2021年10月5日，氣象學(xué)家真鍋淑郎和氣象學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼因?qū)Α暗厍驓夂虻奈锢斫?、量化變化和可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”的貢獻(xiàn)，被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。全球變暖是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，也給人類社會(huì)帶來(lái)了重大的影響和挑戰(zhàn)，人類從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這樣對(duì)地球系統(tǒng)如此關(guān)切，我們都生活在同一個(gè)地球，地球系統(tǒng)的變化將決定人類命運(yùn)最終走向何方。12月14日（周二）晚間的地球系統(tǒng)科學(xué)讀書會(huì)第一期，我們邀請(qǐng)到了地球系統(tǒng)科學(xué)的倡導(dǎo)和踐行者，氣候?qū)W家陳德亮（Deliang Chen）教授來(lái)為大家介紹地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展歷史和面臨的主要挑戰(zhàn)。
陳德亮教授是瑞典哥德堡大學(xué) August R?hss 講席教授，先后當(dāng)選為瑞典皇家科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院外籍院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士。在區(qū)域氣候與大氣環(huán)流的關(guān)系、氣候動(dòng)力學(xué)及氣候變化領(lǐng)域作出了突出貢獻(xiàn)，參與和領(lǐng)導(dǎo)了多個(gè)國(guó)際計(jì)劃和組織，是具有全球視野的戰(zhàn)略科學(xué)家，在世界科學(xué)界有著重要影響和地位。
研究領(lǐng)域：地球系統(tǒng)科學(xué)，氣候變化，區(qū)域氣候變化，氣候動(dòng)力學(xué)
地球系統(tǒng)是由大氣圈、生物圈、冰凍圈、地層圈、海洋圈有機(jī)組成的一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，各個(gè)組分之間相互影響并同時(shí)作用，決定了地球系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)制。在地球自然的演變過(guò)程中，地球系統(tǒng)也在不斷發(fā)生變化，但是隨著人類對(duì)自然的擾動(dòng)強(qiáng)度和頻率不斷加大，人類活動(dòng)對(duì)于地球系統(tǒng)的影響也越來(lái)越顯著，其中以全球變暖為主要特征的氣候系統(tǒng)尤為顯著。
地球系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了氣候系統(tǒng)研究的復(fù)雜程度，其中包含大大小小很多的問(wèn)題，比如大氣的運(yùn)動(dòng)特征、氣候變化的歸因，大氣污染等。研究大氣的狀況, 特別是人類活動(dòng)對(duì)于氣候所造成的影響，可以幫助我們深入理解人與環(huán)境的關(guān)系；研究地球系統(tǒng)如何運(yùn)作，氣候變化對(duì)于社會(huì)有何影響，可以幫助我們發(fā)展科技并且規(guī)劃下一步的行動(dòng)。我們基于地球系統(tǒng)科學(xué)研究，一方面可以通過(guò)制定政策達(dá)到減少釋放溫室氣體，減緩氣候變化造成的危險(xiǎn)，另一方面可以提高人類社會(huì)對(duì)氣候變化的適應(yīng)性，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。
地球表面被一層由氮?dú)猓s78%）、氧氣（約21%）、氬氣（約0.9%）、二氧化碳（0.04%）和其他痕量氣體組成，稱之為大氣層或大氣圈。地球大氣層是隨著地球的形成而逐步演變的，經(jīng)過(guò)幾十億年的不斷演化，才成為今天的狀態(tài)。大氣中發(fā)生的各種自然現(xiàn)象，即某瞬時(shí)內(nèi)大氣中各種氣象要素（如氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)等）空間分布的綜合表現(xiàn)，就是我們?nèi)粘Ｊ熘奶鞖?。受到太?yáng)輻射，緯度、海拔、地形等不同因素的影響，短期大氣也一直處于不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以我們常看到天氣變化莫測(cè)。氣候也是大氣的狀態(tài)分布，但是與天氣不同，它主要是指長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)氣象要素和天氣現(xiàn)象的平均或統(tǒng)計(jì)狀態(tài)，時(shí)間尺度為月、季、年、數(shù)年到數(shù)百年以上，因此氣候具有一定的穩(wěn)定性。但氣候的穩(wěn)定性是相對(duì)而言的，隨著太陽(yáng)輻射的變化、地球軌道的變化等自然因素的影響，也會(huì)逐漸發(fā)生改變，但是自然因素引起的地球氣候變化一般在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生，而且存在明顯的周期性。
