碳中和目标下的若干地球系统科学和技术问题分析

　　摘要碳中和作为21世纪最大规模的有序人类活动，亟待科学应对。文章从地球系统科学角度，讨论了支撑“碳达峰、碳中和”目标的大气、陆地和海洋相关的地球系统科学中的若干科学和技术问题及现存的知识不足。从地球系统模式、气候监测指标、温室气体监测技术、碳源汇核算方法体系等方面，阐述了支撑碳中和的关键技术手段及现存的问题。基于目前存在的挑战和不足，建议深入理解气候系统多圈层相互作用过程和机制，完善地球系统理论与模式，从多圈层角度加强“碳达峰、碳中和”目标和气候变化理论基础;自主构建气候变化监测指标系统，研发温室气体监测与核查手段和平台，为碳中和目标提供先进的技术手段支撑。

　　关键词碳中和，碳源，碳汇，温室气体，气候变化，地球系统模式，气候监测

　　碳排放指以二氧化碳(CO)为代表的人为温室气体排放，其中包括CO和非CO气体，但均以CO当量计。碳达峰是指一定空间范围(如全球或某级行政辖区)内的碳排放年总量在某个时间段呈现为工业化以来的最高峰值。政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出，碳中和是指净零碳排放，即规定时期内人为移除与人为排入大气的CO当量相互抵消[1]。

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　　根据《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》[2]，我国2014年的碳排放量约为11.2Gt(1Gt=10t)CO当量，占同年全球排放量①的大约22.3%，未来实现碳中和所需的碳减排压力远大于任何一个发达经济体。实现碳中和涉及人为减排、能源结构调整、人工碳汇等手段的实施，这些本质上都属于有序人类活动[3]，其目标是包括中国在内的全球各国通过合理安排和组织，在满足社会经济发展需求的同时使自然环境在一定时空尺度内不发生明显退化，甚至能持续好转。

　　在实施层面，人类社会通过降低碳排放的手段进行气候调控属于对自然环境的人工调控或者最优调控问题，也是自然控制论的研究范畴[4]。碳达峰与碳中和涉及诸多亟待解决的重要科学问题，本文主要阐述碳达峰与碳中和目标下地球系统中大气、陆地和海洋相关的若干关键科学问题及知识缺口，以及支撑碳中和的监测和评估方法。面向国家碳中和重大战略需求，科学界亟待解决这些问题，支撑我国建设世界科技强国。

　　1温室气体及全球响应和反馈过程

　　1.1地球系统响应温室气体增加的科学基础及不确定性

　　地表温度对温室气体排放具有接近实时的快速响应(按年计)，长时间尺度的地表温度变化和累积温室气体排放有近线性的关系，即大约550Gt的碳排放会对应1℃的升温。自工业革命以来的温室气体排放累积导致了全球平均气温上升约1.1℃。而未来的温度变化主要取决于未来的排放量，所以《巴黎协定》的2℃控温目标实际上对应了未来的温室气体总排放量：粗略估计只有约500Gt的排放空间[5]。

　　科学界已经明确温室气体排放会导致气温上升[6-8]，并以此作为未来减排目标的主要科学依据。但是，不确定性依然存在[9]，主要来自以下方面：气温对温室气体的响应过程和机制的不确定性，包括碳循环的响应;地球系统中大气、陆地、冰冻圈、海洋等对温室气体的响应及其相互作用;冻土的反馈机制;CO及非CO温室气体的核算及其反馈机制;地球系统的非线性响应及自然变率的贡献等。

　　减小气温对温室气体响应过程和机制的不确定性将为未来精准核算碳收支提供科学基础。除了地表温度上升外，全球变化表现为大气、海洋、陆地、冰冻圈、生物圈等各圈层的系统性变化，包括且不限于：海洋升温和酸化、陆面温度上升、高山冰川和北极海冰范围缩小、格陵兰和南极冰盖质量损失、海平面上升、极端事件加剧等，这些是全球变化的主要判别指标。目前，这些主要的全球性气候指标数据依然被欧美国家的政府机构或研究团体主导，我国的贡献甚少。同时，我国尚未建立关键气候变化核心指标的实时监测平台，这制约了我国施行快速、精准的气候变化政策，也制约了我国对碳达峰与碳中和目标的措施进行绩效评价。

