气候变化与碳中和.pdf

12024 年 46 卷 1 期 特约专稿 Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER2015年，联合国气候变化框架公约(UNFCCC)缔约国大会第21次会议(COP21)在法国巴黎召开，会议通过了巴黎协定，提出到本世纪末要“把全球平均温度较之工业化前水平的升高控制在2 以内，努力争取控制在1.5 以内”。从此，2 和1.5 温控目标迅速成为应对气候变化领域的热点话题，国际社会从各个领域和方向迅速开展行动。2018年，政府间气候变化专门委员会(IPCC)专门发布了题为“1.5 全球增暖”的特别评估报告，系统阐述1.5 温升的气候、经济和社会影响以及潜在减缓措施。为了实现巴黎协定温控目标，UNFCCC要求每个国家根据碳排放确定各自的国家自主贡献(NDCs)。在NDCs框架下，2020年9月22日，在第75届联合国大会上，我国政府郑重承诺，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，此即我国的“双碳目标”。“碳中和”是一个科学术语，按照IPCC的定义，“碳中和”是指通过平衡二氧化碳(CO2)人为排放量与人为去除量，实现“CO2净零排放”。注意：这里对于“排放量”和“去除量”的定义，都加了定语“人为”，换言之，自然排放的源和汇不在计算范畴之内。“碳中和”的目标可以设定在全球、国家、区域、城市、行业、企业等不同层面。在全球尺度上，“碳中和”在含义上等同于“CO2净零排放”。为什么要设置1.5/2 温控目标与实现碳中和呢？因为这是减缓气候变化不利影响、有效和积极应对气候变化的需要。伴随全球气候的增暖，极端天气气候事件越来越频繁。例如，2022年夏季，我国长江流域遭受极端高温与干旱的影响，中央气象台连续发布高温红色预警和气象干旱橙色预警，高温持续79天，40 以上高温影响范围达102.9万km2，而重庆因为高温和干旱发生山火。极端高温并非我国独有，同样在2022年夏季，热浪和野火炙烤着欧非亚诸多地区。例如英国，尽管其属于温带海洋性气候，夏季平均气温约为20，但在2022年7月19日，观测到了40.3 的高温。2023年北半球夏季，美国凤凰城连续31天气温超过43，导致多达300人死亡。通信作者，研究方向：气候动力学、气候模拟、海气相互作用和季风研究。E-mail:DOI:10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.001气候变化与碳中和周天军，陈晓龙，张文霞，张丽霞中国科学院大气物理研究所 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029摘要 工业化以来化石燃料的广泛使用使大气中的二氧化碳浓度急剧升高，造成全球气候变暖、极端天气气候事件频发。为有效应对和减缓气候变化，国际社会通过巴黎协定设定了2 和1.5 温控目标，由此提出了碳中和的概念。文章介绍了全球变暖的基本事实、人类碳排放对工业化以来全球变暖的作用，归纳了关于未来气候变化的主要结果，阐释了1.5/2 温升阈值与碳中和的关系，概述了国际社会为有效应对全球变暖而在减少碳排放方面的努力。关键词 气候变化；碳中和；极端气候事件；气候模拟；气候预估2Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER此时处于冬季的南半球南美智利和阿根廷，也发生了罕见的冬季高温热浪事件。阿根廷有9个和44个气象站的温度分别超过了35 和30，突破了81年以来冬季最高温度纪录。极端事件有旱也有涝。2022年6月中旬，空前猛烈的降雨使得巴基斯坦大约1/3国土遭遇洪灾，影响了大约3 300万人。这类极端气候事件，对经济社会发展和民生造成严重影响，促使国际社会不得不采取措施，以有效应对气候变化的不利影响。本文的目的是从气候物理学的角度，概述工业化以来气候变暖的基本事实，阐明人为碳排放与全球增暖的关系，讨论未来气候变化的潜在情景，以及从有效应对和减缓气候变化的角度，阐述1.5/2 温控目标与碳中和的逻辑关系。1 工业化以来全球气候在增暖在极端天气气候事件越来越频繁的背后，是工业化以来全球气候的显著变暖。尽管并非每一次极端事件都是气候变化造成的，但气候变化已经显著改变了极端事件的发生频率和强度。