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氣候變化是21世紀(jì)人類社會(huì)最大的威脅，并且這種威脅是多風(fēng)險(xiǎn)互聯(lián)的。

建立自然-社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合的地球系統(tǒng)模型，不僅是科學(xué)制定和評(píng)估碳中和實(shí)現(xiàn)路徑的重要工具，也是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)數(shù)字設(shè)施。

張人禾院士

中國科學(xué)院院士

復(fù)旦大學(xué)黨委常委、副校長、特聘教授

復(fù)旦大學(xué)研究生院院長

復(fù)旦大學(xué)大氣科學(xué)研究院院長、

大氣與海洋科學(xué)系主任

在2023復(fù)旦管院新年論壇上的演講

大氣科學(xué)在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中的作用

非常高興能參加復(fù)旦管院新年論壇。我是復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系的張人禾，本次向大家報(bào)告的題目是“大氣科學(xué)在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中的作用”，報(bào)告內(nèi)容分為以下五部分：引言、大氣科學(xué)中與碳中和有關(guān)的一些科學(xué)問題、大氣科學(xué)與碳中和涉及的能源轉(zhuǎn)型、大氣科學(xué)與實(shí)現(xiàn)碳中和的影響評(píng)估、結(jié)束語。

碳中和問題的起因與定義

首先介紹一下引言，主要涉及碳中和的起因與定義。碳中和問題的起因是人類活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體，引起大氣中溫室氣體的增加，導(dǎo)致全球氣候變暖，這些溫室氣體包括二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等，但最主要的溫室氣體是二氧化碳。全球年平均氣溫自1850-1900年的工業(yè)化時(shí)期以來不斷增高，可以看到目前為止大約升高了1度。不同來源的資料都證實(shí)了全球溫度在增高，在高緯度地區(qū)增暖的幅度更大，陸地的增暖幅度要高于海洋。

未來氣溫會(huì)怎么變呢？這里也給出了兩張圖。

左面這張圖是我們現(xiàn)在相對(duì)于1986-2005年平均氣溫預(yù)估的未來氣溫變化，圖中不同的曲線代表不同的人類活動(dòng)強(qiáng)度影響，其中主要的影響是向大氣中排放的二氧化碳數(shù)量。可以看到在高排放情景下，到本世紀(jì)末可以升高到8度左右；而在低排放情境下，升溫也比較低。如果人類活動(dòng)引起的溫室氣體排放控制得很好，溫度到2040年左右達(dá)到峰值以后就會(huì)下降，但如果我們不加控制的話，未來的氣溫還將再繼續(xù)升高，溫室氣體排放越多，增溫幅度越大。

右邊這張圖給出本世紀(jì)末全球地表溫度的變化，分別對(duì)應(yīng)兩種未來情景，也就是中等強(qiáng)度人類低活動(dòng)情景和高強(qiáng)度人類活動(dòng)情景。從這兩種情景下全球溫度的分布我們也可以看到，溫度都在增加，陸地增加更大，海洋相對(duì)來講增溫偏弱，在高緯度增加的更多。也就是說人類活動(dòng)不僅造成現(xiàn)在的氣候變暖，并且如果我們對(duì)人類活動(dòng)不加限制的話，未來全球溫度還將繼續(xù)增高。

在2021年世界經(jīng)濟(jì)論壇的全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告中，位列第一的是氣候行動(dòng)失敗，第二是傳染病，第三是生計(jì)危機(jī)……這些危機(jī)有社會(huì)的、有自然系統(tǒng)的，但每一種危機(jī)都不是單獨(dú)存在的。比如排在第一的氣候行動(dòng)失敗，幾乎會(huì)關(guān)聯(lián)到所有的其他危機(jī)。也就是說，氣候變化是21世紀(jì)人類社會(huì)最大的威脅，并且這種威脅是多風(fēng)險(xiǎn)互聯(lián)的。2020年末聯(lián)合國舉辦了世界氣候峰會(huì)，聯(lián)合國秘書長古特雷斯在峰會(huì)上曾呼吁全球進(jìn)入“氣候緊急狀態(tài)”。

而回到我們之前說的碳中和。什么是碳中和？即大氣中碳的收支要相抵，也就是說排入大氣的碳和自然系統(tǒng)能夠吸收的碳達(dá)到平衡，大氣中的二氧化碳不再增加。

