對(duì)穩(wěn)定濃度目標(biāo)下溫室氣體排放路徑的探討

劉 嘉 陳文穎 劉德順

(清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所，北京100084)

長(zhǎng)期以來(lái)，如何制定氣候變化控制目標(biāo)以及根據(jù)目標(biāo)在國(guó)家間分?jǐn)倻厥覛怏w(GHG)減排義務(wù)一直是國(guó)際政府間氣候變化談判的焦點(diǎn)問(wèn)題。圍繞這一問(wèn)題，IPCC第四次評(píng)估報(bào)告［1］進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了6種穩(wěn)定情景，但每種穩(wěn)定情景中GHG排放及相應(yīng)溫升變化情況的不確定范圍仍然很大。作為氣候變化談判的兩大陣營(yíng)，發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家正處在不同的發(fā)展階段，對(duì)氣候變化控制目標(biāo)的科學(xué)性以及穩(wěn)定濃度目標(biāo)下GHG排放路徑的不確定性也存在著很大爭(zhēng)議。事關(guān)國(guó)家利益，我國(guó)很多學(xué)者［2－7］對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究，但在穩(wěn)定濃度目標(biāo)下GHG排放路徑的不確定性仍一直是一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

本文應(yīng)用溫室氣體導(dǎo)致氣候變化評(píng)估模型(Model for the Assessment of Greenhouse Gas Induced Climate Change，MAGICC模型)和 WRE(Wigley，Richels and Edmonds)排放情景對(duì)此進(jìn)行了初步的研究和探討?？紤]到國(guó)際社會(huì)對(duì)于各種氣候控制目標(biāo)的認(rèn)可程度，本文選擇將2100年GHG濃度穩(wěn)定在450和550 ppmv CO2e的濃度穩(wěn)定目標(biāo)，對(duì)比了能夠滿足上述目標(biāo)的 IPCC穩(wěn)定情景 I、III和WRE350、450排放路徑，應(yīng)用MAGICC模型對(duì)WRE排放路徑進(jìn)行了調(diào)整和運(yùn)算，以探討和分析穩(wěn)定濃度目標(biāo)下GHG排放路徑的不確定性以及濃度的變化情況。

1 MAGICC模型描述

MAGICC模型是一個(gè)連接了大氣循環(huán)、氣候模塊和冰融模塊的氣候變化評(píng)估模型，是最早被IPCC用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化的模型之一［8］。MAGICC模型可與大氣循環(huán)模型連接以預(yù)測(cè)未來(lái)的GHG濃度，并通過(guò)一個(gè)上翻－擴(kuò)散氣候模型連接了5個(gè)箱式模型，結(jié)合熱擴(kuò)散結(jié)果即可模擬未來(lái)全球平均溫度的變化情況。

1．1 排放情景

為比較未來(lái)GHG濃度和全球平均溫度的變化情況，可在MAGICC模型的排放庫(kù)中調(diào)用不同的排放情景。MAGICC模型包括了所有主要GHG的影響，表1給出了三種最為主要的GHG(CO2、CH4和N2O)在不同歷史階段的濃度和自工業(yè)革命以來(lái)產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫估計(jì)值。

1．2 運(yùn)行機(jī)理

模型首先將從排放庫(kù)中選擇和編輯排放情景，之后對(duì)模型運(yùn)行需要的參數(shù)，如碳循環(huán)水平和氣候敏感度等進(jìn)行設(shè)定，最后確定模型運(yùn)行的時(shí)間和周期，其運(yùn)行機(jī)理如圖1所示。其中，碳循環(huán)部分分別基于1個(gè)海洋碳循環(huán)模型和4個(gè)箱式模型，其碳排放計(jì)算如式(1)［9］所示:

表1 主要溫室氣體的濃度和輻射強(qiáng)迫值［1－2］Tab．1 The concentration and radiative forcing of main GHG

其中:dC/dt是t年GHG的排放變化量，Efossil表示使用化石燃料造成的CO2排放量，Dn是排放計(jì)算的不確定量，Socean和Sfert分別表示森林和海洋吸收的CO2排放量。這與IMAGE-AOS模型和BERN碳循環(huán)模型是類似的，它們的碳排放計(jì)算式以及濃度與排放的關(guān)系式如表2所示。

