气候、物质、生命和经济中时间尺度的多样性

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英文标题：
《Multiplicity of time scales in climate, matter, life, and economy》
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作者：
Bernhelm Booss-Bavnbek, Rasmus Kristoffer Pedersen, Ulf R{\\o}rb{\\ae}k
  Pedersen
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最新提交年份：
2020
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英文摘要：
  This topic review communicates working experiences regarding interaction of a multiplicity of processes. Our experiences come from climate change modelling, materials science, cell physiology and public health, and macroeconomic modelling. We look at the astonishing advances of recent years in broad-band temporal frequency sampling, multiscale modelling and fast large-scale numerical simulation of complex systems, but also the continuing uncertainty of many science-based results.   We describe and analyse properties that depend on the time scale of the measurement; structural instability; tipping points; thresholds; hysteresis; feedback mechanisms with runaways or stabilizations or delays. We point to grave disorientation in statistical sampling, the interpretation of observations and the design of control when neglecting the presence or emergence of multiple characteristic times.   We explain what these working experiences can demonstrate for environmental research.
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中文摘要：
本主题回顾交流了关于多个流程交互的工作经验。我们的经验来自气候变化建模、材料科学、细胞生理学和公共卫生以及宏观经济建模。我们回顾了近年来在宽带时频采样、多尺度建模和复杂系统的快速大规模数值模拟方面取得的惊人进展，但也看到了许多基于科学的结果的持续不确定性。我们描述和分析了依赖于测量时间尺度的特性；结构失稳；引爆点；阈值；滞后现象；具有失控、稳定或延迟的反馈机制。我们指出，当忽视多个特征时间的存在或出现时，在统计抽样、观察结果的解释和控制设计中会出现严重的方向性障碍。我们解释了这些工作经验可以为环境研究证明什么。
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分类信息：

一级分类：Economics        经济学
二级分类：General Economics        一般经济学
分类描述：General methodological, applied, and empirical contributions to economics.
对经济学的一般方法、应用和经验贡献。
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一级分类：Physics        物理学
二级分类：Pattern Formation and Solitons        图形形成与孤子
分类描述：Pattern formation, coherent structures, solitons
图案形成，相干结构，孤子
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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PDF下载：
--> Multiplicity_of_time_scales_in_climate,_matter,_life,_and_economy.pdf (7.81 MB)

2022-6-24 07:20:05 上传

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关键词：多样性 Quantitative Contribution observations Experiences

气候、物质、生命和经济建模中时间尺度的多样性*BERNHELM BOOSS–BAVNBEK+，RASMUS K.PEDERSEN+，ULF R.PEDERSEN+摘要。本主题回顾交流了有关过程多重性交互的工作经验。我们的经验来自气候变化建模、材料科学、细胞生理学和公共卫生以及宏观经济建模。我们回顾了近年来在宽带时频采样、多尺度建模和复杂系统的快速大规模数字仿真方面取得的惊人进展，但也看到了许多基于科学的结果的持续不确定性。我们描述和分析了依赖于测量时间尺度的特性；结构失稳；引爆点；阈值；滞后现象；具有失控、稳定或延迟的反馈机制。我们指出，当忽视多特征时间的存在或出现时，在统计抽样、观察结果的解释和控制设计方面会出现严重的迷失方向。我们解释了这些工作经验可以为环境研究证明什么。关键词。宽带时间频率测量、反馈、滞后、极限环、多尺度建模、结构不稳定性、阈值、临界点原子治疗化学分类系统ATC代码A10经济文献杂志代码JEL E32AMS主题分类。初级34E13、93A15、93C70；次级82D30、86A10、91B55、92C301。介绍众所周知，特征时间长度之间的差异给数学建模、统计采样和数值模拟带来了困难。

在过去的三十年中，这些难题中的许多已经被高宽带时间频率观测、复杂系统的多尺度建模以及快速大规模科学计算和数值模拟方面的惊人进步所克服。数学、科学和设计界的这些进步令人印象深刻，但我们担心，环境研究中可能缺乏对多尺度方面的重视，相应地，公众对气候、环境、公共卫生和经济挑战的反应中特征时间之间的差异知识不足。忽视问题的多尺度方面可能会在分析和预测趋势、设计对抗、缓解和/或适应手段以及传达威胁和解决方案方面产生误导，请参见第6.1.1节中的结论。政治科学化和科学政治化——胜利与陷阱。多年来，复杂系统的定量测量、科学理论、数学模型和数值模拟激发了环境管理和现实世界许多其他领域的决策。他们阐述了假设的后果、证实或反驳的偏见，并通过设计新方法和替代手段、程序和设计，偶尔扩大决策者的观点。他们的启发价值是无可争议的。*于2020年1月31日举行ARXIV。资助：这项工作得到了CIRCLES-ROSKILDE大学循环经济和可持续性跨学科研究和教育中心的支持。+丹麦罗斯基尔德大学科学与环境系，邮箱260，DK-4000，罗斯基尔德，BOOSS@RUC.DK，HTTPS://ORCID。ORG/0000-0002-8865-7298，RAKRPE@RUC.DK，HTTPS://ORCID。组织/0000-0001-5946-8220，URP@RUC.DK，HTTPS://ORCID。组织/0000-0003-2567-555X。2 B.布斯-巴夫贝克，R。

