隨著全球氣候持續(xù)變暖，各種極端天氣頻發(fā)，碳中和問題也成為全球關注的焦點。

 

碳中和問題因人類活動向大氣中排放溫室氣體，導致全球變暖而起。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)及其介面間的物質和能量交換過程，以及地球自然系統(tǒng)和人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的相互作用，是深入認識地球系統(tǒng)科學的關鍵，也是碳中和領域最前沿的科學挑戰(zhàn)。

 

氣候變化導致極端天氣頻發(fā)、海平面上升、生態(tài)系統(tǒng)改變，還造成高溫、惡劣天氣、空氣污染等問題，造成人們產(chǎn)生過敏反應，影響人類身體健康。因此，我們要了解實現(xiàn)碳中和過程對氣候變化、公眾健康和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的影響和風險。

 

實現(xiàn)碳中和的四個科學問題

 

在世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的《2021年全球風險報告》中，位列第一的風險是氣候行動失敗，第二是傳染病，第三是生計危機……

 

這些自然系統(tǒng)或社會系統(tǒng)的風險和危機并非孤立存在。比如，人類活動向大氣中排放溫室氣體，導致全球變暖，而氣候行動失敗會關聯(lián)所有其他危機。

 

人類活動的碳排放最終會儲存到大氣、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、海洋三個系統(tǒng)之間存在碳交換過程，大氣里的碳可以進入海洋或陸地中，同樣，海陸之間的碳也能相互交換。

 

因此，在實現(xiàn)碳中和過程中，有四個和大氣科學密切相關的科學問題需要關注。

 

一是要理解碳中和過程，知道大氣中到底有多少碳，要認識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)值預測模型系統(tǒng)。由于觀測站點有限，僅靠觀測無法知道碳在大氣、海洋和陸地的精確分布、碳循環(huán)過程及其時間變化，因此需要建立數(shù)值模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)海—陸—氣過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)臏蚀_測算并預測未來變化；三是建立大氣、陸地、海洋界面的物理、化學、生物過程的一體化觀測系統(tǒng)，認識各圈層的相互作用，以及物質和能量交換過程；四是建立社會經(jīng)濟系統(tǒng)的動力學模型，認識社會經(jīng)濟系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間的相互作用，并在一體化動力學模型中實現(xiàn)雙向耦合。

 

碳中和不僅是自然系統(tǒng)的問題，和人類活動也密切關聯(lián)。比如，全球氣候變暖和能源、金融、保險、水資源、食品、農(nóng)業(yè)、交通、運輸、旅游、健康等社會經(jīng)濟系統(tǒng)密切相關。自然系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)緊密相連、相互作用，因此要通過動力學模型來刻畫二者之間的相互作用。

 

影響和風險須弄清楚

 

能源轉型（實現(xiàn)以清潔能源為主）是實現(xiàn)碳中和的關鍵問題之一。清潔能源中風能、太陽能都和大氣狀態(tài)有關，風能的產(chǎn)生取決于大氣的狀態(tài)（風速、風向等），太陽輻射也受大氣中云和氣溶膠等影響。因此，要更好地利用清潔能源，需要建立精細化大氣數(shù)值模式，開展太陽輻射和風場預報。

 

大氣狀況還涉及能源安全，比如，水利發(fā)電與大氣降水密切相關，氣溫高低又影響能源消耗。此外，與大氣科學有關的極端天氣事件也對能源生產(chǎn)和供應產(chǎn)生重大影響。2022年夏季，中國東南部極端高溫事件對電力供應造成極大考驗；2008年1月，南方冰凍雨雪災害天氣，幾乎使電力設施被毀；2021年2月美國東部的極冷天氣讓一些地區(qū)的電力、能源系統(tǒng)崩潰。因此，加強極端天氣事件的成因和影響研究、提升預報預防能力，是保證能源安全的一項重要基礎性工作。

 

全球變暖不僅是氣溫變化問題，還涉及海洋溫度、極端降水、冰川減少、海平面上升等，對自然環(huán)境產(chǎn)生一系列沖擊。實現(xiàn)碳中和目標，必須對減少溫室氣體排放可能的影響有清晰認識，要考慮實現(xiàn)碳中和過程中，會帶來怎樣的自然環(huán)境變化，這對經(jīng)濟社會發(fā)展和人類健康都至關重要。

 

德國經(jīng)濟問題觀察家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）在《氣候經(jīng)濟學》中指出，天氣在全球4/5的經(jīng)濟活動中扮演著決定性的角色。英國經(jīng)濟學家尼古拉斯·斯特恩(Nicholas Stern)，在《斯特恩報告》中指出，不斷加劇的溫室效應將會嚴重影響全球經(jīng)濟發(fā)展，其嚴重程度不亞于世界大戰(zhàn)和經(jīng)濟大蕭條。

 

但碳中和過程所造成的氣候變化對經(jīng)濟產(chǎn)生多大影響，有哪些風險，這些問題我們?nèi)圆磺宄Ｄ壳埃嚓P研究主要集中在氣候變暖對公眾健康的影響上，實際上，社會經(jīng)濟發(fā)展與氣候密切聯(lián)系，碳中和過程導致的氣候變化對經(jīng)濟產(chǎn)生的影響也亟待研究。

 

以科學研究推動實現(xiàn)碳中和

 

大氣與陸地、海洋之間碳循環(huán)及，其介面之間的物質和能量交換過程，地球自然系統(tǒng)和人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的相互作用研究，是大氣科學與其他學科的深度交叉，是深入認識地球系統(tǒng)科學的關鍵，也是涉及碳中和領域最前沿的科學挑戰(zhàn)。

 

對這些挑戰(zhàn)，目前我們還給不出比較好的答案。但建立自然和社會經(jīng)濟耦合模型，不僅是科學制定和評估碳中和實現(xiàn)路徑的重要工具，也是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎數(shù)字設施。

 

現(xiàn)在，數(shù)字地球建設已提上日程，上海也在建設數(shù)字化城市。自然和社會經(jīng)濟耦合模型將建立經(jīng)濟社會發(fā)展模型，將自然和社會經(jīng)濟系統(tǒng)數(shù)字化，這會成為數(shù)字地球的重要組成部分。

 

當前，世界各國家都在進行減排和能源替代探索，因此我們更要知道這一過程對氣候變化有什么影響，對經(jīng)濟社會發(fā)展和公眾健康有什么潛在風險，這也是實現(xiàn)碳中和目標的一項基礎性工作。

 

（本文據(jù)中國科學院院士、復旦大學大氣科學研究院院長張人禾在“瞰見未來”2023復旦大學管理學院新年論壇的演講整理）