氣候變化科學與碳中和

袁佳雙，張永香

（中國氣象局國家氣候中心，北京，100081）

實現碳中和已是當前全球應對氣候變化的重要長期目標［1］。2020年9月，習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。圍繞碳中和目標，中國相繼出臺了相關的政策和規劃［2］。學界也對中國碳中和目標的重要意義［3］、科學內涵［4］和實現路徑［5-7］作了各類解讀和分析。碳中和目標既是中國生態文明建設的必經之路，同時也是中國參與引領全球氣候治理的重要貢獻［3］。有別于其他政治經濟問題，全球氣候治理具有很強的科學屬性。從《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC，簡稱公約）第二條“穩定溫室氣體濃度”到《巴黎協定》提出具體的溫控目標和碳中和行動均離不開氣候變化科學的支撐［8］。

作為全球最權威的氣候變化科學評估機構，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）歷次評估對全球氣候治理的促進作用日趨顯著［9］。隨著人類對當前氣候變化的現狀、影響、歸因的認識越來越堅實，IPCC評估報告對全球如何采取應對氣候變化行動越來越有借鑒意義。2021年11月達成的《格拉斯哥氣候協議》中，IPCC第六次評估報告（AR6）第一工作組報告《氣候變化2021：自然科學基礎》的核心內容被開篇引用，不僅用來強調應對氣候變化的緊迫性［10］，更是從科學角度來最大限度地彌合政治分歧。因此，從氣候變化科學研究中梳理碳中和的來龍去脈，識別中國氣候變化科學研究的不足，對于科學助力中國碳中和目標實現具有極其重要的意義。此前也有研究從不同側面闡釋這一問題，但總體缺乏系統性，特別是與最新氣候變化科學認知之間存在滯后。文章系統梳理了碳中和的科學來源、計算方法、中國碳中和目標的科學性以及科學研究不足，并據此提出科學助力碳中和的建議，以期為實現中國碳中和目標提供參考。

1 碳中和目標的提出

當前氣候變化的主要特征是人類生產生活排放的溫室氣體導致了全球氣候變暖［11］。這一變暖隨著人為溫室氣體的不斷排放仍將持續，對整個地球生態系統和人類社會本身帶來了風險與威脅，溫升幅度越大影響越大［12］。為了應對這一氣候危機，早在1992年聯合國就達成了公約，并“將大氣中溫室氣體的濃度穩定在防止氣候系統受到危險的人為干擾的水平上，從而使生態系統能夠自然地適應氣候變化、確保糧食生產免受威脅，并使經濟發展能夠可持續地進行”設為終極目標，“防止氣候系統危險的人為干擾水平”成為氣候治理的目標［8］。按照公約第二條的規定，確定人為干擾氣候系統危險水平至少有三個必要條件：生態系統可以自然適應，確保糧食生產和可持續的經濟發展，意味著如果生態系統不能夠自然地適應氣候變化，使糧食生產受到威脅，并使經濟發展不能夠可持續地進行，則說明氣候系統已經受到了危險的人為干擾。

量化公約第二條是國際應對氣候變化的長期努力目標（圖1）。1996年召開的歐盟委員會第1 939次會議上，首次提出了“2℃”目標。2004年，在其第2 632次會議上，確定了氣候變化中長期戰略目標，即為盡可能將全球增溫控制在2℃以內，全球溫室氣體濃度必須低于550×10-6二氧化碳當量水平［8］。此后，歐盟在科學和政治層面開始力促這一目標能夠達成共識。2009年哥本哈根氣候大會首次就2℃溫升目標（即在本世紀末要控制溫升與工業革命前相比不超過2℃）展開討論，但未達成一致。2010年《坎昆協議》確定了2℃溫升目標的提法，同時提出應在科學上考慮1.5℃溫升目標。隨后，得益于科技進步和政治推動，對氣候變化科學的認識逐漸深入，特別在IPCC第四次、第五次評估報告的幫助下，全球應對氣候變化的信心和決心得以提升。2015年《巴黎協定》將溫控2℃和力爭實現1.5℃的溫升目標以法律形式確定下來，并在第4條中提出要在21世紀下半葉實現人為溫室氣體為源的排放量與匯的清除量之間取得平衡［13］。自此，實現碳中和成為各國應對氣候變化長期目標的重要內容。

