地球系统科学简史及重大挑战

导语

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”。地球系统的研究对人类未来的发展意义重大。本路径整理了地球系统科学发展历史以及未来研究的重大挑战。

本路径整理自地球系统科学读书会第一期《地球系统科学的简史及重大挑战》，主讲人陈德亮老师。

陈德亮 | 讲者

Sophia | 整理

廖戴丽 | 编辑

1、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
地球系统科学与复杂性研究
地球系统科学的历史

2、未来的十大挑战

问题1：系统间的相互作用关系缺失问题‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍
问题2：预测中的不确定性
问题3：如何将模拟和数据观测结合起来
问题4：聚焦区域尺度
问题5：强调风险，强调小概率大影响事件
问题6：评估以自然方式为基础的解决方式和地球工程
问题7：级联（串联）型临界点（tipping point）
问题8：气候变化和污染
问题9：生态系统和人类福祉
问题10：从影响到原因——归因

3、未来面临的挑战和需要讨论的问题

未来研究的关键还是在于把地球系统看作复杂系统。
如何把“活的”和“死的”事物联系起来研究。
将自然和人类文化结合起来开展研究是最难的挑战。

1. 地球系统模式发展的历史、现状和未来

1.1 地球系统模式的发展

地球系统科学有个很重要的特点，整个系统不可能做实验，因为我们不可能拿地球做实验，所以只能做模拟、模式来开展研究。下面这张图来自IPCC，表示出地球系统模式发展的历史，现状和未来。我们在其中添加了人类系统（Human System）。

地球系统模式的发展变化

IPCC的6次报告，最开始是简单的几个因素，只有大气、地球表面加上海洋和海冰。之后数年，逐渐加各种因素，从气溶胶到动态植被到大气化学，物理、化学和生物学都结合进来了。现在更复杂了，加上了人类系统，这部分是刚刚开始的工作。接下来10-20年最重要的发展就是如何把人类系统很好地加进去，成为一个地球生命系统模拟器，目前全球很多研究小组都在做。

1.2 地球系统科学与复杂性研究

把人类系统加进去之后，系统更复杂了，那么这种复杂性研究给地球系统科学带来了什么？

复杂系统研究对科学研究带来的影响图

三类系统：有组织性的简单性，有组织的复杂性和无组织的复杂性。在这三类系统中，行为、关系和动态都变得更加复杂。

关于行为（Behaviours），把人加进去之后，研究地球系统就变得更复杂了。人会思考、思维，也会犯错，人也有行为偏差（bias），人与物之间还有互动，例如人和机器人互动等等，种种行为都让研究变得更加复杂。

关系（Relations）也更复杂了。人是社会性动物，人会产生网络效应，夹杂着很多物质信息能量的交换，甚至有些“虚”的组成部分如价值观、宗教等。近两年的新冠病毒即为一例，从哪里开始爆发，如何影响到全球，这个过程是很复杂的。总之，加入人之后，复杂系统更加开放、动态，互相影响就更多了。复杂系统中，单独一个人、一个国家都可能影响整个系统。

第三个是动态变化（Dynamics），在有组织的简单性情形中比较简单，很有规律。在有组织的复杂性系统中稍微复杂一些，在无组织的复杂性系统中，就更复杂了，也就是我们常见的气候系统。无组织的复杂系统中，似乎有些波形和规律，似乎有些没有，加入人之后整个系统更加非线性，有时候会变得不可预测。

从综合性科学的角度来看地球系统科学，也更能理解其复杂性。

复杂系统研究对科学研究带来的影响图

1.3 地球系统科学的历史

关于地球系统科学发展的历史，我们通过下图来回顾。这张图原图是Steffen等人2020年发表的（Steffen曾是国际地圈生物圈研究计划（IGBP，The International Geosphere-Biosphere Programme）的主任（director）），下图是在原图基础上添加了一些重要事件和人物的修正版。

地球系统科学发展历史图

图中分了三个序列来追溯地球系统科学的历史，第一列是组织机构，第二列是重要的文章和科学成果，第三列是重大事情，如活动或发生的事件。

1.4 第一列

全球组织起来研究地球系统，是从世界气候研究计划（WCRP，World Climate Research Programme）开始的，开始于上世纪八十年代，此后组织了IGBP。IGBP为研究地球变化做了很多贡献，出了很多有名的研究者，如Steffen。目前我们研究的海洋酸化、土地利用变化都是IGBP提出来的。另外就是我们熟悉的IPCC（The Intergovernmental Panel on Climate Change），即政府间气候变化专门委员会，1988年成立。图中展示的还有IHDP（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change），即国际全球环境变化人文因素计划。做社会科学的研究者们对IHDP比较熟悉，这个组织研究人类维度对全球环境变化的影响。回顾这个历程我们会发现，人们研究地球系统，从气候开始，到下垫面，再到人类，是个不断发展的过程。刚开始研究者们对人类活动认识还不够充分，到了后期就越来越重视这一部分。

