导语


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。不仅如此，空气污染与排放等因素也作为影响人类生活和生态环境的重要一环而一直备受关注。我们统一将这些放在地球系统科学研究的范畴中。近年来，系统科学、人工智能等学科的发展，为地球系统的研究提供了一系列有力的研究手段。

为了推进地球系统科学研究，集智俱乐部特联合气象学家和气象汇公众号联合发起筹备地球系统科学的主题读书会，系统地研究统计物理、深度学习等方法在地球系统科学中应用的相关文献，开展“地球系统科学因果推断”、“地球系统中的归因、临界问题”、“极端事件的同步和记忆效应 ”、“时空图神经网络”等等主题的报告分享，读书会于每周二晚上 7:00-9:00 进行讨论和分享，欢迎对地球系统科学领域感兴趣的朋友报名参加，可以获取回放，进入社群交流！


2022年3月22日（周二）晚上19:00-21:00，地球系统科学读书会成员应急管理部国家自然灾害防治研究院助理研究员陆征辉将综述性的介绍气候网络的方法，北京师范大学系统科学学院博士后孙宇就渗流相变方法在地球科学研究中的重要文章进行讲解。欢迎大家报名直播，参与讨论。






报告1：

综述复杂网络在气候预测中的应用




背景介绍


预测是气候领域的前沿问题，也是气候研究的最终目的。气候系统是一个多尺度的复杂系统。与短时的天气预报相比，气候预测的时间跨度很大，从月、季节、年际、年代际直至百年尺度，都属于气候预测的范畴。这意味着，气候预测不仅是大气的初值问题，还涉及到地球系统各圈层（大气、海洋、陆面、人类等）的变化及其相互作用，相关物理过程和机理异常复杂。同时，气候系统的各个尺度之间并非相互独立，而是相互作用、相互影响，比如年代际尺度对年际尺度的调制等。这些因素交织在一起，大大增加了气候预测的难度。目前的气候预测方法大致分为两类，一类是动力学数值方法，另一类是统计方法。然而，受限于科学认识和预测技术的不足，当前的气候预测水平尚不能完全满足业务需求。近年来，复杂网络方法被广泛地应用于气候研究中。作为一种研究复杂系统的有效手段，复杂网络方法在气候预测领域已取得了不少成果，表现出了良好的预测潜力，需要受到更多的重视。

报告内容


在本次报告中，我们将对复杂网络在气候预测中的研究现状进行概述，并给出两个应用实例。主要包括两方面的内容：

1. 复杂网络在气候预测中的现状概述。

2. 基于复杂网络的海洋模态预测研究：以PDO和IOD为例。


主讲人


陆征辉，应急管理部国家自然灾害防治研究院，助理研究员。北京大学气象学博士、中科院大气物理研究所博士后，德国波茨坦气候研究所访问学者。主要从事气候预测、极端气候影响、气候变化归因等工作，研究成果在PNAS，GRL等国际顶级刊物上发表。

参考文献

1. Lu Z, Yuan N, Yang Q, et al. Early warning of the Pacific Decadal Oscillation phase transition using climate network analysis [J]. Geophysical Research Letters, 2021, 48, e2020GL091674.

2. Lu Z, Dong W, Lu B, et al. Early warning of the Indian Ocean Dipole using climate network analysis [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119, e2109089119.





报告2：

详解地球复杂系统中的渗流分析方法




背景介绍


不同高度层次的大气结构具有显著的差异化特征。根据日常经验，大气结构的涨落主要来自于地球表面各种驱动要素的影响，大气高度越贴近地面，这种影响作用越强。 虽然这种基于常识的定性认识，可以辅助读者勾勒出大气结构复杂度随高度变化的大致轮廓，但定量化的分析与讨论一直处于空白状态。复杂度的定量化对于大气科学、地球系统科学乃至复杂系统科学都具有非常重要的意义。将复杂度定量化，能够为系统建模提供具有指导意义的参数化指标。当某一局部区域具有相对较高的复杂度时，研究者需要对该区域内的相互作用进行更加精细的描述或考量。

我们以渗流分析为手段对大气温度场的结构展开讨论，并对不同位势高度下大气结构的复杂度进行了量化。研究发现，渗流模拟过程中最大团簇尺寸会在某一占据概率下发生急剧的不连续跳变，跳跃间隙几乎不受尺度效应影响。这表明，当考虑温度涨落的渗流特征时，具有代表性的两个团簇集团会分别于南北半球独立生长并蔓延开来，直至两者融合，且融合后系统中再无其他大尺寸团簇集团。在发生渗流的瞬间，两个代表性团簇集团的构型具有很重要的意义，其边界形状很大程度上能够反映系统的复杂度特征。通过计算边界形状的分型维数来表征复杂度，该工作实现了对大气结构复杂度的刻画，并且，如预想中的那样，在大气高度由高到低过程中，观察到了复杂度的不断增加。

