2017年8月，颶風哈維的破紀錄降雨淹沒了德克薩斯州，引發了一連串混亂。大範圍的洪水將道路變成河流，阻礙了疏散和急救服務的獲取。暴雨將廢水處理廠的病原體和超級基金站點的毒素沖走，造成健康威脅。在一些地區，電話和網際網路服務癱瘓，德克薩斯州有30萬人斷電。哈維還暫時關閉了墨西哥灣四分之一的美國石油生產，導致汽油價格上漲。
此類情景——氣候事件導致的影響本身會引發更多的連鎖反應，就像交錯排列的倒塌的多米諾骨牌一樣——是第四次國家氣候評估 (NCA) 的一個關鍵關注點，該評估報告由美國聯邦政府在11月底釋出。這是第一次，參與該報告的300名政府、學術界和非營利組織專家將整整一章專門討論氣候變化與被稱為複雜系統之間的、尚未被充分研究但至關重要的相互作用。
該報告強調，科學家不僅需要關注全球變暖如何改變自然系統，還需要關注這些變化如何透過其他領域引發連鎖反應——例如，日益嚴重的乾旱威脅如何損害農業，進而影響經濟和糧食供應。“現實是複雜的。在不斷變化的氣候中，沒有任何事物是孤立地受到影響的，”斯坦福大學高階研究科學家和 NCA 作者之一的凱瑟琳·馬赫說。這些級聯效應的複雜性意味著它們通常很難——甚至不可能——以有意義的方式理解或預測。但這正是科學家們現在試圖弄清楚如何做的事情。
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淺嘗輒止
研究人員通常相對孤立地研究系統，為了科學的清晰性，故意忽略複雜的相互作用。例如，他們可能會研究大雨會淹沒哪些道路，但不會研究風暴對通訊或急救服務的破壞如何與這些道路堵塞相互作用，從而產生更多的連鎖反應。“你可能會問，比如說，這片森林或這種農作物發生了什麼。你會在你的系統周圍劃定邊界，而你只是在你的研究框內看，”馬赫說。當科學家試圖理解氣候變化的潛在風險和無數影響時，這被證明是一個主要弱點。
這是一個簡單的例子：如果研究人員想了解氣候變化將如何影響能源系統，他們可能會簡單地模擬氣溫上升和熱浪對電力需求的影響。這可能會讓他們得出結論，需要建造更多的發電廠才能滿足更高的製冷能源需求。但是，如此單一焦點的研究會忽略一個關鍵的陷阱：氣溫升高也會使某些地區更容易出現乾旱，這意味著用於冷卻發電廠的水更少，而且存在的水往往更溫暖，使得冷卻效果降低。這種通常會被忽略的複雜相互作用會嚴重損害能源生產。這正是最近德克薩斯州和美國東南部在乾旱期間發生的事情。透過這些案例，“你意識到你實際上需要在現實世界中解決的問題比你想象的要複雜得多，”NCA 聯合作者、波士頓大學帕迪未來研究中心主任安東尼·賈內託斯說。“你可能會花很多錢來解決錯誤的事情。”
事後看來，更容易看到所有這些環境和人類系統之間的動態，因為科學家可以追蹤已經發生的各種相互作用的線索。但是，預測它們要困難得多，這使得幫助社群為未來的氣候影響做好準備的任務變得更加困難。該領域的研究正在增長，但“我們才剛剛開始瞭解這些複雜性，”馬里蘭州全球變化聯合研究所的高階科學家和另一位 NCA 作者萊昂·克拉克說。
一些新的研究正在關注諸如氣候引起的農業衝擊如何影響全球市場、食品價格和土地利用；洪水風險與社會決定採取的防洪措施之間的關係；擴大水庫實際上如何在乾旱期間加劇缺水；以及氣溫上升與暴力之間的聯絡。
其中一項仍在審查中的研究，研究了颶風哈維如何影響休斯頓的道路網路，從而影響了人們在風暴期間獲得急救服務的機會。在這項研究中，研究人員使用洪水資料和建模來分析居住在兩個不同社群的人們在風暴期間的不同時間是否有道路通往消防站和醫院。他們還研究瞭如果正常路線被封鎖，人們前往這些急救服務機構的時間會延長多少，以及一個平均收入較低的社群是否遭受了更大的道路通行中斷。“這就是我們想要強調的事件鏈，”普林斯頓大學洪水風險管理研究員阿凡提卡·戈裡說。她希望此類研究能夠為急救人員提供更好的資訊，讓他們瞭解在哪裡投入有限的資源，並幫助城市規劃人員積極應對諸如颶風哈維之類的事件。例如，他們可以改進特定社群的疏散計劃，並在大風暴來襲時為急救車輛提供更好的路線資訊。
在複雜性中做出選擇
但是專家指出，這類研究極具挑戰性。單獨模擬一個系統已經足夠困難，更不用說將其與一系列其他系統聯絡起來了。模擬問題各個方面（例如降雨或道路如何被淹沒）所需的模型可能以完全不同的時間和空間尺度工作。此外，可能需要將來自不同來源的不同資料拼接在一起。而且，一般來說，問題越複雜，執行模擬所需的計算機功率和時間就越多。更復雜的是，一個研究團隊可能包括社會科學家、自然科學家、工程師和其他領域的專家，他們都使用自己的技術語言和方法進行工作。
不斷改進的模型、提高計算機能力以及機器學習等技術的進步將有助於推動一些進展，並且將從目前正在進行的早期研究中吸取經驗教訓。科學家可能還需要將未來情景的模擬與專家訪談相結合，以幫助用當地的實地經驗來補充預測。
除了研究之外，科學家還需要幫助決策者理解所有這些複雜性，並在此基礎上做出選擇。例如，由於海平面上升的預測是不確定的，專家可以幫助社群建造一個可調節的防洪屏障。好訊息是，包括紐約市和波士頓在內的一些地方已經開始在為應對氣候變化做準備時考慮複雜系統。“他們正在對海平面上升、風暴潮、港口和海岸線的特定地理特徵以及處於風險中的基礎設施之間的相互作用進行復雜建模，”賈內託斯說。“當他們考慮如何適應時，他們正在考慮許多不同的維度。”
儘管如此，專家們承認，他們最終將永遠無法對每一種可能的相互作用組合做出預測，馬赫說。相反，這將是一個改進可用資訊以在儘可能的情況下更好地決定採取哪些行動的問題。“我們仍然需要做出決定，”她說。“我們不能讓複雜性麻痺我們。”