　　1.2全球海洋和大气响应全球气候变化的科学问题及知识缺口

　　海洋的响应和反馈全球变暖90%以上的热量都储存在海洋中。由于巨大的体量和比热容，海洋对温室气体的响应具有延时性[10]。即使碳中和目标可以达成，海洋变暖、海平面上升等依然会持续[8,11]，这对未来适应和减缓气候变化提出了更高的要求。全球海洋物理状态的变化会改变海洋的碳收支(例如，海洋吸收CO的“生物泵”和“物理泵”)，对碳中和目标的实现有重要影响。海水增暖后，其固碳能力会下降。例如，近几十年南大洋内部热含量的增长十分显著[12]，这可能导致南大洋固碳能力减弱[10]。大西洋经圈翻转环流减弱也可能会削弱深对流过程的固碳能力[13]。

　　在碳中和气候状态下，海洋层结上层减弱、中深层加强，这对海洋储碳能力的影响尚不明确。北冰洋海底拥有巨大的碳埋藏量，一方面，北冰洋海水增暖使得这些冰状水合物极易融化分解，从而释放出CO;另一方面，全球变暖导致北极海冰范围缩小，使得海表冷水与大气的接触增加，从而增强海水的储碳的能力，二者最终会导致北极碳收支发生何种变化也不明确。

　　大气的响应和反馈我国碳中和目标的实现主要依赖于科技的进步和经济发展方式的转型，但同时也会受到我国未来气候走向的直接影响。例如，植树造林，以及利用太阳能、风能等新能源都是实现碳中和的重要举措，而在多大程度和范围内能够采取上述举措主要依赖于气温、降水、辐射、风速等基本的天气和气候状况;即使对于传统的水力发电，其在未来的能源供给能力也依赖于气候，特别是降水的走向。在极端天气条件下，如异常的“副高活动”“极涡活动”等带来的大范围风能、光能异常，可能导致大规模电力供应不足问题，如2020年冬季美国得克萨斯州的能源灾难问题。因此，在进行我国碳中和规划和碳汇的估算时必须考虑未来40年内气候走向这一要素。

　　温室气体浓度变化对气候的影响主要分为2类不同时间尺度的过程[14]：受大气CO强迫影响的快速调整过程、受全球平均温度变化影响的缓慢调整过程。在温室气体浓度上升阶段，两者同步增长，该情形下的气候变化研究相对较清楚[15,16];而在下降阶段，全球平均温度的增长将放缓，而科学界对该阶段的气候影响认识不够[10,17]。此外，《巴黎协定》只给出了21世纪的温度控制目标，但实现目标的温室气体排放路径却有很多种可能[18];同时，以不同的温室气体排放路径实现相同的温度目标，气候的响应也存在差异[19,20]。

　　2我国陆地和海洋碳源/汇贡献和不确定性

　　2.1中国陆地生态系统碳源/汇综述陆地生态系统是我国最重要的碳汇之一[24]，系列研究利用不同的模型和方法，估算了我国区域陆地碳汇强度。这些研究对于量化我国陆地碳汇的贡献发挥了重要的作用。例如，Wang等[24]发现2010—2016年我国陆地生态系统年均吸收了同时期人为碳排放的45%，揭示了我国陆地生态圈的巨大碳汇作用。然而，目前对于我国区域陆地碳汇强度估算仍然存在着较大的不确定性，不同研究者对于碳汇强度估算存在明显的差异[24-30]。

　　3地球系统科学支撑碳中和的关键技术手段及现存的关键问题

　　3.1基于地球系统模型模拟和预估气候变化，支撑碳中和路径和目标地球系统模式能够定量刻画大气、陆地、海洋碳循环等地球系统各部分之间的相互作用过程，是认识、理解全球碳循环过程和机制，以及模拟和预估气候变化的核心工具。通过设置不同的碳中和目标约束(如何减排、如何增汇等)，地球系统模式得到最有效、最合理的碳中和路径，从而为寻找碳中和最优科学路径提供强有力的技术和工具支持。

　　当前，我国具有自主知识产权的第二代中国科学院地球系统模式(CAS-ESM2)实现了碳循环和气候的完全耦合[52]，可以模拟地球各主要分系统对不同碳中和路径的响应，包括陆地和海洋碳通量变化、陆表植被和水文变化、气候变化等。然而，当前地球系统模式在功能和性能上还需进一步完善，特别是提升对人为过程、植被动态演变、火干扰、氮循环等过程的描述[53]。