那么，人類活動(dòng)產(chǎn)生的碳源有哪些？一個(gè)是能源生產(chǎn)中使用的化石燃料的燃燒，另一個(gè)就是人類破壞自然環(huán)境，如砍伐樹木等也會(huì)造成碳的排放。這些排放出來的碳會(huì)儲(chǔ)存在自然環(huán)境里，其中大氣儲(chǔ)存了46%，此外陸地大約儲(chǔ)存了31%，海洋儲(chǔ)存了23%左右。我們可以看到人類活動(dòng)產(chǎn)生的這些碳源所排放的二氧化碳，最后還是要回歸自然系統(tǒng)之中。碳中和是涉及大氣中碳的收支問題，因此是典型的大氣科學(xué)問題。碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)涉及到大氣科學(xué)與陸地（包括生態(tài)），還有海洋科學(xué)之間的學(xué)科交叉。

大氣科學(xué)中與碳中和有關(guān)的

一些科學(xué)問題

接下來，向大家匯報(bào)一下大氣科學(xué)中與實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)有關(guān)的一些科學(xué)問題。剛才我們說到人類活動(dòng)排出來的碳，最終會(huì)儲(chǔ)存到大氣、陸地和海洋三個(gè)系統(tǒng)之中，但碳在每個(gè)系統(tǒng)中的含量不是固定不變的。我們剛才雖然給出了碳在每一個(gè)系統(tǒng)中的份額，但這種份額是平均量，在每一部分中的比例會(huì)發(fā)生變化。大氣、陸地、海洋之間存在碳的相互交換過程，大氣里的碳可以到海洋、陸地中去，海洋、陸地里的碳也可以進(jìn)入大氣中，海洋和陸地二者的碳也能夠相互交換。在科學(xué)上將大氣與海洋和陸地之間碳的相互交換過程稱作碳循環(huán)。

碳的交換和不同系統(tǒng)本身的狀態(tài)有關(guān)。因此我們要理解碳中和的過程，需要知道大氣中到底有多少碳，因此必須要認(rèn)識(shí)氣候變暖背景下大氣、陸地和海洋之間碳的變化，還要知道它們之間的碳循環(huán)過程。這一點(diǎn)現(xiàn)在并不是很清楚，可以說是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)第一個(gè)與大氣科學(xué)直接相關(guān)的問題。

第二個(gè)科學(xué)問題，就是建立數(shù)值模型，更準(zhǔn)確地說，是建立海陸氣耦合的大氣溫室氣體的數(shù)值模擬和數(shù)值預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)。由于觀測(cè)站點(diǎn)有限，僅靠觀測(cè)是無法知道碳在大氣、海洋和陸地的精確分布、碳循環(huán)過程及其時(shí)間變化，因此需要建立數(shù)值模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海-陸-氣過程與溫室氣體排放源、吸收匯、區(qū)域和全球溫室氣體變化、以及區(qū)域之間傳輸?shù)臏?zhǔn)確測(cè)算并預(yù)測(cè)未來變化。

第三，我們要建立大氣、陸地、海洋界面的物理、化學(xué)、生物過程的一體化觀測(cè)系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)各圈層的相互作用，以及物質(zhì)和能量交換過程。目前我們對(duì)陸氣、海氣界面的觀測(cè)總體上比較匱乏，特別是在海洋上，并且現(xiàn)在使用的算法也需要去改進(jìn)，這是我們?cè)诖髿饪茖W(xué)方面需要解決的第三個(gè)問題。

第四個(gè)問題是建立社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，認(rèn)識(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間的相互作用，并在一體化動(dòng)力學(xué)模型中實(shí)現(xiàn)雙向耦合。我們說的碳中和問題不僅僅是自然系統(tǒng)問題，跟人類活動(dòng)有密切關(guān)聯(lián)。例如，跟全球氣候變暖密切相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包括能源、金融、保險(xiǎn)、水資源、食品、農(nóng)業(yè)、交通、運(yùn)輸、旅游、健康等行業(yè)。地球自然系統(tǒng)的變化又會(huì)反過來影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，二者是相互作用的，因此要建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型來刻畫二者之間的相互作用。所謂動(dòng)力學(xué)的模型，就是給出自然系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)作用于氣候的作用力及其產(chǎn)生的變化，這個(gè)作用力不僅來自經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)，還來自地球的自然系統(tǒng)。實(shí)際上到目前為止都沒有一個(gè)完善的模型，包括中國在內(nèi)的世界許多國家都在做這方面的研究。