圖1 全球氣候治理目標量化的科學和決策過程

2 碳中和的科學基礎

2.1 排放空間的科學計算

人類活動排放的溫室氣體是當前氣候變暖的主要原因，這一認知經歷了多年的科學探索。溫室效應是指由于溫室氣體濃度升高阻擋了地球部分向外太空的紅外輻射從而加熱了氣候系統［11］。為了科學描述氣候系統對外源強迫的響應，科學家定義了氣候敏感度這一概念，即CO2相對工業革命前濃度加倍后，氣候系統響應達到平衡態后的氣候敏感度。全球平均地表溫度的變化被用來表征這一氣候響應［14］。對氣候敏感度的研究最早始于19世紀。真鍋淑郎等科學家先后依據熱輻射平衡理論、輻射對流模型等研究量化了氣候敏感度［15］。其中，Charney等［16］1979年發表關于敏感度的研究指出CO2倍增后地表溫度可能上升1.5～4.5℃。之后盡管地球系統模型的計算能力大幅提升和模塊日趨復雜，但得到的氣候敏感度仍在Charney敏感度的范圍內。在IPCC AR6中，基于多個證據科學家確定了氣候敏感度大于1.5℃，并將其范圍縮小至2.5～4.0℃［1］。氣候敏感度更多地強調氣候系統完全響應并達到平衡態的溫度變化。為了更好地服務于溫控目標下的氣候變化減緩決策，累積CO2排放的瞬態氣候響應被用來描述工業化以來的人為累積CO2排放和全球表面升溫之間的關系［14-15］。該指標量化了每排放1 000 Gt CO2所對應的全球表面平均氣溫的變化，在IPCC AR6中其最優估計值為0.45℃/（1 000 Gt CO2）［10］。這一方法可以計算出增溫穩定在某一閾值下大氣中允許累積的碳排放量［17］，使得計算剩余碳排放空間成為可能。

2.2 科學評估中的全球碳中和路徑

瞬時氣候響應和累積碳排放的關系將溫升和溫室氣體之間的近線性關系表述出來，進而量化了全球的碳排放空間。IPCC報告指出，全球若想要實現2℃溫升目標，需要2050年全球溫室氣體排放量比2010年減少40%～70%，在本世紀末溫室氣體的排放水平要接近或者是低于零。這是科學界首次系統評估的“凈零排放”方案［18］。2015年《巴黎協定》將溫控2℃以內和力爭實現1.5℃溫升目標以法律形式確定下來，同時要求IPCC對1.5℃溫升目標給出系統評估。2018年IPCC發布的《全球1.5℃增暖》報告［19］指出，相比于1.5℃，2℃溫升將可能造成更多不可逆的氣候影響，而控制溫升不超過1.5℃則需要更為嚴苛的控制溫室氣體排放措施。相比于2℃溫升目標，1.5℃需要2030年全球CO2排放量比2010年減少45%，在2050（2045—2055）年CO2的排放接近于零。IPCC AR6的情景假設中［10］，要實現1.5℃溫升目標，全球溫室氣體排放量需從21世紀20年代開始下降，到21世紀50年代實現CO2的凈零排放，并在之后開始負排放；2℃溫升目標則需要在21世紀70年代實現CO2的凈零排放，并在之后開始負排放（圖2）。

圖2 2℃和1.5℃溫升目標下的全球CO2凈零排放路徑

3 中國的碳中和選擇及挑戰

3.1 綠色發展的必然選擇

實現碳中和是中國實現生態文明的重要途徑。首先，低碳轉型事關中國能源安全［20］。自1993年中國成為原油凈進口國以來，能源對外依存度日漸提高，隱性危機增大［21］。其次，霧霾等環境問題日益突出，以煤炭為主的化石能源在能源生產和消費結構中占比較高，環境代價日趨嚴重，粗放發展模式難以為繼，推進綠色低碳清潔發展迫在眉睫。第三，全球新一輪的科技革命和產業變革正在加速發展。以信息技術的深度和全面應用為主線，新能源、材料和生物技術為主導的綠色產業創新是當前全球新一輪發展的基點［3］。技術革命、綠色發展和全球價值鏈正在快速發展。第四，國際氣候治理急需中國引領。盡管《巴黎協定》開啟了全球氣候治理的新時代，但美國在氣候變化政策上搖擺不定導致全球氣候治理進程受損［22］，國際社會需要中國為全球氣候治理注入信心。

