CICC科普栏目｜当复杂科学遇见地球系统：气候网络、复杂性与人工智能
导语
地球气候系统是一个多尺度运作的复杂网络，受到自然界诸多过程（如大气环流、洋流、地质演变到生物地球化学循环）以及人类活动的深刻影响。这些错综复杂的相互作用不仅塑造了全球气候的变异性，也决定了区域性天气模式的形成。因此，深入理解这些动态变化对于我们预测未来气候情景——无论是短期内的几天还是长期内的几十年——及其对全球环境和社会可能产生的影响至关重要。在气候变化不断加速的当下，掌握这些相互作用的机制，对于我们减少气候风险、适应环境变化具有前所未有的紧迫性。近日，发表于 Science Bulletin 一项最新展望系统介绍了“地球系统”分析的概念，即采用一种全面的方法跨越学科界限，整合多领域的知识，以期全面把握我们地球系统的复杂性，更深刻地理解气候系统的内在机制，为应对气候变化的挑战提供科学依据和策略。
关键词：复杂科学，地球气候系统，气候临界点，复杂网络，人工智能
班崭| 作者
论文题目：
Complexity Science Meets Earth System
目录
1. 复杂性和地球系统
2. 整合现代与全新世气候变化
3. 综合框架：全新世气候数据、气候模型、复杂科学与人工智能
4. 气候网络、人工智能与气候变化的政策含义
5. 结论
1. 复杂性和地球系统
复杂科学是一种多学科方法，旨在理解具有非线性、涌现、反馈循环和自组织的系统。这些概念对于分析固有复杂的地球气候系统至关重要。气候中的 非线性可能导致传统线性模型无法预测的突然变化或临界点。 涌现指的是气候系统中新模式或行为的自发发展，例如持续性天气异常的形成。在气候系统中，一个部分的变化可能会通过这些反馈循环放大或减弱整体的影响，而 自组织描述了气候系统内部的局部相互作用如何能够在没有中央协调机制的情况下，导致有序结构或行为的发展，比如大规模环流模式的形成。
在地球气候领域，复杂性科学的方法论使研究人员能够模拟跨越时间和空间尺度的复杂相互作用。其中一个有效的工具是 气候网络（Climate Network，简称CN），节点代表不同的地理区域，节点之间的链接显示了这些区域在气候变量上的相互关系，比如温度或降水量。复杂系统方法研究了某个地区发生的扰动，比如海面温度的显著上升，是如何通过网络传播的，以及这些扰动是如何触发一系列影响全球天气模式的事件。与依赖线性假设和过度简化的相互作用的传统模型不同，气候网络能够捕捉复杂的动态并揭示气候系统内更广泛的效应。
占印度年降雨量70%以上的印度夏季季风，也从气候网络分析中受益。尽管已经有相关模型被开发，但长期和可靠地预测季风降雨一直是一个挑战。通过绘制季风区域之间的相互联系，气候网络增强了我们对季风变化及其驱动因素的理解并改善了季节性预测，这对于农业和水资源管理至关重要。
气候网络分析还专注于极端降雨事件，通过分析全球降雨模式， 气候网络发现了导致极端降雨事件的大气远程连接模式（teleconnections），这为理解这些极端降雨事件的可预测性和其背后的机制提供了洞见。这种更深入的理解帮助气象学家预测和准备应对这些极端事件，可能挽救生命并减少经济损失。
图1. 复杂地球系统间的气候网络分析
2. 整合现代与全新世气候变化
要全面理解气候在本地和全球尺度上的深远影响，至关重要的一点是将现代观测数据的见解与全新世时代记录提供的丰富背景相结合。现代观测数据，如卫星测量和仪器记录，为我们提供了对当前气候模式的实时洞察，并为构建气候网络奠定了基础。然而，现代数据集通常只覆盖几十年，限制了它们捕捉长期变异性和临界点的能力。
例如，全新世数据使我们能够检测到持久的相关性，如北大西洋气候模式与亚洲季风之间的联系。这些见解揭示了数千年来区域气候如何在更广泛的全球尺度上相互作用。此外，将全新世数据整合到气候网络中使我们能够研究过去的临界点，例如撒哈拉的快速沙漠化，并更好地预测未来可能发生类似事件的条件。全新世记录还为我们提供了有关地球气候如何响应自然胁迫的宝贵见解，例如火山活动或太阳变化，帮助我们评估气候系统的韧性，并通知预测现代人类活动可能如何推动未来变化。
将全新世数据整合到气候网络中，使我们能够检测到传统模型可能忽视的模式和动态，这些传统模型通常基于短期数据集。这种整合为我们提供了更全面的长期气候变异性理解，并为预测未来气候情景（从几天到几十年）和临界点提供了关键见解。
3. 综合框架：全新世气候数据、
气候模型、复杂科学与人工智能
未来的研究范式正越来越多地将复杂科学和人工智能技术与传统方法（如全新世气候数据和气候模型）相整合，以深化我们对地球动态的理解。全新世气候数据，源自跨越千年的地质记录，为我们提供了过去气候变异性和环境变化的关键见解。这一历史背景对于解析自然气候驱动因素与人类活动之间的复杂相互作用至关重要，它为未来气候情景（从几天到几十年）的预测提供了信息。