根据IPCC第六次评估报告(IPCC AR6)，器测资料揭示工业化以来全球平均温度在显著升高，20112020年比18501900年增暖1.09 (图1)1，其中陆地增暖1.59，海洋增暖0.88。人为影响已造成大气、海洋和陆地的显著变暖：自1970年以来，全球表面温度的上升速度超过了至少2 000年来的任何时候；海平面在过去100年里上升的速度比至少过去3 000年里的任何一个世纪都要快；9月份的北极夏季海冰覆盖面积自1979年以来减少了约40%，夏末北极海冰面积比至少1 000年来的任何时候都小；自1950年以来，冰川的退缩是至少2 000年来前所未有的；2019年的CO2浓度高于至少200万年来的任何时候，甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)的浓度也达到了至少80万年来的最高水平2。气候变化已经影响到地球上每个区域。与全球变暖同步，我国气候同样在增暖。19012022年，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，升温速率为0.16/10年；在19712022年间，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，增温速率达到0.34/10年3。工业化以来的气候变暖与温室气体排放的增加密不可分。人类最早采用仪器的CO2浓度观图1 工业化以来器测资料揭示的全球平均温度变化(引自IPCC WG1 AR6图1.121)32024 年 46 卷 1 期 特约专稿 Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER测开始自1958年3月，由美国学者查理斯大卫基林(C.David Keeling)在夏威夷莫纳罗亚岛开始观测，这个观测站一直延续到现在。如图2所示，该站观测到的大气CO2体积分数浓度已经从20世纪60年代的不到320 ppm(1 ppm=10-6)增加到2023年的419.7 ppm。这条曲线被科学界称作“基林曲线”，它清晰地揭示了工业化以来大气CO2浓度不断升高这一事实。20世纪90年代初，我国在青海的瓦里关山也建立了大气本底观测站，开始了我国的大气CO2浓度观测。目前瓦里关全球大气本底站是世界气象组织全球29个大气本底基准观测站之一。基于该站的观测资料显示，中国的大气CO2浓度与全球同步增加。图2 基林曲线揭示的夏威夷莫纳罗亚的逐月二氧化碳浓度(用体积分数表示)变化(图片引自：https:/scrippsco2.ucsd.edu/data/atmospheric_co2/mlo.html)工业化以来大气CO2浓度增加的原因是什么？IPCC第六次评估报告(AR6)评估了18702019年全球年均二氧化碳排放浓度的变化，指出其中化石燃料占人为CO2排放总量的86%，其中20102019年的年均化石燃料碳排放量为(9.6 0.5)Pg C，可折算为(35.2 1.8)Gt CO2(图3)4。那么这些人为的碳排放最终去哪里了？根据IPCC科学评估报告的统计，若以10年为统计周期，这些人为排放的CO2中约46%留存在大气，23%被海洋吸收，31%被陆地吸收。因此，人为碳排放越多，最终留存在大气中的CO2就越多，令其浓度不断上升。2 人类碳排放决定工业化以来的全球变暖CO2是温室气体的一种。关于温室气体增加导致全球增暖的机理问题，从1827年傅里叶(Joseph Fourier)最早发现了温室效应，到2021年诺贝尔物理学奖首次被授予两位气候物理学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)、克劳斯哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)，这中间走过了近两个世纪的历程5。从物理学的角度来看，地球气候的冷暖变化本质上是一个能量平衡问题：在大气层顶，只要射入的太阳短波辐射和射出长波辐射(即红外辐射)二者整体保持平衡，那么全球平均温度就将维持稳定；但是，一旦某种因子破坏了这种平衡，那么地球温度就将改变。温室气体能够吸收长波辐射，使得射出的能量减少，因此能导致气候变暖，这就是所谓的“温室效应”。温室效应对于宜居地球环境的形成至关重要。地球大气中CO2的浓度占0.04%，水汽占1%，二者使得地球实际表面平均温度为15。若没有温室气体的存在，则地球的平均温度将是18，生命将难以维持。