表2 IMAGE-AOS模型和Bern碳循環(huán)模型的理論關(guān)系式［1］Tab．2 The theoretic relationship of IMAGE-AOS model and Bern model

由表2可見，這兩個(gè)模型雖然碳排放計(jì)算有所不同，但其濃度變化都是將碳凈排放或累計(jì)排放乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)得出。同樣地，在MAGICC模型中，當(dāng)大氣循環(huán)和氣候模型等參數(shù)設(shè)定之后，模型將調(diào)用排放情景并將大氣循環(huán)、氣候模塊和冰融模塊綜合到模型軟件包內(nèi)，得到未來(lái)GHG濃度、全球平均地表溫升和海平面上升的變化結(jié)果。

2 排放路徑調(diào)整及結(jié)果分析

為將GHG濃度穩(wěn)定到550 ppmv CO2e，IPCC報(bào)告指出全球CO2排放須在2010－2030年間達(dá)到峰值，而WRE排放情景則為2005－2015年，兩者存在一定差距。圖2是IPCC排放情景和WRE排放情景的比較情況。

由圖可見，要想將GHG濃度穩(wěn)定到更低的水平，CO2排放量需更早達(dá)到峰值并開始回落，且穩(wěn)定水平愈低，出現(xiàn)峰值和回落的速率也更快，兩個(gè)情景在總體趨勢(shì)上均體現(xiàn)出這一特點(diǎn)。但在同樣的穩(wěn)定濃度目標(biāo)下，如450和550 ppmv CO2e的GHG濃度穩(wěn)定目標(biāo)下，IPCC排放情景I和WRE 350排放路徑以及IPCC排放情景III和WRE450排放路徑出現(xiàn)峰值的年份范圍均有一定差距。下面，本文將應(yīng)用MAGICC模型對(duì)WRE350和WRE450排放路徑進(jìn)行調(diào)整和運(yùn)算，并對(duì)結(jié)果予以比較和分析。

圖1 MIGICC模型的運(yùn)行機(jī)理圖［10］Fig．1 The running mechanism of MAGICC model

圖2 IPCC 排放情景［1］和 WRE 排放情景［8］的比較① IPCC每種排放情景考慮最上限和最下限，WRE排放情景中NFB為不考慮氣候反饋的情況。Fig．2 The comparison of IPCC emission scenario and WRE emission scenario

2．1 排放情景說(shuō)明

如前所述，各氣候模型雖碳排放計(jì)算有所不同，但其濃度變化都是將凈排放或累計(jì)排放乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)得出。因此，本文嘗試在累計(jì)排放量不變的前提下，將WRE350和WRE450排放路徑的峰值①考慮到CO2是最主要的溫室氣體，為簡(jiǎn)化模型運(yùn)算，本文對(duì)排放路徑進(jìn)行調(diào)整的峰值均指CO2排放峰值。年份分別予以調(diào)整。受篇幅所限，僅給出WRE450排放路徑的調(diào)整過(guò)程:首先，將WRE450峰值出現(xiàn)的年份由原路徑的2010年調(diào)換至2015年和2020年，而其他年值不變;其次，考慮到上述調(diào)整僅針對(duì)峰值時(shí)點(diǎn)，為進(jìn)一步研究排放路徑與濃度的關(guān)系，在累計(jì)排放量不變的前提下，將WRE450的峰值按照其原斜率水平外推至2015－2040年(記為WRE450’排放情景，以峰值年份區(qū)分，如圖3所示)。WRE350也同樣將其峰值進(jìn)行外推，記為WRE350’排放情景。

由圖3可見，為保證WRE450’累計(jì)排放量不變，新排放路徑在到達(dá)峰值后需迅速回到原排放路徑，并進(jìn)行更大力度的減排，且出現(xiàn)峰值年份越晚，減排力度需更大。

圖3 WRE450’排放情景Fig．3 WRE450’emission scenario

2．2 模型運(yùn)算結(jié)果

由模型結(jié)果可得，在第一步對(duì)WRE350和WRE450排放路徑進(jìn)行微調(diào)的情況下，目標(biāo)年的濃度與原排放路徑相比幾乎不變。以WRE450為例，峰值為2020年與2010年相比，CO2濃度的最大差為0．1 ppmv，而2100年的濃度差僅為0．01 ppmv。下面，將主要分析WRE450’排放情景的運(yùn)算結(jié)果，其CO2濃度變化情況如圖4所示。

