2017年8月，飓风哈维的破纪录降雨淹没了德克萨斯州，引发了一连串混乱。大范围的洪水将道路变成河流，阻碍了疏散和急救服务的获取。暴雨将废水处理厂的病原体和超级基金站点的毒素冲走，造成健康威胁。在一些地区，电话和互联网服务瘫痪，德克萨斯州有30万人断电。哈维还暂时关闭了墨西哥湾四分之一的美国石油生产，导致汽油价格上涨。
此类情景——气候事件导致的影响本身会引发更多的连锁反应，就像交错排列的倒塌的多米诺骨牌一样——是第四次国家气候评估 (NCA) 的一个关键关注点，该评估报告由美国联邦政府在11月底发布。这是第一次，参与该报告的300名政府、学术界和非营利组织专家将整整一章专门讨论气候变化与被称为复杂系统之间的、尚未被充分研究但至关重要的相互作用。
该报告强调，科学家不仅需要关注全球变暖如何改变自然系统，还需要关注这些变化如何通过其他领域引发连锁反应——例如，日益严重的干旱威胁如何损害农业，进而影响经济和粮食供应。“现实是复杂的。在不断变化的气候中，没有任何事物是孤立地受到影响的，”斯坦福大学高级研究科学家和 NCA 作者之一的凯瑟琳·马赫说。这些级联效应的复杂性意味着它们通常很难——甚至不可能——以有意义的方式理解或预测。但这正是科学家们现在试图弄清楚如何做的事情。
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浅尝辄止
研究人员通常相对孤立地研究系统，为了科学的清晰性，故意忽略复杂的相互作用。例如，他们可能会研究大雨会淹没哪些道路，但不会研究风暴对通信或急救服务的破坏如何与这些道路堵塞相互作用，从而产生更多的连锁反应。“你可能会问，比如说，这片森林或这种农作物发生了什么。你会在你的系统周围划定边界，而你只是在你的研究框内看，”马赫说。当科学家试图理解气候变化的潜在风险和无数影响时，这被证明是一个主要弱点。
这是一个简单的例子：如果研究人员想了解气候变化将如何影响能源系统，他们可能会简单地模拟气温上升和热浪对电力需求的影响。这可能会让他们得出结论，需要建造更多的发电厂才能满足更高的制冷能源需求。但是，如此单一焦点的研究会忽略一个关键的陷阱：气温升高也会使某些地区更容易出现干旱，这意味着用于冷却发电厂的水更少，而且存在的水往往更温暖，使得冷却效果降低。这种通常会被忽略的复杂相互作用会严重损害能源生产。这正是最近德克萨斯州和美国东南部在干旱期间发生的事情。通过这些案例，“你意识到你实际上需要在现实世界中解决的问题比你想象的要复杂得多，”NCA 联合作者、波士顿大学帕迪未来研究中心主任安东尼·贾内托斯说。“你可能会花很多钱来解决错误的事情。”
事后看来，更容易看到所有这些环境和人类系统之间的动态，因为科学家可以追踪已经发生的各种相互作用的线索。但是，预测它们要困难得多，这使得帮助社区为未来的气候影响做好准备的任务变得更加困难。该领域的研究正在增长，但“我们才刚刚开始了解这些复杂性，”马里兰州全球变化联合研究所的高级科学家和另一位 NCA 作者莱昂·克拉克说。
一些新的研究正在关注诸如气候引起的农业冲击如何影响全球市场、食品价格和土地利用；洪水风险与社会决定采取的防洪措施之间的关系；扩大水库实际上如何在干旱期间加剧缺水；以及气温上升与暴力之间的联系。
其中一项仍在审查中的研究，研究了飓风哈维如何影响休斯顿的道路网络，从而影响了人们在风暴期间获得急救服务的机会。在这项研究中，研究人员使用洪水数据和建模来分析居住在两个不同社区的人们在风暴期间的不同时间是否有道路通往消防站和医院。他们还研究了如果正常路线被封锁，人们前往这些急救服务机构的时间会延长多少，以及一个平均收入较低的社区是否遭受了更大的道路通行中断。“这就是我们想要强调的事件链，”普林斯顿大学洪水风险管理研究员阿凡提卡·戈里说。她希望此类研究能够为急救人员提供更好的信息，让他们了解在哪里投入有限的资源，并帮助城市规划人员积极应对诸如飓风哈维之类的事件。例如，他们可以改进特定社区的疏散计划，并在大风暴来袭时为急救车辆提供更好的路线信息。
在复杂性中做出选择
但是专家指出，这类研究极具挑战性。单独模拟一个系统已经足够困难，更不用说将其与一系列其他系统联系起来了。模拟问题各个方面（例如降雨或道路如何被淹没）所需的模型可能以完全不同的时间和空间尺度工作。此外，可能需要将来自不同来源的不同数据拼接在一起。而且，一般来说，问题越复杂，运行模拟所需的计算机功率和时间就越多。更复杂的是，一个研究团队可能包括社会科学家、自然科学家、工程师和其他领域的专家，他们都使用自己的技术语言和方法进行工作。
不断改进的模型、提高计算机能力以及机器学习等技术的进步将有助于推动一些进展，并且将从目前正在进行的早期研究中吸取经验教训。科学家可能还需要将未来情景的模拟与专家访谈相结合，以帮助用当地的实地经验来补充预测。
除了研究之外，科学家还需要帮助决策者理解所有这些复杂性，并在此基础上做出选择。例如，由于海平面上升的预测是不确定的，专家可以帮助社区建造一个可调节的防洪屏障。好消息是，包括纽约市和波士顿在内的一些地方已经开始在为应对气候变化做准备时考虑复杂系统。“他们正在对海平面上升、风暴潮、港口和海岸线的特定地理特征以及处于风险中的基础设施之间的相互作用进行复杂建模，”贾内托斯说。“当他们考虑如何适应时，他们正在考虑许多不同的维度。”
尽管如此，专家们承认，他们最终将永远无法对每一种可能的相互作用组合做出预测，马赫说。相反，这将是一个改进可用信息以在尽可能的情况下更好地决定采取哪些行动的问题。“我们仍然需要做出决定，”她说。“我们不能让复杂性麻痹我们。”