到了大概2000年左右，我们发现应该搞地球系统研究，把以上研究都联系起来，于是成立了ESSP（Earth System Science Partnership）。

在2009年，陈德亮教授组织成立了Earth System vision（地球系统展望），对地球系统做一个展望或者说战略规划，组织多位科学家对地球系统做一个科学的规划。经过三年，规划初步成型，2012年受邀在德国做报告。当时特别提起很重要的一个概念：人类世（Anthropocene）。人类世是Paul Crutzen（IGBP副主席）的研究成果（Paul Crutzen对IGBP的贡献也很大，把大气、化学成分和地表的变化作为很重要的全球变化影响因子引入研究体系中）。

2010年Earth System vision的一项研究成果发表于《Science》，由多位诺贝尔奖得主，自然科学家和社会科学家共同完成。这项成果是陈教授组织的研讨会的成果总结，此次研讨会有3000多名科学家参与，其中有36个诺贝尔奖得主。研究的主要成果成就为目前的国际大项目Future Earth计划，此计划中的一个重要成果就是该计划的概念和设计原则。该计划提出了目前的五大科学挑战：预测、观测、阈值、政府应对和社会组织技术创新。

地球系统展望（Earth System vision）2010年的研究成果

紧接着，全球气象和气候学家一起对全球气候模式研究做了规划，科学家们一致认为：一定要走多学科融合的道路，一定要做地球系统研究，改变以前只关注气候、大气的状况。自此，从2012年开启了Future Earth这一重要的全球性研究项目，直至今日。

1.5 第二列

第二列是研究成果。我们从图中可以看出，生物界其实介入地球系统科学研究非常早，1926年就研究了生物地球的相互作用，1972提出了盖亚假说。有一个不太为大家熟知的是联合国1987年提出的布伦特兰报告（Brundtland Report）《our common future》，此报告由挪威前首相首倡，对可持续发展很有影响力。

2009年Rockström的研究很值得单独讲一下，他组织了一批科学家研究了地球系统面临的大问题，并对地球面临的几大问题到了什么程度做了诊断，划分了不同的区域范围，绿色代表安全，黄色代表有问题，红色代表进入了警告阶段。

人类在地球上的安全活动空间域

在图中可以清晰地看到，臭氧损失、大气气溶胶、海洋酸化、水资源问题、气候变化都是主要问题。这个团队在2015年又对此做了更新，依然发现这几个区间划分很适用。这张图展现的概念非常有用，对制定政策的人群尤其有用，非常清晰地展现出不同问题的严重性以及留给人类采取行动以缓解危险性的空间域的大小。例如我们关注的气候变化这一问题，留给人类采取行动的空间范围已经不多了。我们看到现在气候变化在黄色区间，这是很严重的问题了。我们的《巴黎协定》中提出，全球升温需要控制在1.5℃范围内，这样才比较安全。目前全球气候变化升温幅度已达1.2℃，离警告区间只有0.3℃了，这样的数字化表述就非常具有警醒意义。在图中也可以看到生物多样性、生物地球化学流已经过了警戒线了。这张图可以说是清晰明了，发布之后的确非常有影响力。

1.6 第三列

第三列的重大事件中，第一个是1957年很有名的国际地球物理年，在这一年开启了很多观测。其中最著名的是1958年开始的二氧化碳观测，据此产出了非常著名的数据图成果。地球系统科学的定义是一直到20世纪80年代才出现的。接下来的重要事件是到2000年左右，Paul Crutzen明确提出“人类世”。

人类世：人类与地球的耦合示意图

Paul Crutzen第一次明确地把人类对地球的影响提到和自然同样一个高度，甚至有些时候人类的影响超过了自然。他从三个方面：影响范围、影响速度和耦合度（Coupling）探讨评估了人类的影响，探讨了人类和地球如何联结得更紧。

