摘要

一些復雜社會生態系統的突變可以通過觀測其在跨越臨界點前承受壓力增大時的行為來預測。盡管在識別能提供臨界點早期預警信號（EWS）的統計指標方面已取得顯著進展，但這些指標尚未在管理實踐中得到直接應用。在此，我們構建了一個早期預警系統（EWSys）理論模型，將EWS信息整合到簡易決策流程中。該模型包含一個臨界指標（其數值隨系統逼近臨界點而遞增）和一個觸發閾值（超過該值即發送二元EWS信號）。我們證明：雖然EWSys能通過更新對臨界點位置的認知來幫助平衡突變風險，但若未收到預警信號，反而可能導致更冒險的行為。這就形成了"更精準的臨界點定位信息"與"更高的臨界跨越風險"之間的張力。我們的研究框架通過闡明如何、何時及為何能運用韌性指標改進決策，為構建人地復合系統韌性指標體系提供了重要補充。

關鍵詞：災難性制度轉變（Catastrophic Regime Shifts）、早期預警信號，臨界點（Tipping Points），實驗，學習，經濟學

集智編輯部丨作者

論文題目：Do early warning signals of tipping points lead to better decisions? 發表時間：2025年4月9日 論文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/abs/10.1098/rsif.2024.0864 期刊名稱：Interface

近年來，亞馬遜雨林退化、大西洋環流減弱等生態系統的“臨界點”風險引發廣泛關注。這些系統一旦越過臨界點，可能將發生不可逆的災難性轉變。盡管已經有開發出一些基于統計指標的早期預警信號（EWS），例如自相關性和方差的異常變化，但這些工具尚未有效應用于實際管理決策。近期發表于 Journal of the Royal Society Interface 的研究通過構建理論模型，首次揭示了早期預警系統（EWSys）在決策中的雙重作用：它既能幫助規避風險，也可能因“未觸發警報”的誤判而鼓勵冒險行為。這一發現為理解生態管理與人類行為的復雜關系提供了全新視角。

研究框架：早期預警系統如何影響決策？

研究團隊考慮了一個簡單的決策理論模型，其目標是在不超過臨界點的情況下最大化使用社會生態系統（例如漁業）的潛在收益。構建了一個包含科學機構（監測系統狀態）和決策者（選擇行動強度）的雙主體模型（圖1）?？茖W機構通過統計指標（如自相關性）持續監測系統狀態，當指標超過預設的觸發值（Trigger Value, θ）時，向決策者發送二進制的預警信號（EWS）。決策者則根據是否收到信號，動態調整行動策略（如漁業捕撈強度）。

模型的核心矛盾在于：風險與信息的博弈。若收到EWS，決策者會降低行動強度以規避風險；但若未收到信號，決策者可能因“系統仍安全”的預期而加大行動力度，反而增加崩潰風險。這種“安全錯覺”的潛在代價，成為早期預警系統設計的關鍵挑戰。

圖 1. 一個針對臨界點的簡單預警系統（EWSys）。決策者需要決定從一個未知臨界點(2)的社會生態系統中收獲多少(1)。科學機構監測系統行為(3)并使用數據計算臨界點指標。引爆指標和觸發值共同構成EWSys(4)，如果臨界指標超過觸發值，則向決策者(5)發送二進制預警信號，決策者根據收到的信息調整后續動作(1)。

早期預警系統的雙刃劍影響

通過兩階段決策模型（圖2），研究揭示了EWSys對行為模式的深層影響：

1.短期謹慎，長期分化：在第一階段，決策者因預警可能性的存在，傾向于選擇比無預警系統時更保守的行動（如減少捕撈量）。若收到EWS，第二階段行動維持保守；但若未收到信號，決策者可能顯著提高行動強度。

2.總體風險的不確定性：盡管預警系統提升了經濟收益（通過優化行動策略），但未觸發警報時的冒險行為可能導致總崩潰風險高于無預警系統的情況。例如，當觸發值θ設置過高，即對應系統特異性高但敏感性低，未預警狀態下的過度自信可能抵消第一階段的風險規避效果。

圖 2. 一個具有臨界點的社會生態系統的例子。(a)隨著時間，系統對不斷增加并最終導致系統崩潰的行為所做出的反應。(b)當系統接近臨界點時，統計臨界指標（如自相關）增加。在行為水平低的時候，因為系統存在波動，自相關是負值。

系統設計與參數優化：

敏感性與特異性之間的博弈

早期預警系統的效能高度依賴觸發值θ的選擇（圖3）。研究發現：

• 經濟收益與風險控制存在目標沖突：最大化經濟價值的θ值（高特異性）通常不同于最小化崩潰風險的θ值（高敏感性）。例如，θ=0.1時系統捕獲了94%的崩潰風險，但經濟收益峰值不在此。

• 決策者偏好決定系統最優配置：風險容忍度（α）高，或更重視未來收益（折現因子β高）的決策者，傾向于選擇特異性更高的預警系統，以換取長期收益增長，盡管這可能增加短期風險。

圖 3. 二進制早期預警信號（EWS）的發送原理。(a) 信號函數表達了接收EWS的概率與（未知的）臨界點距離之間的關系。(b) 對于給定的臨界指標（此處為自相關）和一組觸發參數（此處從θ=?0.5到θ=0.7），可以推導出一系列信號函數。當與臨界點的距離為0.75個單位時，對于觸發值為θ=0.7的EWS系統，接收EWS的概率接近0%；對于觸發值為θ=0.4的EWS系統，概率約為2%；對于觸發值為θ=0.1的EWS系統，概率約為94%；而對于觸發值為θ=?0.2和θ=?0.5的EWS系統，概率幾乎為100%。

從預警到行動，如何跨越“最后一公里”？

該研究首次將統計學預警指標納入動態決策框架，揭示了管理復雜系統的核心矛盾：信息改善未必降低風險，反而可能引發行為適應性變化。例如，氣候政策中過早依賴“未達臨界點”的結論，可能延緩減排行動。未來研究需進一步探索多主體博弈、非二進制預警（如交通燈系統）以及歷史行動累積效應的影響。

早期預警系統的價值不在于完全消除不確定性，而是幫助社會在風險與收益間做出知情權衡（Informed Trade-off）。這一洞見為生態保護、公共衛生和金融風險監管提供了普適性啟示——最好的決策工具，是理解人性與科學規律的結合。

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