因此，温室效应造成的33 增温幅度对于地球宜居气候的重要性不言而喻。但是，工业化以来，人类对化石燃料等的开发使用，使得大气中的温室气体浓度迅速增加，大大强化了原有的自然温室效应，造成了工 图3 工业化以来各种主要人为排放的CO2变化及相对贡献(1 Pg的C排放相当于 3.667 Gt的CO2排放；引自IPCC WG1 AR6图5.5a4)4Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER业化以来全球气候的急剧增暖。温室气体浓度过高的极端例子是金星，那里温室气体浓度占比超过95%，产生512 的增温，使得金星的表面温度达到了惊人的464 6。如何从物理上证明是人为温室气体的排放导致了工业化以来的全球变暖？关于温室效应本身，英国物理学家丁铎尔(John Tyndall)早在1861年就在实验室里利用实验设备证明了温室效应的存在。为了纪念他的贡献，英国一些著名的大学以联盟形式设立了“丁铎尔气候变化研究中心”，以推动气候变化研究领域的跨学科合作。我国的复旦大学是该中心的加盟伙伴。现代科技的进展，使得我们能够借助超级计算机、利用气候模式来理解气候变化的物理学原因。2021年诺贝尔物理学奖获得者之一是美国气候物理学家真锅淑郎，他的成就之一就是在1975年发展了第一个三维的适用于气候变化研究的气候模式，由此开创了气候模拟研究的新时代(获奖成果简介参见周天军等的综述文章5)。所谓气候模式，就是封装了大量自然定律的计算机程序，是对气候系统中物理、化学和生态过程的数学表达。简单地说，气候模式就是在超级计算机上再造一个“数字孪生地球”，借助它，我们可以在超级计算机上开展许多在现实世界中无法开展的数值试验。例如，我们利用超级计算机，借助气候模式来再现地球气候的历史温度变化，考察其中人为和自然因子对历史气候变化的影响等。图4给出的就是利用超级计算机模拟的人为和自然因子对20世纪温度变化贡献的一个典型例子2。推动气候模拟的美国国家战略一书7指出“气候模式是人类发展的最为复杂的模拟工具之一，是理解和预测气候及其变化的基础，是支撑气候相关决策的重要工具”。现在，气候模式已经成为理解气候变化原因、预测和预估其未来变化不可或缺的工具，也成为气候变化领域国际竞争的前沿。有了超级计算机和气候模式，还不足以定量揭示和估算气候变化中的人为信号，因为我们观测到的气候变化是自然因子和人为因子共同作用的结果。这里的自然因子包括地球运行轨道参数的变化、太阳辐照度的变化、火山气溶胶的影响等，还包括气候系统自己固有的、从年际到年代际不同时间尺度振荡的影响等。人为因子主要包括人为温室气体和气溶胶的排放以及土地利用的改变等。为了有效地从观测资料中寻找人类活动影响的信号，德国气候学家克劳斯哈塞尔曼开创性地提出了“最优指纹法”，该方法集观测资料、数值模拟试验和统计技术于一体，能够帮助我们成功地从观测资料中寻找到人类活动影响的信息，他因而分享了2021年的诺贝尔物理学奖5。正是基于气候模拟技术和最优指纹等技术的发展，科学界关于历史气候变化成因的结论越来越确凿8-10。到了2021年，IPCC第六次评估报告明确指出，“毋庸置疑，人为影响正在使得大气、海洋和陆地变暖。20102019年相对于18501900年，人为导致的总的全球表面温度变化最佳估计为1.07”。3 未来的气候变化取决于我们的能源政策选择 未来气候将如何变化是一个众所关注的问图4 在超级计算机上利用气候模式再现的工业化以来全球平均温度变化。观测(黑线)和第六次耦合模式比较计划(CMIP6)多模式模拟的全球平均温度相对于18501900年的变化。同时包含人为和自然外强迫的模拟试验(棕线)能合理再现观测增温，而单独自然外强迫(太阳和火山活动，绿线)无法解释观测增温(引自IPCC WG1 AR6决策者摘要图SPM.1b2)52024 年 46 卷 1 期 特约专稿 Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER题。未来在我们手中，因为这取决于我们的能源政策选择。对未来气候变化的预估，需要借助气候模式来模拟未来不同社会经济发展情景下的气候变化。最新的第六次“国际耦合模式比较计划”(CMIP6)基于不同的社会经济发展和人为排放路径提出了新的气候预估情景，称之为“共享社会经济路径”(SSP)，其代表了不同的政策选择11-12。