摘要

隨著地球變暖，區(qū)域氣候信號正在不斷累積。其中部分信號——如陸地升溫幅度大于海洋、北極地區(qū)變暖最為顯著——已被成功預測，這與早期預期一致。這些預測成果的取得，源于在"大尺度與小尺度空間相互分離"假設下對物理定律的應用，由此確立了氣候科學的主導范式，即我們所謂的標準研究范式。然而隨著全球持續(xù)變暖，基于該標準方法得出的預測與真實氣候信號之間的差異（尤其在區(qū)域尺度上）正日益凸顯。與此同時，顛覆性計算方法的興起正在催生新范式。科學哲學家將這種因異?，F(xiàn)象累積和范式顛覆導致對主導范式信心喪失的狀態(tài)定義為"危機"。本文系統(tǒng)闡述了當前主導范式（標準方法）的內涵，以及近年來出現(xiàn)的預測差異與范式顛覆。我們探討了所謂"危機"的政策意涵，并提出了危機與否情境下的發(fā)展路徑：包括首次利用氣候信號驗證地球變暖驅動機制的假設與過程、建立可檢驗的假說體系，以及通過填補氣候系統(tǒng)各組分與空間尺度間的認知鴻溝來重振概念性思維。

關鍵詞：氣候科學范式危機、區(qū)域氣候信號偏差、大尺度確定性（Large-Scale Determinism, LSD）、公里級模擬（Kilometre-Scale Modelling）、機器學習（Machine Learning）

集智編輯部丨作者

論文題目：The other climate crisis 發(fā)表時間：2025年3月26日 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08680-1 會議名稱：Nature

過去半個世紀，氣候科學基于物理定律與尺度分離假設，成功預測了全球變暖、北極放大效應等宏觀趨勢。然而，隨著地球持續(xù)升溫，區(qū)域氣候信號與模型預期的偏差逐漸累積：熱帶太平洋海溫變化與預期相悖、陸地干旱區(qū)濕度意外下降、南極海冰創(chuàng)歷史新低……與此同時，公里級分辨率模擬和機器學習等顛覆性技術正在改寫傳統(tǒng)研究范式。這場潛在的“范式危機”是否預示氣候科學即將迎來革命？

標準范式的基石

氣候科學的“標準范式”根植于熱力學和流體力學定律，通過大尺度確定性假設（LSD）簡化復雜系統(tǒng)。其核心邏輯是：小尺度過程（如云、湍流）的統(tǒng)計行為僅依賴于大尺度環(huán)境變量?；谶@一假設，科學家通過“維度層級”逐級構建氣候模型：

1. 全球平均維度：輻射-對流平衡（Radiative-Convective Equilibrium, RCE）解釋了地表增溫與平流層冷卻的垂直結構，甚至從第一性原理推導出二氧化碳增溫效應。

2. 經(jīng)向平均維度：角動量守恒定律揭示了哈德利環(huán)流（Hadley Circulation）和風暴軸的移動規(guī)律，成功預測了極地放大效應。

3. 經(jīng)向偏差維度：地形強迫和局地加熱解釋了副熱帶高壓系統(tǒng)、季風等區(qū)域性現(xiàn)象。

通過這種“從簡單到復雜”的層級建模，氣候模型在20世紀成功預測了全球平均溫度趨勢，并助力2021年諾貝爾物理學獎的頒發(fā)。然而，當研究焦點轉向區(qū)域尺度時，這一范式的裂縫開始顯現(xiàn)。

圖 1.標準范式及假設。a-c，物理定律在維度層次上的應用：全球平均值(a)，縱向平均值(b)和縱向偏差(c)，其中T是溫度，z是海拔。根據(jù)標準假設，引入對流加熱（帶有QC的云）和輻射（帶有QR的箭頭）來封裝較小尺度運動的影響。

異常氣候信號的涌現(xiàn)

未預料的信號正在全球涌現(xiàn)。熱帶太平洋西暖東冷的“類拉尼娜”海溫模式、北半球夏季阻塞高壓頻發(fā)、南大洋風暴增強幅度超預期……這些現(xiàn)象與標準范式下的理論預期背道而馳。更嚴峻的是，某些信號甚至缺乏理論基礎——例如雷暴直線風（Thunderstorm Straight Line Winds）的增強，因其涉及小尺度對流與地形耦合，傳統(tǒng)模型難以捕捉。

