3 ℃，最佳估计值为 1.07 ℃；其中均匀混合的温室气体很可能贡献了 1.0~2.0 ℃的升温，其他人类活动（主要是气溶胶）可能导致了0.0 ℃到 0.8 ℃的降温。而在区域尺度上，以中国为例，陈德亮最新的研究论文[3]系统总结了人类活动对中国气候变化的影响，文章指出中国过去几十年的增暖速率相对全球平均明显要快，以温室气体排放为主的人类活动，是过去中国平均气温和极端温度变化的主要原因。这些工作加深了人类活动对于气候所造成的影响的认识。为国际社会减少温室气体排放，减缓气候变暖速率提供了重要的科学参考。
全球变暖的大趋势已经非常明显，这给人类生活的环境带来显著的变化。比如气候变化引起全球冰川快速退缩，对流域水资源和社会-生态系统产生深远影响。对此陈德亮[4]最新的研究评估了1980-2100年全球冰川水资源重要补给区融水和人口变化的（不）匹配性及其共同产生的机遇和/或风险。结果表明大多数情景预估冰川融水的服务潜力和补给区人口均在一定时期内持续增加，直到达到峰值后才逐渐下降；但融水的服务潜力和人口变化并不匹配，因此给不同时期流域社会经济的发展带来机遇和/或风险。
文章也建议相关国际组织、政府管理部门等利益相关者应以弹性思维在不同流域和时期采取灵活而差别化的措施抓住机遇、规避风险。当冰川融水服务潜力增加时，可通过有效规划和相应的工程措施来充分利用水资源以改善区域人民福祉；同时也要主动做好有效适应来应对融水拐点的下降，特别是流域还面临人口增加的情况下。
气候变化不仅是针对气候平均状态的变化而言，而与此引发的极端天气气候事件也在呈现快速增加，全球范围内高温、暴雨、强风等极端天气事件给人类社会的影响极为严重，特别是生活必须的基础设施如交通系统、电网、能源供应等。陈德亮近期的研究[5]提出了一种考虑低冲击变化和极端事件的随机鲁棒优化方法，同时考虑到未来气候条件的变化（包括极端天气事件的频率、持续时间和强度的增加），通过将该方法应用于瑞典的30个城市进行实证性分析，结果显示极端天气事件可能导致电力供应可靠性下降，最高达16%，但升级用于设计分布式能源系统的方法可以帮助将可再生能源的整合提高到瑞典大多数主要城市的年需求的30％以上。文章指出当可再生能源技术的普及水平提高时，极端气候事件的影响将变得越来越具有挑战性，但人类对气候变化影响的适当量化将确保能源系统的稳健运行，并可进一步促进可再生能源的发展。
图2. 人类社会整合可再生能源技术应对城市能源系统变化的气候恢复力（以瑞典30个城市为例）[5]
当然气候变化给人类社会带来的也不都是负面的影响，比如中国西北地区一直以来都给人“干旱苦寒”的印象，但近几十年来，寒冷干旱的西北正在不断变暖变湿。西北暖湿化使得整体植被覆盖在不断增长，许多荒漠地区开始出现植被。不仅仅是西北。全球整体的趋势也是一样，全球陆地植被都在增加。气候变化的事实以及给人类社会的影响已经逐渐成为共识，气候变化科学也在被社会需求、技术发展等因素不断驱动。但解决气候变化问题，提高人类社会对气候变化的适应性，实现人类社会的可持续发展，光靠气候科学还是远远不够的，还需要社会科学和人文科学的多学科的合作。
作为地球系统的重要组成部分，气候变化以及人类活动对气候的影响在一定程度上反映了地球系统科学研究的复杂性和重要性。在过去几十年里，科学们开展了大量工作研究了地球系统是如何运行的，尤其是人类活动对地球系统的影响。随着科学技术的不断发展，我们能够基本掌握人类活动是如何改变全球环境，以及这些环境变化是如何影响人类社会的生存和发展。到目前为止，全球环境变化率大大超越了人类社会的响应速度和应对能力，气候变化、水循环、食物系统、海平面、生物多样性、生态系统服务和其他等问题会破坏人类的稳步发展，造成饥饿、疾病、难民和穷困等人类严重的灾难。如果这种变化未加抑制或减缓，那将阻碍全球社会、经济、环境的发展，甚至使其发生倒退。
面向全球可持续发展，陈德亮等科学家在国际学术期刊《Science》总结了未来地球科学系统研究面临的五大挑战——预测、观测、限制、响应和创新[6]，具体为：
开展、增强和融合观测系统，管理全球和区域的环境变化
确定如何预测、识别、避免和管理破坏性的全球环境变化