自第一次工業(yè)革命以來(lái)，人類開始了大規(guī)模的使用化石燃料，導(dǎo)致大氣中的溫室氣體如二氧化碳等濃度不斷升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自然的變化速率。與此同時(shí)，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)，地球大氣的溫度也在逐漸變暖。為了全面科學(xué)評(píng)估全球的氣候變化，以陳德亮為領(lǐng)銜作者的聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)在2021年發(fā)布了第六次氣候變化評(píng)估報(bào)告（IPCC. Climate change 2021）[1]。其中顯示，基于最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，相對(duì)于 1850-1900 年，2001-2020 年這20年平均的全球地表溫度升高了0.99 ℃，而 2011-2020 年10年平均的全球地表溫度已經(jīng)上升約 1.09 ℃，而上一次有如此高幅度的溫升，還要追溯到12.5萬(wàn)年前。IPCC報(bào)告同時(shí)還指出從未來(lái)20年的平均溫度變化來(lái)看，全球溫升預(yù)計(jì)將達(dá)到或超過(guò)1.5℃。在區(qū)域尺度上，氣候的變化也是顯而易見的。比如青藏高原地區(qū)，作為核心的高山地區(qū)，青藏高原是地球上除南極、北極之外冰川分布最廣泛的地區(qū)，也是亞洲十大主要河流的發(fā)源地，有“亞洲水塔”之稱。陳德亮多年來(lái)深度參與青藏高原第三極研究，以他為主的科學(xué)家評(píng)估了過(guò)去五十多年青藏高原地區(qū)的氣候環(huán)境變化[2]，發(fā)現(xiàn)過(guò)去50年青藏高原地區(qū)的增溫速度是全球平均水平的一倍，而且高原降雨量也在不斷增加，冰川融化加速，“亞洲水塔” 正在發(fā)生顯著變化。圖1. 1850-2020 年間全球地表溫度觀測(cè)（黑色線條）、模擬的人類活動(dòng)與自然因子共同強(qiáng)迫（淺褐色線條及陰影）以及僅有自然因子強(qiáng)迫（綠色線條和陰影）引起的變化[1]
在全球尺度上，IPCC報(bào)告[1]還評(píng)估了人類活動(dòng)是否影響和如何影響氣候變化，報(bào)告指出相較于1850-1900年平均，人類活動(dòng)造成的2010-2019 年全球平均地表溫升的可能范圍為 0.8~1.3 ℃，最佳估計(jì)值為 1.07 ℃；其中均勻混合的溫室氣體很可能貢獻(xiàn)了 1.0~2.0 ℃的升溫，其他人類活動(dòng)（主要是氣溶膠）可能導(dǎo)致了0.0 ℃到 0.8 ℃的降溫。而在區(qū)域尺度上，以中國(guó)為例，陳德亮最新的研究論文[3]系統(tǒng)總結(jié)了人類活動(dòng)對(duì)中國(guó)氣候變化的影響，文章指出中國(guó)過(guò)去幾十年的增暖速率相對(duì)全球平均明顯要快，以溫室氣體排放為主的人類活動(dòng)，是過(guò)去中國(guó)平均氣溫和極端溫度變化的主要原因。這些工作加深了人類活動(dòng)對(duì)于氣候所造成的影響的認(rèn)識(shí)。為國(guó)際社會(huì)減少溫室氣體排放，減緩氣候變暖速率提供了重要的科學(xué)參考。2. 氣候變化對(duì)人類社會(huì)的影響和適應(yīng)
全球變暖的大趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯，這給人類生活的環(huán)境帶來(lái)顯著的變化。比如氣候變化引起全球冰川快速退縮，對(duì)流域水資源和社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。對(duì)此陳德亮[4]最新的研究評(píng)估了1980-2100年全球冰川水資源重要補(bǔ)給區(qū)融水和人口變化的（不）匹配性及其共同產(chǎn)生的機(jī)遇和/或風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明大多數(shù)情景預(yù)估冰川融水的服務(wù)潛力和補(bǔ)給區(qū)人口均在一定時(shí)期內(nèi)持續(xù)增加，直到達(dá)到峰值后才逐漸下降；但融水的服務(wù)潛力和人口變化并不匹配，因此給不同時(shí)期流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇和/或風(fēng)險(xiǎn)。