中國提出在2060年前實現碳中和，是作為世界上最大的發展中國家對全球氣候治理負責任的承諾。作為一個發展中國家，中國將用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和，完成全球最高碳排放下降幅度［23］。如圖3所示，歐盟和日本基本在1970s實現碳達峰并進入平臺期，美國也在2005年左右進入相對穩定的平臺期，這些國家需經過70～80年時間在2050年實現碳中和［24］，他們的達峰是一個自然的過程，達峰之后有一個較長的平臺期然后下降，并逐漸走向碳中和。中國承諾在2030年左右實現碳達峰、2060年實現碳中和，只有短短30年時間，而且沒有平臺緩沖期，達峰后必須快速下降，這對任何國家都是一場巨大的挑戰［25］。

圖3 主要國家和地區碳排放、碳中和路徑

值得強調的是，中國所提出的2060年前實現碳中和的承諾與《巴黎協定》規定的溫升控制目標和IPCC報告評估所評估的氣候變化減緩路徑是一致的。IPCC AR6指出要實現將溫升控制在不超過工業化前1.5℃或2℃以內的目標，全球需在2050年代初或2070年代初實現CO2凈零排放。從歷史累積排放的角度來看，在1850年至2019年期間的化石能源和工業CO2累計排放量發達國家貢獻了58%［10］。發達國家理應在2050或者更早達峰。而中國作為發展中國家提出了極具挑戰的應對氣候變化碳中和目標，既是作為負責任大國的擔當，也是中國踐行共建人類命運共同體理念的生動體現。

3.2 科學研究中的主要不足

實現碳中和是一個全賽道的綜合提升，科學、技術、政治、經濟、外交缺一不可。而科學是其中的基礎和應對依據。IPCC評估報告無論從技術層面還是發展戰略方面，為全球制定低碳發展戰略和轉型路徑提供了最新的科學依據。同時，IPCC評估報告作為權威的科學評估平臺，與UNFCCC政治談判構成國際氣候治理的協作模式。在IPCC報告中的參與度，一定程度上體現了各國在氣候科學甚至治理上的主導權［27］。

1988年至今，在IPCC走過的30多年評估歷程中，中國的科技創新能力也在不斷提升。盡管進步很大，但中國在IPCC科學評估進程中的專家參與度和科研成果的引用率上，與發達國家相比仍有較大差距。中國參與IPCC評估報告的專家數量呈上升趨勢（圖4a，b），對章節貢獻較高的主要作者召集人（CLA），從最早三次評估報告（FAR，SAR和TAR）各僅有1人，到第四次評估報告（AR4）4人、第五次（AR5）6人、第六次（AR6）4人。主要作者（LA）從第一次評估報告中全球占比1.8%升至AR6的7.8%，AR6中國作者總數量僅次于美國、英國和德國，居發展中國家之首（圖4c，d）。但對比可見，美國CLA的占比則基本在20%左右，最低為AR6的10.7%，LA的數量美國也遠高于中國（圖4）。即使同作為發展中國家，印度的CLA在AR6第三工作組報告中也高于中國。

圖4 中國、美國和印度作者在IPCC第3至第6次評估報告中參與占比

文獻引用率可以體現科研成果的水平。在IPCC AR5評估報告中，中國文獻在氣候變化自然科學基礎（WGI）、影響適應（WGII）和減緩（WGIII）三個工作組報告中引用率僅占總引文數的2.8%、1.7%和1.6%［28］。AR6有較大上升，但也僅占到6.1%、2.6%和3.0%。與發達國家相比較，中國的引用率明顯不足。

在研究領域上，中國引文在各領域（章節）分布嚴重不均衡、影響面窄，在一些關鍵領域甚至空白。整體來看，氣候變化自然科學基礎的研究實力大于影響適應，影響適應的研究又優于減緩。在與碳中和密切相關的科學計算、未來全球減排情景和路徑的設計中，中國科學家的參與度非常低，相關章節的中國引文率均是各報告章節引文率最低的章節。如WGI第五章（全球碳和其他生物地球化學循環及反饋）和第七章（地球能量收支、氣候反饋和氣候敏感性）的中國引文率為4.0%和4.7%，遠低于其他章節。而WGIII與全球未來減緩排放相關的第三章（符合長期目標的減緩路徑）和第四章（近期至中期的減緩和發展路徑）僅為1.6%和1.1%。在涉及減排成本、發展中國家應對氣候變化支持等涉及全球氣候治理公平的關鍵問題上，同樣缺少中國的自主聲音。

