气候、物质、生命和经济中时间尺度的多样性

在这项多学科调查中，我们通过仔细观察我们自己研究中的显著例子，证实了数学建模中多时间尺度的普遍性。特别是，我们解释了如何从看似简单的模型中产生多个时间尺度，即数学模型，其中既没有时间滞后，也没有事先将振荡长度之间的特征差异转化为方程的形式和系数。我们还证明，相对较小的系数变化可以抑制或支持可能的时间尺度差异。6.1. 多时间尺度和沟通技巧。众所周知，多尺度问题不仅给我们的建模和仿真工具带来了挑战，也给我们的沟通技能带来了挑战。在[8，前言]中，M.Horstemeyer讲述了以下关于集成计算材料工程（ICME）和在工程设计中使用多尺度建模的富有启发性的故事：20世纪90年代中期，在桑迪亚国家实验室（由作者加入的维护美国核武器系统可靠性委员会实验室）工作时，有一个工程机械师、物理学家和材料科学家的会议，他们在讨论应力。会议结束时，他们都同意理解对方的立场。会议结束后，我分别采访了每个人，问他们在讨论压力时的想法。物理学家谈到了压力，压力，压力。这位材料科学家谈到了应变，应变，应变。工程力学研究人员谈到了二阶张量，二阶张量，二阶张量。他们本以为自己在交流，但实际上并没有，因为每个人的学科范式都扭曲了他或她的语义交流。

跨学科研究人员经常会遇到这种情况，因此在与其他在不同范式下接受培训的人讨论从过程到性能的多尺度建模或历史建模时，必须小心。由于这些不同的范式，在这些对话之后不久，我决定在所有不同的长度尺度上进行模拟，并试图理解相关的因果关系，希望我能够理解桥梁概念。。。当具有不同背景的专家很难理解彼此的特征空间或时间尺度时，我们似乎应该与aview一起结束关于向更广泛的受众传达多个时间尺度的挑战的调查。气候、物质、生命和经济中时间尺度的多样性456.2。我们的结果：具有多重时间尺度的模型和模拟可能具有不同的特征。在这篇综述中，我们阐述了在不同背景下具有多个时间尺度的模型的普遍方面。共同的数字挑战以及多特征时间问题的共同方法和解决方案隐藏了我们的主要发现：（见表4）：在不同数学模型和数值模拟的时间尺度之间的差异的起源、出现和意义方面存在一些本质的差异。我们分析了五个案例。我们的出发点是区分作为气候变化建模基础的四个选定过程的特征时间：（i）温室气体排放；（ii）大气的诱导辐射变化；（iii）海洋表面吸收温室气体；（iv）甲烷包合物的深海释放。原则上，（i）的人为部分遵循政治决策的时间表。

（ii）中的复杂性和非线性使得当线性辐射模型不再是可靠近似时，很难确定临界点。根据基础化学，海洋对（iii）的吸收将随着温室气体的增加而加快，而地质学告诉我们，稳定和恢复目前的气候条件可能需要数百万年的时间。关于（四），可以在几个检查点观察到海洋的热量吸收，但在全球范围内没有任何有意义的估计或预测。压力的增加是抵消温度驱动的笼状物释放的因素，可以通过海平面的增加来测量，也可以通过预期的极地冰盖融化来计算。粗略地说，气候变化建模的多尺度特征是由四个相互关联但定性不同的过程与最未知的特征时间的叠加决定的。如前所述，当人们试图考虑进入区域气候变化模型的多个空间尺度时，这种不确定性甚至更加直言不讳。我们的第二个案例是无序材料的玻璃化转变。给定一种物质的电势，我们得到了第二个特征时间的惊人出现，除了在压力和/或温度变化下瞬间有序变化的较小时间之外，图案的形成时间。在这里，时间尺度的多样性并不是不同过程叠加的结果，而是从一个单一模型和随时间演化的模拟中产生的。原则上，还有其他过程在起作用，例如，所考虑的分子的电子永久位置变化背后的量子化学过程。

