复杂系统研究将推动相关领域机器人集群与协同、大规模集成电路、电力调配、抗疫与减灾等应用研究及产业化
捕捉复杂系统无序和随机中隐秘“翅膀”
▶ 郑志刚
北京时间10月5日，2021年诺贝尔物理学奖授予意大利科学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）、美国科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），以表彰他们为我们理解复杂物理系统所做出的开创性贡献。其中一半奖项授予乔治·帕里西，获奖理由为“对从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用的贡献”。另一半奖项则联合授予真锅淑郎与克劳斯·哈塞尔曼，“以表彰他们在对地球气候进行物理建模、量化全球变暖预测的变异性和可靠性方面的贡献”。
系统复杂性是真实世界的重要特性
复杂系统是一个跨学科的交叉领域，它从各个不同领域发端，又作为具有普遍意义的主题百川归海，推动了复杂性科学的发展，形成了非平衡耗散结构、自组织、自发对称破缺、混沌动力学、分形、复杂网络等理论体系，涵盖、吸收了许多不同学科的研究方法，如统计物理学、信息论、非线性动力学、计算机科学、气象学、社会学、经济学、心理学和生物学等。
复杂系统的复杂性以随机和无序为表象，以耦合和作用纠缠为机理，以有序和普适为内秀。从无序中寻有序，从纠缠中寻普适，这是复杂系统研究的至高境界。2021年物理学奖关于复杂系统的重要贡献中，既提出了复杂系统有序性的长期行为预测方法，又有对无序和复杂中隐藏有序和模式的发现。这使人类理解和描述不同的表面看起来完全随机的材料和现象成为可能，其贡献不仅在物理学上，也体现在数学、生物学、神经科学和机器学习上。
实际上，系统复杂性是我们面对真实世界的重要特性。传统物理学倾向于将复杂系统简化还原。在物理学的发展史上，从古典力学到量子力学，从电磁学、光学到电磁场动力学，莫不如此。传统的还原论对物理学的发展起到了重要推动作用。
另一方面，复杂系统是多面的，往往表现出形形色色的相互纠缠的集体行为，这些行为大都无法用系统的个体行为及其规律加以解释。自上个世纪20-30年代开始，低温物理学的发展揭示了超导、超流现象和大量的相变行为，流体力学和化学反应也揭示了诸如非平衡复杂对流、化学振荡等现象。这些涌现行为无法简单地用原子、分子和电子层次性质加以解释。统计物理学及其后来发展的耗散结构、协同学、非线性动力学和复杂网络等理论，为揭示复杂系统的涌现和普适性探索提供了重要工具和手段。2021年的3位获奖科学家，也是在此框架下超越还原论做出的开创性贡献。
从洛伦兹模型到真锅模型再到哈塞尔曼模型
意大利物理学家帕里西是近几十年来最具创造力和影响力的理论物理学家之一，已斩获了包括1999年狄拉克奖、2002年费米奖、2005年海因曼数学物理奖、2021年沃尔夫奖、2021年诺贝尔物理学奖在内的众多顶级奖项。帕里西的研究领域涵盖了量子场论、统计力学以及复杂系统。他在包括粒子物理、临界现象、无序系统以及优化理论和数学物理的不同物理学分支都做出了重要贡献。
在量子色动力学（QCD）和粒子物理场论方面，帕里西与Altarelli用简洁的微扰场论方法给出了分布函数随能标变化的演化方程，这是QCD理论与强子实验中极其重要的结果。在统计力学方面，帕里西引入复本对称破缺的概念，将其应用于Sherrington-Kirkpartick自旋玻璃模型，巧妙地给出了平衡态的精确解。该研究引发了统计物理的深刻发展，后续在各种无序体系中得到广泛的应用。他与卡达尔、张翼成提出的描述界面生长的KPZ（Kardar-Parisi-Zhang）方程，揭示了无序系统生长的普适规律，在统计物理、固体物理、偏微分方程等领域均有巨大的影响力。
帕里西工作的最大特点是跨度很大，其研究领域跨越了从粒子物理、场论到自旋体系、飞鸟集群行为等；在从原子到行星尺度的每一个不同层次的复杂物理体系中，他均阐释了无序和波动相互作用的普适规律。
与帕里西的工作不同，真锅淑郎和哈塞尔曼则在对地球气候物理建模、量化全球变暖预测的变异性和可靠性方面做出了重要贡献。
地球物理系统是一个典型的复杂系统，大气流体力学是复杂系统研究的重要平台，围绕大气和气候研究导致了一系列与复杂性研究密切相关的重要突破。
首先，与湍流研究密切相关，瑞利-本纳德对流及其非平衡化学振荡反应的研究，启发普利高津（I. Prigogine）学派提出了耗散结构理论，并与哈肯（H. Haken）学派的协同学形成了自组织理论，普利高津因此在1977年获得了诺贝尔化学奖，这是复杂系统历史上的第一个诺奖。