圖4 WRE450’排放情景的濃度變化情況Fig．4 The concentration of WRE450’scenario

由圖4可見，其濃度變化可分為三個(gè)階段:首先，隨著峰值調(diào)整逐漸滯后，其濃度變化將逐漸加劇;當(dāng)排放路徑到達(dá)峰值并迅速回落時(shí)，其濃度變化也在達(dá)到最大值后逐漸變緩并回到原濃度水平;最后，當(dāng)調(diào)整后的排放路徑在后期進(jìn)行更大力度的減排時(shí)，濃度將低于原排放路徑水平，且目標(biāo)年的變化值要遠(yuǎn)小于濃度變化最大值。WRE350’排放情景的濃度變化情況也體現(xiàn)出同樣的階段性特點(diǎn)。

2．3 結(jié)果比較與分析

如上顯示，將WRE350、450排放路徑峰值推遲后，濃度在預(yù)測(cè)期內(nèi)均有所增加，增幅取決于排放路徑的調(diào)整力度，但目標(biāo)年改變值較小。下面，對(duì)濃度變化的最大值與目標(biāo)年改變值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5中所標(biāo)數(shù)值分別為將WRE450排放路徑峰值年份調(diào)整至2020－2040年時(shí)，與原排放路徑濃度相比濃度變化的最大值和目標(biāo)年的改變值(取其絕對(duì)值)。由圖5可見，隨著峰值調(diào)整時(shí)間逐漸滯后，濃度變化最大值逐漸加劇;目標(biāo)年的改變值也體現(xiàn)出同樣趨勢(shì)，但僅為最大值的1/3左右。當(dāng)峰值年份調(diào)整至2035年時(shí)，濃度改變的最大值為22.8 ppmv，而目標(biāo)年的改變值僅為7.5 ppmv。WRE350’排放情景的CO2濃度變化情況也體現(xiàn)出同樣特點(diǎn)，當(dāng)峰值年份調(diào)整至2020年時(shí)，濃度改變的最大值為6．4 ppmv，而目標(biāo)年的改變值僅為 1．9 ppmv。

以上說(shuō)明在累計(jì)排放量不變的前提下，對(duì)排放路徑的調(diào)整對(duì)預(yù)測(cè)期內(nèi)的濃度有一定影響，但對(duì)目標(biāo)年的影響較小。這就可以解釋為何IPCC和WRE排放情景雖然排放路徑不同，但卻能滿足同樣的濃度穩(wěn)定目標(biāo)。圖6是IPCC和WRE排放情景累計(jì)排放量的比較情況。

圖5 WRE450’排放情景CO2濃度變化比較Fig．5 The comparison of the concentration change of WRE450’emission scenario

圖6 IPCC與WRE的累計(jì)排放量比較① IPCC排放情景分別按照最上限和最下限計(jì)算累計(jì)排放量。Fig．6 The comparison of cumulative emissions of IPCC and WRE emission scenario

由圖可見，IPCC和WRE排放情景中相應(yīng)排放路徑的累計(jì)排放量均在一定水平浮動(dòng)。以550 ppmv CO2e的濃度穩(wěn)定目標(biāo)為例，它們?cè)?000－2100年期間的累計(jì)排放量均在600 GtC左右。其中，WRE450排放路徑在考慮和不考慮氣候反饋情況下的CO2累計(jì)排放量分別為540 GtC和650 GtC，均值為595 GtC，在不考慮氣候反饋的情況下所允許的碳排放空間可增加大約20%;而在IPCC情景III中，最下限和最上限對(duì)應(yīng)的 CO2累計(jì)排放量分別為450 GtC和720 GtC，均值為585 GtC。WRE350排放路徑和IPCC情景I的對(duì)比也體現(xiàn)出如上特點(diǎn)，如圖6所示。