根据排放强弱，广泛使用的5种共享社会经济路径包括SSP1-1.9(极低排放情景)、SSP1-2.6(低排放情景)、SSP2-4.5(中等排放情景)、SSP3-7.0(高排放情景)和SSP5-8.5(极高排放情景)(图5)2。上述预估情景结合了不同的社会经济情境与温室气体等因素导致的辐射强迫水平，其中：SSP1-1.9代表了一种“绿色道路”或“向可持续性转变”的情景，全球CO2排放量在2050年左右削减至净零，在温室气体排放和其他因素的影响下到2100年地球辐射强迫约增加1.9 Wm-2，是一种极低的排放情景；SSP1-2.6采取与SSP1-1.9相同的社会经济可持续发展的转变，只是在2050年后达到净零排放，到2100年辐射强迫约增加2.6 Wm-2；SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5则分别代表了“中间道路”情景、低水平经济增长情景和依赖化石燃料的高排放情景。其中，在极低排放情景SSP1-1.9和低排放情景SSP1-2.6下，分别在21世纪50和70年代左右达到全球CO2净零排放(即碳中和)(图5)，21世纪末全球平均温升(较之工业化前水平)的最佳估计分别控制在1.5 和2 以内，与巴黎协定温控目标一致(图6(a)。基于这些设定的共享社会经济路径，我们就可以利用气候模式在超级计算机上做数值试验，开展情景预估，从而给出大气、海洋和陆面等各个圈层的未来气候变化情形。根据最新一代CMIP6多气候模式、多情景预估，在21世纪，全球平均海平面上升、海洋酸化和海洋缺氧将持续，其速率取决于未来排放量(图6(b)。在百年至千年时间尺度，全球海洋温度、深海酸化和缺氧的变化是不可逆的2。以海平面变化为例，到21世纪末，在低(SSP1-2.6)和极高排放情景(SSP5-8.5)下，全球平均海平面的升幅可能达到0.32 0.62 m和0.63 1.01 m(较之19952014年)2。与平均气候变化相比，极端天气气候事件的变化对人类生产生活具有更直接的影响和更强烈的冲击。结合观测和模拟证据，全球增暖的加剧将引起多种极端事件的增加，包括极端高温、海洋热浪、部分区域强降水和部分区域农业和生态干旱的频率和强度增加，以及强热带气旋比例的增加等2。例如：全球陆地平均而言，在无人为影响时发生的平均10年一遇极端高温事件，在未来全球温升1.5、2 和4 水平下，每10年将可能发生4.1(2.8 4.7)次、5.6(3.8 6.0)次和9.4(8.3 9.6)次(括号内为多模式预估不确定性范围)，见图7(a)；对于单日极端降水事件，在无人为影响时发生的平均10年一遇的极端降水事件，在上述温升水平下，每10年将可能发生1.5(1.4 1.7)次、1.7(1.6 2.0)次和2.7(2.3 3.6)次，见图7(b)2。需要注意的是，由于气候模式存在不确定性(受限于科学界对气候系统复杂物理过程的认知水平)，加上气候系统固有的自然内部变率影响，气候预估的结果不是确定性的，而是概率性的。换言之，预估结果存在一定的不确定性范围13-14。因此，对于气候变化应对而言，决策者不仅需要关注“最佳”预估结果(即多模式集合图5 5种共享社会经济路径(SSP)下CO2的未来排放量(引自IPCC WG1 AR6 决策者摘要图SPM.4a2)6Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER平均，代表了气候变化对外强迫的响应信号)，还需要关注小概率、高影响的极端情形(体现在多模式预估离差/不确定性范围)。这就是近年来国际上非常关注的“小概率高影响事件”(low-likelihood high-impact,LLHI)。限于当前的科学水平，这类事件的发生可能性尽管很低，但是不能被排除，并且一旦发生，其后果将非常严重1。一个典型的小概率高影响事件的例子是海平面变化，由于冰盖过程的深度不确定性，在极高排放情景(SSP5-8.5)下，不能排除全球平均海平面升幅到2100年接近2 m以及到2150年接近5 m的可能性(图6(b)2。尽管这一预估结果信度较低，但其一旦发生，全球许多沿海城市将被淹没。我国东部许多经济高度发达的沿海城市海拔很低，例如天津的海拔高度为3.3 m，上海为4.5 m，小概率高影响事件万一出现，其影响将是巨大的。气候变化，特别是极端气候事件发生，将在全球到区域尺度产生诸多影响。例如，极端高温的增加能通过影响大气密度进而影响飞机起飞的升力，从而使得飞机限飞日数增加，影响航空业的发展15。