其次，对于气候变化的研究，从早期流体力学、辐射建模和经验预测开始，在20世纪50年代随着计算机的诞生而进入数值模拟阶段，并诞生了两个重要模型。其一是洛伦兹模型，由此发现了非线性系统的“蝴蝶效应”与混沌现象，自1960年代以来成为研究热点；另一个重要模型是普林斯顿大学的真锅淑郎提出的基于辐射平衡与非平衡对流引起的气团垂直输送之间相互作用的真锅模型，该模型研究了二氧化碳的温室效应，并为成功预测全球变暖提供了理论依据。
真锅模型问世后约10年，哈塞尔曼创建了一个将天气和气候关联的哈塞尔曼模型，该模型集成了系统的长记忆特性与随机力，解释了气候中普遍存在的红噪声效应。哈塞尔曼还开发了用来识别自然现象和人类活动对气候影响的特定信号（“指纹”），逐渐揭示了全球气候变暖的趋势及其背后的人类活动因素。
系统方法与系统思维是应对复杂系统最有效武器
复杂系统研究，自1977年普利高津以来再次获得诺贝尔奖。
上个世纪70年代末，在钱学森先生的倡导下，我国在国际上第一个建设系统科学，被列为基础理学一级学科。
复杂系统研究在重视基础规律的探索之外，还需要密切结合国计民生、经济发展和技术进步，推动复杂系统在相关领域如机器人集群与协同、大规模集成电路、电力调配、防疫抗疫、防灾减灾的应用研究和产业化。这些都需要发展系统方法与系统思维，这是对付复杂系统最有效的武器。
作者：郑志刚，华侨大学系统科学研究所所长，系统科学与物理学科带头人。
诺奖官方新闻中的4个设问直指减排行动
气候变化科学植根数理化受益于信息高技术
▶ 周天军
北京时间10月5日，2021年诺贝尔物理学奖正式揭晓，其中一半授予两位气候学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），以表彰他们“对地球气候的物理模拟、量化变率和可靠地预测全球变暖”。这是诺贝尔物理学奖历史上首次授予气候学家。
气候系统模式与地球系统模式预估未来变化
真锅淑郎博士来自美国国家海洋大气局（NOAA）地球流体动力学实验室（GFDL），同时是普林斯顿大学教授，其学术贡献主要包括：
一是通过考虑辐射平衡与对流热通量的相互作用，并考察水汽对加热大气的作用，开创性地阐明了二氧化碳增加导致全球增暖的物理机理。
1967年6月，真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德（Richard Wetherald）合作在美国气象学会《大气科学》杂志上发表了题为《给定相对湿度分布的大气热平衡》的著名论文。基于辐射传输科学的最新进展，他们利用简化的一维辐射对流平衡模型将大气分为多个层，通过考虑辐射和对流的作用，真实地模拟重现了观测的大气垂直温度廓线。他们使用该模型发现二氧化碳浓度每翻一倍，全球平均温度将会变暖约2.3℃。这是最早的关于二氧化碳导致全球增暖的定量估算，非常接近“政府间气候变化专门委员会”（IPCC）第六次科学评估报告最近给出的最佳估计值3.0℃。该工作的创新之处，在于建立了一个数学上可靠、并首次能够产生物理上真实结果的气候模式，它从明晰二氧化碳影响全球增暖的物理机制的角度，终结了此前关于二氧化碳是否导致全球变暖的辩论。
其学术成就之二，是研发了世界上第一个考虑了三维大气环流的气候模式，从而衍生出现代气候模式的发展，开启了基于地球流体力学运动规律的三维气候模式的发展及其在全球变暖研究中的广泛应用时代。
1975年，真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德合作在美国气象学会《大气科学》杂志上发表了题为《二氧化碳浓度加倍对一个环流模式的气候影响》的论文，这篇论文被认为标志着环流气候模式的诞生。
此后，随着观测数据的丰富、科学认知的提升和高性能计算机的发展，气候模式在全球得到快速发展，能够更为完整描述大气、海洋、陆面和海冰等气候系统模式和地球系统模式，在模拟历史变化、开展检测归因和预估未来变化中发挥着愈来愈重要的作用。据今年8月刚刚发布的IPCC第六次评估报告（AR6）统计，支撑IPCC报告编制的用于气候模拟、预估和检测归因的模式已经有39个，它们在性能上都已经远远超越真锅淑郎等当年完成的第一代模式，这其中就包括来自我国的气候模式。
随机气候模型与气候变化序列中的“指纹”机理
克劳斯·哈塞尔曼博士来自位于德国汉堡的马普气象研究所（MPI-M），是该研究所的创始人，其学术贡献主要包括：
一是提出了描述气候变化的随机气候模型，把长时间尺度的气候变化解释为短时间尺度的天气过程的“累积”，从而在混沌随机的天气过程和稳定的气候变化之间架起了桥梁。克劳斯·哈塞尔曼的随机气候模型，能够完美解释“自然气候变率”，也就是即使没有人类活动的影响，气候自身存在的不同时间尺度的冷暖振荡。