　　3.2天空地一体化温室气体观测系统

　　卫星遥感观测卫星遥感观测可以在碳源汇核查方面发挥重要作用。我国于2016年发射了第一颗CO监测科学实验卫星[54]，又陆续发射风云三号D星和高分五号大气成分监测卫星[55]。由于幅宽较小(10—20km)且重访周期长，国际上现有卫星主要在全球尺度碳源汇反演中发挥作用，还无法满足点源、城市、区域尺度监测需求。

　　4结论和建议

　　实施碳中和目标将是我国21世纪最大规模的人类有序活动，涉及地球系统多圈层相互作用，必将触发地球环境演变，并催生新的科学前沿。本文总结了涉及碳中和的地球系统科学的若干科学技术问题，展望了发展趋势。基于上述讨论，提出3点科学建议。

　　(1)自主构建气候变化监测指标系统，深入理解气候系统多圈层相互作用过程和机制，为碳中和目标 的实现提供科学基础。针对我国尚未建立关键气候变化核心指标实时监测平台的问题，建议积极统筹各方力量，建立我国自主可控的气候变化核心监测指标集和平台，以实现全球气候变化核心数据的自主化并形成国际影响力，动态评估全球气候状况，为应对气候变化提供科学数据基础。对气候系统多圈层相互作用过程和机制的理解，是精准设置减排目标、准确评估气候变化影响和风险的基础。因此，要实现碳中和目标，需要全面加强全球碳汇格局、时间尺度、演化趋势及其与气候系统的互馈机理等方面的重要基础科学研究。

　　(2)自主研发温室气体监测与核查技术和平台，为碳中和目标提供先进的科技支撑。目前，我国缺乏温室气体源汇评估的自主核查校验方法和技术平台。建议：①在监测数据获取能力方面，突破温室气体空间监测技术、地面监测网、垂直探测、自主先进探测技术、非CO监测技术，推进城市碳监测平台建设，形成天空地一体化的温室气体监测能力。②在方法体系方面，研发基于天地一体化观测的多尺度温室气体清单校核方法。融合“自上而下”反演方法与高分辨率“自下而上”动态清单方法，实现人为源汇变化的精细化监测，为国家相关政策的制定提供科学依据。③需要全面认识和调查海洋和陆地的生物及其物理固碳能力，全面监测我国的碳源汇。

　　(3)进一步完善地球系统模式，以国家“地球系统数值模拟装置”为核心，建设国家碳中和核算评估决策支持中心，用科技能力建设支撑碳中和战略的实施。需要研发和优化可正确刻画碳循环复杂过程的地球系统模型，结合不同减排情景和不同的人类活动影响，预估2030年和2060年的全球及我国碳收支特征，以及我国不同陆地生态系统对碳中和的贡献;研究规划最优碳中和路径的方法论，评估生态工程可能的方案和转换能源结构的最优途径，为我国2060年前实现碳中和目标提供强有力的科技支撑。

　　参考文献MatthewsJBR.AnnexI:

　　Glossary//Masson-DelmotteV,ZhaiPM,PörtnerHO,etal.GlobalWarmingof℃.AnIPCCSpecialReport.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2018:541562

　　中华人民共和国.中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告.(20181201)[20210509]. http://big.mee.gov.cn/gate/big/www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/201907020190701765971866571.pdf.

　　叶笃正,符淙斌,季劲钧,等.有序人类活动与生存环境.地球科学进展,2001,16):453460

　　曾庆存.自然控制论.气候与环境研究,1996,):1120RogeljJ,ShindellD,JiangK,etal.Mitigationpathwayscompatiblewith℃intheContextofSustainableDevelopment//Masson-DelmotteV,ZhaiPM,PörtnerHO,etal.GlobalWarmingof℃.AnIPCCSpecialReport.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2018:93174

　　作者：蔡兆男1成里京1,2李婷婷1,2,3郑循华1,2王林1,2韩圣慧1,2王凯1,2屈侠1,2江飞4张永雨5朱建华6龙上敏7孙扬1贾炳浩1袁文平8张天一1张晴1谢瑾博1朱家文1刘志强1吴琳1杨东旭1魏科1吴林1,2张稳1刘毅1,2曹军骥1,2