摘要

一些復(fù)雜社會生態(tài)系統(tǒng)的突變可以通過觀測其在跨越臨界點前承受壓力增大時的行為來預(yù)測。盡管在識別能提供臨界點早期預(yù)警信號（EWS）的統(tǒng)計指標(biāo)方面已取得顯著進(jìn)展，但這些指標(biāo)尚未在管理實踐中得到直接應(yīng)用。在此，我們構(gòu)建了一個早期預(yù)警系統(tǒng)（EWSys）理論模型，將EWS信息整合到簡易決策流程中。該模型包含一個臨界指標(biāo)（其數(shù)值隨系統(tǒng)逼近臨界點而遞增）和一個觸發(fā)閾值（超過該值即發(fā)送二元EWS信號）。我們證明：雖然EWSys能通過更新對臨界點位置的認(rèn)知來幫助平衡突變風(fēng)險，但若未收到預(yù)警信號，反而可能導(dǎo)致更冒險的行為。這就形成了"更精準(zhǔn)的臨界點定位信息"與"更高的臨界跨越風(fēng)險"之間的張力。我們的研究框架通過闡明如何、何時及為何能運用韌性指標(biāo)改進(jìn)決策，為構(gòu)建人地復(fù)合系統(tǒng)韌性指標(biāo)體系提供了重要補充。

關(guān)鍵詞：災(zāi)難性制度轉(zhuǎn)變（Catastrophic Regime Shifts）、早期預(yù)警信號，臨界點（Tipping Points），實驗，學(xué)習(xí)，經(jīng)濟學(xué)

集智編輯部丨作者

論文題目：Do early warning signals of tipping points lead to better decisions? 發(fā)表時間：2025年4月9日 論文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/abs/10.1098/rsif.2024.0864 期刊名稱：Interface

近年來，亞馬遜雨林退化、大西洋環(huán)流減弱等生態(tài)系統(tǒng)的“臨界點”風(fēng)險引發(fā)廣泛關(guān)注。這些系統(tǒng)一旦越過臨界點，可能將發(fā)生不可逆的災(zāi)難性轉(zhuǎn)變。盡管已經(jīng)有開發(fā)出一些基于統(tǒng)計指標(biāo)的早期預(yù)警信號（EWS），例如自相關(guān)性和方差的異常變化，但這些工具尚未有效應(yīng)用于實際管理決策。近期發(fā)表于 Journal of the Royal Society Interface 的研究通過構(gòu)建理論模型，首次揭示了早期預(yù)警系統(tǒng)（EWSys）在決策中的雙重作用：它既能幫助規(guī)避風(fēng)險，也可能因“未觸發(fā)警報”的誤判而鼓勵冒險行為。這一發(fā)現(xiàn)為理解生態(tài)管理與人類行為的復(fù)雜關(guān)系提供了全新視角。

研究框架：早期預(yù)警系統(tǒng)如何影響決策？

研究團隊考慮了一個簡單的決策理論模型，其目標(biāo)是在不超過臨界點的情況下最大化使用社會生態(tài)系統(tǒng)（例如漁業(yè)）的潛在收益。構(gòu)建了一個包含科學(xué)機構(gòu)（監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)）和決策者（選擇行動強度）的雙主體模型（圖1）。科學(xué)機構(gòu)通過統(tǒng)計指標(biāo)（如自相關(guān)性）持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)指標(biāo)超過預(yù)設(shè)的觸發(fā)值（Trigger Value, θ）時，向決策者發(fā)送二進(jìn)制的預(yù)警信號（EWS）。決策者則根據(jù)是否收到信號，動態(tài)調(diào)整行動策略（如漁業(yè)捕撈強度）。

模型的核心矛盾在于：風(fēng)險與信息的博弈。若收到EWS，決策者會降低行動強度以規(guī)避風(fēng)險；但若未收到信號，決策者可能因“系統(tǒng)仍安全”的預(yù)期而加大行動力度，反而增加崩潰風(fēng)險。這種“安全錯覺”的潛在代價，成為早期預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖 1. 一個針對臨界點的簡單預(yù)警系統(tǒng)（EWSys）。決策者需要決定從一個未知臨界點(2)的社會生態(tài)系統(tǒng)中收獲多少(1)。科學(xué)機構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)行為(3)并使用數(shù)據(jù)計算臨界點指標(biāo)。引爆指標(biāo)和觸發(fā)值共同構(gòu)成EWSys(4)，如果臨界指標(biāo)超過觸發(fā)值，則向決策者(5)發(fā)送二進(jìn)制預(yù)警信號，決策者根據(jù)收到的信息調(diào)整后續(xù)動作(1)。

早期預(yù)警系統(tǒng)的雙刃劍影響

通過兩階段決策模型（圖2），研究揭示了EWSys對行為模式的深層影響：

1.短期謹(jǐn)慎，長期分化：在第一階段，決策者因預(yù)警可能性的存在，傾向于選擇比無預(yù)警系統(tǒng)時更保守的行動（如減少捕撈量）。若收到EWS，第二階段行動維持保守；但若未收到信號，決策者可能顯著提高行動強度。