克劳斯·哈塞尔曼（1976）发表于Tellus的文章提出了随机气候模型，认为快速变化的白噪声天气的变率，可能造成气候系统的慢变红噪声响应。“哈塞尔曼机制”与大名鼎鼎的“混沌之父”、提出“蝴蝶效应”的洛伦兹发现的“洛伦兹机制”，并列为可解释气候系统自然变率两大机制之一，后者认为混沌性的短期天气变率自身就可以产生气候事件尺度的变率。
二是提出了包括温室气体在内影响因子会在气候变化序列中留下特定信号，这种特定信号可以被称为“指纹”，通过采用“最优技术”提高信噪比，我们能够把这种“指纹”从自然变率中有效地提取出来，从而检测出人类活动对气候变化的影响。这是我们开展气候变化检测归因研究的理论基础。
克劳斯·哈塞尔曼的两项成就，对于我们定量估算人类活动在气候变化中的贡献是不可或缺的。正是基于检测归因技术， 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告得出结论，“毋庸置疑，人为影响正在使得大气、海洋和陆地变暖。2010-2019年相对于1850-1900年，人为导致的总的全球表面温度变化最佳估计为1.07°C。
国际社会重点关注气候变化两大核心问题
关于工业革命以来的气候变化，国际社会重点关注两个核心问题，一是如何从物理上证明二氧化碳能导致全球气候变暖，二是人类活动在工业革命以来的增暖中到底贡献多大。
真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德的工作，清晰地回答了第一个问题，证明了二氧化碳对气候变化的作用和物理机制。对第二个问题的回答，离不开克劳斯·哈塞尔曼的工作，只有在理解自然变率这一“噪音”的规律基础上，我们才能有效寻找我们关注的“信号”——人类活动影响的“指纹”，从而进一步定量估算人类活动在工业革命以来全球增暖中的贡献。克劳斯·哈塞尔曼的工作，同时也向我们完美地展示了如何借助数学回答气候变化中的物理问题。
诺奖官方新闻中说：“我们不能再说我们不知道——气候模式是明确的：地球在升温吗？是的。是因为大气中温室气体含量的增加吗？是的。可以仅仅用自然因素来解释吗？不是的。人类的排放物是温度升高的原因吗？是的。”对于上述4个问题的回答，两位获奖人的工作，真锅淑郎的工作为回答前面两个问题奠定了基础，而克劳斯·哈塞尔曼的工作则为回答后面两个问题奠定了基础。
气候变化科学的物理理论得到科学界认同和表彰，背后是几代学者百余年的努力：1827年，法国数学家和物理学家约瑟夫·傅里叶发现了温室效应；1861年，英国物理学家丁泽尔在实验室里面证明温室效应；1896年，诺贝尔化学奖得主、瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯在温室效应的物理原理基础上提出了人造温室效应的可能性，他认为工业化会造成二氧化碳增多，导致全球温度升高；1901年，气象学家尼尔斯·古斯塔夫·埃科赫姆第一次使用温室效应这个词描述大气吸热与逆辐射过程；1949年，剑桥大学R.M.古迪创造性地提出利用辐射-对流过程解释对流层和平流层低层温度的热力平衡；1956年，美国约翰霍金斯大学普拉斯指出15μ二氧化碳波段上的辐射效应，指出若二氧化碳加倍,全球增暖将变暖3.6℃，若减半则将变冷3.8℃。最后，真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德终于在1967年利用简化的一维辐射对流平衡模型，真实地模拟重现了观测的大气垂直温度廓线，并定量估算了二氧化碳导致的全球增暖，提出了其中水汽的重要反馈作用。大气物理学界跨越世纪的系列研究成果积累，是支撑真锅淑郎等在全球变暖物理机理研究上取得突破的基础。
作为一门具有严格数学和物理基础的科学，气候变化科学也将从此被科学界更广泛认同。
气候科学建立在物理学的基础之上，并极大地受益于数学、化学和计算科学的发展、以及高性能计算机、空基和地基遥测遥感技术的整体支持。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的获奖，是气候科学发展历史上一个里程碑。站在巨人肩上，气候科学研究将继续前行。
作者：周天军，中国科学院大气物理研究所研究员、副所长，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，“世界气候研究计划”（WCRP）“耦合模拟工作组”（WGCM）委员政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）和第六次评估报告（ AR6）主要作者，主要从事气候模拟预估和气候动力学研究。