文章也建議相關(guān)國(guó)際組織、政府管理部門等利益相關(guān)者應(yīng)以彈性思維在不同流域和時(shí)期采取靈活而差別化的措施抓住機(jī)遇、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)冰川融水服務(wù)潛力增加時(shí)，可通過(guò)有效規(guī)劃和相應(yīng)的工程措施來(lái)充分利用水資源以改善區(qū)域人民福祉；同時(shí)也要主動(dòng)做好有效適應(yīng)來(lái)應(yīng)對(duì)融水拐點(diǎn)的下降，特別是流域還面臨人口增加的情況下。氣候變化不僅是針對(duì)氣候平均狀態(tài)的變化而言，而與此引發(fā)的極端天氣氣候事件也在呈現(xiàn)快速增加，全球范圍內(nèi)高溫、暴雨、強(qiáng)風(fēng)等極端天氣事件給人類社會(huì)的影響極為嚴(yán)重，特別是生活必須的基礎(chǔ)設(shè)施如交通系統(tǒng)、電網(wǎng)、能源供應(yīng)等。陳德亮近期的研究[5]提出了一種考慮低沖擊變化和極端事件的隨機(jī)魯棒優(yōu)化方法，同時(shí)考慮到未來(lái)氣候條件的變化（包括極端天氣事件的頻率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的增加），通過(guò)將該方法應(yīng)用于瑞典的30個(gè)城市進(jìn)行實(shí)證性分析，結(jié)果顯示極端天氣事件可能導(dǎo)致電力供應(yīng)可靠性下降，最高達(dá)16%，但升級(jí)用于設(shè)計(jì)分布式能源系統(tǒng)的方法可以幫助將可再生能源的整合提高到瑞典大多數(shù)主要城市的年需求的30％以上。文章指出當(dāng)可再生能源技術(shù)的普及水平提高時(shí)，極端氣候事件的影響將變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性，但人類對(duì)氣候變化影響的適當(dāng)量化將確保能源系統(tǒng)的穩(wěn)健運(yùn)行，并可進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。圖2. 人類社會(huì)整合可再生能源技術(shù)應(yīng)對(duì)城市能源系統(tǒng)變化的氣候恢復(fù)力（以瑞典30個(gè)城市為例）[5]
當(dāng)然氣候變化給人類社會(huì)帶來(lái)的也不都是負(fù)面的影響，比如中國(guó)西北地區(qū)一直以來(lái)都給人“干旱苦寒”的印象，但近幾十年來(lái)，寒冷干旱的西北正在不斷變暖變濕。西北暖濕化使得整體植被覆蓋在不斷增長(zhǎng)，許多荒漠地區(qū)開始出現(xiàn)植被。不僅僅是西北。全球整體的趨勢(shì)也是一樣，全球陸地植被都在增加。氣候變化的事實(shí)以及給人類社會(huì)的影響已經(jīng)逐漸成為共識(shí)，氣候變化科學(xué)也在被社會(huì)需求、技術(shù)發(fā)展等因素不斷驅(qū)動(dòng)。但解決氣候變化問(wèn)題，提高人類社會(huì)對(duì)氣候變化的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，光靠氣候科學(xué)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要社會(huì)科學(xué)和人文科學(xué)的多學(xué)科的合作。3. 促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展的地球系統(tǒng)科學(xué)
作為地球系統(tǒng)的重要組成部分，氣候變化以及人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響在一定程度上反映了地球系統(tǒng)科學(xué)研究的復(fù)雜性和重要性。在過(guò)去幾十年里，科學(xué)們開展了大量工作研究了地球系統(tǒng)是如何運(yùn)行的，尤其是人類活動(dòng)對(duì)地球系統(tǒng)的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們能夠基本掌握人類活動(dòng)是如何改變?nèi)颦h(huán)境，以及這些環(huán)境變化是如何影響人類社會(huì)的生存和發(fā)展。到目前為止，全球環(huán)境變化率大大超越了人類社會(huì)的響應(yīng)速度和應(yīng)對(duì)能力，氣候變化、水循環(huán)、食物系統(tǒng)、海平面、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和其他等問(wèn)題會(huì)破壞人類的穩(wěn)步發(fā)展，造成饑餓、疾病、難民和窮困等人類嚴(yán)重的災(zāi)難。如果這種變化未加抑制或減緩，那將阻礙全球社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的發(fā)展，甚至使其發(fā)生倒退。