衡量地球系统变化的各个指标趋势图

上面这张图是IGBP很有名的工作成果，把所有人类活动的影响和人类活动本身的变化做成指标趋势图表。绿色系图表是对地球系统变化的展示，从二氧化碳的增加，海洋中的氮的变化、大气中的甲烷含量的增加、地表温度的增加，以及海洋酸化、热带雨林减少等多个维度展示处地球系统的变化。橙黄色系的趋势图展示的是人口、GDP增加等社会经济趋势。大家可以看到，20世纪50年代之后各个指标增加都很厉害。事实上，IGBP研究了各类地球系统的指标，研究成果非常多，这张图只展示了少数几个，也能够清晰地看出人类活动影响增加的幅度和速度。以二氧化碳为例，20世纪50年代之前也有增加，但是50年代之后增加幅度明显变大，这就表示出现了加速增长。

全球人口、家禽家畜与野生动物重量对比示意图

Bar-On在PNAS发表的这张图展示了全球人口数量的速度。他的研究显示，目前人的重量是所有其他野生哺乳动物重量的大约10倍。同时，人工养殖的牲畜数量增长速度也非常快。全球的哺乳动物中，全球野生动物的重量只占4%，人占36%，人工饲养的牲畜占60%。鸟类同样如此，只有30%鸟类是野生的，70%都是鸡，都是人类社会为了维持自身的生命系统而养殖的。

全球交通体系图

这张全球交通体系图展现出的场景是：人类的交通把地球系统中很多事物都联结在了一起，这就是前面讲复杂系统时提到的Networks。图中黄色是城市区域，绿色是陆地上人类的道路，蓝色是海洋运输线，白色是航空线路，从图中可以看出人类的交通系统密集程度非常大。在这个系统中，各个成分要素和部件相互联系相互影响。比如说苏伊士一条船堵了，全球交通受影响——人类制造构建的联系太多了。

地球系统科学发展重大事件中，还有一个很重要的是2001年阿姆斯特丹召开的会议，定义了地球系统面临的将来的挑战，我们在第三列中可以看到。2003年接着这个会议在北京又召开了相关议题的会议，可见是很重要的事件。

在地球系统科学发展的重大事件中，目前大家印象最深的应该是2021年的诺贝尔物理奖。这是诺贝尔奖第一次给了气候研究，获得诺贝尔奖的这个研究其实就是对地球系统的研究，这是很大的事件。

这三位诺贝尔奖获得者都是做气候研究的。真锅淑郎（Syukuro Manabe）做了第一个地球气候系统模型。克劳斯·哈塞尔曼 (Klaus Hasselmann) 把随机的天气和具有可确定性的气候两个方面用一个模型结合起来开展了研究。乔治·帕里西 (Giorgio Parisi) 也做过一些古气候的模拟，这些方法在复杂系统中很有用。

人类导致气候变化：从理论到既成事实

上图来自今年IPCC评估报告第一章，这张图回顾了人类研究气候变化的历史。这里介绍两位科学家。第一位要介绍的是瑞典化学家Arrhenius Model。我们常谈到一个概念“气候敏感性”，也就是二氧化碳增加以后全球温度会增加多少，那么第一个用模型对此做研究的就是他，早在1896就做出来了。这位科学家将二者关系简化到不可能再简化，计算出了二氧化碳增加后全球的温度变化。另一个很重要的人是创办IPCC的瑞典科学家Bert Bolin，很了不起，开创了这一伟大的研究事业（IPCC曾获诺贝尔和平奖）。但回溯人类探究气候变化的历史，IPCC的工作在其中也只是很短的一段。

随着以上回顾的所有的组织、成果和重大事件发展中，地球系统模式处于不断更新中。科学家们逐渐地也是越来越强烈地感到简化的气候模型要延伸，要加入人类活动。下图就添加了Anthroposphere——人类活动圈层。这个圈层包括硬性物质层面的能源，也包括软性的人类系统中的机构、经济政策，还囊括了文化、价值观念、宗教等要素——这些都影响着人类的消费，由此联结着人类制造的产品产量和牵涉的能源消耗，也就牵涉到温室气体排放问题。

更新中的地球系统概念模型

目前全球有很多研究中心都在做模型。这里举Kawamiya的两个模型作为例子。

一个是将碳循环与气候物理模型放在同等地位，在下方加入了氮循环系统。这里刚刚把人类活动放进来，融合度还不高。另一个模型里，把物理系统看作一个系统，把社会经济系统看作另一类事物，最后加入了人类系统，然后寻找几个系统之间的联系。

2. 未来的十大挑战

我们发现，现有的研究模式遇到很多挑战，在未来有诸多重要科学问题等待解决，在此列举十大挑战问题如下。

问题1：系统间的相互作用关系缺失问题

这是一个尺度问题，现有的气候模式很粗，研究网格很大。全球气候模式网格大小为100公里左右，在研究冰川时就不适用。冰川的变化尺度只有几公里甚至更小，故而在现在的气候模式中就显现不出来。冰川和气候变化是有相互作用的，但无法表现出来，最近的工作就是在研究如何表现这种缺失的相互作用。

