摘要碳中和作為21世紀(jì)最大規(guī)模的有序人類活動(dòng)，亟待科學(xué)應(yīng)對(duì)。文章從地球系統(tǒng)科學(xué)角度，討論了支撐“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的大氣、陸地和海洋相關(guān)的地球系統(tǒng)科學(xué)中的若干科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題及現(xiàn)存的知識(shí)不足。從地球系統(tǒng)模式、氣候監(jiān)測(cè)指標(biāo)、溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)、碳源匯核算方法體系等方面，闡述了支撐碳中和的關(guān)鍵技術(shù)手段及現(xiàn)存的問(wèn)題。基于目前存在的挑戰(zhàn)和不足，建議深入理解氣候系統(tǒng)多圈層相互作用過(guò)程和機(jī)制，完善地球系統(tǒng)理論與模式，從多圈層角度加強(qiáng)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)和氣候變化理論基礎(chǔ);自主構(gòu)建氣候變化監(jiān)測(cè)指標(biāo)系統(tǒng)，研發(fā)溫室氣體監(jiān)測(cè)與核查手段和平臺(tái)，為碳中和目標(biāo)提供先進(jìn)的技術(shù)手段支撐。

　　關(guān)鍵詞碳中和，碳源，碳匯，溫室氣體，氣候變化，地球系統(tǒng)模式，氣候監(jiān)測(cè)

　　碳排放指以二氧化碳(CO)為代表的人為溫室氣體排放，其中包括CO和非CO氣體，但均以CO當(dāng)量計(jì)。碳達(dá)峰是指一定空間范圍(如全球或某級(jí)行政轄區(qū))內(nèi)的碳排放年總量在某個(gè)時(shí)間段呈現(xiàn)為工業(yè)化以來(lái)的最高峰值。政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)指出，碳中和是指凈零碳排放，即規(guī)定時(shí)期內(nèi)人為移除與人為排入大氣的CO當(dāng)量相互抵消[1]。

　　氣候評(píng)職知識(shí)：寫(xiě)氣候變化的著作怎么公開(kāi)出版

　　根據(jù)《中華人民共和國(guó)氣候變化第二次兩年更新報(bào)告》[2]，我國(guó)2014年的碳排放量約為11.2Gt(1Gt=10t)CO當(dāng)量，占同年全球排放量①的大約22.3%，未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和所需的碳減排壓力遠(yuǎn)大于任何一個(gè)發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體。實(shí)現(xiàn)碳中和涉及人為減排、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、人工碳匯等手段的實(shí)施，這些本質(zhì)上都屬于有序人類活動(dòng)[3]，其目標(biāo)是包括中國(guó)在內(nèi)的全球各國(guó)通過(guò)合理安排和組織，在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時(shí)使自然環(huán)境在一定時(shí)空尺度內(nèi)不發(fā)生明顯退化，甚至能持續(xù)好轉(zhuǎn)。

　　在實(shí)施層面，人類社會(huì)通過(guò)降低碳排放的手段進(jìn)行氣候調(diào)控屬于對(duì)自然環(huán)境的人工調(diào)控或者最優(yōu)調(diào)控問(wèn)題，也是自然控制論的研究范疇[4]。碳達(dá)峰與碳中和涉及諸多亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題，本文主要闡述碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)下地球系統(tǒng)中大氣、陸地和海洋相關(guān)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及知識(shí)缺口，以及支撐碳中和的監(jiān)測(cè)和評(píng)估方法。面向國(guó)家碳中和重大戰(zhàn)略需求，科學(xué)界亟待解決這些問(wèn)題，支撐我國(guó)建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)。

　　1溫室氣體及全球響應(yīng)和反饋過(guò)程

　　1.1地球系統(tǒng)響應(yīng)溫室氣體增加的科學(xué)基礎(chǔ)及不確定性

　　地表溫度對(duì)溫室氣體排放具有接近實(shí)時(shí)的快速響應(yīng)(按年計(jì))，長(zhǎng)時(shí)間尺度的地表溫度變化和累積溫室氣體排放有近線性的關(guān)系，即大約550Gt的碳排放會(huì)對(duì)應(yīng)1℃的升溫。自工業(yè)革命以來(lái)的溫室氣體排放累積導(dǎo)致了全球平均氣溫上升約1.1℃。而未來(lái)的溫度變化主要取決于未來(lái)的排放量，所以《巴黎協(xié)定》的2℃控溫目標(biāo)實(shí)際上對(duì)應(yīng)了未來(lái)的溫室氣體總排放量：粗略估計(jì)只有約500Gt的排放空間[5]。