复杂科学为分析地球气候等非线性、相互连接的系统提供了一个严谨的框架。通过整合网络理论和计算建模，它揭示了传统方法可能忽视的新兴模式和动态。这些见解得到了先进气候模型的补充，这些模型利用全新世数据来完善模拟并在多样化的气候情景中提高准确性。
此外，长短期记忆（LSTM）网络等深度学习技术特别适合处理气候数据中的时间动态。这些网络可以模拟气候变量之间的时间依赖性和序列关系，允许更准确的长期预测。例如，LSTM已应用于通过分析过去的气候网络数据来预测厄尔尼诺事件，从而实现早期和准确的预警。LSTM所具有的模拟复杂且随时间变化的相互作用的能力可增强我们预测未来气候事件的能力。通过这种建模能力，可以提高网络预测的准确性和鲁棒性。
此外，人工智能工具自动化了大量气候数据的处理，使气候网络能够随着新数据的可用性而不断更新和完善。这对于处理跨多个时间和空间尺度的大规模实时气候数据尤为重要。通过自动化数据集成和分析，人工智能简化了气候网络的更新，确保预测模型能够响应不断变化的气候条件，保持准确性和最新性。因此，由人工智能驱动的气候网络能够通过比传统方法更有效地整合和处理不同的数据集，生成更准确的气候预测，包括热浪、洪水和干旱等极端天气事件。
复杂科学与人工智能的协同作用，结合全新世气候数据和气候模型，使研究人员能够全面评估地球的气候动态。这一跨学科框架不仅加深了科学理解，还支持制定可持续策略，以减轻气候风险并增强地球的环境韧性。通过利用现代技术和历史数据的优势，研究人员可以创建更强大的模型，以更好地预测未来气候情景（从几天到几十年）并通知有效的政策决策。
原文所提出的范式可以作为专注于特定过程的单个气候网络，也可以作为代表不同气候变量或地理区域的多个相互作用的气候网络。例如，一个气候网络可能代表全球温度网络，而另一个可能专注于降水。这些气候网络将通过共享节点和链接进行交互，模拟一个过程或区域的变化如何影响另一个过程或区域，例如海洋环流和大气环流之间的关系。人工智能工具，包括机器学习和深度学习模型，将用于自动更新气候网络与实时数据，并在过程和尺度之间揭示隐藏的模式。这种方法确保了范式保持灵活和可扩展，能够解决气候系统在空间和时间维度上的相互连接性。
虽然像强降雨或融雪这样的气候胁迫在触发洪水和滑坡等事件中至关重要，但这些过程还涉及内部演变机制，如土壤湿度、坡度稳定性和植被覆盖。所提出的范式为建模这些内部动态提供了一个强大的框架。气候网络可以整合外部胁迫（例如，降水、温度）和内部变量（例如，土壤饱和度、地下水位），允许更全面地理解这些事件的驱动过程。通过整合多层网络，该范式可以捕捉地表气候条件和地下因素之间的相互作用，更准确地表示导致洪水或滑坡的条件。人工智能通过分析大量数据集，如卫星图像和现场测量，来检测早期预警信号，如土壤湿度上升或土地不稳定。人工智能驱动的气候网络也可以实时更新，通过不断调整以适应不断变化的情景来提高准确性。这种全面的方法考虑到内部和外部驱动因素之间的复杂相互作用，能够更准确地预测洪水和滑坡。
该范式旨在提高从短期（几天到几周）到长期（几年到几十年）的时间尺度上的气候可预测性。对于短期预测，范式整合实时数据，为风暴或大气层河流等极端事件提供早期预警。对于中期预测，它模拟季风和 ENSO周期等季节性现象，帮助预测它们的发生和强度。范式还通过模拟海洋环流变化等大规模气候过程，来解决长期预测问题，跨越数年到数十年。通过整合人工智能和历史数据，该范式独特地具备了检测气候系统中的临界点和转变的能力，使其能够适应短期事件预测和长期气候建模。
4. 气候网络、人工智能
与气候变化的政策含义
气候网络和人工智能驱动的模型为应对气候变化的政策制定者提供了基本工具。通过揭示遥相关， 气候网络有助于评估一个区域的事件如何影响其他区域，从而允许进行更准确的风险评估和极端天气的早期预警。人工智能通过处理实时数据来增强这一点，使政府能够采取预防性行动并有效分配资源。
5. 结论
原文强调了理解全球气候动力学的重要性，并强调了复杂科学在推进气候研究中的关键需求。通过整合跨学科方法——如气候网络和人工智能驱动的建模——研究人员可以更深入地理解地球复杂系统。这种整合使我们能够从历史时期到现代观测全面了解各个组成部分如何影响区域和全球气候。将先进的技术（如复杂网络分析和人工智能驱动的建模）与传统方法相结合，对于发展强大的气候模型和制定应对气候变化的明智策略至关重要。这种协同作用有助于更好地理解和预测气候变化，从而为减缓和适应气候变化提供科学依据。
参考文献
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