导语
AI 狂飙时代，频繁袭来的人工智能浪潮似乎让人们短暂遗忘了全球气候变化的危机。事实上，训练一个大型语言模型的碳足迹，大约相当于纽约和北京之间125趟往返航班——人工智能技术指数发展的背面，是能源消耗的指数增长。而这可能触发地球更快达到临界状态。
2019年的一篇 Nature 文章指出，地球系统的9个临界要素已经接近或者处于临界点。今年一月，北京师范大学系统科学学院研究团队合作在《自然·气候变化》（Nature Climate Change ）发表论文，发现青藏高原可能是一个新的临界点，而且不同临界要素之间存在遥远的关联，它们的极端气候事件保持同步。这意味着，一个临界点被激活，可能扰乱全球尺度的物质能量流动，影响整个地球系统的轨迹。
关键词：地球复杂系统，气候临界点，气候网络，遥相关，级联反应
论文题目：
Teleconnections among tipping elements in the Earth system
论文地址： https://www.nature.com/articles/s41558-022-01558-4 我们所在的地球是一个复杂适应系统，通常情况下，面对各种气候环境变化，总是可以重新回复到稳定状态，表现出强大的韧性。但全球气候变暖可能改变这一切。从极地冰盖崩塌、永久冻土融化，到亚马逊雨林消失、海洋珊瑚白化，地球系统正在突破一个又一个临界点，发生不可逆转的变化。 更重要的是，这些气候临界点之间可能存在关联，当一个临界点被激活，其他临界点也会如多米诺骨牌般发生连锁反应。
图1. 在临界点附近，微小的扰动可能让系统发生巨大的变化。| 来源：[1]
21世纪初，政府间气候变化专门委员会 （IPCC） 曾认为，当全球气温上升比前工业化时期高出4℃以上，才可能触发气候临界点。但自此之后，对这一温度阈值的评估持续下降。 2008年，Lenton 等人在 PNAS 杂志发表文章， 首次提出地球气候系统可能存在15个潜在的临界要素 （tipping element） ，即地球系统中可能突破临界点的区域。大约十年之后，Lenton 等人在 Nature 发文指出，当前全球气温比前工业化时期高出约 1.1°C，但地球气候系统中的九个临界要素已经接近或者处于临界点，包括北极海冰、格陵兰岛冰盖、大西洋环流、北方针叶林、永久冻土、亚马逊雨林、暖水珊瑚、西南极冰原和东南极冰原。 Tipping elements in the Earth's climate system https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.0705414105 Climate tipping points — too risky to bet against https://www.nature.com/articles/d41586-019-03595-0 冰盖崩塌导致海平面大幅上升，亚马逊雨林或温水珊瑚消失破坏生物多样性，永久冻土融化释放二氧化碳...... 在一个高度互联的世界，诸多临界要素之间可能存在关联。有研究指出，当全球温度达到某个阈值时，可能会触发级联反应，影响地球系统在人类世的轨迹。 这些临界要素是如何相互影响的呢？2023年1月，发表于《自然·气候变化》 （Nature Climate Change ） 的最新研究提出了一种气候网络方法，来分析地球系统临界要素之间的联系。以其中一个临界要素，亚马逊雨林地区的全球影响为例，研究发现，亚马逊雨林地区与遥远的青藏高原和西南极冰盖之间，呈现出显著的遥相关 （teleconnection） 特性。也就是说，亚马逊雨林的过度砍伐，可能影响遥远的喜马拉雅山的冰雪覆盖情况。 图3. 地球气候系统的临界要素及其遥相关的示意图。数字表示地球系统的潜在临界要素；黄色虚线表示这些临界要素之间的可能联系；红色实线表示这项研究中揭示的亚马逊雨林地区与青藏高原、西南极冰盖之间的遥相关。箭头表示影响的方向。
亚马逊雨林是世界上最大的雨林，但由于森林砍伐和气候变化，雨林的气候稳定性遭到强烈破坏。 有研究指出，自21世纪初以来，超过四分之三的亚马逊雨林已经失去恢复力； 亚马逊东南部地区在旱季甚至成为碳排放的净来源。 IPCC 第六次评估报告强调，持续的森林砍伐和气候变暖增加了亚马逊雨林突破临界点进入干旱状态的可能性。 这会对全球气候产生怎样的影响呢？ 为了系统研究亚马逊雨林地区的全球影响，这项研究基于全球近地表气温场构建了一系列气候网络 。研究将气候网络的节点划分为两个子集：一个子集包括亚马逊雨林地区内的节点 （1374个节点） ，另一个子集包含亚马逊雨林地区外的节点 （63786个节点） 。这些节点之间的有向连接表示亚马逊雨林地区与外部地区的相互影响。 例如对于亚马逊雨林地区外的一个节点，它的入权重 （in-weight） 是所有入连接的权重之和。入权重的值为正，表示亚马逊雨林地区的影响让该地区变得更加温暖；反之如果这些值为负，表示让该地区变得更加寒冷，数值越大影响越大。与之相对，出权重 （out-weight） 表示该地区对亚马逊雨林地区的影响。因此，这个加权的气候网络可以描述亚马逊雨林地区的全球影响地图 ，特别是对其他临界因素的影响。 作者们考察了过去40年间 （1979-2018年） 高强度节点的频率，该数值越大，表明亚马逊雨林地区的影响越越强烈和持久。研究发现，青藏高原地区内部高强度节点频率很高，且这些节点的空间模式与地图边界吻合得很好 （图4） 。两个节点 （一个来自亚马逊雨林地区，另一个来自青藏高原地区） 的关联函数表明，亚马逊雨林地区和青藏高原之间存在负遥相关。 图4. 亚马逊雨林地区和青藏高原之间存在负遥相关。高强度节点频率（a. 入度 F(N)；b. 入权重 F(C)）的空间分布描绘了过去40年（1979-2018年）间，亚马逊雨林地区的气候影响。青藏高原地区内部高强度节点频率很高，且这些节点的空间模式与地图边界（橙色虚线）吻合得很好。