　　科學(xué)界已經(jīng)明確溫室氣體排放會(huì)導(dǎo)致氣溫上升[6-8]，并以此作為未來(lái)減排目標(biāo)的主要科學(xué)依據(jù)。但是，不確定性依然存在[9]，主要來(lái)自以下方面：氣溫對(duì)溫室氣體的響應(yīng)過(guò)程和機(jī)制的不確定性，包括碳循環(huán)的響應(yīng);地球系統(tǒng)中大氣、陸地、冰凍圈、海洋等對(duì)溫室氣體的響應(yīng)及其相互作用;凍土的反饋機(jī)制;CO及非CO溫室氣體的核算及其反饋機(jī)制;地球系統(tǒng)的非線性響應(yīng)及自然變率的貢獻(xiàn)等。

　　減小氣溫對(duì)溫室氣體響應(yīng)過(guò)程和機(jī)制的不確定性將為未來(lái)精準(zhǔn)核算碳收支提供科學(xué)基礎(chǔ)。除了地表溫度上升外，全球變化表現(xiàn)為大氣、海洋、陸地、冰凍圈、生物圈等各圈層的系統(tǒng)性變化，包括且不限于：海洋升溫和酸化、陸面溫度上升、高山冰川和北極海冰范圍縮小、格陵蘭和南極冰蓋質(zhì)量損失、海平面上升、極端事件加劇等，這些是全球變化的主要判別指標(biāo)。目前，這些主要的全球性氣候指標(biāo)數(shù)據(jù)依然被歐美國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)或研究團(tuán)體主導(dǎo)，我國(guó)的貢獻(xiàn)甚少。同時(shí)，我國(guó)尚未建立關(guān)鍵氣候變化核心指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，這制約了我國(guó)施行快速、精準(zhǔn)的氣候變化政策，也制約了我國(guó)對(duì)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)的措施進(jìn)行績(jī)效評(píng)價(jià)。

　　1.2全球海洋和大氣響應(yīng)全球氣候變化的科學(xué)問(wèn)題及知識(shí)缺口

　　海洋的響應(yīng)和反饋全球變暖90%以上的熱量都儲(chǔ)存在海洋中。由于巨大的體量和比熱容，海洋對(duì)溫室氣體的響應(yīng)具有延時(shí)性[10]。即使碳中和目標(biāo)可以達(dá)成，海洋變暖、海平面上升等依然會(huì)持續(xù)[8,11]，這對(duì)未來(lái)適應(yīng)和減緩氣候變化提出了更高的要求。全球海洋物理狀態(tài)的變化會(huì)改變海洋的碳收支(例如，海洋吸收CO的“生物泵”和“物理泵”)，對(duì)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有重要影響。海水增暖后，其固碳能力會(huì)下降。例如，近幾十年南大洋內(nèi)部熱含量的增長(zhǎng)十分顯著[12]，這可能導(dǎo)致南大洋固碳能力減弱[10]。大西洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流減弱也可能會(huì)削弱深對(duì)流過(guò)程的固碳能力[13]。

　　在碳中和氣候狀態(tài)下，海洋層結(jié)上層減弱、中深層加強(qiáng)，這對(duì)海洋儲(chǔ)碳能力的影響尚不明確。北冰洋海底擁有巨大的碳埋藏量，一方面，北冰洋海水增暖使得這些冰狀水合物極易融化分解，從而釋放出CO;另一方面，全球變暖導(dǎo)致北極海冰范圍縮小，使得海表冷水與大氣的接觸增加，從而增強(qiáng)海水的儲(chǔ)碳的能力，二者最終會(huì)導(dǎo)致北極碳收支發(fā)生何種變化也不明確。

　　大氣的響應(yīng)和反饋我國(guó)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)型，但同時(shí)也會(huì)受到我國(guó)未來(lái)氣候走向的直接影響。例如，植樹(shù)造林，以及利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源都是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要舉措，而在多大程度和范圍內(nèi)能夠采取上述舉措主要依賴于氣溫、降水、輻射、風(fēng)速等基本的天氣和氣候狀況;即使對(duì)于傳統(tǒng)的水力發(fā)電，其在未來(lái)的能源供給能力也依賴于氣候，特別是降水的走向。在極端天氣條件下，如異常的“副高活動(dòng)”“極渦活動(dòng)”等帶來(lái)的大范圍風(fēng)能、光能異常，可能導(dǎo)致大規(guī)模電力供應(yīng)不足問(wèn)題，如2020年冬季美國(guó)得克薩斯州的能源災(zāi)難問(wèn)題。因此，在進(jìn)行我國(guó)碳中和規(guī)劃和碳匯的估算時(shí)必須考慮未來(lái)40年內(nèi)氣候走向這一要素。