K、 然而，最近，我们目睹了生态和其他复杂系统决策的科学（“Verwissenschaftlichung”），其中收集了大量数据、断言的理论、复杂的数学模型、广泛的统计回归和时间序列分析，当面临紧急需求和/或公众压力时，巨大的数值模拟往往会做出影响深远的决定。科学的论据导致了所谓的必要性。这一趋势已在许多不同领域表现出来：宏观经济决策（税收和社会保障法规等）、公共卫生（疫苗接种、早期诊断和预防计划）、环境管理（如渔业配额和富营养化恢复），以及可能最直言不讳的气候变化缓解和适应（如巴黎协议）。可以理解，人们对人口群体的既得利益和普遍偏见产生了对基本模型、模拟、预测和处方的客观性和可信性的怀疑，并对其具有误导性表示遗憾。他们指责复杂的数学模型和大型数值模拟是为了隐藏政治议程而设计的社会结构。同样可以理解的是，对于多年来的一场运动来说，基于科学的条款的支持者根据所谓的不可批评的科学的权威行事，这可能会令人痛惜，因为这场运动具有误导性，难以持续。11月30日至12月12日的巴黎协定。2015年给出了一个将温室气体排放量与全球温度挂钩的例子：“将全球平均温度的升高控制在以下oC通过将排放量减少到400亿吨而超过工业化前水平“[1，第1/CP.21号决定，第17条]。

显然，对195个人类成因强迫状态的正式承认是认真对待气候研究人员警告的一个重大进步。然而，有人可能会担心，假设排放量和温度之间存在明确的可量化和定义的联系，这表明估计的可信度比可用数据高得多，现有理论和计算机模拟可以保证此类预测。更糟糕的是，这可能表明，在强制要求扭转这些趋势时，有一种巨大的隐藏的科技力量值得信赖。事实上，过量的排放正在为大气和气候变化研究人员提供实时陆地实验中的大量新数据。年轻的瑞典气候活动家葛丽塔·桑伯格（GretaThunberg）在联合国会议开幕式上告诉世界领导人时，可能无意中引发了类似的担忧“30多年来，科学已经非常清楚……有67%的几率保持在全球气温上升1.5度以下，这是IPCC给出的最大概率，2018年1月1日，全球有4200亿吨二氧化碳排放。”这是一个很好的警告，但如果气候变化研究人员知道的比他们知道的多得多的话，这也是一种误导。政治科学化的胜利导致了科学的政治化，科学家们被诱惑和哄骗来提供图表和方向，而他们应该反对对所选定量数据、复杂数学模型和不透明的利维坦数值模拟的天真信念，以及对否认基本理论和确凿证据的信息不足的怀疑进行反驳。环境、气候、健康和经济变化的统计抽样、数学模型和数值模拟得到了公众的高度关注。

相应的科学政治化也有其自身的缺陷：例如，地球物理学家和气象学家已经离开办公室和实验室，成为传播者，有时违背他们的意愿，成为舆论领袖。他们的模型可以沿着三个轴进行呈现和感知：气候、物质、生活和经济3直观的暗示与反多重时间尺度；现实与幻想；基于科学与推测。作为公众日益关注的焦点，作为意见领袖，他们有义务克制自己的专业想象力和作为科学家的怀疑态度，坚持广泛的令人信服的论据、广泛接受的事实和保守、冷静的估计。虽然我们中没有人是大气物理学家，也没有人活跃在气候建模的其他领域，但在本文中，我们可以自由地专注于反直觉，批评过于简单的现实感知，开放基于简单透明数学模型的推测（见第2.1小节），以及我们对物质的工作经验，生命与经济（见第3至5节）和reachbeyond保守估计。1.2. 本文的结构。在第二节中，我们指出了包括建模在内的多个时间尺度，并给出了智人与地球系统动态相互作用的玩具模型。我们回顾了基本的数学概念，以解释具有不同特征时间尺度的多个过程相互作用的最终结构不稳定性，以及专家-公众沟通中的相关挑战。在第3节中，我们介绍了材料科学的一个典型的多尺度示例，并仔细研究了粘性材料液体动力学计算机模拟中出现的多个时间尺度。