遥相关描述复杂气候系统各组成部分之间遥远的联系，反映了全球尺度的能量或物质输运 。气候网络可以用来分析亚马逊雨林地区和青藏高原之间遥相关的实际路径。 研究中确定了遥相关的一条潜在传播路径 （图5） ，并发现它大致分为三部分：第一部分从南美洲中部到非洲南部，第二部分从非洲南部到中东，最后一部分从中东到青藏高原。路径长度接近20000公里。 图5. 亚马逊雨林地区和青藏高原之间遥相关的传播路径大致分为三部分：南美洲中部-非洲南部，非洲南部-中东，中东-青藏高原。
从气象学角度，这条路径可以用主要的大气和海洋环流很好地解释。对于第一部分，由于与中纬度西风带的相互作用，南美大陆东海岸的地形易于在中纬度形成反气旋；反气旋环流产生暖风，并将暖风从南美洲东海岸带到非洲南部。对于第二部分，一个热带辐合带控制着非洲季风，让风从非洲南部吹向北部。最后，从中东到青藏高原路径的物理机制可能与北半球中纬度西风带有关。 气候变化导致冰冻圈大面积萎缩，全球平均海平面上升，热带气旋数量增加，以及相关的级联反应。这会对遥相关路径产生怎样的影响呢？遥相关路径在气候变化下仍然稳定存在吗？ 为了确定全球变暖条件下遥相关路径的响应，该研究比较了21世纪前40年 （2016-2056年） 和后40年 （2060-2100年） 亚马逊雨林地区和青藏高原之间的遥相关路径，结果发现，在大多数模型中，遥相关路径的整体模式相当稳定 （图6） 。 图6. 比较 CMIP5 和 CMIP6 数据集在本世纪前40年和后40年的路径，发现亚马逊雨林地区和青藏高原之间的遥相关传播路径在气候变化下是稳健的。
如果遥相关路径不受气候变化影响，那么在全球变暖的情况下，亚马逊雨林地区和青藏高原之间的气候变化如何同步呢？研究分析了主要的温度相关指标 （例如日平均气温等于或高于10°C的天数、月最低温度） 和降水相关指标 （例如年总降水量、20毫米以上降水日数、5天最大连续降水量） ，发现青藏高原与亚马逊流域的降水相关指标均为负相关，而温度相关指标均为正相关。各种极端气候事件的空间同步表明，这两个距离遥远的区域之间存在某种物理联系 。 青藏高原的高海拔地区常年有积雪覆盖，为周边国家提供重要的水源。积雪变化率也是气候变化的综合指标，能够灵敏地反映全球变暖条件下青藏高原的状态变化。大量文献表明，近几十年来青藏高原的变暖趋势比全球平均速度快数倍，与北极地区的趋势相似。 这项研究利用临界慢化理论，根据积雪覆盖检测早期预警信号，发现青藏高原地区自2008年以来一直在失去稳定性，预示着青藏高原可能是一个全新的临界要素，并接近临界点。 气候临界要素之间的相互作用和遥相关可能导致临界级联反应。特别是在气候变化的背景下，洪涝、干旱、海平面上升等灾害现象日益频繁，且威胁性倍增。研究这些临界要素带来的系统性风险是提高人类气候适应性的关键。 这项研究提出气候网络这一框架，为理解复杂地球系统的临界要素，以及预测各临界要素之间的级联失效提供了理论支撑。这是首次将复杂网络理论应用于研究地球系统临界点问题，为在全球尺度分析临界要素开辟了一个全新领域。 参考文献 [1] Lenton T M, Held H, Kriegler E, et al. Tipping elements in the Earth's climate system. Proceedings of the national Academy of Sciences, 2008, 105(6): 1786-1793. [2] Lenton T M, Rockström J, Gaffney O, et al. Climate tipping points—too risky to bet against. Nature, 2019, 575(7784): 592-595. [3] Liu T, Chen D, Yang L, et al. Teleconnections among tipping elements in the Earth system. Nature Climate Change, 2023: 1-8. [4] Livina V N. Connected climate tipping elements. Nature Climate Change, 2023: 1-2. 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。 集智俱乐部组织地球系统科学读书会，重点探讨近年来系统科学、人工智能等学科为地球系统科学提供的创新研究方法，尤其是统计物理与深度学习在地球系统科学中的应用，共读前沿文献，激发科研灵感。读书会第一季已完结，现在报名加入可以解锁全部录播视频并加入社群交流。
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地球系统科学读书会启动：统计物理与深度学习交叉前沿
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