随着全球温升水平的提高，未来多年一遇极端降水事件的影响面积和人口暴露度将随温升呈非线性增加16。在中国区域，极端强降水事件将随增温普遍增强，因此其人口暴露度在所有地区均将增加。而极端干事件则呈偶极子型变化，在中国南部延长，北部缩短。由于气候变化和人口分布的不均匀性，中国东南部是未来极端强降水和极端干事件对人口影响增加最快的敏感地区17。图6 不同共享社会经济路径下的未来气候变化预估。(a)全球表面温度变化(相对于18501900年)；(b)全球平均海平面变化(相对于1900年)(引自IPCC WG1 AR6决策者摘要图SPM.8 a,d2)72024 年 46 卷 1 期 特约专稿 Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER除了单一要素极端事件，全球增暖可能导致更多的复合极端事件发生，如热浪-干旱-野火、暴雨-泥石流-洪涝等复合事件，这些复合事件造成的影响往往要比各个事件单独发生时更为严重18。尽管气候变化在某些方面可能带来一些有利影响(比如使得植被等生态系统生长范围向北扩张)，但气候变化的不利影响更为广泛和严峻。因此，为了减缓气候变化的不利影响，IPCC AR6指出控制全球增暖迫在眉睫。4 减少碳排放、减缓气候增暖需要全球行动要控制全球增暖，首先需要设立一个温控目标。1991年，首个面向政策的气候变化目标被提出来，称为“红绿灯系统”。它使用每10年气温和海平面上升的速率来区分气候变化的危险等级，其中红灯代表“能够扰乱社会经济，有导致系统不稳定的重大风险”，与次一级的黄灯之间的界限被设为“最大温升2、最大海平面上升0.5 m”19。5年后，欧盟直接将2 作为2100年相对工业革命前最大允许的温升，以避免生态系统(如珊瑚)遭受重大损害20。此后，2 温升阈值逐渐被社会各界所熟知。2015年UNFCCC缔约方通过巴黎协定，旨在于21世纪内大幅减少全球温室气体排放，到2100年将全球温升限制在2 以内，同时寻求进一步限制温升在1.5 以内的措施。需要注意的是，无论2 还是1.5 温控目标，本质上都属于政治目标，是为协调UNFCCC各缔约国谈判和行动设立的，并非严格意义上的科学目标。事实上，研究指出，单纯地使用全球平均温度并不能完整地反映复杂地球系统的各个部分所受到的影响21。给定了温控目标，就可以估算剩余的碳排放空间，为世界各国制定减排行动提供科学依据。科学研究发现，工业化以来人为累积CO2排放和全球表面温升之间存在较稳定的关系，即每排放1 000 Gt CO2，全球平均地表气温上升约0.45，可能范围是0.27 0.63 (图8)4。基于这一关系，对于1.5 和2 温控目标，可估图7 基于CMIP6多模式预估的陆地极端高温(a)和陆地极端降水(b)的强度和频率变化。在图中“频率”部分，以圆点表示每一年。深色圆点表示超过极端阈值的年份，浅色圆点是未超过阈值的年份。数值对应的是在不同温升水平下基于CMIP6多模式集合的中位数及其可能范围(5%95%区间)。在图中“强度”部分，分别以深色柱和浅色柱表示CMIP6多模式集合中位数及其可能范围(5%95%区间)。极端高温和极端降水的强度变化以和%表示(引自IPCC WG1 AR6决策者摘要图SPM.62)8Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER算得到2020年后剩余碳排放空间的中位数分别为500 Gt CO2和1 350 Gt CO2，但其17%83%分位数范围分别为300 900 Gt CO2和9002 300 Gt CO2。可见，目前对于剩余碳排放空间的估算还存在很大的不确定性，造成这种估算不确定性的原因，是我们关于“气候敏感度”的认知水平存在不确定性。气候敏感度有多种定义指标，其中使用最为广泛的是平衡态气候敏感度，特指大气CO2浓度相对工业化前翻倍后造成的全球表面气温在气候达到新平衡态时的变化。简言之，就是“大气CO2浓度增加一倍，地球气候将增暖多少”22。IPCC AR6基于多种证据来源评估给出的最佳估计值为3，“可能”范围(概率大于66%)为2.5 4，“很可能”的范围(概率大于90%)是2 5 2。尽管最新的评估结果给出的不确定性范围是历次IPCC报告里面最小的，但精准估算碳排放空间对于国际气候变化谈判具有重大需求，深入认识和准确估算气候敏感度是科学界需要优先解决的难题。除CO2外，未来其他人为排放的变化，如甲烷、气溶胶等，也会影响剩余的碳排放空间。