還有一個(gè)是需要準(zhǔn)確預(yù)估未來的氣候變化，剛才提到對(duì)未來氣候變暖的預(yù)估，但是自然系統(tǒng)中的海氣耦合系統(tǒng)有長達(dá)幾十年的時(shí)間周期變化，我們叫做多年代際變化。

比如說海氣耦合系統(tǒng)中的AMV，即大西洋多年代際濤動(dòng)，這個(gè)濤動(dòng)使得整個(gè)北大西洋的海溫有幾十年的周期變化；在太平洋也有這樣的現(xiàn)象，叫做IPV，即多年代際太平洋濤動(dòng)，北太平洋跟熱帶太平洋之間反向的變化同樣有長達(dá)幾十年的周期。目前預(yù)估的未來氣溫變化不能很好地反映出這些多年代際變化，如果我們?cè)陬A(yù)估模式里把AMV和IPV變化加進(jìn)去，可以看到模擬的結(jié)果（藍(lán)線）和觀測(cè)到的結(jié)果（黑線）變得非常一致。

考慮和不考慮自然系統(tǒng)多年代際變化的溫度預(yù)估差能差到多少呢？我們可以看到最大的差不多有0.3–0.2度，這個(gè)差異是比較大的。因此在考慮大氣中溫室氣體變化造成的增溫效應(yīng)時(shí)，我們需要考慮自然系統(tǒng)的多年代際變化，但這類多年代際變化在我們目前的預(yù)估里并沒有很好的體現(xiàn)，這是準(zhǔn)確預(yù)估溫室氣體增加造成的未來氣候變化需要考慮的問題，也是大氣科學(xué)中與碳中和有關(guān)的一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題。

大氣科學(xué)與碳中和

涉及的能源轉(zhuǎn)型

我們來看一下大氣科學(xué)與碳中和涉及的能源轉(zhuǎn)型。實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵是能源轉(zhuǎn)型，即實(shí)現(xiàn)使用清潔能源為主。清潔能源是什么呢？目前最主要的一個(gè)是風(fēng)能，另一個(gè)是太陽能。太陽能就是利用太陽光，把光能轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)際上太陽輻射受大氣中的云和氣溶膠等影響。風(fēng)能的產(chǎn)生更是決定于大氣的狀態(tài)，包括大氣低層的風(fēng)速，還有風(fēng)向等。因此現(xiàn)在要利用清潔能源，建立太陽能和風(fēng)電場(chǎng)、電力調(diào)度控制，以及電網(wǎng)平衡、成本估算，都需要建立精細(xì)化大氣數(shù)值模式，開展太陽輻射和風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)。

大氣狀況還涉及能源安全問題，比如水利發(fā)電與大氣降水有密切的聯(lián)系，我們知道剛過去的2022年夏天，整個(gè)川渝地區(qū)、長江流域降水減少導(dǎo)致的干旱引起了發(fā)電量的嚴(yán)重不足，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活造成重大影響；還有大氣溫度的高低對(duì)能源的消耗也起到非常重要的作用。因此天氣和氣候變化對(duì)能源的生產(chǎn)和消耗是至關(guān)重要的，應(yīng)該要加強(qiáng)天氣和氣候變化研究，提升預(yù)報(bào)能力，這是保證能源安全和有效供給所必須進(jìn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。

另外，涉及能源安全、與大氣科學(xué)有關(guān)的是極端天氣氣候事件，極端天氣氣候事件對(duì)能源的生產(chǎn)和供應(yīng)會(huì)產(chǎn)生重大影響。這里給出了幾個(gè)例子，2022年夏季大家深有體會(huì)的就是中國東南部極端高溫事件對(duì)電力供應(yīng)的影響，在全球其他地方，包括在北極也可以看到有創(chuàng)記錄的極端高溫事件；2008年1月，我國南方遭遇冰凍雨雪災(zāi)害天氣，整個(gè)電力設(shè)施幾乎都被毀壞；還有就是2021年2月在美國東部百年一遇的極冷天氣，使得美國東部一些地區(qū)的電力系統(tǒng)、整個(gè)能源系統(tǒng)全部崩潰。

