北师大研究团队在地球复杂系统的临界要素与临界性方面获得重大突破

来源：北京师范大学官网，2023-01-07 

相变与临界现象广泛发生在从自然界到社会的各种复杂系统中，从近临界态到临界点的各种临界现象也被广泛观察到。具体的复杂系统各具特色，但它们在近临界态的行为和临界现象往往表现出共性并具有普适性，因此，研究相变临界现象具有特别重要的科学意义。

近些年来，地球复杂系统的临界要素与临界性成为了地球科学最为重要和前沿的研究热点之一。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的官方术语表中，气候临界点被定义为：“就气候系统来说，临界点（Tipping point）指的是全球或区域气候从一种稳定状态到另外一种稳定状态的关键门槛”。一旦临界点被激活，系统将无法回至原来的稳定状态。全部“气候临界点”被激活后，地球系统可能发生状态跃迁甚至于崩溃。而且这些临界点都具有不可逆性。2008年，Lenton等人在美国科学院院刊上发表文章， 首次提出地球气候系统可能存在15个潜在的临界要素（Tipping elements）。2019年, Lenton等人更是在Nature发文指出，地球气候系统中九大临界要素已经接近或者处于临界点（Tipping point），包括亚马逊雨林、北极海冰、大西洋环流、北方森林、澳大利亚珊瑚礁、格陵兰岛冰原、永久冻土、西南极冰原和东南极冰原已经被激活，研究这些临界点以及临界点之间可能的连锁反应，是一个关键科学问题。

针对上述问题，北京师范大学系统科学学院陈晓松、樊京芳教授团队，国家安全与应急管理学院杨赛霓教授联合多国学者开展了相关研究。作者们提出了基于气候网络的全新研究范式，系统地研究了一个特定的临界要素，即亚马逊雨林地区 (ARA) 的全球影响。研究发现ARA与其他的临界要素，如青藏高原和南极西部冰盖等气候敏感区域呈现出显著的遥相关特性，如图1所示。作者们进一步提出了确定遥相关传播路径的方法，并通过大量的气候模式数据揭示 ARA 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，如图2所示。此外，研究利用临界慢化理论揭示青藏高原的冰雪覆盖自2008年以来正在失去稳定性，预示着青藏高原可能是一个全新的临界要素，并且已经处于激活状态。我们进一步发现，ARA 和青藏高原之间的各种极端气候在气候变化下是同步的。该原创性研究论文，为研究地球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。

研究以“Teleconnections among tipping elements in the Earth system“为题，于2023年1月5日在国际期刊《自然—气候变化》（Nature Climate Change）发表。并且《自然—气候变化》同期刊登了名为《Connected climate tipping elements》的评论文章，文章评价到“ 这是复杂网络理论首次应用于研究地球系统临界点问题，这两个研究领域的交叉为刨析全球气候动力学提供了重要的见解。这项工作为全球范围分析临界要素开辟了一个全新领域（This is the first time that the theory of complex networks has been applied in the context of tipping points, and the synergy of the two research areas provides an important insight into the global climate dynamics. This work opens a new area of tipping point analysis at a global scale.）”“刘和他的同事们建立了一个新的研究方向，有望在地球物理科学中产生高影响力的应用。（Liu and colleagues establish a new direction of research, which promises high-impact applications in geophysics.）”。

鉴于工作的重要性，论文作者们受到了世界科学/科技新闻杂志 《新科学家》（New Scientist）的科研专访（见图3），相关的内容以“Amazon deforestation may shrink Himalayan snow and Antarctic ice”为题刊登在New Scientist杂志。

该研究由北京师范大学牵头，联合北京邮电大学、德国波茨坦气候影响研究所、以色列巴伊兰大学等多家机构共同完成。北京师范大学系统科学学院刘腾博士生与学院访问学者，赫尔辛基大学陈迪博士生为论文共同第一作者，北师大樊京芳教授，杨赛霓教授与陈晓松教授为共同通讯作者。

该工作研究团队近年来一直从事复杂系统相变理论和地球系统复杂性的研究，已经积累了多项具有国际领先的研究成果，比如：复杂系统的本证微观态理论 SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (2019); 本征微观态的重整化群理论Chin. Phys. Lett.（2022）; 复杂系统相变与临界现象的标度律和普适类基础理论研究 Nat. Phys (2020)，PNAS (2018)；厄尔尼诺现象的预测 PNAS (2020，2021); 全球气温变暖对大气环流的影响PNAS (2018); 定量刻画厄尔尼诺全球影响 PNAS (2017)；季风降雨量的高效可预测性 Journal of Climate (2022)；气候变化下洪水对于基础设施的破坏和影响及其临界预测Nature Communications (2019)，Risk Analysis(2021)等。

该工作得到了国家自然科学基金（12135003，12275020，12205025）和科技部第二次青藏科考（2019QZKK0906）的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41558-022-01558-4

科研专访链接：https://www.newscientist.com/article/2353644-amazon-deforestation-may-shrink-himalayan-snow-and-antarctic-ice/