若减少气溶胶排放但不控制甲烷排放，会使温升加速到达阈值，从而压缩碳排放空间。另外，气候变暖会令高寒地区的多年冻土消融，产生额外的碳排放，从而进一步减小排放空间23。应对气候变化需要全球行动。国际气候治理的主要协调机构是UNFCCC，由联合国在1992年设立。在此公约要求下，从1995年起缔约方每年召开缔约方会议(COP，常被简称为“联合国气候变化大会”)以评估应对气候变化的进展。在UNFCCC的框架下，缔约国达成了若干里程碑式的协定，特别是1997年达成的京都议定书，规定了2012年前发达国家的减排目标。图8 18502050年累积CO2排放和全球平均表面温度变化之间近似线性的关系。黑线表示历史观测中全球地表平均温度相对18501900年的变化，彩色线条表示5种未来发展情景(SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5)下的预估结果，SSP1-1.9和SSP1-2.6分别代表了温控目标1.5 和2 的情景(引自IPCC AR6决策者摘要图SPM.102)92024 年 46 卷 1 期 特约专稿 Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER2007年通过“巴厘岛路线图”，启动京都议定书到期后全球应对气候变化后续方案的谈判。2015年通过了巴黎协定，这是继京都议定书后第二份具有法律约束力的气候协议。在巴黎协定框架下，主要国家陆续发布了各自的碳减排计划和实现碳中和的时间表。2020年9月22日，在第75届联合国大会上我国宣布二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，彰显负责任大国的形象和构建人类命运共同体的理念。实现碳中和，应对和减缓气候变化需要科研、产业和决策的联动。与已经自然达峰的发达国家相比，我国在人均国内生产总值、城镇化率、产业和能源结构方面均存在显著差距，经济发展与碳减排之间的矛盾非常突出，主动达峰的难度大。此外，发达国家从碳达峰到碳中和大多经历了40 70年的过渡期，而我国仅有30年，因此，我国实现双碳目标面临严峻挑战。为应对挑战，需要积极推进技术创新和经济转型，包括推动产业结构优化、推进能源结构调整、支持绿色低碳技术研发推广、完善绿色低碳政策体系、健全法律法规和标准体系等。研究、产业(生产消费)与决策部门需要密切合作，形成“科学-决策-技术-经济”的双向闭环(图9)24，最终实现碳排放的稳步下降。实现碳中和不仅是挑战，也是巨大的发展机遇。例如，我国光伏发电技术、风力发电技术等处在国际第一方阵，西部有大量的风、光资源，东部有大面积平缓的大陆架，适合建设海上风电等。实现碳中和目标的过程中，环境污染物排放大大减少，将有助于解决大气污染问题25。图9 围绕碳减排问题，研究、产业(生产消费)与决策部门需要密切合作245 结语工业化以来全球气候在变暖已经是不争的事实，不管从物理学机理还是从气候变化检测归因的角度，人为碳排放主导了工业化以来全球气候的变暖这一结论是高度确定的。气候系统由大气圈、水圈、岩石圈表层、冰冻圈和生物圈组成，气候变化不单纯是温度的变化，而是整个气候系统的变化。气候变化对经济、社会和生态环境的影响日益凸显，因此如何有效应对和减缓气候变化是实现人类可持续发展所必须解决的问题。巴黎协定设定的1.5/2 温控阈值以及与之相应的减少碳排放的碳中和目标，代表着UNFCCC框架下缔约国的努力方向。从科学支撑决策的角度来看，我们依然面临若干迫切需要解决的科学问题。首先，准确估10Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPER算剩余碳排放空间是实现巴黎协定温控目标的前提，而当前的估算结果尚存在较大不确定性，原因是我们对于“气候敏感度”尚难以给出准确的估算，这涉及物理过程认知、器测资料整理和气候模式水平特别是物理过程描述准确性的提高等问题。其次，应对气候变化需要准确的气候预测和预估产品，而对极端气候事件的模拟和预报则是国际性难题，原因是当前的气候模式发展水平尚不具备这方面的能力。气候模式发展的未来之路和国际竞争方向，是千米分辨率的风暴解析模拟。联合国气候变化大会COP26发布的气候行动简报下一代气候模式：实现向净零排放和气候适应的跨越明确提出要实现全球风暴解析和海洋涡旋解析的预测预估，而要实现气候系统的千米尺度耦合模拟，需要百亿亿次(E级)超算的突破。