隨著全球氣候持續(xù)變暖,各種極端天氣頻發(fā),碳中和問(wèn)題也成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。
碳中和問(wèn)題因人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體,導(dǎo)致全球變暖而起。這些溫室氣體以二氧化碳為主,包括少量甲烷和氧化亞氮等。研究大氣與陸地、海洋間的碳循環(huán)及其介面間的物質(zhì)和能量交換過(guò)程,以及地球自然系統(tǒng)和人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的相互作用,是深入認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵,也是碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。
氣候變化導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)、海平面上升、生態(tài)系統(tǒng)改變,影響人類(lèi)身體健康。因此,我們要了解實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程給氣候變化、公眾健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的影響和風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)現(xiàn)碳中和的四個(gè)科學(xué)問(wèn)題
在世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布的《2021年全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告》中,位列第一的風(fēng)險(xiǎn)是氣候行動(dòng)失敗,第二是傳染病,第三是生計(jì)危機(jī)……這些自然系統(tǒng)或社會(huì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和危機(jī)并非孤立存在。比如,人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體,導(dǎo)致全球變暖,而氣候行動(dòng)失敗會(huì)引發(fā)其他危機(jī)。
人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的碳排放最終會(huì)儲(chǔ)存到大氣、陸地或海洋系統(tǒng)中,但碳在各系統(tǒng)中的含量是不斷變化的。大氣、陸地、海洋三個(gè)系統(tǒng)之間存在碳交換過(guò)程,大氣里的碳可以進(jìn)入海洋或陸地中,同樣,海陸之間的碳也能相互交換。因此,在實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中,有四個(gè)和大氣科學(xué)密切相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題需要關(guān)注。
一是要理解碳中和過(guò)程,知道大氣中到底有多少碳,要認(rèn)識(shí)氣候變暖背景下大氣、陸地和海洋之間碳的變化,還要知道它們之間的碳循環(huán)過(guò)程。二是建立數(shù)值模型,建立海、陸、氣耦合的大氣溫室氣體數(shù)值模擬和數(shù)值預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)。由于觀測(cè)站點(diǎn)有限,僅靠觀測(cè)無(wú)法知道碳在大氣、海洋和陸地的精確分布,碳循環(huán)過(guò)程及其時(shí)間變化,因此需要建立數(shù)值模擬系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)海-陸-氣過(guò)程與溫室氣體排放源、吸收匯、區(qū)域和全球溫室氣體變化,以及區(qū)域之間傳輸?shù)臏?zhǔn)確測(cè)算并預(yù)測(cè)未來(lái)變化。三是建立大氣、陸地、海洋界面的物理、化學(xué)、生物過(guò)程的一體化觀測(cè)系統(tǒng),認(rèn)識(shí)各圈層的相互作用,以及物質(zhì)和能量交換過(guò)程。四是建立社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,認(rèn)識(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間的相互作用,并在一體化動(dòng)力學(xué)模型中實(shí)現(xiàn)雙向耦合。
碳中和不僅是自然系統(tǒng)的問(wèn)題,和人類(lèi)活動(dòng)也密切關(guān)聯(lián)。比如,全球氣候變暖和能源、金融、保險(xiǎn)、旅游、健康等社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)密切相關(guān)。自然系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)緊密相連、相互作用,因此要通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型刻畫(huà)二者之間的相互作用。
須弄清影響和風(fēng)險(xiǎn)
能源轉(zhuǎn)型(實(shí)現(xiàn)以清潔能源為主)是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵之一。清潔能源中風(fēng)能、太陽(yáng)能都和大氣狀態(tài)有關(guān),風(fēng)能的產(chǎn)生取決于大氣的狀態(tài)(風(fēng)速、風(fēng)向等),太陽(yáng)輻射也受大氣中云和氣溶膠等的影響。因此,要更好地利用清潔能源,需要建立精細(xì)化大氣數(shù)值模式,開(kāi)展太陽(yáng)輻射和風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)。
大氣狀況還影響能源安全,比如,水利發(fā)電與大氣降水密切相關(guān),氣溫高低又影響能源消耗。此外,與大氣科學(xué)有關(guān)的極端天氣事件也會(huì)對(duì)能源生產(chǎn)和供應(yīng)產(chǎn)生重大影響。2008年1月,南方冰凍雨雪災(zāi)害天氣幾乎使電力設(shè)施被毀;2021年2月,美國(guó)東部的極冷天氣讓一些地區(qū)的電力、能源系統(tǒng)崩潰;2022年夏季,中國(guó)東南部極端高溫事件給電力供應(yīng)帶來(lái)考驗(yàn)。因此,加強(qiáng)極端天氣事件的成因和影響研究、提升預(yù)報(bào)預(yù)防能力,是保證能源安全的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作。
全球變暖不僅是氣溫變化問(wèn)題,還涉及海洋溫度升高、極端降水增加、冰川減少、海平面上升等,對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生一系列沖擊。要想實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),必須對(duì)減少溫室氣體排放可能的影響有清晰認(rèn)識(shí),要考慮實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中自然環(huán)境會(huì)產(chǎn)生怎樣的變化,這對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)健康都至關(guān)重要。
德國(guó)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題觀察家弗里德黑姆·施瓦茨在《氣候經(jīng)濟(jì)學(xué)》中指出,天氣在全球4/5的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中扮演著決定性的角色。英國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家尼古拉斯·斯特恩在《斯特恩報(bào)告》中指出,不斷加劇的溫室效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展,其嚴(yán)重程度不亞于世界大戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)大蕭條。
但碳中和過(guò)程所造成的氣候變化對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生多大影響、有哪些風(fēng)險(xiǎn),這些問(wèn)題我們?nèi)圆磺宄?。目前,相關(guān)研究主要集中在氣候變暖對(duì)公眾健康的影響上,實(shí)際上,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與氣候變化密切聯(lián)系,碳中和過(guò)程導(dǎo)致的氣候變化對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響亟待研究。
以科學(xué)研究推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和
大氣與陸地、海洋之間碳循環(huán)及其介面之間的物質(zhì)和能量交換過(guò)程的研究,地球自然系統(tǒng)和人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間相互作用的研究,是大氣科學(xué)與其他學(xué)科深度交叉的過(guò)程,是深入認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵,也是碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。
對(duì)這些挑戰(zhàn),目前我們還給不出比較好的答案。但建立自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合模型,不僅是科學(xué)制定和評(píng)估碳中和實(shí)現(xiàn)路徑的重要工具,也是人類(lèi)社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)數(shù)字設(shè)施。
現(xiàn)在,數(shù)字地球建設(shè)已提上日程,上海也在建設(shè)數(shù)字化城市。自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合模型,將自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)數(shù)字化,這會(huì)成為數(shù)字地球的重要組成部分。
當(dāng)前,世界各國(guó)都在進(jìn)行減排和能源替代探索,因此我們更要知道這一過(guò)程對(duì)氣候變化有什么影響,對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和公眾健康有什么潛在威脅,這也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。
(作者系中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)大氣科學(xué)研究院院長(zhǎng),本報(bào)記者張雙虎據(jù)其在“瞰見(jiàn)未來(lái)”2023復(fù)旦大學(xué)管理學(xué)院新年論壇上的演講整理)
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