对我们来说，这个案例提供了多重时间尺度出现的最基本和最引人注目的例子。本案例旨在通过指出特征时间的多样性的普遍性以及关注这些时间的指挥需要，支持环境和能源管理中心态的持续变化。在第4节中，我们总结了生命科学的两个多尺度示例。我们强调了活组织中统计取样的挑战，在活组织中，根据时间步长的选择，可以看到不同的过程。我们进一步研究了血液生成和某些血癌发展以及胰腺β细胞双相胰岛素分泌的建模和计算机模拟。对于公共卫生中有意义的特征时间尺度选择的决定性作用，请参考有关传染病建模的文献。在第5节中，我们总结了资本主义宏观动力学的典型多尺度例子，并仔细研究了长期KondratievSchumpeter波的经验数据和嵌入凯恩斯主义短期商业周期的数学模型。

正如在社会系统研究中一样，观察的解释可能取决于，也可能不取决于预设的理论感知或政治目标的应用。在第6节中，我们总结了我们的发现，并就科学、沟通和政治挑战勾勒出一个结论。在附录A中，我们讨论了公众对最基本的多尺度方面的忽视，如多个时间尺度的出现。在每一节中，我们区分（i）局部多尺度问题，其中主要宏观模型必须由微观模型补充，仅限于局部缺陷；二全球多尺度问题，例如，重复的小扰动和反馈可能对全球稳定或不稳定起决定性作用；（iii）演变中的多尺度问题，其中没有需要考虑的模型和尺度的多样性，时间尺度的多样性是动态的一部分。我们提供了具有多个时间尺度的复杂系统的简单显式数学模型，例如，耦合的普通微分方程的简单系统。通过这种方式，我们希望让人们熟悉拥有两个或更多特征时间的反直觉效果。4 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSEN这篇论文是2018年11月28日至29日在联合国哥本哈根市举行的国际可持续性转型会议上发表的综述的扩展版本，可访问http://dirac.ruc.dk/~urp/2018/timescales/oral/。时间尺度和气候变化建模。2.1. 具有两个特征时间尺度的数学玩具模型。2.1.1. 智人与地球系统的动态相互作用。在图1中，我们通过一个关于智人与地球系统动态相互作用的三室玩具模型来可视化挑战。

面对向可持续性转变的严峻任务，关于多时间尺度的技术讨论可能显得相当抽象。谁在乎它们是否存在，是普遍的还是特殊的，是不可避免的还是可以避免的？下面的玩具模型将说明当我们不知道可能的多个时间尺度时，我们可能会做出多大的妥协。通用公共地球系统干扰科学社区-ymFig。1、以平均大气温度T为输出变量的地球气候系统隔间模型，受自然干扰和人为强迫u的影响，由公众在启蒙和政治e的指导下生成，这是在投资者利益r和基于科学的数学建模和模拟ym之间的斗争中形成的。粗略地说，向可持续发展的转变涉及三个部分，即地球系统和智人、公众和科学界的两个部分。车厢地球系统的变化既受控制车厢公众的人为强迫u的影响，也受自然强度的影响，从而产生一个输出变量，这里称为T型温度。为了简单起见，我们这里假设地球系统的状态可以用一个单变量（T）来表示。产出由科学界第三部门进行衡量和分析。隔间公众的活动基本上由箭头e决定，表示启蒙运动和政治。它起源于一个节点，在这个节点上，通过基于科学的数学建模和对科学测量和公共经验的解释，一方自发的、意识形态上或商业上的巨大影响与另一方的影响之间存在着持续的斗争。2.1.2. 公众和科学界之间意识能力不同的情景。

对于我们的玩具模型，我们认为公众和科学界对于输出变量T：=年平均地球温度有着截然不同的认知能力。通常，“普通人”会感受到T的巨大变化，媒体和气候、物质、生活和经济的时间尺度的多重性5教育通常会强调，用数学术语T=ddtT，T的第一个导数。人们会关注不断增长的变化率，而减少变化的忘恩负义者往往会被视为一种放松，即使是在出现积极变化的时候。相反，在数学和科学中，我们会认为输出变量T的持续增加是非常令人担忧的，即使增长率应该下降。令人担忧的原因是，各种反馈回路（如反照率降低和温度升高导致天然甲烷释放增加，见下文）可能会迫使我们的输出变量走上截然不同的轨迹。另一方面，我们知道，例如，重量为1个大气的大气的热容【在】×面积，大约等于平均深度约为4000米的海洋的10米水（重量大致相同）的热容。因此，大气和海洋之间有很大的热交换空间。这种热交换依赖于海洋中缓慢且不太好的阻力。