最后，气候变化研究已经不单纯是气候物理学问题，应对和减缓气候变化需要多学科的联动与融合。从科研队伍培养的角度考虑，加强多学科交叉的复合型人才培养是当务之急。(2023年10月8日收稿)参考文献1 CHEN D,ROJAS M,SAMSET B H,et al.Framing,context,and methods M/MASSON-DELMOTTE V,ZHAI P,PIRANI A,et al(eds).Climate Change 2021:The Physical Science Basis.Cambridge,United Kingdom:Cambridge University Press,2021:147-286.DOI:10.1017/9781009157896.003.2 IPCC.Summary for policymakers M/MASSON-DELMOTTE V,ZHAI P,PIRANI A,et al(eds).Climate Change 2021:The Physical Science Basis.Cambridge,United Kingdom:Cambridge University Press,2021:3-32.DOI:10.1017/9781009157896.001.3 中国气象局气候变化中心.中国气候变化蓝皮书(2023)M.北京:科学出版社,2023.4 CANADELL J G,MONTEIRO P M S,COSTA M H,et al.Global carbon and other biogeochemical cycles and feedbacks M/MASSON-DELMOTTE V,ZHAI P,PIRANI A,et al(eds).Climate Change 2021:The Physical Science Basis.Cambridge,United Kingdom:Cambridge University Press,2021:673-816.DOI:10.1017/9781009157896.007.5 周天军,张文霞,陈德亮,等.2021年诺贝尔物理学奖解读：从温室效应到地球系统科学J.中国科学:地球科学,2022,52(4):579-594.6 张学洪,俞永强,周天军,等.大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义M.2版.北京:气象出版社,2021.7 推动气候模拟国家战略委员会.推动气候模拟的美国国家战略M.周天军,邹立维,等,译.北京:气象出版社,2014.8 秦大河,Thomas Stocker.IPCC第五次评估报告第一工作组报告的亮点结论J.气候变化研究进展,2014,10(1):1-6.9 王倩,翟盘茂.国际气候变化科学评估中所反映的气候变化科学的重要进展J.气象科技进展,2021,11(3):113-118.10 翟盘茂,周佰铨,陈阳,等.气候变化科学方面的几个最新认知J.气候变化研究进展,2021,17(6):629-635.11 ONEILL B C,TEBALDI C,VAN VUUREN D P,et al.The Scenario Model Intercomparison Project(ScenarioMIP)for CMIP6 J.Geoscientific Model Development,2016,9(9):3461-3482.12 张丽霞,陈晓龙,辛晓歌.CMIP6情景模式比较计划(ScenarioMIP)概况与评述J.气候变化研究进展,2019,15(5):519-525.13 HAWKINS E,SUTTON R.The potential to narrow uncertainty in regional climate predictions J.Bulletin of the American Meteorological Society,2009,90(8):1095-1108.14 TEBALDI C,KNUTTI R.The use of the multi-model ensemble in probabilistic climate projections J.