然而，在材料科学中，这些过程不需要作为一个具有自身特征时间的单独过程纳入，而是可以通过每种化学类型分子的单个势函数有效精确地近似，这与气候变化的情况相反，在这种情况下，仅还原为一个或两个过程会产生误导，不管它的公众传播意图有多好。我们的第三个病例，某种类型的血癌的发展，类似于玻璃化转变：有一种模式是突变和健康的血细胞缓慢混合，直到疾病进展的晚期被诊断出来，才出现令人担忧的症状。这种延迟可能会导致难以进行有效治疗。我们的第四个病例，胰腺β细胞的双相胰岛素分泌，似乎表现出类似的行为，即随着时间的推移，通过运行一个均质过程，出现两个不同的特征时间。然而，更深入的调查显示，至少有两个具有不同特征时间的清晰可区分过程可作为建模的基础。我们的第五个案例，即宏观经济波动中两个特征时间的区别，看起来像是短期凯恩斯主义商业周期的简单叠加，驱动46 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSENTable 4多时间性和结构不稳定性：气候、材料、生命的多尺度数学建模和模拟的共同特征和不同特征，以及经济上的工资过剩或短缺，就业以及长期的熊彼特周期，由世俗的民主或技术创新驱动。但事实并非如此：数据表明，这两种形式上看起来不同的过程之间存在相互作用。

这种相互作用可能导致凯恩斯周期相对较短，熊彼特波在几十年内结构稳定，这与我们在气候、物质、生命和经济的多个时间尺度上的推测很相似47第2.3.2小节，关于甲烷和二氧化碳水平相互作用对地球历史气候可能产生的稳定影响。我们的研究结果表明，政治和社会对气候危机和环境退化的关注，必须辅之以更全面地理解复杂的、具有多重时间尺度的系统的起伏。如果环境科学家、基层和政治行动者没有更广泛的见解，可能很难找到并在较长时间内保持对联合国环境规划署（United Nations Environment Programme）执行主任英格尔·安德森（Inger Andersen）的正确答案，当她在[98，p.xiii]中痛惜“我们集体未能尽早采取有力行动”，并赞扬“政治和社会关注气候危机的程度达到了历史最高水平，青年运动要求我们承担责任”，并给了我们“严峻的选择：要么立即启动我们需要的根本性变革，要么面对一个被气候变化彻底改变的星球的后果。”6.3. 士气。减轻环境和气候变化危害决定性地取决于知情公众的广泛支持。在我们的贡献中，我们指出了气候变化和可持续发展的多重时间尺度。温室气体在大气中迅速积累，辐射模式立即发生变化，而次级效应则缓慢发展，如海洋和永久冻土区域释放的甲烷，以及相反方向的热量和热量的结合和储存，并使海洋变暖。

这些特征时间长度之间的巨大差异不仅在数学建模、统计采样和数值模拟方面存在困难，而且在传播威胁和解决方案时可能会产生误导。此处提交的来自其他领域（材料科学、生物科学和经济）的多尺度建模和模拟的证据表明，忽视问题的多个时间尺度可能会导致短期高估和最终低估，即不祥的狼嚎效应，和/或短期低估和最终高估，由此导致的幼稚的丧失或荒谬的激进主义。附录A.沟通多个时间尺度的出现。A、 1。公众的漠视。关于多尺度问题，我们发现（a）多尺度系统建模和仿真的数学能力，以及（B）公众甚至忽视最基本的多尺度方面，如多个时间尺度的合并，两者之间存在很大差距。zbMATH表示，从大量文献中可以明显看出（A），包括学术期刊、专业教科书[29、30、31、8、32、99]和120本其他教科书以及标题中包含多尺度条目的科学专著https://zbmath.org/?q=ti%3Amultiscale+%26+dt%3 AB&p=1，以及–各种调查文章，如[37100]；o建模的新范式（通常是多尺度问题的复杂数值模拟所要求的），即进行数学建模，即在不同尺度上选择相关方程，与设计E andEngquist在[37，Outlook，p.1069]中阐述的数值算法并行：“…在计算数学的大部分48 B.BOOSS–BAVNBEK，R.K.PEDERSEN和U.R。

我们习惯于想当然地认为模型是给定的，它们是最终的真理，我们的任务是提供分析和解决它们的方法。这使我们远离了现象分析和模型构建的科学前沿。多尺度、多物理建模带来了一种新的范式。这里给出了问题，可以考虑不同细节层次的各种数学模型。在计算过程中，根据精度要求选择合适的方程。这使得数学分析和计算更接近实际的科学和工程问题。在进行计算建模之前，可能不再需要等待科学家开发简化方程。这对计算科学和应用数学来说是一个令人兴奋的新机会。它将使应用数学更接近数学的其他领域，例如数学物理和概率论。它还将使这些领域更接近科学的前沿。”用于核武器设计验证和验证目的的多尺度建模和仿真，使《限制地下核武器试验条约》（也称为《门槛试验禁止条约》（TTBT）于1990年生效，参见Mark Horstemeyer在[8，第1.3节，第4f页]中回顾的关于多尺度建模和仿真的历史和可靠性方面的内容。2016年的一项大型研究【101】证明了权利要求（B）。作者发现，1评估葡萄牙高等教育机构学生对气候变化的认知和理解，并调查其他国家的研究。普遍关注气候变化（CC）与受访者的个人或政治态度之间缺乏相互关系；2.