4 強化氣候變化科學助力碳中和

國際氣候治理進程復雜多變。越來越多國家希望中國能分享新興經濟體的發展機遇，期待中國等新興大國在解決全球性議題、應對全球危機、促進世界經濟復蘇中分擔更多國際責任［29］。長期以來，在全球氣候治理中一直以歐盟為首的西方國家倡導“風險控制論”［30］。習近平提出共建生態文明與人類命運共同體，指出，“生態文明建設關乎人類未來，建設綠色家園是人類的共同夢想，保護生態環境、應對氣候變化需要世界各國同舟共濟、共同努力，任何一國都無法置身事外、獨善其身”。這一概念充分體現了中國在氣候治理中的智慧和遠見，可為世界各國樹立了標桿和典范［31］。全面推進碳中和戰略是構建人類命運共同體的必由之路，系統布局科學發展的路線圖是實現中國碳中和戰略的重要支撐。

4.1 在碳中和路線圖中明確氣候變化科學路徑

在碳中和目標下，中國不僅需要加大科技創新和研發力度，加快國內發展轉型，同時需要研究完善氣候治理的理論框架體系，打通學科壁壘，增強科學話語權和影響力。中國的碳達峰、碳中和方案已經以“1+N”的形式推出［32］。該體系圍繞碳中和（包括碳達峰）這一目標，提出多個領域的相關布局與實施方案，全面推動實現中國的碳中和目標（圖5）。氣候治理科學體系也應建立“1+N”工作體系。其中，“1”為圍繞碳中和需求，參考IPCC科學評估框架，梳理中國氣候科學發展脈絡，立足前沿科學和熱點問題，依據需求導向、問題導向的原則，制定氣候變化科學發展戰略指導意見，提出協同攻關一攬子科技研發工作方案。“N”主要聚焦在氣候變化自然科學基礎、影響和適應、減緩和轉型三大層面上，更加關注跨學科、跨領域的研究需求和動向，關注與溫室氣體排放有關的風險評估、適應與減緩的權衡、碳循環、海洋酸化、水資源、城市化等眾多的交叉問題。

圖5 中國氣候治理與科學發展“1+N”體系概念

4.2 推動構建公正合理的國際氣候治理體系

在國際氣候治理中，完整的理論體系是提升全球治理領導力和核心影響力的基礎。當前以中國為代表的非西方國家正在推動構建更為公正合理的國際治理體系，改變長期以來狹義的氣候治理和零和博弈理念的諸多弊病，這也是百年未有之大變局背景下國家話語權競爭的核心內容。中國應深入貫徹落實習近平生態文明思想，立足全球，加大對人類命運共同體實現路徑的研究、完善理論的體系、增強規則的制定能力［30］，推動更加公平的全球價值體系，建立日趨合理的產業和分配體系，并通過實現碳中和最終完成人類命運共同體的構建。從新時代中國與世界關系協同發展的角度來看，共建生態文明與人類命運共同體是一項長期任務，需要公正合理的國際氣候治理體系來共同完成。

4.3 逐步完善具有國際競爭優勢的人才發展機制

從外部環境看，當前正值全球應對氣候危機的關鍵時刻。中國正處于政治最穩定、經濟最繁榮、創新最活躍的時期，必須抓住歷史機遇、乘勢而上，堅持人才引領發展的戰略地位，建立并完善既有中國特色又有國際競爭優勢的人才發展體制機制。要抓住影響國際科技前沿戰略的“關鍵少數”力量，依托諸如IPCC等國際應對氣候變化重要平臺，提前謀劃，有針對性布局、研究形成一批高水平研究成果，掌握主動，在IPCC即將啟動的新一輪評估進程中發揮好引領作用，增強科學話語權。要加強中國參與氣候變化科學評估談判的國際型人才的培養和儲備，培養一批既掌握氣候變化科學發展動態和政策、又熟悉國際合作規則的中青年研究與科研管理隊伍。要加強全球性、前瞻性的戰略布局，謀劃推動一批高素質科研管理人員到國際組織任職，逐步形成國際組織任職人才梯隊。通過完善人才發展機制，提高中國參與全球氣候治理的影響力，貢獻中國智慧。