确定什么样的机构、经济活动以及行为变化可以影响全球可持续发展的脚步
在发展技术、政策方面鼓励创新（加上健全的评价机制），以便实现全球可持续发展的社会响应
这些重大挑战提供了一个全面的研究框架，但是目前人类所掌握的知识，一般仅仅支持针对地球系统某一个领域的研究活动，并提供了所需的基础，但远远没有达到可以支持综合解决方案的水平。因此地球系统科学研究人员需要开展一些更新颖更迅速的创新行动，同时需要更多针对性的研究来解决相关的问题，以此使人类更深刻地认识地球系统是如何运作的，提高我们预测未来风险模式的能力。此外还需要在全世界范围内，增进人类所面临的社会环境危险的认识，探讨克服可持续发展障碍的社会变革方式，提高人类社会应对地球系统变化的能力，以努力实现在全球环境变化背景下的人类社会可持续发展。
张钢锋，北京师范大学系统科学学院，应急管理部-教育部减灾与应急管理研究院“励耘”博士后，助理研究员。兼任西班牙国家科学研究委员会、瑞典哥德堡大学客座研究员。集智俱乐部“地球系统科学”读书会发起人。目前主要研究方向为气候变化与自然灾害，地球系统科学与深度学习。
[1] IPCC. Climate change 2021: the physical science basis[M/OL]. 2021[2021-08-06]. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#FullReport
[2] 国务院新闻办公室。《西藏高原环境变化科学评估》报告. http://www.scio.gov.cn/xwfbh/xwbfbh/wqfbh/2015/20151119/xgbd33811/Document/1455866/1455866.htm
[3] Sun Y, Zhang X, Ding Y, et al. Understanding human influence on climate change in China[J]. Natl Sci Rev, 2021. nwab113, https://doi.org/10.1093/nsr/nwab113
[4] Su B, Xiao C, Chen D, et al. Mismatch between the population and meltwater changes creates opportunities and risks for global glacier-fed basins[J]. 2021. https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.027
[5] Perera A T D, Nik V M, Chen D, et al. Quantifying the impacts of climate change and extreme climate events on energy systems[J]. Nature Energy, 2020, 5(2): 150-159.
[6] Reid W V, Chen D, Goldfarb L, et al. Earth system science for global sustainability: grand challenges[J]. Science, 2010, 330(6006): 916-917.
从加拿大极端热浪，到德国的洪灾，从澳大利亚的森林大火，到中国河南的特大暴雨，极端天气已经成为新常态。气候变化正以我们所能感知的态势发生着。2021年诺贝尔物理学奖的一半被授予气象学家真锅淑郎和气象学家克劳斯·哈塞尔曼，“以表彰对地球气候的物理建模、量化变化和可靠地预测全球变暖”，表达了对人类命运的关切，也展现出从复杂系统视角研究地球气候环境的必要性。
12月14日（周二）晚间的地球系统科学读书会第一期，我们邀请到了地球系统科学的倡导和践行者，气候学家陈德亮（Deliang Chen）教授来为大家介绍地球系统科学的发展历史和面临的主要挑战。
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