面向全球可持續(xù)發(fā)展，陳德亮等科學(xué)家在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science》總結(jié)了未來(lái)地球科學(xué)系統(tǒng)研究面臨的五大挑戰(zhàn)——預(yù)測(cè)、觀測(cè)、限制、響應(yīng)和創(chuàng)新[6]，具體為：改善預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境狀況的有效性，更好地為人類服務(wù)開展、增強(qiáng)和融合觀測(cè)系統(tǒng)，管理全球和區(qū)域的環(huán)境變化確定如何預(yù)測(cè)、識(shí)別、避免和管理破壞性的全球環(huán)境變化確定什么樣的機(jī)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以及行為變化可以影響全球可持續(xù)發(fā)展的腳步在發(fā)展技術(shù)、政策方面鼓勵(lì)創(chuàng)新（加上健全的評(píng)價(jià)機(jī)制），以便實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)響應(yīng)這些重大挑戰(zhàn)提供了一個(gè)全面的研究框架，但是目前人類所掌握的知識(shí)，一般僅僅支持針對(duì)地球系統(tǒng)某一個(gè)領(lǐng)域的研究活動(dòng)，并提供了所需的基礎(chǔ)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到可以支持綜合解決方案的水平。因此地球系統(tǒng)科學(xué)研究人員需要開展一些更新穎更迅速的創(chuàng)新行動(dòng)，同時(shí)需要更多針對(duì)性的研究來(lái)解決相關(guān)的問(wèn)題，以此使人類更深刻地認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)是如何運(yùn)作的，提高我們預(yù)測(cè)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)模式的能力。此外還需要在全世界范圍內(nèi)，增進(jìn)人類所面臨的社會(huì)環(huán)境危險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，探討克服可持續(xù)發(fā)展障礙的社會(huì)變革方式，提高人類社會(huì)應(yīng)對(duì)地球系統(tǒng)變化的能力，以努力實(shí)現(xiàn)在全球環(huán)境變化背景下的人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。張鋼鋒，北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，應(yīng)急管理部-教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院“勵(lì)耘”博士后，助理研究員。兼任西班牙國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)、瑞典哥德堡大學(xué)客座研究員。集智俱樂(lè)部“地球系統(tǒng)科學(xué)”讀書會(huì)發(fā)起人。目前主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓c自然災(zāi)害，地球系統(tǒng)科學(xué)與深度學(xué)習(xí)。[1] IPCC. Climate change 2021: the physical science basis[M/OL]. 2021[2021-08-06]. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#FullReport[2] 國(guó)務(wù)院新聞辦公室。《西藏高原環(huán)境變化科學(xué)評(píng)估》報(bào)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.地球系統(tǒng)科學(xué)讀書會(huì)
從加拿大極端熱浪，到德國(guó)的洪災(zāi)，從澳大利亞的森林大火，到中國(guó)河南的特大暴雨，極端天氣已經(jīng)成為新常態(tài)。氣候變化正以我們所能感知的態(tài)勢(shì)發(fā)生著。2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半被授予氣象學(xué)家真鍋淑郎和氣象學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼，“以表彰對(duì)地球氣候的物理建模、量化變化和可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”，表達(dá)了對(duì)人類命運(yùn)的關(guān)切，也展現(xiàn)出從復(fù)雜系統(tǒng)視角研究地球氣候環(huán)境的必要性。12月14日（周二）20:00-22:00的地球系統(tǒng)科學(xué)讀書會(huì)第一期，我們邀請(qǐng)到了地球系統(tǒng)科學(xué)的倡導(dǎo)和踐行者，氣候?qū)W家陳德亮（Deliang Chen）教授來(lái)為大家介紹地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展歷史和面臨的主要挑戰(zhàn)。
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