目前來看，近幾十年來極端天氣氣候事件增多增強(qiáng)，因此我們需要加強(qiáng)極端天氣氣候事件的成因、影響以及預(yù)報(bào)的研究，這也是保證能源安全的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作。

實(shí)現(xiàn)碳中和將帶來的影響

第四個(gè)方面，我向大家來報(bào)告一下大氣科學(xué)與實(shí)現(xiàn)碳中和的影響。

我們知道氣候變暖是由于人類活動(dòng)向大氣中排放二氧化碳以及其他的溫室氣體導(dǎo)致的。氣候變暖不僅是大氣溫度的變化，剛才我們看到海洋也在變暖，還有極端降水和極端氣溫都在增加、北極海冰范圍和全球冰川減少、海平面上升等。實(shí)際上人類活動(dòng)引起的氣候變暖會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生一系列的沖擊。

現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)所謂的碳中和，減少溫室氣體排放，我想首先應(yīng)對(duì)其可能的后果有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)?？紤]實(shí)現(xiàn)碳中和的過程會(huì)造成什么樣的自然環(huán)境變化，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等一切人類社會(huì)的發(fā)展都是至關(guān)重要的。

現(xiàn)在的研究大量集中在氣候變暖對(duì)公眾健康的影響上，我們可以看到氣候變化導(dǎo)致的極端天氣、海平面上升、生態(tài)系統(tǒng)的變化，可以導(dǎo)致一系列的跟健康有關(guān)的環(huán)境問題，包括高溫、惡劣天氣、空氣污染、過敏反應(yīng)等等，這些環(huán)境變化會(huì)影響人體健康。最近幾年，全球疾病負(fù)擔(dān)也是不斷在增加的。因此我們還需要知道碳中和的實(shí)現(xiàn)過程所導(dǎo)致的氣候變化對(duì)公眾健康到底有什么影響，會(huì)帶來什么風(fēng)險(xiǎn)。

另外就是碳中和過程導(dǎo)致的氣候變化對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響，現(xiàn)在我們?nèi)绻刂铺寂欧胖钡綄?shí)現(xiàn)碳中和，由此導(dǎo)致的氣候變化到底對(duì)經(jīng)濟(jì)會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與天氣氣候有密切聯(lián)系，我這里引用了兩個(gè)報(bào)告，一個(gè)是德國經(jīng)濟(jì)議題觀察家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）撰寫的《氣候經(jīng)濟(jì)學(xué)》，他指出天氣在全世界4/5的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中扮演著決定性的角色；還有一個(gè)是英國的經(jīng)濟(jì)學(xué)家尼古拉斯·斯特恩(Nicholas Stern)，他在2006年出版的《斯特恩報(bào)告》里指出，不斷加劇的溫室效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其嚴(yán)重程度不亞于世界大戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)大蕭條。但是碳中和過程所造成的氣候變化到底對(duì)經(jīng)濟(jì)有多大的影響、有哪些風(fēng)險(xiǎn)，我們現(xiàn)在實(shí)際上是不清楚的，需要加強(qiáng)研究。

通過加強(qiáng)研究

推動(dòng)碳中和目標(biāo)更好地實(shí)現(xiàn)

最后，我來講一下結(jié)束語。首先，大氣與陸地和海洋之間的碳循環(huán)及其介面之間的物質(zhì)和能量交換過程，以及地球自然系統(tǒng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的相互作用研究，是大氣科學(xué)與其他學(xué)科之間的深度交叉研究，是深入認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵所在，也是涉及碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。對(duì)于這些科學(xué)挑戰(zhàn)，我們目前還給不出比較好的答案。

第二點(diǎn)是，建立自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合模型，不僅是科學(xué)制定和評(píng)估碳中和實(shí)現(xiàn)路徑的重要工具，也是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)數(shù)字設(shè)施。現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)數(shù)字地球建設(shè)，上海也在建設(shè)數(shù)字化城市，自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合模型將建立經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展模型，將自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)數(shù)字化，這將會(huì)成為數(shù)字地球的重要組成部分。

第三點(diǎn)是，認(rèn)識(shí)碳中和過程中的氣候變化及其影響，這是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。各個(gè)國家都在減排和進(jìn)行能源替代，因此我們尤其要知道這一過程對(duì)氣候變化有什么影響，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和公眾健康有什么潛在風(fēng)險(xiǎn)，這也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。

我的報(bào)告就到此結(jié)束，謝謝大家。