不同的，但大多是低水平的物理理解；3、对动态和特征时间尺度没有任何感觉，例如，当受访者混合存在、近期和进一步发展时。对于学术青年来说，就这么多了。对于另一个群体，即金融市场的投资者，我们可以得出类似的忽视气候变化和可持续性转变的多个时间尺度的结论。英国《金融时报》资本市场调查者凯特·艾伦（KateAllen）在文[102]中报道：绿色债券的销售在经历了几年的快速增长后，仍步履蹒跚。根据信用评级机构穆迪（Moody\'s）的研究，在截至2018年9月底的三个月内，全球发行人出售了316亿美元的绿色债券。这比第二季度的价格低了30%，比2017年同季度的385亿美元下降了18%。穆迪最初预测，2018年绿色债券销售额将达到2500亿美元，比去年创纪录的1630亿美元有可观的增长。英国石油公司经济学家S.Dale在《英国石油公司年度世界能源统计评论》中，给出了2017年世界煤炭消费量增长1%的相关图片，自2013年以来，全球煤炭消费量每年下降1%，能源消费排放量相应增加1.5%，以及过去20年来电力部门燃料结构几乎没有任何改善。Dale在[103]中表示：“1998年，煤炭在电力部门的份额为38%，与2017年完全相同”；每吨COI的价格大约为1美元，而为了将温度升高保持在2美元以下，每吨COnow的价格应该为25美元oC根据【104，第316页】于2050年。气候、物质、生活和经济时间尺度的多样性英国《金融时报》首席经济评论员M·沃尔夫（M.Wolf）在第49页【105】中寻求对投资者“可耻”行为的解释。

毫不奇怪，他发现问题的核心在于忽视了多重时间尺度：总之，我们现在需要将世界转向不同的投资和增长路径。这在技术上比我们过去认为的更有可能。但这在政治上极具挑战性。最重要的是，气候变化涉及巨大的分配问题——富国与穷国之间，造成问题的国家与未造成问题的国家之间，对解决方案有影响的国家与没有影响的国家之间，以及今天决策的人与明天支持结果的人之间（作者强调）。自然的倾向要么什么都不做，坚持没有问题，要么同意有问题，而只是假装行动。目前尚不清楚哪种形式的混淆更糟糕。这里不是讨论这是否是经济理性（更准确地说，是资本家的利益取向）与环境、科学基础之间的冲突的地方，正如气候正义运动的支持者可能会争论的那样，参见，例如，[106，107，108]——或者仅仅是，如哈佛竞争战略权威M.Porter或W.Nordhaus，2017年诺贝尔经济学理论奖获得者梅·沃尔夫（may）认为沃尔夫（Wolf）是在多个时间尺度上对共同价值观的普遍漠视，参见[109]和[104，Ch.26，“当代囚犯”]。A、 2。科学家能接触到公众吗。为了传播多个时间尺度的出现，我们可以利用科学传播方面的专家。英国研究[110]区分了与科学传播发展相关的三个阶段（有点不吉利的首字母缩略词）：SL科学素养；PUS公众对科学的理解；以及公众参与科学技术（当前的挑战）。类似地，最近的[111，导言，第1-4页]。另一项研究[112，pp。

2002年第106f]号法案回顾了不断涌现的关于公众咨询的正式建议，这些建议将成为做科学的一个组成部分，而不是可选的附加内容。他们用相当尖锐的措辞评论道：“在科学政策仍掌握在科学硕士手中的国家，这似乎是一种异端，游戏是如何限制和排除，而不是参与、倾听和学习。但这不仅仅是一点常识。”他们引用英国文化委员会关于科学民主化的有益报告，列出了一系列必要的先决条件，其中包括：独立的咨询和研究；以及预测、识别和解决冲突的举措。当然，这是传达气候变化多时间尺度的出现和转变为可持续性的宝贵指南，再加上[113]的建议：科学家有义务将其研究成果传达给社会其他人，让人们了解科学进步，最终让他们参与到双向对话中，这样公众不仅了解科学在做什么，而且对正在做的事情也有发言权。A、 2.1。IPCC的紧迫任务。很明显，人们必须感谢IPCC在IPCC 1.5特别报告中所做的选择oC【114】对1.5的严格解释oC全球变暖限制。然而，我们感到遗憾的是，这份报告仅仅描述了实现这一目标的手段和必要的调整，但un50 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSEN揭示了一个令人震惊的事实，即全球变暖正在加速，全球碳排放量没有减少的迹象（见[115]）。