相互作用中缺失最多的就是人类活动。早期只是线性的研究，研究人类扰动影响到地球，简单计算产生了什么影响就结束了。现在要把反馈环加进去，人类活动如何产生影响的，究竟人类做了什么样子的事情才影响到地球系统。完成这个循环闭环，是非常困难的研究工作。

包含人类反馈环的地球系统模型概念

问题2：预测中的不确定性

不确定性很复杂，这张图简要表示了不确定性的来源。首先是两个条件的不确定性，一个是初始条件，一个是情景（Scenarios）条件（不同情景下forcing是不同的），第三个是模型本身的不确定性。比如说不同情景下二氧化碳的排放量就不一样，这里就有不确定性。这里三个不确定性的来源中，初始条件的影响不会太长，一般认为是2周到一年的初始条件比较重要；关于模式的不确定性，一般认为是1年至几十年内比较重要；全部叠加起来所有的不确定性可能会超过一百年。把这些不确定性确定化、量化是一个很重要的工作。

预测过程中系统不确定性的来源

问题3：如何将模拟和数据观测结合起来

观测数据与模型构建之间的关系

上图里表达的是传统的观点：观测帮助我们发展模型，模型用观测值来做初始条件和输入数据，运行模式得出结果之后，我们再用观测值来验证模型和分析评估模型模拟出的结果。这个观点没有错，但是更重要的是怎么样创新地将观测结果和模型结合起来。其中有一个很重要的方法是表现涌现限制（Emergency constrain）。因为有不确定性，同样一个模型或模式可能模拟出不同的结果。但是如果把不同模式放在一张图里，就会发现有些关系显现出来，然后再加上观测数据，就可以将分散的模式限制在一个范围之内。这是个很巧妙且有用的方法。

问题4：聚焦区域尺度

通常我们都讲全球变化（Global change），这是个固定的模式概念，但是没有人生活在“全球（Global）”。

如果要看到对社会、人类的影响，一定要到区域（Regional）甚至局地（Local）的尺度（Scale）上。下图中表示的就是如何将GCM（General Circulation Models）降维到区域即 RCM（Regional Circulation Models），怎么样搞清楚其中关联，是很重要的一个研究方向。

全球模式与区域模式关系图

问题5：强调风险，强调小概率大影响事件

小概率大影响事件（LLHI，low-likelihood，high-impact outcomes）特点是发生概率很小，是我们特别不清楚的一些事情，几乎都不怎么知道的事情。也就是说，这类事件是风险，例如郑州洪灾。这类事件社会影响很大，特别是在人口密度高的城市区域，美国龙卷风和今年夏天欧洲的洪水都是这样的事件，这类事件要引起重视。

问题6：评估以自然方式为基础的解决方式和地球工程

目前实现人和自然和谐关系的解决方案中，有通过自然方式（Natural based）或地球工程（Geo-engineering）来解决的。比如通过发展农业改变下垫面，这样就能影响反照率、改变气候等；比如修建城市会形成城市气候。

如果这些方案能运用好，那么就会在保护地球和人类方面起到很大作用。研究者Martin每年会组织研究力量总结气候科学研究方面的重大事件和最新成果，若想了解历史和发展，可以查阅学习。下图是2021年发表在Global Sustainability的总结。

Ten new insights in climate science 2020–a horizon scanPihl ErikGlobal Sustainability（2021）

问题7：级联（串联）型临界点（tipping point）

级联（串联）型临界点（tipping point）

这张是Martin在2021年度总结气候研究工作文章中的一张图，这里展现了地球系统中很多临界点（Tipping point）。这些临界点会很快地变化、发生很大的变化，影响也会非常大。以前的研究都是看单个的临界点，今后要研究清楚临界点之间的关系。

如下图中9个公认的临界点，通过海洋、大气等联系在一起，互相有影响。例如北极的变化影响热带雨林的变化，热带雨林变化又影响到南极冰川的变化。如果串联在一起，就会研究出很多有意义的结果。

地球系统中9个重要临界点联系图

研究者们也可以继续做临界点本身的研究：

Abrupt shift to hotter and drier climate over inner East Asia beyond the tipping pointPeng Zhang, Jee-Hoon Jeong, Jin-Ho Yoon, et alscience（2020）

