科学通报|人-地系统动力学耦合模型研究的评述与展望
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科学
2024-09-02 17:01
北京
人-地系统动力学模型（human-earth system model）研究是当前全球变化与地球系统科学领域的前沿科学问题。近日，北京师范大学丑洁明教授、延晓冬教授和中山大学董文杰教授合作，在《科学通报》发文，回顾总结了目前国内外“人-地系统动力学耦合模型”的研究状况，在分析所存在问题的基础上，提出了解决问题的思路，展望了模型发展的方向和前景。
自20世纪60年代第一个现代意义上的气候系统模式建立以来，地球系统模式（ESM）已经发展成为复杂的集地球五大圈层要素耦合运转的高效能的科学集成模型。对于研究气候变化和人类活动相互关系而言，地球系统模式与社会经济模型构成了两类主要工具。长期以来，社会经济模型和地球系统模式各自独立发展，但是面对复杂的人类-地球系统关系，两类模式的不足也日益凸显出来。社会经济评估模型缺乏对自然系统完善的刻画，而地球系统模式缺乏对社会经济过程和自然对经济反馈过程的描述。无论从科学理论研究发展看还是从现实研究意义的需求看，传统上彼此独立的人类活动研究与地球系统研究，必须耦合起来进行研究，实现地球系统模式和社会经济模型的双向耦合运转。也就是说，要把地球物理系统看作一个系统，把社会经济系统看作另一类系统，寻找两个系统之间的联系与互动，构建实现两个系统双向耦合的研究模式。这项工作具有科学性和前瞻性，也正是IPCC第一工作组和第三工作组结合起来才能完成的任务。![]()
图1 人类系统和地球系统反馈机理图
21世纪初，叶笃正等提出了“有序人类活动”的框架概念，指出：“通过合理安排和组织，使自然环境能在长时期、大范围内不发生明显的退化，甚至能持续好转，同时又能满足当时社会经济发展对自然资源和环境的需求的人类活动”。确定“有序人类活动”的理想方案提出了构建耦合“人-地”关系模式的要求。从那时起，中国科学家紧跟世界科学界前沿步伐，开始了这种新模式构建的艰难探索，开出了一条独特创新的路。本文作者带领的北京师范大学人-地系统动力学模拟团队取得的研究成果，除了系列论文，集中在《人-地系统动力学模型的构建发展与应用》（科学出版社2022）一书中。图2 人-地系统动力学耦合模型(HESM1.0)构建本文认为，人-地系统是自然地球环境与人类社会经济所构成相互作用、相互影响的复杂系统。现今公认的人-地系统模型的定义和研究目标还没有完全明确，最基本的认识是，人-地系统模型是指人类活动系统模型与地球系统模式的双向耦合模型。这里，人类活动系统模型至少应该包括土地利用模型、经济模型和社会系统模型。地球系统模式则需要至少包括全球物理气候系统模型、全球生物地球化学（特别是碳）循环系统模型以及这些系统之间的相互反馈模型。人-地系统模型的研究目标是定量探索和回答与人类活动和自然系统之间可能的反馈，提出最优应对策略。通过构建人-地系统动力学模型的工作，揭示人-地系统的要素动态演化、解析其过程耦合机制、明晰其优化调控途径，才能科学应对人类活动引起的以气候变暖为主要特征的全球变化问题，为人类可持续发展提供坚实的理论基础。本文认为，人-地系统模型研究虽然起步较晚但是发展迅速，已经取得巨大的成果，这些成果与其说是考虑了更多的分量模型的成功，不如说是因为认识到人类系统与地球系统之间存在的反馈，并能从动力学模型中得到表达这个从0到1的突破。然而，巨大的挑战依然存在。目前已有的人-地系统动力学耦合模型是将人类社会经济系统模型和地球系统模式在计算机载体上的模拟耦合；这类耦合模型工作在全球变暖、未来CO2排放趋势、土地利用变化、经济反馈等方面的模拟和预测上取得了重要进展，但仍存在系统间反馈过程复杂性刻画不明确、时空尺度不匹配、极端事件的模拟能力差等难题。本文认为，人-地系统模型的发展方向存在于现实的需要和问题的解决之中。从上述人-地系统模型存在的问题和当前主要应用领域分析看，未来人-地系统模型有5个主要发展趋势：一是人-地系统模型的反馈过程传递信息多样化，二是地球系统模式的中等复杂尺度化，三是人-地系统模型的狭义均衡化和极端事件响应化，四是人-地系统模型的应用扩展化，五是构建人-地系统模型集合模拟及驱动数据集统一化。基于上述认识，本文对于人-地系统动力学模型的研究进展进行总结评述和展望，希望能够吸引更多的研究者共同努力，以有助于推动我国蓬勃兴起的人-地系统耦合模型研究跻身于地球系统科学研究的国际前沿，并为科学制定气候变化政策提供依据。董文杰, 延晓冬, 丑洁明*. 人-地系统动力学耦合模型研究的评述与展望. 科学通报, 2024, 69(23): 3454–3465
https://doi.org/10.1360/TB-2023-1295
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