报告内容


在本次报告中，我们将对地球复杂系统中的渗流分析方法进行概述。本次报告主要包括两方面内容：

1. “Climate network percolation reveals the expansion and weakening of the tropical component under global warming”是该方向一篇具有代表性的工作。其所使用的的研究方法是大气结构渗流分析工作的基础。在第一个部分里将会对这篇文章的相关内容进行读书分享

2. 在第二个部分里会介绍渗流分析方法在大气结构复杂性度量方面的相关应用。

主讲人


孙宇，北京师范大学系统科学学院博士后。中科院理论物理研究所博士。主要从事地球复杂系统与统计物理交叉方向工作，特别是地球复杂系统中渗流理论的应用与分析。研究成果发表于PRE等学术刊物。

参考文献

1. Fan J, Meng J, Ashkenazy Y, et al. Climate network percolation reveals the expansion and weakening of the tropical component under global warming[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(52): E12128-E12134.

2. Sun Y, Meng J, Yao Q, et al. Percolation analysis of the atmospheric structure[J]. Physical Review E, 2021, 104(6): 064139.






直播信息




时间

2022年3月22日（周二）晚上19:00-21:00


参与方式

  • 文末扫码参加地球系统科学读书会，加入群聊，获取系列读书会回看权限，成为地球系统科学社区种子用户，与其他的科研工作者沟通交流，共同推动地球系统科学的发展。
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地球系统科学读书会招募中


地球科学是研究相互作用的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等组成的地球系统的形成、演化机制的学科。随着地球系统科学的不断发展，许多新方法被广泛地应用于分析和解决许多的地球系统科学问题。为了推进地球系统科学研究，集智俱乐部特联合气象学家和气象汇公众号联合发起筹备地球系统科学的主题读书会。

本读书会由邓琪敏、张钢锋、王硕、许菁等一线研究者共同发起的「地球系统科学」系列读书会，将组织大家系统地研究这些以统计物理方法、深度学习方法为核心在地球系统科学中应用的相关文献，深入研读相关文献，激发科研灵感。在每周二晚在线进行论文分享与讨论，共读共享。欢迎对地球系统科学感兴趣的朋友报名参与读书会，一起研读硬核内容！欢迎大家报名参加呀！

读书会大纲：

地球系统科学概览介绍——陈德亮院士
  1. 统计物理部分
  • 气候网络和渗流相变研究地球系统
  • 统计物理和本征微观态在地球系统的中应用

  • 由多个子系统耦合的地球系统

  • 极端天气的同步现象

  • 地球系统中的归因

  • 地球系统的临界问题

  1. 深度学习部分

  • 综述

  • 时空卷积网络

  • 时空图神经网络

  • 神经微分/偏微分方程

  • 地球系统科学因果推断


「地球系统科学」系列读书会参与方式


本次读书会适合的参与对象：

  • 基于复杂系统相关学科研究，对地球系统科学相关研究有浓厚兴趣的科研工作者；

  • 能熟练阅读英文文献，并对复杂科学充满激情，对世界的本质充满好奇的探索者；

  • 欢迎基于读书会所列文本和文献的具体探讨，提供适合的文献和主题的朋友；


运行模式

每 1 周由 1-2 名读书会成员领读相关论文，进行线上会议，与会者可以广泛参与讨论（以 PPT 讲解的形式，直播间互动交流）。


时间：

从2021年12月14日开始，每周二晚上19:00-21:00，持续时间预计 7-8 周。


方式：

此次读书会为线上闭门读书会，采用的会议软件是腾讯会议（请提前下载安装）。在扫码完成报名并添加负责人微信后，负责人将其拉入群聊，入群后告知具体的会议号码。


费用：

为了过滤一些非专业人士，甄选出真正对地球系统科学研究感兴趣、有相关研究经验的专业人士，保证读书会研讨质量，也为了激励大家学习、分享、总结，本期读书会将采取收费 – 退款的保证金模式。

报名步骤

扫码报名

第一步：扫码填写报名信息。

第二步：填写信息后，进入付款流程，提交保证金299元。（符合退费条件后可退费）

第三步：添加负责人微信，拉入对应的读书会讨论群。

（我们也会对每次分享的内容进行录制，剪辑后发布在集智学园官网上，供读书会成员回看）


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