三大顛覆性技術正在動搖傳統(tǒng)范式的根基：

• 超大規(guī)模集合模擬：通過數(shù)萬次運算量化內部變率（Internal Variability）和模型結構不確定性，但犧牲了機制解釋的清晰性。

• 公里級分辨率模型：突破尺度分離假設，揭示深對流與地表反饋的非線性耦合（如南大洋渦旋對海溫偏差的修正）。

• 數(shù)據(jù)驅動的機器學習：從純觀測數(shù)據(jù)重建氣候動力過程，但面臨“黑箱模型”的物理可解釋性困境。

圖 2. 不斷累積的區(qū)域差異。溫度（紅色和藍色實色）、大氣環(huán)流（紫色）、降雨（藍色孵化）和濕度（橙色）真實世界與大西洋地區(qū)綜合氣候模型預測之間的差異（類似的差異可以在全球范圍內發(fā)現(xiàn)）。

范式危機下的科學路徑

面對異常信號與技術創(chuàng)新，氣候科學可能走向兩種未來：改良現(xiàn)有范式（通過改進參數(shù)化和邊界條件約束），或徹底重構理論體系。當前亟需的突破方向包括：

• 異常信號機制解析：例如熱帶太平洋海溫偏差研究，通過“約束模擬”（Nudging）剝離大氣-海洋耦合作用，發(fā)現(xiàn)氣溶膠減排與海洋層結變化的疊加效應可能是關鍵驅動。

• 跨尺度耦合理論：小尺度過程（如南極融水輸入、云簇自組織）如何通過級聯(lián)效應影響行星尺度環(huán)流？新理論框架需整合多尺度漸近分析（Multiscale Asymptotics）。

• 可證偽假說構建：針對“南半球風暴增強”，提出“渦旋動能飽和”（Eddy Saturation）等可驗證機制，通過理想化實驗驗證其物理合理性。

危機帶來的啟示與科學進化

盡管區(qū)域預測存在不確定性，減排的緊迫性仍不容置疑——全球能量收支失衡、極端熱浪頻率增加等結論依然穩(wěn)固。對政策制定者而言，危機并非不作為的借口，而是優(yōu)化適應性策略的契機：需區(qū)分“已知的不確定性”與“根本性認知缺失”，例如在干旱區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)劃中，需警惕傳統(tǒng)模型可能低估的濕度下降風險。

圖 3. 地球系統(tǒng)的可預測性。理論（實線）與實際（虛線）可預測性限制的示意圖。高于可預測極限的尺度在理論上（實線）或在實踐中（虛線）是不可預測的。不同可預測性來源的影響用顏色表示，初始條件（黃色）主要決定天氣的可預測性（具有確定性成分），邊界條件（藍色）決定氣候預測。雖然最近的工作表明在這個問題上取得了一些進展，但在中間尺度上的可預測性是模糊的。兩條虛線對比了兩種可能性，以及每種可能性與可能發(fā)生的危機之間的關系，這反映了人們對是什么決定了氣候的理論可預測性極限缺乏了解。

氣候科學的危機，本質是學科從“常規(guī)科學”向“革命科學”躍遷的陣痛。標準方法的偏差不是宣告其失敗，反而提供了前所未有的檢驗機會——正如量子力學顛覆經(jīng)典物理，公里級模型和機器學習或將成為新范式的基石。然而，無論危機是否最終引發(fā)范式革命，科學的核心使命不變：在復雜中尋找簡單，在不確定中錨定真理。

地球系統(tǒng)科學讀書會

世界氣象組織《2023年全球氣候狀況》報告確認2023年是有觀測記錄以來最暖的一年。氣候變化正在以高溫、干旱、洪水、野火和沙塵暴等極端天氣的形式吸引人們的廣泛關注。世界經(jīng)濟論壇《2024全球風險報告》將氣候變化作為首要值得關注的風險。地球作為一個多要素、非線性的開放復雜系統(tǒng)，要素間相互作用關系復雜，往往牽一發(fā)而動全身。在人類活動深刻影響下，我們該如何理解并有效應對正在面臨的氣候變化以及其帶來的社會經(jīng)濟等一系列議題，實現(xiàn)人類與地球的可持續(xù)發(fā)展？

為了能夠深入理解人類世背景下地球系統(tǒng)各要素之間復雜的相互作用與演化機制，并為人類應對未來的地球系統(tǒng)科學重大挑戰(zhàn)提供一套科學的認知框架，集智俱樂部聯(lián)合清華大學講席教授陳德亮、北京師范大學教授樊京芳、東莞理工學院特聘副研究員陳愛芳、南開大學副教授戴啟立老師和愛爾蘭都柏林大學博士生班嶄共同發(fā)起，將組織大家從新的研究范式出發(fā)梳理相關文獻，并深入研讀其中涉及的理論與模型。

詳情請見：

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