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2007,365(1857):2053-2075.15 ZHOU T,REN L,LIU H,et al.Impact of 1.5 and 2.0 global warming on aircraft takeoff performance in China J.Science Bulletin,2018,63(11):700-707.16 ZHANG W,ZHOU T,ZOU L,et al.Reduced exposure to extreme precipitation from 0.5 less warming in global land monsoon regions J.Nature Communications,2018,9(1):3153.17 ZHANG W,ZHOU T.Increasing impacts from extreme precipitation on population over China with global warming J.Science Bulletin,2020,65(3):243-252.18 ZSCHEISCHLER J,WESTRA S,VAN DEN HURK B J J M,et al.Future climate risk from compound events J.Nature Climate Change,2018,8(6):469-477.19 VELLINGA P,SWART R.The greenhouse marathon:a proposal for a global strategy J.Climatic Change,1991,18(1):vii-xii.20 TSCHAKERT P.1.5 or 2:a conduits view from the science-policy interface at COP20 in Lima,Peru J.Climate Change Responses,2015,2:3.21 LENTON T.2 or not 2?That is the climate question J.Nature,2011,473:7.22 周天军,陈晓龙,左萌,等.地球气候敏感度研究的现状和未来J.第四纪研究,2023,43(2):604-624.23 周天军,陈晓龙.巴黎协定温控目标下未来碳排放空间的准确估算问题辨析J.中国科学院院刊,2022,37(2):216-229.24 周天军,陈晓龙,吴波.支撑“未来地球”计划的气候变化科学前沿问题J.科学通报,2019,64(19):1967-1974.25 丁仲礼,张涛,等.碳中和：逻辑体系与技术需求M.北京:科学出版社,2022.112024 年 46 卷 1 期 特约专稿 Chinese Journal of Nature 2024 Vol.46 No.1 INVITED SPECIAL PAPERClimate change and carbon neutralityZHOU Tianjun,CHEN Xiaolong,ZHANG Wenxia,ZHANG LixiaState Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,ChinaAbstract Since the industrial revolution,carbon dioxide concentration in the atmosphere has risen sharply due to the widely-used fossil fuel,leading to global warming and frequent extreme climate events.To effectively confront and mitigate the climate change,in the Paris Agreement,the international community set warming targets to hold the increase in the global average temperature to well below 2 above pre-industrial levels and pursuing efforts to limit the temperat