气候系统中临界转变的研究进展与展望

地球科学进展 ›› 2021, Vol. 36 ›› Issue (12): 1313 -1323.

气候系统中临界转变的研究进展与展望

尹彩春 ¹ ^, ²(

), 赵文武 ¹ ^, ²(

), 李琰 ¹ ^, ², 李冬冬 ³

^1.北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875
^2.北京师范大学地理科学学部陆地表层系统科学与可持续发展研究院，北京 100875
^3.复旦大学大气与海洋科学系大气科学研究院，上海 200438

收稿日期:2021-07-14 修回日期:2021-10-10 出版日期:2021-12-10
通讯作者: 尹彩春,赵文武,李琰 E-mail:caichun@mail.bnu.edu.cn;zhaoww@bnu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目“气候变化对生态系统土壤保持服务的影响”(2017YFA0604704)

Critical Transitions in the Climate System： Progress and Prospect

Caichun YIN ¹ ^, ²( ), Wenwu ZHAO ¹ ^, ²( ), Yan LI ¹ ^, ², Dongdong LI ³

^1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，Faculty of Geographical Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China
^2.Institute of Land Surface System and Sustainable Development，Faculty of Geographical Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China
^3.Department of Atmospheric and Oceanic Sciences & Institute of Atmospheric Sciences，Fudan University，Shanghai 200438，China

Received:2021-07-14 Revised:2021-10-10 Online:2021-12-10 Published:2022-01-20
Contact: Caichun YIN,Wenwu ZHAO,Yan LI E-mail:caichun@mail.bnu.edu.cn;zhaoww@bnu.edu.cn
About author:YIN Caichun (1998-), female, Longnan City, Gansu Province, Ph. D student. Research areas include human-nature system and sustainable development. E-mail: caichun@mail.bnu.edu.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China "Effects of climate change on ecosystem soil conservation services"(2017YFA0604704)

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气候系统属于复杂系统，可以存在双（多）稳态。当系统的控制参数处于临界点附近时，控制参数的微小变化或者外界施加的微小干扰，可能导致系统状态由一种稳态不可逆地突变到另一种稳态，发生临界转变。系统梳理了气候系统中临界转变的基础理论和主要研究内容，探讨了其研究态势，并提出了现有研究存在的问题和重点研究方向。结果表明： $①$ 现有研究内容主要聚焦于不同时空尺度气候子系统的临界转变现象及其研究方法、临界转变的驱动因素和形成机制、临界转变的早期预警信号及其检测方法； $②$ 气候系统中临界转变的研究表现出以尺度拓展、学科交叉、级联效应、综合集成和人类响应等为主要特点的研究态势； $③$ 现有研究存在的问题包括：基础概念的认知和使用有待统一和规范，数据可获取性和定量分析模型的准确性有待提升，临界转变及其潜在气候风险研究有待深化； $④$ 我国未来的研究应重点关注临界转变与我国关键生态安全屏障、区域发展格局以及人类安全与福祉的关系等领域。

关键词: 临界转变, 临界点, 多稳态, 分岔, 气候系统

Climate system is a complex system， which can exist in dual （alternative /multiple） stable states. When the control parameters of the system are near the critical point， the small change of the control parameters or the small interference from the outside may lead to the irreversibly abrupt change of the system state from one stable state to another stable state， which is called the critical transition. This review systematically summarizes the basic theory and main research contents of critical transition in climate system， discusses its research trend， and puts forward existing problems and key research directions. The results show that： $①$ The current research mainly focuses on the phenomenon of critical transition in subsystem of climate system at different spatio-temporal scales and corresponding research methods， the driving factors and formation mechanism of critical transition， and the early warning signals and detection methods of critical transition. $②$ The research of critical transition in climate system tends to expand the research scale and scope and to carry out interdisciplinary research. It also emphasizes the cascading effect and tends to carry out global integrated research. In addition， related researches are seeking positive coping strategies to prevent the negative effects of critical transition. $③$ The problems of existing research include： the cognition and use of basic concepts need to be unified and standardized， data accessibility and accuracy of quantitative analysis model need to be improved， and critical transition and its potential climate risks need to be further studied. $④$ Future research in China should focus on the relationship between critical transition and China's key ecological security barriers （e.g.， the Tibetan Plateau）， regional development patterns， and human security and well-being. Based on the bifurcation theory of climate dynamics system and the research progress of critical transition in climate system， this review can provide reference for the study of climate change and earth system in China.

Key words: Critical transition, Critical point, Alternative stable states, Bifurcation, Climate system

中图分类号:

图1 临界转变和临界点概念的图解（据参考文献［ 8 ］修改）

Fig. 1 Schematic diagram of the critical transition and critical point （modified after reference ［ 8 ］）

图2 气候系统、生态系统、社会经济系统临界点的互动效应和交叉研究^{［

54
］}

Fig. 2 Interactive effects and interdisciplinary research among critical points of climate system， ecosystem， and socio-economic system^{［

54
］}

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