　　溫室氣體濃度變化對(duì)氣候的影響主要分為2類不同時(shí)間尺度的過(guò)程[14]：受大氣CO強(qiáng)迫影響的快速調(diào)整過(guò)程、受全球平均溫度變化影響的緩慢調(diào)整過(guò)程。在溫室氣體濃度上升階段，兩者同步增長(zhǎng)，該情形下的氣候變化研究相對(duì)較清楚[15,16];而在下降階段，全球平均溫度的增長(zhǎng)將放緩，而科學(xué)界對(duì)該階段的氣候影響認(rèn)識(shí)不夠[10,17]。此外，《巴黎協(xié)定》只給出了21世紀(jì)的溫度控制目標(biāo)，但實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的溫室氣體排放路徑卻有很多種可能[18];同時(shí)，以不同的溫室氣體排放路徑實(shí)現(xiàn)相同的溫度目標(biāo)，氣候的響應(yīng)也存在差異[19,20]。

　　2我國(guó)陸地和海洋碳源/匯貢獻(xiàn)和不確定性

　　2.1中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯綜述陸地生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)最重要的碳匯之一[24]，系列研究利用不同的模型和方法，估算了我國(guó)區(qū)域陸地碳匯強(qiáng)度。這些研究對(duì)于量化我國(guó)陸地碳匯的貢獻(xiàn)發(fā)揮了重要的作用。例如，Wang等[24]發(fā)現(xiàn)2010—2016年我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)年均吸收了同時(shí)期人為碳排放的45%，揭示了我國(guó)陸地生態(tài)圈的巨大碳匯作用。然而，目前對(duì)于我國(guó)區(qū)域陸地碳匯強(qiáng)度估算仍然存在著較大的不確定性，不同研究者對(duì)于碳匯強(qiáng)度估算存在明顯的差異[24-30]。

　　3地球系統(tǒng)科學(xué)支撐碳中和的關(guān)鍵技術(shù)手段及現(xiàn)存的關(guān)鍵問(wèn)題

　　3.1基于地球系統(tǒng)模型模擬和預(yù)估氣候變化，支撐碳中和路徑和目標(biāo)地球系統(tǒng)模式能夠定量刻畫(huà)大氣、陸地、海洋碳循環(huán)等地球系統(tǒng)各部分之間的相互作用過(guò)程，是認(rèn)識(shí)、理解全球碳循環(huán)過(guò)程和機(jī)制，以及模擬和預(yù)估氣候變化的核心工具。通過(guò)設(shè)置不同的碳中和目標(biāo)約束(如何減排、如何增匯等)，地球系統(tǒng)模式得到最有效、最合理的碳中和路徑，從而為尋找碳中和最優(yōu)科學(xué)路徑提供強(qiáng)有力的技術(shù)和工具支持。

　　當(dāng)前，我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代中國(guó)科學(xué)院地球系統(tǒng)模式(CAS-ESM2)實(shí)現(xiàn)了碳循環(huán)和氣候的完全耦合[52]，可以模擬地球各主要分系統(tǒng)對(duì)不同碳中和路徑的響應(yīng)，包括陸地和海洋碳通量變化、陸表植被和水文變化、氣候變化等。然而，當(dāng)前地球系統(tǒng)模式在功能和性能上還需進(jìn)一步完善，特別是提升對(duì)人為過(guò)程、植被動(dòng)態(tài)演變、火干擾、氮循環(huán)等過(guò)程的描述[53]。

　　3.2天空地一體化溫室氣體觀測(cè)系統(tǒng)

　　衛(wèi)星遙感觀測(cè)衛(wèi)星遙感觀測(cè)可以在碳源匯核查方面發(fā)揮重要作用。我國(guó)于2016年發(fā)射了第一顆CO監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星[54]，又陸續(xù)發(fā)射風(fēng)云三號(hào)D星和高分五號(hào)大氣成分監(jiān)測(cè)衛(wèi)星[55]。由于幅寬較小(10—20km)且重訪周期長(zhǎng)，國(guó)際上現(xiàn)有衛(wèi)星主要在全球尺度碳源匯反演中發(fā)揮作用，還無(wú)法滿足點(diǎn)源、城市、區(qū)域尺度監(jiān)測(cè)需求。