2.總體風(fēng)險的不確定性：盡管預(yù)警系統(tǒng)提升了經(jīng)濟收益（通過優(yōu)化行動策略），但未觸發(fā)警報時的冒險行為可能導(dǎo)致總崩潰風(fēng)險高于無預(yù)警系統(tǒng)的情況。例如，當(dāng)觸發(fā)值θ設(shè)置過高，即對應(yīng)系統(tǒng)特異性高但敏感性低，未預(yù)警狀態(tài)下的過度自信可能抵消第一階段的風(fēng)險規(guī)避效果。

圖 2. 一個具有臨界點的社會生態(tài)系統(tǒng)的例子。(a)隨著時間，系統(tǒng)對不斷增加并最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的行為所做出的反應(yīng)。(b)當(dāng)系統(tǒng)接近臨界點時，統(tǒng)計臨界指標(biāo)（如自相關(guān)）增加。在行為水平低的時候，因為系統(tǒng)存在波動，自相關(guān)是負(fù)值。

系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化：

敏感性與特異性之間的博弈

早期預(yù)警系統(tǒng)的效能高度依賴觸發(fā)值θ的選擇（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)：

• 經(jīng)濟收益與風(fēng)險控制存在目標(biāo)沖突：最大化經(jīng)濟價值的θ值（高特異性）通常不同于最小化崩潰風(fēng)險的θ值（高敏感性）。例如，θ=0.1時系統(tǒng)捕獲了94%的崩潰風(fēng)險，但經(jīng)濟收益峰值不在此。

• 決策者偏好決定系統(tǒng)最優(yōu)配置：風(fēng)險容忍度（α）高，或更重視未來收益（折現(xiàn)因子β高）的決策者，傾向于選擇特異性更高的預(yù)警系統(tǒng)，以換取長期收益增長，盡管這可能增加短期風(fēng)險。

圖 3. 二進(jìn)制早期預(yù)警信號（EWS）的發(fā)送原理。(a) 信號函數(shù)表達(dá)了接收EWS的概率與（未知的）臨界點距離之間的關(guān)系。(b) 對于給定的臨界指標(biāo)（此處為自相關(guān)）和一組觸發(fā)參數(shù)（此處從θ=?0.5到θ=0.7），可以推導(dǎo)出一系列信號函數(shù)。當(dāng)與臨界點的距離為0.75個單位時，對于觸發(fā)值為θ=0.7的EWS系統(tǒng)，接收EWS的概率接近0%；對于觸發(fā)值為θ=0.4的EWS系統(tǒng)，概率約為2%；對于觸發(fā)值為θ=0.1的EWS系統(tǒng)，概率約為94%；而對于觸發(fā)值為θ=?0.2和θ=?0.5的EWS系統(tǒng)，概率幾乎為100%。

從預(yù)警到行動，如何跨越“最后一公里”？

該研究首次將統(tǒng)計學(xué)預(yù)警指標(biāo)納入動態(tài)決策框架，揭示了管理復(fù)雜系統(tǒng)的核心矛盾：信息改善未必降低風(fēng)險，反而可能引發(fā)行為適應(yīng)性變化。例如，氣候政策中過早依賴“未達(dá)臨界點”的結(jié)論，可能延緩減排行動。未來研究需進(jìn)一步探索多主體博弈、非二進(jìn)制預(yù)警（如交通燈系統(tǒng)）以及歷史行動累積效應(yīng)的影響。

早期預(yù)警系統(tǒng)的價值不在于完全消除不確定性，而是幫助社會在風(fēng)險與收益間做出知情權(quán)衡（Informed Trade-off）。這一洞見為生態(tài)保護、公共衛(wèi)生和金融風(fēng)險監(jiān)管提供了普適性啟示——最好的決策工具，是理解人性與科學(xué)規(guī)律的結(jié)合。

地球系統(tǒng)科學(xué)讀書會

世界氣象組織《2023年全球氣候狀況》報告確認(rèn)2023年是有觀測記錄以來最暖的一年。氣候變化正在以高溫、干旱、洪水、野火和沙塵暴等極端天氣的形式吸引人們的廣泛關(guān)注。世界經(jīng)濟論壇《2024全球風(fēng)險報告》將氣候變化作為首要值得關(guān)注的風(fēng)險。地球作為一個多要素、非線性的開放復(fù)雜系統(tǒng)，要素間相互作用關(guān)系復(fù)雜，往往牽一發(fā)而動全身。在人類活動深刻影響下，我們該如何理解并有效應(yīng)對正在面臨的氣候變化以及其帶來的社會經(jīng)濟等一系列議題，實現(xiàn)人類與地球的可持續(xù)發(fā)展？

為了能夠深入理解人類世背景下地球系統(tǒng)各要素之間復(fù)雜的相互作用與演化機制，并為人類應(yīng)對未來的地球系統(tǒng)科學(xué)重大挑戰(zhàn)提供一套科學(xué)的認(rèn)知框架，集智俱樂部聯(lián)合清華大學(xué)講席教授陳德亮、北京師范大學(xué)教授樊京芳、東莞理工學(xué)院特聘副研究員陳愛芳、南開大學(xué)副教授戴啟立老師和愛爾蘭都柏林大學(xué)博士生班嶄共同發(fā)起，將組織大家從新的研究范式出發(fā)梳理相關(guān)文獻(xiàn)，并深入研讀其中涉及的理論與模型。

詳情請見：

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