问题8：气候变化和污染

在地球系统科学研究中，将生态系统和人类活动联系起来研究更有意义。因为气候变化影响污染，对人类社会、人类健康影响都非常大。

污染和气候变化增加了海洋生态系统的生态风险

上图是2018年的一项研究，图里可以看出，不只是我们关注的大气污染，土壤、水中都有一些污染，与气候变化都有关系。在地球系统概念中来研究，将会发现不同变量之间的联系。

问题9：生态系统和人类福祉

以前对气候变化的研究中，对生态系统变化研究得不够。今后应该把生态系统变化和人类福祉联系起来。

冰冻圈的生态服务与人类福祉

上图总结了冰冻圈对人类福祉的影响。冰冻圈的生态服务包括自然方面调节气候的作用，也包括文化方面的影响，例如审美和精神需求。去过青藏高原的人们会知道，看到那里的冰川会感到心灵受到洗涤，感受大不一样。这是平常谈物理系统时不大谈起的，但这对人类福祉很重要。

问题10：从影响到原因——归因

之前做研究，更多的是从原因到结果（Cause to Effect），现在要反过来，从看到的现象找原因，也就是归因（Attribution）。目前有个事件归因（Event attribution）很流行，这突破了之前的研究。从前我们的研究中，能够找出一段时间比较长的现象与什么有关系，例如气候的平均温度变化是由什么造成的。现在可以研究一个事件的原因，可能时间尺度只有几天甚至几个小时，比如森林大火、寒潮这类天气现象，都能够找出其原因。这些现象从复杂性理论角度看都是不可预测的，那么如何把这种事件发生的原因和全球变化联系起来？这就需要另外一套理论体系（Framework）。例如前面提到的哈塞尔曼Hasselmann就创设了这样一套体系，他的这套体系非常管用，能帮助我们像侦探一样把人类活动的影响鉴别出来，我们称之为Fingerprinting。

地球系统中各类事件的理解及归因难易程度

北京2020年2月突破性降水事件的归因分析

这是中国学者裴琳对2020年2月北京创记录的降水事件的归因研究。这个降水事件与全球变化、人类活动的关系不是一对一的关系，那么如何探究其相互关系？图中我们看到，研究方式路径用的是概率关系。最后得出结论是：在什么样的概率情况下该事件会发生。

3. 未来面临的挑战和需要讨论的问题

地球系统科学应当为以下科学主题做出贡献：驱动21世纪全球可持续的基础研究。目前地球系统科学对人类和自然环境有很大的影响，科学的认知会有助于人类做出明智的选择。特别是在当今“人类纪”这样一个地质年代条件下，人口还在不断增加（三胎政策等），但是资源又很有限，消费又在增加，人的生活越来越好，这是个大趋势，会带来很多挑战，非常值得去研究，例如污染问题、人类健康问题。需要研究的问题有很多层次，可以从小的系统开始研究，研究相互作用，研究上面讲的10个问题中的一个甚至是更多问题，这是将来发展潜力很大的科学领域。

3.1 未来研究的关键还是在于把地球系统看作复杂系统。

要把宏观世界和微观世界的相互作用关系作为切入点去研究。把天气和气候联系起来就是很好的例子，自然界还有很多这样的例子。

3.2 如何把“活的”和“死的”事物联系起来研究。

我们对“固定死板”的对象如植被覆盖情况对气候的影响研究的很好。但是如果把植被动态变化和人类的变化加进去，就很难研究了。植被会对气候产生反应，但是植被对气候也有作用。例如植被蒸腾和气候是相互影响的，蒸腾作用受气候影响，也受植物生理状况的影响，如气孔大小、气孔关闭开放的时间节律、气孔开放程度等等。对植物的这些工作机理目前我们还都都不甚清楚。对植物和气候的反馈都不了解，更不要说人的行为了。人的各种看起来聪明的选择、笨的行为、不可思议的行为到底该如何理解？例如地球上目前有些灾害就是人为的。所以如何将人类行为模拟出来，放在复杂系统框架下研究，是很重要的一个挑战。

3.3 将自然和人类文化结合起来开展研究是最难的挑战。

这其中文化又是最难的部分，这是精神层面的问题。我们可以研究能量和物质，研究其相互之间的互动、相互作用，但是如何模拟人类的价值观、精神状态，这也是很大的挑战。

参考资料：

[1] Pihl Erik. Ten new insights in climate science 2020–a horizon scan. Global Sustainability, 2021, 4

[2] Peng Zhang, Jee-Hoon Jeong, Jin-Ho Yoon, et al. Abrupt shift to hotter and drier climate over inner East Asia beyond the tipping point. science, 2020, 370(6520)

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