綜合以上，通過(guò)對(duì)穩(wěn)定濃度目標(biāo)下排放路徑變化情況的探討和排放路徑調(diào)整后濃度變化結(jié)果的分析可知，目標(biāo)年濃度的變化將取決于起始年至目標(biāo)年的累計(jì)排放量和排放路徑。當(dāng)排放路徑峰值逐漸調(diào)整滯后時(shí)，在后期進(jìn)行更大力度的減排可使累計(jì)排放量在預(yù)測(cè)期內(nèi)保持不變;而濃度在預(yù)測(cè)期內(nèi)雖然將有所增加，但目標(biāo)年的變化較小?？紤]到我國(guó)正處于快速的工業(yè)化和城市化進(jìn)程，盡管我國(guó)已明確制定了2020年單位GDP的二氧化碳排放量相比2005年水平降低40%－45%的減排自主行動(dòng)目標(biāo)，但由于特殊的發(fā)展階段和能源結(jié)構(gòu)，我國(guó)的碳排放絕對(duì)量在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)還將持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)各方面研究［11－12］，即使在低碳發(fā)展情景下，我國(guó)整體碳排放也需在2030－2035年才能達(dá)到峰值。如果我國(guó)能結(jié)合自身發(fā)展階段特點(diǎn)爭(zhēng)取延緩碳排放空間，使碳排放水平仍可以先繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)，而在工業(yè)化進(jìn)程完成之后再承擔(dān)GHG減排義務(wù)，屆時(shí)許多減排技術(shù)(如可再生能源發(fā)電和碳捕獲與封存技術(shù)等)也將有望通過(guò)商業(yè)化進(jìn)程降低成本并日臻成熟，這對(duì)我國(guó)未來(lái)能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展是較為有利的。

3 結(jié)論

如何制定氣候變化控制目標(biāo)以及根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行碳排放權(quán)分配一直是國(guó)際政府間氣候變化談判的焦點(diǎn)問(wèn)題。由于國(guó)際社會(huì)對(duì)氣候變化控制目標(biāo)的科學(xué)性以及確定目標(biāo)下GHG排放路徑的不確定性一直存在爭(zhēng)議，使穩(wěn)定濃度目標(biāo)下排放路徑的不確定性成為了一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)研究問(wèn)題。本文應(yīng)用MAGICC模型對(duì)WRE排放路徑進(jìn)行了調(diào)整和運(yùn)算，對(duì)2100年GHG濃度控制在450和550 ppmv CO2e穩(wěn)定目標(biāo)下排放路徑的變化及影響進(jìn)行了初步的研究和探討。結(jié)果顯示，目標(biāo)年濃度的變化取決于累計(jì)排放量和排放路徑。將排放路徑峰值逐漸調(diào)整滯后時(shí)，為保證累計(jì)排放量不變，需在后期比原排放路徑進(jìn)行更大力度的減排。濃度在預(yù)測(cè)期內(nèi)將逐漸增加，但目標(biāo)年的結(jié)果變化較小，約為濃度變化最大值的1/3左右。

考慮到氣候變化科學(xué)中相關(guān)資料和數(shù)據(jù)的可得性，本文對(duì)此進(jìn)行的研究和探討是很初步的。進(jìn)一步地對(duì)濃度改變將導(dǎo)致溫升變化的探討則更需考慮到輻射強(qiáng)迫、氣溶膠以及氣候模型中對(duì)氣候反饋和氣候敏感度等重要參數(shù)的設(shè)定，這個(gè)過(guò)程的不確定性將進(jìn)一步變大。未來(lái)隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)氣候變化研究中的不確定性等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行更深入的科學(xué)研究并達(dá)成廣泛共識(shí)，可為此提供更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)和更新穎的研究思路。我國(guó)應(yīng)緊密追蹤氣候變化科學(xué)中不確定性和最新進(jìn)展并開展相關(guān)研究，力求在此基礎(chǔ)上提出基于公平原則和自有研究成果的GHG排放路徑。這將為發(fā)展中國(guó)家爭(zhēng)取合理權(quán)益，使國(guó)家在氣候談判中把握主動(dòng)，為我國(guó)在快速工業(yè)化和城市化進(jìn)程中轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，邁上低碳發(fā)展之路贏得充分的準(zhǔn)備時(shí)間。

(編輯:劉文政)

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