　　4結(jié)論和建議

　　實(shí)施碳中和目標(biāo)將是我國(guó)21世紀(jì)最大規(guī)模的人類有序活動(dòng)，涉及地球系統(tǒng)多圈層相互作用，必將觸發(fā)地球環(huán)境演變，并催生新的科學(xué)前沿。本文總結(jié)了涉及碳中和的地球系統(tǒng)科學(xué)的若干科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，展望了發(fā)展趨勢(shì)。基于上述討論，提出3點(diǎn)科學(xué)建議。

　　(1)自主構(gòu)建氣候變化監(jiān)測(cè)指標(biāo)系統(tǒng)，深入理解氣候系統(tǒng)多圈層相互作用過(guò)程和機(jī)制，為碳中和目標(biāo) 的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)基礎(chǔ)。針對(duì)我國(guó)尚未建立關(guān)鍵氣候變化核心指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的問(wèn)題，建議積極統(tǒng)籌各方力量，建立我國(guó)自主可控的氣候變化核心監(jiān)測(cè)指標(biāo)集和平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)全球氣候變化核心數(shù)據(jù)的自主化并形成國(guó)際影響力，動(dòng)態(tài)評(píng)估全球氣候狀況，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)氣候系統(tǒng)多圈層相互作用過(guò)程和機(jī)制的理解，是精準(zhǔn)設(shè)置減排目標(biāo)、準(zhǔn)確評(píng)估氣候變化影響和風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。因此，要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需要全面加強(qiáng)全球碳匯格局、時(shí)間尺度、演化趨勢(shì)及其與氣候系統(tǒng)的互饋機(jī)理等方面的重要基礎(chǔ)科學(xué)研究。

　　(2)自主研發(fā)溫室氣體監(jiān)測(cè)與核查技術(shù)和平臺(tái)，為碳中和目標(biāo)提供先進(jìn)的科技支撐。目前，我國(guó)缺乏溫室氣體源匯評(píng)估的自主核查校驗(yàn)方法和技術(shù)平臺(tái)。建議：①在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取能力方面，突破溫室氣體空間監(jiān)測(cè)技術(shù)、地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)、垂直探測(cè)、自主先進(jìn)探測(cè)技術(shù)、非CO監(jiān)測(cè)技術(shù)，推進(jìn)城市碳監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)，形成天空地一體化的溫室氣體監(jiān)測(cè)能力。②在方法體系方面，研發(fā)基于天地一體化觀測(cè)的多尺度溫室氣體清單校核方法。融合“自上而下”反演方法與高分辨率“自下而上”動(dòng)態(tài)清單方法，實(shí)現(xiàn)人為源匯變化的精細(xì)化監(jiān)測(cè)，為國(guó)家相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。③需要全面認(rèn)識(shí)和調(diào)查海洋和陸地的生物及其物理固碳能力，全面監(jiān)測(cè)我國(guó)的碳源匯。

　　(3)進(jìn)一步完善地球系統(tǒng)模式，以國(guó)家“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”為核心，建設(shè)國(guó)家碳中和核算評(píng)估決策支持中心，用科技能力建設(shè)支撐碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施。需要研發(fā)和優(yōu)化可正確刻畫(huà)碳循環(huán)復(fù)雜過(guò)程的地球系統(tǒng)模型，結(jié)合不同減排情景和不同的人類活動(dòng)影響，預(yù)估2030年和2060年的全球及我國(guó)碳收支特征，以及我國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳中和的貢獻(xiàn);研究規(guī)劃最優(yōu)碳中和路徑的方法論，評(píng)估生態(tài)工程可能的方案和轉(zhuǎn)換能源結(jié)構(gòu)的最優(yōu)途徑，為我國(guó)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供強(qiáng)有力的科技支撐。

　　參考文獻(xiàn)MatthewsJBR.AnnexI:

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　　作者：蔡兆男1成里京1,2李婷婷1,2,3鄭循華1,2王林1,2韓圣慧1,2王凱1,2屈俠1,2江飛4張永雨5朱建華6龍上敏7孫揚(yáng)1賈炳浩1袁文平8張?zhí)煲?張晴1謝瑾博1朱家文1劉志強(qiáng)1吳琳1楊東旭1魏科1吳林1,2張穩(wěn)1劉毅1,2曹軍驥1,2