复旦大学：穆穆 院士-确定性天气预报和气候预测的幻灭与新生

洛伦兹1963年发现的“非线性系统的确定性混沌”，标志着非线性科学的诞生。自此以“蝴蝶效应”表征的预报对初值的敏感性，掀起了一场长达半个多世纪，跨越多学科领域的科学革命。

本文解读“蝴蝶效应”的经典论文，不仅可以理解先驱们如何在有限条件下挑战无限未知，诞生经典，而且可以了解经典思想如何启迪后人跳出既有框架，破解创新思维密码，实现跨学科创新。

洛伦兹的确定性混沌理论，使人们认识到即使初始存在不可觉察的微小误差，也可导致无法对未来任意时刻状态做出可接受的预测。正是该认识，撼动了经典物理的“确定性意味着一切均可预测”观点，促使气象学家从追求“长期预测”向讨论“究竟可预报多长时间”，从试图“完美预测”向科学“量化预报不确定性”的转变，从根本上推动了天气预报，乃至随后的气候预测范式的改变，而且深刻影响了数学、生物学和经济学等学科，甚至渗透到文学、艺术、历史, 以及社会治理领域等，从而造就了著名的洛伦兹混沌理论。

结论及展望

当洛伦兹在1963年发现“非线性系统的确定性混沌”时, 他或许未曾料到, 这只偶然扇动翅膀的“蝴蝶”，竟会掀起一场长达半个世纪，跨越多学科领域的风暴。洛伦兹混沌理论不仅促使数值天气预报从“完美预测”转向“科学量化预报不确定性”，使得数值天气预报与气候预测在科学理性的道路上健康发展，还深刻影响了数学、生物学和经济学等学科。如在数学中，混沌理论不仅革新了动力系统、几何学和数值分析等传统数学分支，还催生了分形几何等新兴领域，并促使数学家重新思考确定性与随机性的关系，其影响持续渗透到现代数学的前沿问题中，如量子混沌，信息动力学等，成为链接纯粹数学和应用科学的重要桥梁；在生物学中，混沌理论重塑了生物学对“复杂性”和“不确定性”的认知，厘清了生物系统的内在随机性实为确定性混沌的结果，推动了复杂系统科学、生物数学和计算生物学等领域的兴起；而在经济学领域，混沌理论的引入改变了传统认为经济发展过程是周期性波动，而股市价格变动是随机趋势的观点，并催生了新一代经济建模与政策仿真工具。此外，洛伦兹混沌理论也广泛渗透到文化、艺术、历史甚至社会治理领域，形成了独特的思想辐射。“蝴蝶效应”已成为文学和影视作品中探讨因果链、偶然性与宿命的核心隐喻, 如电影《蝴蝶效应》(2004)通过主角回溯微小选择改变了人生轨迹的情节，直观展现了混沌理论的“初始条件敏感性”的哲学内涵。

预测未来是人类文明亘古不变的追求，而建立在现代科学理论和方法基础上的预测实践，若从牛顿力学精确计算行星轨道开始，其历史不过三百余年。在这片科学预测的百花园中，数值天气预报与短期气候预测自上世纪中叶陆续获得成功实践，犹如一株傲然绽放的奇葩，彻底革新了人类对大气系统的认知范式，而洛伦兹提出的混沌理论及其可预报性研究，恰似一把开启认知新维度的钥匙。随着大气科学理论的迭代更新、观测技术的革命性突破以及预测模型的持续优化, 这一理论体系始终焕发着蓬勃生机：其一，它如同灯塔, 警示科学界必须恪守自然规律的边界，任何超越科学原理的预测苛求都无异于建造空中楼阁；其二，通过基础研究，全面完整地理解洛伦兹混沌理论，并发展和深化，进而用于指导观测与预报实践，也是当代学界的责任。

站在当代科学发展的维度审视，洛伦兹开创的天气预报与气候预测研究，其价值早已超越单一学科疆域。无论是地球科学领域的地震预测难题，还是更广阔的自然科学与社会科学预测课题，这套融合确定性规律与随机性本质的理论框架, 都将持续提供弥足珍贵的范式参考与方法论启迪。

引用本文:

穆穆, 段晚锁, 秦晓昊. 2025. 确定性天气预报和气候预测的幻灭与新生: 洛伦兹经典混沌论文解读. 中国科学: 地球科学, 55(10): 3541–3551, doi: 10.1360/SSTe-2025-0253

Citation:

Mu M, Duan W, Qin X. 2025. Disillusionment and rebirth of deterministic weather forecasting and climate prediction: A perspective on the Lorenz’s chaos theory. Science China Earth Sciences, 68(10): 3407–3417, https://doi.org/10.1007/s11430-025-1714-8

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